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聚丙烯酰胺在钻井中的应用

发布时间:2019-11-30 09:49:02     作者:波涛净水

聚丙烯酰胺的分子结构特点和齐全的品种使之在国民经济的各个领域取得了广泛应用,尤其是在油田中,本文介绍了聚丙烯酰胺在钻井过程中的五个作用,分别是聚丙烯酰胺的降滤失作用、聚丙烯酰胺的絮凝作用、聚丙烯酰胺的防塌作用、聚丙烯酰胺的降粘作用、聚丙烯酰胺的堵漏作用。

聚丙烯酰胺是一类多功能的油田化学处理剂,广泛应用到石油行业中,尤其是在钻井、三次采油和堵水调剖领域中。聚丙烯酰胺的较大用户是石油行业,聚丙烯酰胺聚合物的科技进步加速了石油行业的发展,而石油行业的需求又加快了聚丙烯酰胺聚合物的科技创新和发展。

在二十世纪早期,使用的是清水作为钻井液和在钻井过程中混入的泥岩岩屑形成自然泥浆,直到20世纪40年代-50年代,聚丙烯酰胺作为钻井液才开始应用到钻井中,使钻井液的发展发生了重大变化,不仅使钻井速度取得提高,而且使钻井液的种类由过去的天然聚合物类向合成类方向发展,使钻井液工艺技术进入了科学发展阶段。

1、聚丙烯酰胺的降滤失作用

钻井液在钻井过程中滤失量比较大,很容易引起泥页岩的垮塌和水化膨胀,使井壁不稳定;钻井液和滤液侵入地层,将会引起粘土膨胀,堵塞地层油气流通道,损害产层,在滤失量增加的同时滤饼增厚,使井径缩小,钻具扭矩增加、起钻时引起抽汲、下钻时引起大的压力波动、容易造成压差卡钻,同时厚滤饼影响注水泥的质量,增加了地层评价的困难,增加了安全隐患。

分子量在十万和二十万之间的聚丙烯酰胺作降滤失剂较为合适。经碱中和丙烯酰胺的共聚物产物在降滤失量的同时还具有增粘作用,不仅提高钻井液的剪切稀释能力,还能有效的起到调节流型的作用,在油田钻井液中取得了较广泛的应用。将粉末状水解聚丙烯酰胺与适量的碳酸钾混合,再分散到加油悬浮稳定剂的白油中制得的分散悬浮型产物,将比传统的方法要好很多。磺化后的聚丙烯酰胺不仅耐高温,还有一定的防塌能力。

2、聚丙烯酰胺的絮凝作用

钻井液中的固相是影响钻井液成本和速度的关键之一。在二十世纪六十年代末,国外将高分子絮凝剂引入钻井液,不分散低固相聚合物钻井液取得应用,从而使钻井液速度取得了大幅度提高,成为当代钻井行业中四项重要技术之一。高分子絮凝剂可以使钻井液中的钻屑和劣质土处于不分散的絮凝状态,以便使用机械固控设备将其清除,较好地解决了分散型钻井液体系中钻屑的分散和累积问题,不仅加速了机械钻速,还降低了钻井过程中的许多复杂情况,较好的保护了油气层,使钻井成本降低。在钻井液中使用的聚丙烯酰胺絮凝剂有非水解聚丙烯酰胺和水解聚丙烯酰胺。

水解聚丙烯酰胺是选择性絮凝剂,非水解聚丙烯酰胺是全絮凝剂。非水解聚丙烯酰胺的分子中只有极性的酰胺基团,既不带负电荷,水化膜薄,与劣质土和优质土之间的排斥力都较小。当与这两类颗粒相遇时,都能发生架桥和吸附。而水解聚丙烯酰胺絮凝剂既絮凝钻井液中钻屑,又絮凝钻井液中的优质土,起全絮凝的作用。当水解聚丙烯酰胺达到一定水解度后,带有较高的负电荷密度,也有较厚的水化膜。当与优质土颗粒接近时,彼此之间就产生大得静电排斥力和水化膜排斥力,就难以吸附优质土颗粒;而当与钻屑接近时,就容易产生吸附作用,形成絮凝团块,从钻井液中除去,起到选择性絮凝的作用。一般水解聚丙烯酰胺的分子量大于两百万,水解度在百分之30左右的效果比较好。

3、聚丙烯酰胺的防塌作用

井壁受一些因素的影响不能保持其原始状态,这种现象称为井壁不稳。影响井壁稳定的因素很多,主要是地质因素、工程因素、物理化学因素。在钻井液中添加某些聚合物可引起井壁的稳定作用。这些聚合物稳定井壁的作用大多是通过以下三种途径,即聚合物分子的多点吸附作用,护胶作用和堵孔作用,可以保护钻井液中得溶胶颗粒,防止滤液渗入地层引起粘土水膨化。

常用的聚合物类防塌剂有聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺和磺化聚丙烯酰胺。水化基团的水化作用能形成可压缩性泥饼,阻止水向地层渗透,防止粘土水化膨胀。

4、聚丙烯酰胺的降粘作用

钻井液的粘度会在3种情况升高:

①在受到无机电解质侵污时,粘土颗粒的双电层被压缩,粘土颗粒边角处的静电荷减少,水化层变薄,粘土颗粒容易彼此形成空间网架结构,自由水大量减少,造成钻井液的切力和粘度增加;

②钻井液中固相颗粒增多,颗粒间的距离减少,有利于黏土网状结构的形成,引起钻井液的切力和粘度增高;

③在含有聚合物的钻井液中,由于黏土与聚合物或聚合物分子之间的相互作用,形成空间网架结构,也是引起钻井液切力增加和粘度升高的原因。

钻井液的切力和粘度过高,会使钻井液流动阻力增加,能耗增加,使钻速降低,有时引起卡钻、钻头泥包、钻屑在地面不易除去和钻井引入脱气困难等问题。分子量较小的聚丙烯酰胺类聚合物,可以用作钻井液稀释剂。

5、聚丙烯酰胺的堵漏作用

钻井液漏失需用堵漏剂封堵。钻井液漏失的原因主要有溶洞性漏失、渗透性漏失和裂缝性漏失。

①由于高渗透的砂岩地层或砾石地层引起钻井液的漏失称为渗透性漏失;

②砾岩和灰岩地层天然存在的天然裂缝及由钻井液压力降砾岩和灰岩地层压开所形成人工裂缝引起钻井液的漏失称为裂缝性漏失;

③由溶洞地层引起钻井液的漏失称为溶洞性漏失,这类漏失经常出现在灰岩地层。

对于渗透性地层的堵漏可采用聚丙烯酰胺在该地层中形成凝胶堵漏。

对于裂缝性和溶洞性地层堵漏,可以采用体积膨胀型聚丙烯酰胺凝胶颗粒,当凝胶颗粒直径大于裂缝窄部宽度或溶洞进出口直径的三分之一时,就可通过颗粒的桥接产生滞留,形成滤饼将漏失地层堵住,还可将聚丙烯酰胺或体积膨胀型聚丙烯酰胺与水泥或矿物性材料混合使用,以提高封堵强度。

6、总结

聚丙烯酰胺在石油工业中用作驱替剂、压裂液添加剂、油田污水处理剂等,是聚丙烯酰胺的发展促进了油田工业的发展;如果没有聚丙烯酰胺的支持,油田也不会发展如此之快。

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