可降解微泡沫压井液的研制与应用

2020-02-18刘洪国

山东化工 2020年1期

刘洪国

(吉林油田公司钻井工艺研究院，吉林松原 138000)

以农作物作为为主产区的产粮地区，粮食丰收后，其秸杆以前的处理方法多采用焚烧的方式。由于近些年环保要求的提高，禁止焚烧，使秸杆的处理方式变得愈加重视。由于农作物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的，其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物。结合植物秸杆的有效成份，我们采用化学方法对植物秸杆进行化学改性，合成出了可降解微泡沫压井液，该产品的研制成功，可以有效地解决目前使用的压井液存在的不降解、对环境存在潜在危害的缺点。具有“一剂多效”的功能，为油气田的开发提供了一项新产品。

1 可降解微泡沫压井液的研制

1.1 植物秸杆的组成

植物物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的。其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，它包括纤维素、半纤维素和木质素等。

1.2 研究思路

植物秸杆中的有机物在高温高压下分解成纤维素和木质素及糖类后，通过与化学原料接枝共聚反应形成长链高分子聚合物来增加体系黏度；利用络合反应提高体系抗温能力；引入磺酸基团达到发泡的作用；最后采用中和原理形成中性无腐蚀可降解的微泡沫压井液体系。

1.3 实验部分

1.3.1 实验仪器及药品

液体密度计、六速旋转黏度计、中压失水仪、高温滚子加热炉、植物秸杆(不同目数)、丙烯腈、丙烯酰胺、过硫酸铵、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、磺酸、乌洛托品、氢氧化钠。

1.3.2 实验过程

将不同目数的植物秸秆置于高温高压反应釜内，加入定量的水，120℃、2 MPa下反应一定时间后；再向反应釜内加入定量的水，并依次加入定量的丙烯腈、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、过硫酸铵。在50℃、常压条件下反应60 min；待反应完成后加入定量的磺酸，在120℃、2 MPa下反应一定时间；然后向反应釜内加入定量的乌洛托品，在50℃、常压条件下搅拌30 min；将反应后的原料泵入处理罐内在50℃、常压条件下搅拌30 min；再向处理罐内加入所用氢氧化钠溶液进行中和反应，在50℃、常压条件下搅拌30 min；即得成品。

1.3.3 实验数据

1.3.3.1 原料细度及反应时间对产品滤失量的影响

将原料通过粉碎机加工成以下目数：1～5目、5～10目、10～20目、20～30目、30～40目五种规格，加入其质量1∶1的水，在120℃、2 MPa的条件下，不同反应时间的情况下测其滤失量。结果见表1。

表1 不同规格原料对产品滤失量的影响 mL

通过表1数据可以得出以下结论：产品原料在5～20目规格之间，反应4 h，所得产品滤失量符合行业标准要求。因此，将产品中植物秸杆处理的生产条件设计为：120℃、2 MPa下反应4 h。

1.3.3.2 共聚反应原料的筛选

压井液的黏度是压井液的一项重要指标，黏度的大小直接体现在岩屑能否顺利返出地面；另外，黏度的增加能显著提高压井液的半衰期，保证正常施工。基于此原因，我们选取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为主体原料，分别与丙烯腈、丙烯酰胺进行共聚，在50℃条件下反应1 h得到聚合产品，来增加体系黏度。实验数据见图1。

通过图1可以看出：随着两种原料加量的增加体系黏度增大，丙烯腈共聚产品提粘比丙烯酰胺共聚产品提粘好。因此，选择丙烯腈作为合成压井液的原料，加量为2.5%。

图1 不同原料加量对体系黏度影响

1.3.3.3 产品发泡性能试验

由于本次研制的压井液为微泡沫低密度压井液，不同于常规的压井液，为了实现低密度性能，产品必须具有发泡能力。因此，为了产品具有较好的发泡性能我们在其中引入大量的磺酸基团，以求得到完善的产品。即通过加入不同比例的磺酸在高温高压下进行反应，实验数据见表2。

表2 不同磺酸加量对发泡性能的影响

通过实验数据证明：发泡性能与磺酸有直接关系，随着磺酸加量增加，发泡能力提高。当加量达到3%时发泡能力趋于平缓，因此产品设计磺酸加量为3%。

1.3.3.4 抗高温性能试验

图2 乌洛托品加量对产品抗温性能影响

随着井深的增加，地层温度越来越高，这对产品的抗温性能提出了要求，如果产品不具备抗温性能，导致在施工作业时，压井液黏度下降岩屑无法返出地面，从而发生卡钻事故。解决产品抗温能力的办法主要是增大产品的分子量，因此对产品进行接枝反应处理，具体实施为利用乌洛托品的独特性能，将产品中分子进行接枝。实验数据见图2。

通过实验数据可以得出以下结论：通过乌洛托品的加入，产品抗温能力增加，当加量达到2%时，抗温能力达到稳定。

1.3.3.5 产品腐蚀性能试验

产品反应完成后，由于残余磺酸的存在，导致产品为酸性，酸性的存在容易对钻具产生腐蚀。因此要对产品进行中和处理，使压井液溶液pH值为中性，对钻具起到保护作用。产品中和前后腐蚀性试验图如图3。

图3 腐蚀性试验图

1.3.3.6 压井液可降解性能试验

施工完成后，为了不对地层产生污染，要求压井液应具有可降解功能。因此我们将压井液原液在120℃热滚20天后，测其表观黏度，黏度降低至1.5 mPa·s，可见压井液已经失效，压井液具有高温可降解性。另外，通过检测产品的COD值也证明了其可降解性能。

表3 压井液COD值

1.3.3.7 压井液综合实验数据

通过以上化学反应，最终形成可降解微泡沫压井液，综合实验数据如表4。

表4 压井液综合实验数据

2 应用机理研究

植物秸秆在高温高压作用下，分解成有机物、无机物及部分不溶解的纤维状物质，通过共聚、磺化、接枝、中和等化学反应，生成了具有多种基团、多性能的混合物质。首先由于该产品中表面活性剂的发泡作用，在施工时可以降低液柱压力，减小压差，使压井液无法进入油气层，对油气层起到保护作用。其次，压井液中不溶解的纤维状物质遇到漏失层时，进行架桥堆积封堵漏失层。再次泡沫在漏失区域泡沫大小分布广泛，且具有一定的强度和韧性，同时具有可变形性，以匹配漏失通道，从而达到防漏的目的。遇到比微泡尺寸大的渗流通道时，微泡膨胀封堵；遇到与微泡尺寸接近的漏失通道时，微泡被低压漏失层吸入时拉长，增加流入的阻力，控制流体进一步漏失；遇到比微泡尺寸小得多的漏失通道时，压井液中的高聚物吸附地层表面形成高黏度薄膜，封堵漏失地层。

3 现场实验

城深**井，人工井底3116 m，地层压力系数范围0.85～1.01，施工内容为封井作业。2017年12月25日该井作业占井， 12月26日至1月2日采用清水压井，漏失严重无法建立循环。1月3日打入40 m3可降解微泡沫压井液(密度0.95 g/mL，依据配方可实现0.85～1.05 g/mL)，建立循环，基本无漏失，1月8日完成拆井口，安防喷器以及起管工序，2月1日固井完，整个过程中使用60 m3可降解微泡沫压井液，实现了降低作业液体流入地层的目的。