羟乙基纤维素的性质及其油田应用

羟乙基纤维素的性质及其油田应用
羟乙基纤维素 (HEC) 具有增稠、悬浮、分散、保失水等杰出性能，在众多的工业部门被广泛应用。

尤其在油田， HEC 在钻井、完井、修井及压裂等工艺中表现十分出色，主要被用作盐水中的增稠剂，此外还有许多特殊的应用。

一、几个有利于油田使用的性质
( 一 ) 容盐性：
HEC 对电解质有极好的容盐性。

由于 HEC 是一种非离子型材料，在水介质中不会离子化，不会因体系中出现高浓度盐类而产生沉淀残渣，从而导致其粘度的改变。

HEC 对许多一价和二价的高浓度电解质溶液有增稠作用，而 CMC 等阴离子纤维素衍生物则会对某些金属离子产生盐析。

在油田应用中， HEC 完全不受水的硬度及盐浓度的影响，甚至可以增稠含高浓度锌离子和钙离子的加重液。

仅硫酸铝对它有沉淀影响。

HEC 在淡水和饱和 NaCl 、 CaCl2 及 ZnBr2 、 CaBr2 等加重液强电解质中的增稠效果。

HEC 的这种优异的容盐性，使得它有机会在本井和海上油田开发中一展风采。

( 二 ) 粘度与剪切率：
水溶性 HEC 在热水或冷水中均能溶解，产生粘度并形成假塑胶。

其水溶液吴表面活性，倾向于形成泡沫。

一般油田用中高粘度的 HEC ，其溶液呈非牛顿型，显有高度的假塑性，粘度受剪切率所影响。

在低剪切率下， HEC 分子排列是无规则的，结果形成高粘度的链缠结，提高了粘度；在高剪切率下，分子随流动方向变为定向排列，减少了对流动的阻力，粘度则随着剪切率的增加而下降。

美国的联合碳化物公司 (UCC) 通过大量的实验总结认为，钻井液的流变行为是非线性的，可用幂律式表示为：
切应力＝ k ( 剪切率 )n
式中： n 为溶液在低剪切率 (1S-1) 时的有效粘度。

n 与剪切稀释度成反比。

在泥浆工程中，如要计算井下条件的有效流体粘度时， k 和 n 就显得极有用处。

该公司总结出一套有关采用 HEC(4400cps) 作为钻井泥浆成份时的 k 和 n 的对应值 ( 列于表二，供参考 ) 。

此表适用于在淡水和盐水( 含 NaCl0.92kg/l) 中的各个浓度的 HEC 溶液。

通过该表，可以查得对应中等 (100-200rpm) 和较低 (15-30rpm) 剪切率的值。

HEC 溶液的流变性能及幂律常数
( 三 ) 其它性能：
1) 、 HEC 具有优异的降失水性能。

API 试验证明了这种性能。

水泥失水试验
根据 API RP 10B 方法进行。

700g H 级水泥， 308g 水。

事实上，如商品羟乙基纤维素的包装不妥时，其最大含湿量可达 25-30% 。

2) 、 HEC 的可混用性。

水溶性 HEC 在溶液中能同大多数水溶性树脂混用，并形成清彻、均匀、高粘的溶液。

3) 、 HEC 的温度效应。

溶液温度升同时它的粘度就会下降。

并且这个过程可逆。

4) 、 HEC 受酶催化降解，会影响溶液粘度 ( 特别是在稀溶液状态下 )
HEC 在油田的应用
( 一 ) 钻井液
加有 HEC 的钻井液通常用于硬岩钻井以及循环水漏失控制、过量失水、压力反常、高低不平的页岩层等特殊情况钻井。

在开钻和大井眼钻井工艺中，应用效果也很好。

由于 HEC 具有增稠、悬浮、润滑等性质，用在钻井泥浆中，它能冷却铁屑及钻屑，将切害虫物带至地表，提高了泥浆的携岩能力。

胜利油田曾用它作为井洞扩携沙液，效果显著，并投入实用。

在井下，当遇到非常高的剪切率时，由于 HEC 具有奇特的流变行为，使钻液粘度在局部可接近至水的粘度，一方面提高了钻速，且使钻头不易发热，延长钻头使用寿命；另一方面，所钻井洞清洁，具有较高的渗透率。

