聚乙二醇钻井液抑制性影响因素研究!!!

文章编号:1004—5716(2005)12—0107—02中图分类号:TE254　文献标识码:B 聚乙二醇钻井液抑制性影响因素研究

范　鹏1,李　斗2

(1.中国石油大学<华东>石油工程学院,山东东营257061;2.中国石油辽河石化分公司生产运营处,辽宁盘锦124022)

摘　要:以岩屑滚动回收率为评价指标,对聚乙二醇抑制性影响因素进行了分析。实验表明,聚乙二醇相对分子量对其

抑制性影响不大;仅当NaCl加量≥15%时,才能大大增强聚乙二醇抑制性;少量KCl就能大幅度提高聚乙二醇溶液的抑

制性;浊点以下,温度升高减弱聚乙二醇溶液的抑制性,浊点以上,温度升高增强聚乙二醇溶液的抑制性能。

关键词:聚乙二醇;钻井液;研究

聚乙二醇钻井液是20世纪90年代初在国外发展起来的一种新型水基钻井液体系,该体系不但能有效地抑制泥页岩水化膨胀分散、保持井壁稳定、防止压差卡钻及减小扭矩,而且毒性小,对环境无污染,能够满足工艺及环境各方面的要求。现已成功地钻进了大斜度、大位移井和水平井以及高温高压井的高活性泥页岩地层,取得良好的现场效果,具有广阔的应用前景。

聚乙二醇主要作为抑制剂在钻井液中使用,有关其抑制机理国内外已有较多研究[1～3],但对聚乙二醇抑制性影响因素研究较少。本文以页岩回收率为评价指标,从温度、无机盐和温度三个方面对聚乙二醇抑制性进行试验研究。实验表明,聚乙二醇相对分子量对其抑制性影响不大;仅当NaCl加量≥15%时,才能大大增强聚乙二醇抑制性;少量KCl就能大幅度提高聚乙二醇溶液的抑制性;浊点以下,温度升高减弱聚乙二醇溶液的抑制性,浊点以上,温度升高增强聚乙二醇溶液的抑制性能。

1　实验材料、仪器和方法

(1)主要实验材料:相对分子量为2000、4000、10000和20000的化学纯聚乙二醇(PEG),工业级NaCl,化学纯KCl,化学纯CaCl

2

等。实验所用岩样均取自胜利CB301-A井,其粘土矿物组成见表1。

表1　实验岩样粘土矿物组成

种类伊利石伊/蒙高岭石绿泥石

含量%306262

(2)主要实验仪器:滚子加热炉、电子天平等。

(3)实验方法:聚乙二醇溶液浊点测定:记录溶液升温时变浑浊的温度和随后降温时溶液变清的温度,两温度的平均值为浊点。

页岩回收率实验:向浸泡液中分别加入50g粒径为2.0～5.0mm的页岩岩屑,在77℃老化罐中热滚16h后,用孔径为0.45mm的筛回收岩屑,将回收岩屑放入表面皿中,在105℃烘箱中烘4～6h,取出在室温中放置,自然风干24h后称重,所回收的岩屑重量与初始岩屑重量之比即为页岩回收率。2　实验结果与讨论

2.1　聚乙二醇相对分子量对其抑制作用的影响

对相对分子量为2000、4000、10000和20000的四种聚乙二醇,在不同介质中的抑制性能进行评价,聚乙二醇加量为3%,实验结果见表2。

表2　相对分子量对聚乙二醇抑制作用影响(77℃)

相对分子量淡水1mol N aCl35%NaCl1mol KCl 200013.329.593.983.2

400013.229.094.185.4

1000013.433.998.086.0

2000013.635.498.386.1

由表2可以看出,随聚乙二醇相对分子量增加,页岩回收率略有增大,但增加量很小,说明在相对分子量为2000～20000范围内及所实验的条件下,相对分子量对聚乙二醇抑制性影响不大。

2.2　NaC l对聚乙二醇抑制作用的影响

向聚乙二醇溶液中分别加入不同量的NaCl,测定其页岩回收率,实验结果见表3。

表3NaC l对聚乙二醇(M=10000)溶液岩屑回收率影响(77℃)

聚乙二醇

加量(%)

NaCl加量(%)

0 5.810152035

1.013.035.145.874.288.7100.6

2.01

3.229.338.49293.4100.4

3.013.133.146.99496.6101.4

由表3可以看出,随着NaCl浓度增加,聚乙二醇溶液回收率提高,抑制作用增强。但在不同NaCl浓度范围内,其回收率提高幅度不同。在NaCl浓度≤15%时,随NaCl浓度增加其回收率逐渐升高,但提高幅度不大;当NaCl浓度由10%提高到15%时,回收率大幅度提高,然后随着NaCl浓度增加其回收率又缓慢提高。

由于Na+离子水化作用较强,在NaCl浓度<15%的溶液中,

总第116期2005年第12期

西部探矿工程

W EST-CH I N A EXP LORATI O N E NGI N EER I N G

series No.116

Dec.2005

粘土表面的水化膜仍然较厚,阻碍了聚乙二醇分子在粘土表面的吸附,此时溶液中主要是NaCl 在起抑制作用;而当NaCl 浓度≥15%时,因为Na +离子的浓度很高,强烈地压缩双电层,使粘土水化膜变薄,使聚乙二醇在氢键的作用内与粘土表面很好的吸附,能较好地抑制泥页岩的水化分散作用,同时,聚乙二醇溶液浊点(见表4)此时已低于实验温度(77℃),部分聚乙二醇呈不溶状态,更有利于聚乙二醇质点在粘土表面吸附,故使聚乙二醇溶液的抑制性大大增强,页岩回收率大幅度提高。

