用于泥頁巖隔離液懸浮穩(wěn)定劑的優(yōu)選

林子旸

摘 要：測定了不同濃度的外加懸浮穩(wěn)定劑的其流變性及懸浮穩(wěn)定性，對比其各項性能的優(yōu)劣，對常用的懸浮穩(wěn)定劑進(jìn)行復(fù)配，考慮其流變性、沉降穩(wěn)定、API失水等綜合評價確定最佳復(fù)配比。所得的最佳復(fù)配比的懸浮穩(wěn)定劑可以較好的與泥頁巖地層所用的常規(guī)鉆井液和水泥漿體系相匹配、節(jié)省資金的同時保證施工安全環(huán)保。

關(guān) 鍵 詞：泥頁巖；懸浮穩(wěn)定劑；流變性

中圖分類號：TE357 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1322-04

Optimal Selection of Suspension Stabilizer for Slate Separation

LIN Zi-yang

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： Rheological properties and suspension stability of the suspension stabilizers with different concentrations were measured. The advantages and disadvantages of these suspension stabilizers were compared. Considering their rheological properties， settling stability，API water loss， the best mixing ratio of compound stabilizer was determined by comprehensive evaluation. The suspension stabilizer with the best compound ratio can better match with conventional drilling fluid and cement slurry system used in the mudstone formation， which can ensure the construction safety.

Key words： Mud shale； Suspension stabilizer ； Rheological

隨著新型頁巖氣的勘探開發(fā)，頁巖地層井壁穩(wěn)定性問題也日益突出，該種地層由于表面存在大量的微型裂縫，在鉆井過程中該地層中的黏土化合物易發(fā)生水化膨脹，從而導(dǎo)致井壁坍塌。隔離液的選擇很大程度上決定了后期固井質(zhì)量的好壞與井壁的穩(wěn)定情況，目前頁巖地層鉆完井大多數(shù)仍使用單一懸浮穩(wěn)定劑配置的單配方隔離液[1-5]，該類型隔離液在后期固井過程中表現(xiàn)出的缺陷已經(jīng)越來越凸顯，主要是由于單一隔離液只能滿足單一性能的提升，綜合性能有明顯的不足，大多數(shù)沒有較好的懸浮穩(wěn)定性能，導(dǎo)致加重劑下沉，隔離液上部密度較低，鉆井液無法懸浮[6-10]，而懸浮液下部在加重劑作用下，密度增大，與水泥漿接近，隔離液不能得到有效懸浮，加大了水泥漿與鉆井液的融合污染的可能性，使得水泥漿和鉆井液性能都被一定程度的破壞，降低頂替效率，從而影響固井完成質(zhì)量[3]。

針對以上問題，本文測定了常用的單一懸浮穩(wěn)定劑相應(yīng)各項性能，確定單一懸浮穩(wěn)定劑各性能的優(yōu)劣，并對所選懸浮穩(wěn)定劑進(jìn)行復(fù)配，得到滿足泥頁巖地層鉆完井過程中各項性能要求的最佳復(fù)配比[11-15]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

羥乙基纖維素（HEC）、黃原膠（XC）、羧甲基纖維素（CMC）、石灰石。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

常壓失水儀、液體密度計、天平秤、高速攪拌機(jī)、粘度計。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

分別配置4種不同濃度的HEC、XC、CMC、PAM水溶液500 mL，測定各溶液的流變性，然后在各濃度的溶液中加入50 g石灰石，靜置3 h，測定相應(yīng)懸浮穩(wěn)定性，并測得在0.72 MPa下30 min的失水量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單一試劑的流變性實(shí)驗(yàn)

（1）羧甲基纖維素（CMC）

羧甲基纖維素（CMC）外觀主要為白色粉末或黃色纖維狀粉末，較易溶于水，形成透明溶液。CMC可以形成高粘度的膠體，所形成的水溶液有黏著、耐鹽、保護(hù)膠體、增稠、分散等特性，作為單一試劑在鉆完井液過程中應(yīng)用廣泛。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，得到不同濃度的CMC對流變性能的影響如表1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出稠度系數(shù)、流變指數(shù)隨著CMC濃度的變化趨勢如圖1所示。

從以上可以看出隨著CMC濃度的增加，流性指數(shù)n逐漸減小，說明CMC溶液的剪切稀釋性表現(xiàn)良好，稠度系數(shù)隨著CMC濃度的增加而逐漸增大，當(dāng)濃度達(dá)到0.9%左右時，稠度系數(shù)超過1，現(xiàn)場使用中嚴(yán)重影響水泥漿達(dá)到紊流效果，因此要控制CMC濃度在9%以內(nèi)，當(dāng)CMC濃度在0.3%時，失水量已經(jīng)控制在120 mL以內(nèi)，說明CMC具有不錯的降失水性。