尤其是在硬岩层结构中使用，这种效
果十分明显，可节约大量的材料。

一般认为，在特定速率下的钻液循环，其所需动力在很大程度上取决于钻液流体的粘度，而采用 HEC 的钻液能够明显降低水动力摩擦，从而降低对泵压的需求。

这样，也就使发生井漏的敏感度亦随之下降。

此外，在停机之后恢复循环时，还可减少起动转矩。

HEC 的氯化钾溶液配成的钻井液能提高井眼的稳定性。

使不平的岩层处于一个稳定状态，以放宽对套管的
要求。

这种钻井液还进一步改善了携岩能力，限制钻屑的扩散。

即使在电解质溶液中 HEC 仍能提粘。

在敏感层的钻井液中常会碰到一些含钠离子、钙离子及氯离子、溴
离子的盐水，这种钻液用 HEC 进行增稠，可使其在人武部的盐浓度及加重范围内，保持无凝胶溶解性及良好的
提粘能力。

可以防止对生产层的损伤，提高钻速和产油量。

使用 HEC 后还可大大改善泥浆的滤失性能。

大幅度提高泥浆的稳定性。

HEC 可作为一种添加剂，加到非分
散的盐水膨润土泥浆中，可以降低失水，且在不提高凝胶强度的情况下，提高粘度。

同时，应用 HEC 于钻井泥浆可以掏井内粘土的分散，防止井塌。

降失水效能使井壁上泥页岩的水化速度减缓，加上 HEC 的长链在井壁岩石上的覆盖作用，使岩石结构加强，使其不易水化剥落以致坍塌。

在高渗透率的岩层，用失水添加剂象碳酸钙、筛选的碳氢化物树脂或水溶性盐粒均有良效，但在极端状态时，可以用高浓度的失水补救液 ( 即每桶溶液中含
HEC 1.3-3.2kg) ，以防止失水深入采油层。

HEC 在钻井泥浆中还可以作为不会发酵的保护胶，进行油井处理，并且进行在高压 (200 大气压 ) 和温度方面，的测定工作。

使用 HEC 的优点，还在于可以使钻井与完井工艺用相同的泥浆，减少对其他分散剂，稀释剂及 PH 调节剂的依赖，液体处理及储运等均十分方便。

( 二 ) 压裂液：
在压裂液中， HEC 能提粘，而且 HEC 本身对油层无影响，不会堵塞裂颖，可压裂油井。

它同时具有水基压裂液的一般特性，如悬沙能力强、摩阻小等。

由 HEC 等增稠的钾、钠、铅等的高碘盐的 0.1-2% 水─醇混合液，用高压注入油井，进行压裂，于 48 小时内恢复了流动性。

用 HEC 制成的水基压裂液，液化之后基本无残渣，尤其适用于渗透率低，无法反排残渣的地层。

在碱性条件下，与氯化锰、氯化铜、硝酸铜、硫酸铜以及重铬酸盐等溶液形成络合物，专用于携带支撑剂的压裂液。

使用 HEC 可以避免因井下高温而造成的粘度损失，破裂石油层，在高于371 ℃的井下仍然收到较好的效果。

HEC 在井下条件不易腐败变质，残渣低，基本不会堵塞油路，造成井下污染，从性能上讲，要比压裂中常用的胶如田菁等好得多。

Phillips 石油公司亦对比研究了羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素等纤维素醚类压裂液成份，认为还是以 HEC 为最佳。

我国大庆油田用基液 HEC 浓度为 0.6% 、交链剂为硫酸铜的压裂液后，总结道，在压裂液中使用 HEC 同其他天然胶相比，具有“ (1) 基液配制好后，不容易腐败变质，可放置时间长些； (2) 残渣低。

