聚合醇鉆井液的作用機(jī)理

隨著油氣勘探的開展，對(duì)油氣層及其他相關(guān)技術(shù)所面臨的安全快速井開挖提出了越來越嚴(yán)格的要求。因此,人們開始著眼于研究能夠解決上述問題的新型鉆井液,由此而產(chǎn)生了諸如,甲酸鹽鉆井液、硅酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液、合成基鉆井液等新型鉆井液體系。聚合醇鉆井液是在上世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種新型鉆井液體系,由于它特殊的優(yōu)點(diǎn),如易生物降解,利于環(huán)保;無熒光,不干擾地質(zhì)錄井;保護(hù)油氣層,與其它處理劑配伍性好等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了人們的青睞。聚合醇通常也稱為多元醇或復(fù)合醇,大多數(shù)由聚乙二醇、聚丙二醇或乙二醇與丙二醇等的共聚物,它是一種淡黃色透明的液體,無毒、無味,溶于水,具有濁點(diǎn)等特性,在鉆井液中加入一定量的聚合醇而形成聚合醇鉆井液。90年代初江漢石油學(xué)院的向興金等人開發(fā)出聚合醇JLX系列產(chǎn)品,在海洋等油氣田得到了廣泛的應(yīng)用,在安全快速鉆井、保護(hù)油氣層、潤滑與環(huán)境保護(hù)等方面取得了很好的效果。聚合醇是一種非離子型表面活性劑,其水溶性受溫度的影響比較大,當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),聚合醇從水溶液中析出,表現(xiàn)出濁點(diǎn)效應(yīng),此溫度為聚合醇的濁點(diǎn)溫度,當(dāng)溫度低于濁點(diǎn)溫度時(shí),聚合醇又溶于水中。因此,聚合醇鉆井液正是利用了它的濁點(diǎn)特性來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。一、聚合醇鉆井液聚合醇鉆井液是一種介于油基鉆井液與水基鉆井液之間的過渡型鉆井液,其核心處理劑為聚合醇,它除了具有很好的潤滑性、抑制性外,還兼有環(huán)保與保護(hù)儲(chǔ)層的作用,它可有效對(duì)付水敏地層及復(fù)雜地層。近年來人們對(duì)聚合醇鉆井液的作用機(jī)理等方面進(jìn)行了大量的研究,也得到了一些普遍的共識(shí),其觀如下:(1)聚合醇具有濁點(diǎn)效應(yīng)。聚合醇分子結(jié)構(gòu)中一般含有聚氧乙烯與聚氧丙烯的基團(tuán),前者具有水溶性,而后者表現(xiàn)出疏水性。通過改變聚合醇中二者的比例調(diào)節(jié)其性能,在低溫下與水形成均一透明溶液,隨著溫度的升高,在水溶液中的溶解度下降,從水溶液中析出,表現(xiàn)出濁點(diǎn)效應(yīng);當(dāng)溫度降低到濁點(diǎn)溫度以下時(shí),聚合醇開始溶解,聚合醇在鉆井液中表現(xiàn)出的抑制性能與其濁點(diǎn)密切相關(guān)。濁點(diǎn)對(duì)聚合醇鉆井液性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵性的作用。在濁點(diǎn)溫度以上時(shí),溶解的聚合醇為連續(xù)的液相,能減少鉆井濾液的化學(xué)活性,增加濾液的液相粘度,延長頁巖失穩(wěn)的時(shí)間;在濁點(diǎn)溫度以上時(shí),聚合醇分子發(fā)生相分離,從水中析出形成乳狀液,不溶的聚合醇分子吸附在鉆屑與泥頁巖表面形成憎水膜,抑制頁巖水化膨脹與分散,降低泥頁巖的滲透率,阻止濾液滲入地層,實(shí)現(xiàn)鉆井液性能穩(wěn)定與井壁穩(wěn)定,同時(shí)吸附于固體顆粒與鉆具表面的類似油相的分子膜,可以改善鉆井液的潤滑性能,降低鉆具的扭矩與摩阻,防止卡鉆。因此,在鉆井液循環(huán)過程中,防止鉆屑帶走聚合醇,應(yīng)當(dāng)保證鉆井液中聚合醇的有效濃度。Bland認(rèn)為,為了使高于濁點(diǎn)溫度時(shí)析出的聚合醇能有效地封堵地層孔隙,其分子量應(yīng)控制在500~2000范圍內(nèi),否則粒徑過大,不能進(jìn)入頁巖孔道,而使抑制頁巖水化分散的作用減弱。Mcgil提出了為使聚合醇鉆井液具有更好的抑制性能,聚合醇的表觀濁點(diǎn)應(yīng)低于或接近井底溫度,一種有效的聚合醇產(chǎn)品最好由濁點(diǎn)不同的幾種產(chǎn)物所構(gòu)成,將濁點(diǎn)調(diào)整到井下循環(huán)溫度一致。(2)聚合醇與無機(jī)鹽氯化鉀的協(xié)同效應(yīng)。由于聚合醇分子內(nèi)部的醚鍵與水分子競爭而吸附在粘土表面,形成體積較大的化合物層,并與鉀離子發(fā)生協(xié)同作用,使結(jié)構(gòu)的有序性與致密性進(jìn)一步提高,從而有效地排斥水分子在粘土表面的附著,起到了減弱頁巖水化,穩(wěn)定頁巖的作用。Aston研究了在KCl存在的條件下,用聚合醇與KCl浸泡的巖樣中水的濃度與聚合醇濃度與浸泡時(shí)間、處理劑濃度的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn):隨著浸泡時(shí)間的延長或聚合醇濃度的提高,出現(xiàn)了含水量下降,聚合醇含量升高的現(xiàn)象,這說明了聚合醇取代了巖樣中的吸附水,控制頁巖表面的水化。