（2）羥乙基纖維素（HEC）

HEC常溫下是多為淡黃色粉末狀固體，較易溶于水，具有較好的增稠，懸浮、分散、保護(hù)水分等特性，常用作固井水泥漿的增稠劑、穩(wěn)定劑。不同濃度的HEC對流變性能的影響如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出稠度系數(shù)、流變指數(shù)隨著HEC濃度的變化趨勢如圖2所示。

由圖2、表2得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，隨著HEC用量的增加，流性指數(shù)n逐漸減小，減小趨勢不明顯，說明它比CMC的剪切稀釋性要差，稠度系數(shù)增加較快，說明具有較好的控制失水能力。

（3）黃原膠（XC）

黃原膠常溫下為淡白色或淺黃色粉末，可溶于水中，是一種多糖生高分子聚合物，具有高粘度，耐高溫穩(wěn)定性、高耐酸、堿等特性。不同濃度的XC對流變性能的影響如表3所示。

由表3、圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著XC用量的增加，流行指數(shù)n逐漸減小，但是仍比CMC減小幅度小，說明CMC的剪切稀釋性仍好于XC。

（4）聚丙烯酰胺（PAM）

PAM是一種高分子線型物質(zhì)，常溫下為白色粉末，易溶于水，在水中可以電離，其水溶液近似為透明液體，粘度隨著PAM濃度的增加而增加。不同濃度的PAM對流變性能的影響如表4所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出稠度系數(shù)、流變指數(shù)隨著PAM濃度的變化趨勢如圖4所示。

由表4、圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著PAM濃度的增加，流變指數(shù)n增大，說明PAM的剪切稀釋性較差，從API失水看，PAM的控制失水性能不好，因此PAM不適合選作該類型隔離液的懸浮穩(wěn)定劑。

2.2 單一試劑懸浮穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在各濃度的溶液中加入50 g石灰石，靜置3 h，測定相應(yīng)懸浮穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)CMC溶液濃度達(dá)到0.5%時，具有一定懸浮性，但是不能達(dá)到良好效果；當(dāng)XC溶液達(dá)到0.5%時，靜置一段時間未分層，說明XC具有很不錯的懸浮性能；HEC溶液當(dāng)濃度達(dá)到0.5%時不分層，說明其懸浮穩(wěn)定性相對較好。

2.3 懸浮穩(wěn)定劑的復(fù)配實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，XC具有較好的流變性能和降失水性，但是價格較貴，HEC的懸浮穩(wěn)定性較好，但是剪切稀釋性偏差，CMC的剪切稀釋性較好，因此選用單一外加劑難以滿足各項性能的要求，因此將XC藥劑分別與CMC和HEC復(fù)配，利用他們之間的良好的化學(xué)作用，發(fā)揮每種藥劑的優(yōu)勢，進(jìn)而從中選擇出一個懸浮性和流變性能相對較好的比例。

（1）HEC與XC不同配比的懸浮穩(wěn)定性

向不同HEC與XC配比的溶液中加入15%的石灰石，靜置3 h后，各配比溶液的懸浮穩(wěn)定性及流變性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6可知，當(dāng)HEC∶XC=1∶2時，該配方具有較低稠度系數(shù)、較高的流變指數(shù)、較低失水量，因此初步選擇HEC∶XC為1∶2。

（2）CMC與XC不同配比的懸浮穩(wěn)定性

向不同CMC與XC配比的溶液中加入15%的石灰石，靜置3 h后，各配比溶液的懸浮穩(wěn)定性及流變性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表6、7可知，當(dāng)CMC∶XC=1∶3時，該體系不分層，流行指數(shù)值正常，稠度系數(shù)小于1。所以CMC∶XC的最佳復(fù)配比例為1∶3。

對HEC∶XC=1∶2和CMC∶XC=1∶3的復(fù)配藥劑進(jìn)行對比，可以看出XC與CMC復(fù)配時的動切力要低于XC與HEC的，且通過比較懸浮穩(wěn)定性和流變新能最好的組合為CMC與XC的復(fù)配比例為1∶3，因此確定的最終懸浮穩(wěn)定劑配方為CMC：XC=1∶3。

3 結(jié)束語

用于泥頁巖地層封堵隔離液的懸浮劑對流變性及懸浮穩(wěn)定性的要求較高，常用的單一懸浮穩(wěn)定劑無法同時滿足隔離液的流變性和懸浮性，因此需要對常用的XC試劑分別于HEC、CMC復(fù)配，最終確定的最佳復(fù)配比為CMC∶HEC=1∶3，其各項性能滿足對泥頁巖層封堵隔離液的要求，且可降低完井費(fèi)用的同時保證現(xiàn)場施工安全。

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