可降解微泡沫壓井液的研制與應(yīng)用

劉洪國

(吉林油田公司鉆井工藝研究院，吉林 松原 138000)

以農(nóng)作物作為為主產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)糧地區(qū)，糧食豐收后，其秸桿以前的處理方法多采用焚燒的方式。由于近些年環(huán)保要求的提高，禁止焚燒，使秸桿的處理方式變得愈加重視。由于農(nóng)作物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的，其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物。結(jié)合植物秸桿的有效成份，我們采用化學方法對植物秸桿進行化學改性，合成出了可降解微泡沫壓井液，該產(chǎn)品的研制成功，可以有效地解決目前使用的壓井液存在的不降解、對環(huán)境存在潛在危害的缺點。具有“一劑多效”的功能，為油氣田的開發(fā)提供了一項新產(chǎn)品。

1 可降解微泡沫壓井液的研制

1.1 植物秸桿的組成

植物物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的。其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物，此外還有少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪。碳水化合物又由纖維素類物質(zhì)和可溶性糖類組成。纖維素類物質(zhì)是植物細胞壁的主要成分，它包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。

1.2 研究思路

植物秸桿中的有機物在高溫高壓下分解成纖維素和木質(zhì)素及糖類后，通過與化學原料接枝共聚反應(yīng)形成長鏈高分子聚合物來增加體系黏度；利用絡(luò)合反應(yīng)提高體系抗溫能力；引入磺酸基團達到發(fā)泡的作用；最后采用中和原理形成中性無腐蝕可降解的微泡沫壓井液體系。

1.3 實驗部分

1.3.1 實驗儀器及藥品

液體密度計、六速旋轉(zhuǎn)黏度計、中壓失水儀、高溫滾子加熱爐、植物秸桿(不同目數(shù))、丙烯腈、丙烯酰胺、過硫酸銨、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、磺酸、烏洛托品、氫氧化鈉。

1.3.2 實驗過程

將不同目數(shù)的植物秸稈置于高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)，加入定量的水，120℃、2 MPa下反應(yīng)一定時間后；再向反應(yīng)釜內(nèi)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、過硫酸銨。在50℃、常壓條件下反應(yīng)60 min；待反應(yīng)完成后加入定量的磺酸，在120℃、2 MPa下反應(yīng)一定時間；然后向反應(yīng)釜內(nèi)加入定量的烏洛托品，在50℃、常壓條件下攪拌30 min；將反應(yīng)后的原料泵入處理罐內(nèi)在50℃、常壓條件下攪拌30 min；再向處理罐內(nèi)加入所用氫氧化鈉溶液進行中和反應(yīng)，在50℃、常壓條件下攪拌30 min；即得成品。

1.3.3 實驗數(shù)據(jù)

1.3.3.1 原料細度及反應(yīng)時間對產(chǎn)品濾失量的影響

將原料通過粉碎機加工成以下目數(shù)：1～5目、5～10目、10～20目、20～30目、30～40目五種規(guī)格，加入其質(zhì)量1∶1的水，在120℃、2 MPa的條件下，不同反應(yīng)時間的情況下測其濾失量。結(jié)果見表1。

表1 不同規(guī)格原料對產(chǎn)品濾失量的影響 mL

通過表1數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：產(chǎn)品原料在5～20目規(guī)格之間，反應(yīng)4 h，所得產(chǎn)品濾失量符合行業(yè)標準要求。因此，將產(chǎn)品中植物秸桿處理的生產(chǎn)條件設(shè)計為：120℃、2 MPa下反應(yīng)4 h。

1.3.3.2 共聚反應(yīng)原料的篩選

壓井液的黏度是壓井液的一項重要指標，黏度的大小直接體現(xiàn)在巖屑能否順利返出地面；另外，黏度的增加能顯著提高壓井液的半衰期，保證正常施工。基于此原因，我們選取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為主體原料，分別與丙烯腈、丙烯酰胺進行共聚，在50℃條件下反應(yīng)1 h得到聚合產(chǎn)品，來增加體系黏度。實驗數(shù)據(jù)見圖1。

通過圖1可以看出：隨著兩種原料加量的增加體系黏度增大，丙烯腈共聚產(chǎn)品提粘比丙烯酰胺共聚產(chǎn)品提粘好。因此，選擇丙烯腈作為合成壓井液的原料，加量為2.5%。

圖1 不同原料加量對體系黏度影響

1.3.3.3 產(chǎn)品發(fā)泡性能試驗

由于本次研制的壓井液為微泡沫低密度壓井液，不同于常規(guī)的壓井液，為了實現(xiàn)低密度性能，產(chǎn)品必須具有發(fā)泡能力。因此，為了產(chǎn)品具有較好的發(fā)泡性能我們在其中引入大量的磺酸基團，以求得到完善的產(chǎn)品。即通過加入不同比例的磺酸在高溫高壓下進行反應(yīng)，實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同磺酸加量對發(fā)泡性能的影響