”等优势，而后者正是 HEC 在国外广泛被应用于油井压裂的关键所在。

( 三 ) 完井和修井：
HEC 配成的低固相完井液，在接近油层时，可避免泥土颗粒堵塞油层空隙。

降失水性质还会防止大量水份从泥浆进入油层，以保证油层的生产能力。

HEC 降低了泥浆的摩阻，从而可降低泵压，减少动力消耗。

其优异的溶盐性能也保证了在对油井酸化处理时，不析出沉淀。

在完井和修井作业中，主要是利用 HEC 的粘性来转移砂砾。

在每桶工作液里加 0.5-1kg 的 HEC ，可以携带起井眼里的岩沙和碎石，使得井下的径向和纵向沙砾颁状态较好。

接下来破除去聚合物也很方便，极大地简化了清除修井液和完井液的过程，只要偶尔，井下条件特殊，有必要采取矫措施，防止在钻井和修井时泥浆不返出井口，使循环液漏失。

这种情况下，可以试用以高浓度 HEC 配成的失水补救液，即在每桶水中迅速加入 1.3-3.2kg 的HEC 注入井下。

此外，在极端情况下，可在每桶柴油中放约 23 公斤左右的 HEC ，泵主井下，使之在洞内与岩层水混合时慢慢水合。

在渗透率为 500 毫达西，用浓度为每桶约 0.68 公斤 HEC 的溶液饱和过的砂芯里，用盐酸酸化，其渗透率可恢复到原来的百分之九十以上。

另外用含 136ppm 固相成人成份的未经过滤过的海水制成的、含有碳酸钙的 HEC 完井液，其滤饼用酸从滤芯表面去除之后，原回渗率的 98% 得以恢复。

辽河油田采用 HEC 做的无固相修井液，在防砂修井、酸化、试井、蒸气吞吐、压井诸方面均收到显著效果。

他们认为这种修井液具有清洁，不会与油层接触引起粘土膨胀迁移，对岩芯的渗透率伤害很小 (<10%) 等特点，可用于重质油井和漏失严重的井，还可回收使用。

在固井注水泥工艺中， HEC 具有双重功能：一是可以通过降低水力磨擦，降低泵压，提高速率；而更为重要的是 HEC 具有优异的保失水功效，可以有效地阻止水份流向岩层，致使固井不死，同时亦保护了水泥的机械性能。

我国的大庆油田、胜利油田使用 HEC 顺利完成 4000-5000 米以上深井固井作业。

在固井工艺中一般使用低粘的 HEC 。

HEC 能很好地同杀虫剂、除氧剂、泥浆失水控制剂及消泡剂等常用的油田化学品添加剂稳定共存。

三、使用方法
( 一 ) 配制：
HEC 有个显著的特点，就是当它加入微酸性的水中去时，具有延时粘度产生效应。

从开始到增稠所需要的这一段时间有助于 HEC 颗粒分散均匀、透彻而不再结块，以获得列凝胶溶液。

当 HEC 分散完全之后，可采用不断搅拌溶液的方式，德行粘度产生；也可将 PH 调高至 9-10 的碱性点， 15 分钟内即可增稠；或者，也可以加热溶液、提高温度、促进 HEC 的溶解。

在油井作业现场， HEC 溶液是在中性到微酸性 PH 条件下，通过泥浆斗 ( 喷射型漏斗 ) 在混合桶中分批制得的，并保持 HEC 处于良好的分散状态。

现场使用时，只要加入烧碱即可立即产生粘度。

使用泥浆枪作业时，应注意把喷头插到液面下，这样做的目的是为了避免产生泡沫。

很多情况下，需要补充 HEC 以增加原有溶液的粘度。

这时应边加料边缓缓搅拌，最好能在补加 HEC 之前，先把 HEC
粉用柴油等有机溶剂或中性至微酸性的水润湿一下，这样做效果会更好。

一般的通用钻井
液可照以下步骤配制：
１、洗净配制容器 ( 桶、罐等 ) 。

２、按设定的浓度要求，在适量的中性或微酸性水中，将 HEC 缓缓加入，速度切勿快于 100kgHEC/15 分钟。

３、用氢氧化钠把 PH 提到 9 。

但如所含电解质为氯化钙、溴化钙等，则不宜用此法。

４、在配制成的溶液中，再增加 HEC 的量可提高粘度。

反之，加水也可以降低粘度。

失水补救液的配制：先在桶中放好适量的水，然后迅速将 1.3-3.2 公斤 / 桶的 HEC 投入桶中，并在尽可能短的时间里从液面泵取溶液，勿使粘度产生。

( 二 ) 、防酶
由于 HEC 是从纤维素制得的，不可避免地，它易受酶解，并可能失去粘度。

这个性质有利于在完井和修井工艺中， HEC 同破乳剂的配合使用，但在配制钻井液时，必须引起重视，要用生物杀伤剂处理一下，避免细菌酶种产生。

如果一旦细菌分散作用已经发生，那么纵然再采取补救措施杀死细菌后，在一段时间内细菌分散到所形成的酶仍会使 HEC 降解，从而仍可能造成粘度损失，所以一定要防患于未然。

另一个须注意的是，绝对不要用表面溢流水来配制钻井液，这类水体中很可能含酶，在极短的时间里完全破坏 HEC 溶液。

( 三 ) 灭泡剂
在钻井等过程中，工作液易产生泡沫，必须予以除去或尽可能避免发生。

聚二醇类物质、 SAG 硅氧烷等均不失为 HEC 溶液的有效灭泡
良剂，但其用量须视现场情况摸索试验。

总之，在油田上，使用 HEC 时，须注意五个要点：
１、在加料时，保持搅拌。

并在全部粘度产生之前不断循环搅拌。

２、水的性质影响到溶解时间。

当 PH 或温度两者之一有提高，则完全水化时间缩短。

在 HEC 未被完全分散之前，不要急于升高水的 PH 。

３、通过泥浆斗慢慢加料 (100kgHEC/15 分钟 ) 。

４、加进有效防腐剂、杀菌剂以防发生酶解。

５、为防止 HEC 吸收水分，须将已被拆包但尚未一次用完的 HEC 密闭贮放。