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。