然而,Reid研究了在無KCl存在的條件下,聚合醇的吸附量與頁巖抑制的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)聚合醇在單獨(dú)存在時(shí),盡管聚合醇強(qiáng)烈吸附在粘土表面,但吸附量與抑制能力不成正比,而當(dāng)聚合醇與KCl共存時(shí),聚合醇平臥在相鄰的粘土層間,形成致密的單分子層,控制井壁穩(wěn)定的能力增強(qiáng)。由此可見,聚合醇中的醚鍵吸附與鉀離子的共同作用是決定其抑制性的關(guān)鍵。(3)聚合醇的滲透機(jī)理。持該機(jī)理的學(xué)者認(rèn)為,聚合醇主要通過增大濾液的粘度、降低濾液的化學(xué)活性,抑制頁巖的水化分散。由于鉆井液與頁巖間存在著壓差以及二者之間的水的活度不同,導(dǎo)致鉆井液中水進(jìn)入頁巖,導(dǎo)致井眼失穩(wěn)。聚合醇一方面可通過提高濾液的粘度,增加滲透阻力,減少濾失量,起到了控制頁巖水化的作用,還可通過平衡頁巖空隙水向井眼中滲透來阻止濾液進(jìn)入頁巖,進(jìn)一步提高井壁的穩(wěn)定性。二、采用聚乙烯醇開采系統(tǒng)聚合醇鉆井液是以聚合醇為主處理劑的新型鉆井液體系,對(duì)于快速鉆井與環(huán)保等方面具有重要的意義,下面分別考察聚合醇對(duì)鉆井液性能的影響。(1)聚合物醇鉆井液水液溫度在基漿中分別加入不同濃度的聚合醇,測定了聚合醇對(duì)鉆井液流變性能的影響。實(shí)驗(yàn)中所使用的基漿為4%的膨潤土+0.2%80A51+0.5%LV-CVC+2%SMP,從實(shí)驗(yàn)中可以看出:聚合醇鉆井液的加入,不同程度地降低了鉆井液的粘度與切力,失水也有所下降,表現(xiàn)出一種稀釋降粘的作用,流變性能變好,但總的來說對(duì)鉆井液性能影響不大,聚合醇的加入對(duì)鉆井液的流變性能調(diào)節(jié)起到了一定的作用。(2)老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了評(píng)價(jià)鉆井液中加入3%的聚合醇后對(duì)熱穩(wěn)定性的影響,我們?cè)谏鲜龌鶟{中改變聚合醇的加量測得了在不同溫度老化后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果見表1。熱滾前的流變參數(shù)為:PV=45mPa·s,YP=15Pa,FL=7.5mL。從表1中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過高溫老化實(shí)驗(yàn)后,鉆井液的性能變化基本不大,聚合醇的存在對(duì)鉆井液起到了穩(wěn)定作用,能夠延緩鉆井液中其它有機(jī)處理劑的熱降解作用,對(duì)維持鉆井液具有良好的流變性能發(fā)揮了重要的作用。(3)無機(jī)鹽對(duì)聚合醇溶液濁點(diǎn)的影響在上述基漿中加入3%的聚合醇,通過改變無機(jī)鹽的濃度來考察對(duì)聚合醇溶液濁點(diǎn)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),無機(jī)鹽的加入能顯著降低聚合醇溶液的濁點(diǎn),隨著無機(jī)鹽濃度的增大,聚合醇溶液的濁點(diǎn)而降低,在無機(jī)鹽濃度相同的條件下,KCl的影響稍大于NaCl,這是由于電解質(zhì)對(duì)水分子的親合能力大于對(duì)聚合醇的氫鍵的結(jié)合力,導(dǎo)致了水分子脫離聚合醇的傾向發(fā)生,濁點(diǎn)下降。(4)口易塌地層巖屑回收率在上述基漿中分別加入不同濃度的聚合醇,分別測定了聚合醇濃度的變化對(duì)頁巖回收率的變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。回收率實(shí)驗(yàn)所使用的巖屑為青山口易塌地層頁巖巖屑,其方法是把巖屑烘干、粉碎,經(jīng)過5~8目篩后,取30g加入不同的增粘劑于基漿中,在120℃的條件下浸泡24h,取出后過40目篩稱重,計(jì)算出回收率。從表2中可以發(fā)現(xiàn),隨著鉆井液中聚合醇濃度的增大,頁巖的回收率增大,繼續(xù)增大其濃度,回收率變化幅度不大,總體考慮聚合醇的濃度在3%為宜。該實(shí)驗(yàn)也說明了聚合醇能有效地抑制頁巖水化、分散的能力,可以避免在頁巖地層鉆進(jìn)過程中井壁失穩(wěn)的發(fā)生。(5)潤滑性能評(píng)價(jià)使用極壓潤滑儀對(duì)聚合醇鉆井液進(jìn)行了潤滑性能評(píng)價(jià),在上述的基漿中分別加入2%的聚合醇與3%的白油來考察聚合醇鉆井液的潤滑性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出:加入2%的聚合醇的降摩阻效高要好于3%的白油的降摩阻效果。降摩阻的效率達(dá)到49.9%,具有較好的潤滑性能。三、聚合醇單獨(dú)作用原理(1)聚合醇是一種非離子表面活性劑,具有濁點(diǎn)效應(yīng)。當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時(shí),發(fā)生相分離而從水中