表4NaC l 对聚乙二醇(M =10000)溶液浊点影响(℃)

聚乙二醇加量(%)

NaCl 加量(%)

0 5.8101520351.0>10096.08371.063<252.0>10092.58168.060<253.0

>100

91.0

80

67.0

59

<25

2.3　KC l 对聚乙二醇抑制作用的影响

向聚乙二醇溶液中分别加入不同量的KCl,测定页岩回收率,实验结果见表5。

表5　KC l 对聚乙二醇(M =10000)溶液页岩回收率影响(77℃)聚乙二醇加量(%)

KCl 加量(%)

0 1.0 4.07.014.81.013.071.683.589.689.72.013.271.786.48993.93.0

13.1

70.1

84.9

87.4

94.8

由表5可知,KCl 能大幅度提高聚乙二醇溶液的抑制性能,在KCl 加量仅为1%时,就可使页岩回收率大幅度提高。随KCl 浓度的升高,聚乙二醇溶液的页岩回收率逐步上升,表明聚乙二醇与KCl 具有良好的协同作用。

在聚乙二醇溶液中加入KCl,K +

吸附到粘土表面,压缩了粘土表面的双电层,由于K +水化作用弱,加入少量就能使粘土表面的水化膜变薄,从而使聚乙二醇在氢键的作用范围内与粘土表面很好的吸附,起到较好地抑制泥页岩的水化分散作用。因此,加入较少的KCl 就能大幅度提高页岩回收率。

2.4　CaC l 2对聚乙二醇溶液抑制作用的影响

由于岩屑有限,本组实验做的较少,结果表6。

表6

CaC l 2对聚乙二醇(M =10000)溶液页岩回收率影响(77℃)

聚乙二醇浓度(%)

0%CaCl 2

5%CaCl 2

10%CaCl 2

浊点

(℃)R (%)浊点

(℃)R (%)浊点

(℃)R (%)0/23.3/48.5/50.23

>100

13.0

>100

39.8

90

44.0

由表6可以看出,随CaCl 2浓度增加,聚乙二醇溶液浊点降低。在浊点以下时,聚乙二醇在CaCl 2溶液中无抑制作用。这是

由于Ca

2+

水化作用强,Ca

2+

与溶剂化水结合的很牢固,因此

Ca 2+

与聚乙二醇之间的相互作用不足以将溶剂化水移走,而聚

乙二醇的加入却使粘土的底面间距增加,因此聚乙二醇在CaCl 2溶液中不但不能增强溶液的抑制作用,反而削弱了CaCl 2的抑制作用。

2.5　温度对聚乙二醇中抑制作用的影响

聚乙二醇溶液回收率随温度变化见表7。

表7

温度与聚乙二醇(M =10000)溶液回收率的影响

溶液组成

浊点

(℃)实验温度(℃)

7788911003%PEG/5.8%NaCl 溶液9133.132.788.090.51%PEG/7.4%KCl 溶液9589.688.185.692.2

3%PEG/7.4%KCl 溶液9088.485.394.43%PEG/11.1%CaCl 2溶液

90

44.0

37.6

87.3

92.3 由表7可以看出,当实验温度低于浊点时,聚乙二醇/无机盐溶液的岩屑回收率随温度增高而略有降低;当实验温度高于浊点时,聚乙二醇/无机盐溶液的岩屑回收率随温度增高而升高。这是由于在浊点以下时,温度升高削弱了无机盐的抑制作用,故岩屑在聚乙二醇/无机盐溶液中的回收率随温度升高而降低;浊点以上时,部分聚乙二醇呈不溶态析出,析出的聚乙二醇通过吸附包被而使溶液的抑制性增强,此作用远远大于因温度升高而使无机盐抑制性减弱的作用,且温度越高,析出的聚乙二醇越多,吸附包被作用越显著,故岩屑回收率随温度升高而升高。 从表7还可以看出,对PEG/NaCl 溶液和PEG/CaCl 2溶液,温度对其防塌性能影响较大,温度高于浊点时的防塌性能远远大于温度低于浊点时的防塌性能;对PEG/KCl 溶液而言,尽管温度高于浊点时的防塌性能仍好于温度低于浊点时的防塌性能,但提高幅度要远远PEG/NaCl 溶液和PEG/CaCl 2溶液。

3　结论与建议

(1)聚乙二醇相对分子量对其抑制性影响不大;

(2)随NaCl 加量增加,聚乙二醇溶液的抑制性逐渐增强;但

仅当NaCl 加量超过一定量(此时聚乙二醇/NaCl 溶液浊点低于实验温度)时,才能使聚乙二醇溶液的抑制作用大大提高;

(3)KCl 在较低加量下就能大大增强聚乙二醇溶液的抑制作

用,随KCl 加量增加,聚乙二醇溶液的抑制性逐渐增强;

(4)在浊点以下,随温度升高聚乙二醇溶液的抑制性而减

弱;在浊点以上,聚乙二醇溶液的抑制性随温度升高而增强。温度对PEG/NaCl 溶液和PEG/CaCl 2溶液抑制性的影响远远大于对PEG/KCl 溶液的影响。

参考文献:

[1]　T wyna m A J,Caldwell P A,Meads K .I A DC /SPE27451,1994.[2]　B land R G,S m ith G L.SPE /I A DC 29378,1995.[3]　P .I .Reid and Bernadette Dolan .SPE 28960.

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01西　部　探　矿　工　程 Dec .2005

No .12