通過實驗數(shù)據(jù)證明：發(fā)泡性能與磺酸有直接關(guān)系，隨著磺酸加量增加，發(fā)泡能力提高。當加量達到3%時發(fā)泡能力趨于平緩，因此產(chǎn)品設(shè)計磺酸加量為3%。

1.3.3.4 抗高溫性能試驗

圖2 烏洛托品加量對產(chǎn)品抗溫性能影響

隨著井深的增加，地層溫度越來越高，這對產(chǎn)品的抗溫性能提出了要求，如果產(chǎn)品不具備抗溫性能，導致在施工作業(yè)時，壓井液黏度下降巖屑無法返出地面，從而發(fā)生卡鉆事故。解決產(chǎn)品抗溫能力的辦法主要是增大產(chǎn)品的分子量，因此對產(chǎn)品進行接枝反應(yīng)處理，具體實施為利用烏洛托品的獨特性能，將產(chǎn)品中分子進行接枝。實驗數(shù)據(jù)見圖2。

通過實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：通過烏洛托品的加入，產(chǎn)品抗溫能力增加，當加量達到2%時，抗溫能力達到穩(wěn)定。

1.3.3.5 產(chǎn)品腐蝕性能試驗

產(chǎn)品反應(yīng)完成后，由于殘余磺酸的存在，導致產(chǎn)品為酸性，酸性的存在容易對鉆具產(chǎn)生腐蝕。因此要對產(chǎn)品進行中和處理，使壓井液溶液pH值為中性，對鉆具起到保護作用。產(chǎn)品中和前后腐蝕性試驗圖如圖3。

圖3 腐蝕性試驗圖

1.3.3.6 壓井液可降解性能試驗

施工完成后，為了不對地層產(chǎn)生污染，要求壓井液應(yīng)具有可降解功能。因此我們將壓井液原液在120℃熱滾20天后，測其表觀黏度，黏度降低至1.5 mPa·s，可見壓井液已經(jīng)失效，壓井液具有高溫可降解性。另外，通過檢測產(chǎn)品的COD值也證明了其可降解性能。

表3 壓井液COD值

1.3.3.7 壓井液綜合實驗數(shù)據(jù)

通過以上化學反應(yīng)，最終形成可降解微泡沫壓井液，綜合實驗數(shù)據(jù)如表4。

表4 壓井液綜合實驗數(shù)據(jù)

2 應(yīng)用機理研究

植物秸稈在高溫高壓作用下，分解成有機物、無機物及部分不溶解的纖維狀物質(zhì)，通過共聚、磺化、接枝、中和等化學反應(yīng)，生成了具有多種基團、多性能的混合物質(zhì)。首先由于該產(chǎn)品中表面活性劑的發(fā)泡作用，在施工時可以降低液柱壓力，減小壓差，使壓井液無法進入油氣層，對油氣層起到保護作用。其次，壓井液中不溶解的纖維狀物質(zhì)遇到漏失層時，進行架橋堆積封堵漏失層。再次泡沫在漏失區(qū)域泡沫大小分布廣泛，且具有一定的強度和韌性，同時具有可變形性，以匹配漏失通道，從而達到防漏的目的。遇到比微泡尺寸大的滲流通道時，微泡膨脹封堵；遇到與微泡尺寸接近的漏失通道時，微泡被低壓漏失層吸入時拉長，增加流入的阻力，控制流體進一步漏失；遇到比微泡尺寸小得多的漏失通道時，壓井液中的高聚物吸附地層表面形成高黏度薄膜，封堵漏失地層。

3 現(xiàn)場實驗

城深**井，人工井底3116 m，地層壓力系數(shù)范圍0.85～1.01，施工內(nèi)容為封井作業(yè)。2017年12月25日該井作業(yè)占井， 12月26日至1月2日采用清水壓井，漏失嚴重無法建立循環(huán)。1月3日打入40 m3可降解微泡沫壓井液(密度0.95 g/mL，依據(jù)配方可實現(xiàn)0.85～1.05 g/mL)，建立循環(huán)，基本無漏失，1月8日完成拆井口，安防噴器以及起管工序，2月1日固井完，整個過程中使用60 m3可降解微泡沫壓井液，實現(xiàn)了降低作業(yè)液體流入地層的目的。

4 結(jié)論

(1)該壓井液密度可調(diào)，能滿足不同地層壓力的采氣井施工需要。表觀黏度、API濾失量、腐蝕速率等指標均符合標準要求；

(2)可降解，對環(huán)境不產(chǎn)生傷害；

(3)產(chǎn)品濾失量低、具有一定的暫堵作用，可以有效地保護油氣層；

(4)有抗低溫能力，保證冬季正常施工；

(5)產(chǎn)品穩(wěn)定，無析出現(xiàn)象。