探究水溶性聚合物在油田钻井液中的应用

2022-09-10

作为钻井液处理剂的一大类别, 水溶性聚合物在油田钻井作业中使用非常的广泛, 可以有效的起到调流型、防坍塌、增粘、降粘等作用, 在石油工业的发展过程中, 是维护钻井平台液体性能稳定的化学制剂。很大程度上来说, 它确保钻井平台安全和地表以下生态环境完整、防止发生油田钻井事故的重要保障。

早期的钻井液大多是天然及天然性改良产品, 如玉米颗粒中提炼的糊化淀粉、栲胶和羧甲基纤维素等等。随着石油工业的发展速度加快, 这一类处理剂由于性能缺陷已经无法满足需求。在上世纪70年代, 合成树脂类处理剂的出现成功运用到了石油钻井平台中, 并掀开了新型聚合物处理剂的发展高潮。至今为止, 用于石油钻井的上百种常用处理剂中, 水溶性聚合物类处理剂的比例超过50%。

一、水溶性聚合物油田钻井液的利用现状

近年来, 随着高新材料技术的发展和进步, 一些天然及天然性改良的处理剂逐渐淡出石油钻井作业, 以水溶性聚合物为代表的处理剂产品开始展露头角。所谓“水溶性”是指这一类产品具有很好的亲水性, 和水分子结合之后可以容积或者溶胀的特性, 进而形成溶液或者分散液;其中水溶性两性聚合物由于自身特性, 在分子结构中含有正负两种电荷离子, 在静电作用下可以呈现出吸引和排斥两种状态。在一定作用下, 可以控制其粘稠度, 分别发挥增稠剂和润滑剂的作用。

以下分别介绍不同作用油田钻井液处理剂的作用和现状。

1. 增粘剂。

其主要作用是增加管道下方表面的粘稠度, 同时也可以起到增塑和软化的功能。同时水溶性两性聚合物类黏稠剂与单一阴离子或者阳离子聚合物黏稠剂相比, 具有更好的PH值稳定性, 同时在耐温性和耐盐性方面表现也卓越。随着这一类产品的逐渐发展, 目前我国的石油钻井作业中已经逐渐普及了这一新兴产品, 在合成方面, 采用多种阴离子和阳离子及非离子单体为原料, 采用瞬间聚合的方式生产。其中, 阴离子单体的质量分数比例为5%~95%之间, 而阳离子单体的质量分数为5%~60%之间。

2. 降黏剂。

根据石油钻井所面临的地质情况, 降黏剂可以调节钻井液的流变性, 提高钻井机械的旋转速度。一般来说, 它的主要利用价值体现在对地表下黏土物质的抑制性方面。抑制作用是两方面的, 阴离子的降黏效果最好, 但是缺乏对黏土的抑制性, 而阳离子可以防止黏土的水化膨胀, 组织分散, 可以保护井壁的稳定和安全。在作用力适当的情况下, 两种特性相互配合实现平衡。

3. 降滤失剂。

作为钻井液添加剂之一, 降滤失剂可以有效的维护钻井液性能稳定, 保护地下油 (气) 层, 同时也可以减少有害气体在地表下的泄漏, 钻井平台下方的井道维持规则性。具体原理是, 降滤失剂中的阳离子可以使聚合物与砂石泥土颗粒相互作用, 形成静电吸附, 增强颗粒之间的作用力;阴离子的水化基团通过渗透, 利用水化作用将黏土颗粒包裹起来, 形成严密的保护层。这样以来, 就能防止滤失发生。

总体来说, 水溶性聚合物类钻井液处理剂的使用往往受到实际地质环境的影响, 所以在使用之前应该对当地的实际环境做出调查。结合近年来我国油田钻井作业的资料来看, 在一定范围内注入速度越大、聚合物用量越大、注入浓度越高, 取得的效果也就更好。

二、强化采油方面的作用

在石油工业发展早起, 基于采油方面的理论认为, 通过聚合物的注入增加水的粘度, 从而阻止整个水层的吸水剖面过低, 减少油井中的产水量, 提高油量和品质。国外针对利用化学产品进行堵水的研究较早, 其中阴离子类型聚丙烯酰胺类围住的水基凝胶发展最快。

我国在这一方面的研究起源于上世纪80年代中期, 石油开采已经结束了粗放式大规模, 开始向现代化和精细化迈进, 驱油剂在强化才有方面发挥了重要的作用;聚丙烯酰胺类化学堵水调剖剂自身也存在一些缺点, 由于带有大量的负电荷离子, 在砂岩地质的开采过程中不能够产生强大的吸附力, 与水分结合反映缓慢;我国开始两性离子聚合物研究的过程中已经避开了这一方法, 提高凝胶强度和堵水效果。

同时, 聚合物驱油剂的用量和注入速度对采油的结果影响也很大。

首先, 不同的地质环境造成了油层的差异, 通过探测数据建立起来模拟体系进行计算, 聚合物驱油采收率与聚合物用量之间的关系可以清楚的表示出来。在前期, 聚合物驱油剂的用量升高的情况下, 采收率也随之升高, 当达到一定的峰值之后, 聚合物驱油剂的数量对采收率的影响开始下降, 曲线呈现平滑。

其次, 聚合物驱油剂溶液的注入速度也是一个关键因素, 以聚丙烯酰胺类产品为例, 其分子结构呈现出来一定的弹性, 溶液的弹性与粘稠的有很大的关系。在注入过程中, 速度过慢会导致溶液前期与岩层之间的接触渗透, 浓度过低导致弹性不足;因此加快注入速度可以提高采收率, 并且恢复原有聚丙烯酰胺的弹性值。研究表明, 以0.2m/d的速度注入标准, N+1个注入速度值所获取的采收率减去N个注入速度采收率, 就可以得到驱油效率与注入速度之间的关系:驱油效率会随着注入速度的提高而提高。

结论

水溶性聚合物在油田钻井液中的应用会越来越广泛, 也会越来越重要。随着世界范围内的石油总量逐渐减少, 在没有取得大规模可替代能源之前, 通过提高采油工业仍然是十分前沿的研究课题。同时, 随着油田钻井才有不断的深入化, 对地层 (海层) 的钻井液处理剂要求也越来越高, 我国应该提高对水溶性聚合物的研究, 提高现有油田钻井液处理剂的品质和工艺, 确保在未来的发展中发挥更大的作用。

摘要：石油是我国社会经济发展到重要物资, 也是工业时代经济发展的血液, 同时作为一种不可再生能源, 对其开采的工艺决定了石油的利用率和对环境的影响。目前国内油田钻井技术中对于水溶性聚合物的应用已经不可或缺, 水溶性聚合物在钻井液处理剂方面的使用也呈现出多种功能, 包括有天然高峰自材料和合成聚合物组成的增粘剂、降粘剂、防塌剂等等, 其应用非常广泛, 具有较大的发展潜力。本文通过介绍现阶段我国油田钻井平台中常用的水溶性聚合物特性, 进一步探讨其原理、结构和性能, 对这一产品的发展前景提出自身的见解。

关键词：水溶性聚合物,油田钻井处理剂,聚合物应用,研究与应用