一､前言
在鉆井過(guò)程中,當(dāng)鉆井液遇到可滲透的巖石層時(shí),通常都具有一種失去水相(“流體損失”)的自然趨勢(shì),尤其是在那些超過(guò)巖石孔隙壓力的高壓井中,這些問(wèn)題更為嚴(yán)重。在過(guò)去的幾年中,已經(jīng)研制并成功地使用了各種各樣的控制流體損失的添加劑。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下,它們能在井壁上結(jié)成濾餅,其粘性又不足以限制鉆井液在井中的循環(huán),且其不可滲透性卻足以減少因滲入地層而產(chǎn)生的液體的損失。用于鉆井液中最著名的添加劑有:①水化膨脹性粘土,如膨潤(rùn)土,它通常還需和其它降濾失劑一起使用;②褐煤,一種經(jīng)NaOH或多價(jià)金屬鹽如Na､K､Fe､Cr､Ti處理而形成的氧化､磺化､磺甲基化產(chǎn)物;③Na､K､Ca､Cr､Fe､Ti的木素磺酸鹽;④聚合物,包括羧甲基纖維素､PACs(聚陰離子纖維素)､生物高分子聚合物(如黃原膠和硬葡聚糖)､合成聚合物(如丙烯酸與丙烯酰胺的均聚或共聚物)､聚半乳糖甘露聚糖及其衍生物､羧基烷基化或交聯(lián)的羧基烷基化淀粉。
含有上述添加劑的鉆井液在使用時(shí),必須滿足詳細(xì)的技術(shù)要求,然而由于巖層高度的多變性､溫度及壓力條件等因素的影響,添加劑的用量或?yàn)檫_(dá)到預(yù)期效果而選用的添加劑種類需要作較大的變動(dòng)。正是由于這些添加劑或其使用,通常也會(huì)以一種不良的方式影響到泥漿其它的可變特性(如粘性､潤(rùn)滑性､粘土膨脹阻力等)。最后的鉆井液配方必須詳盡地綜合考慮流體損失和其它流體特性,還要考慮配方自身的成本和因使用這些添加劑而帶來(lái)的生物降解及其潛在的環(huán)境污染等問(wèn)題。這類環(huán)保問(wèn)題已逐漸為人所重視,與此同時(shí),既具有環(huán)境可以接受的特性,又兼?zhèn)涠喙δ茏饔?/SPAN>,并能潛在地取代少數(shù)功能單一品種的添加劑已逐漸為人們所關(guān)注。
二､APG
近年來(lái),以可再生性天然糖化物或類脂為原料而生產(chǎn)的糖基非離子表面活性劑作為洗滌劑,尤其在化妝品和個(gè)人護(hù)理用品方面,已被發(fā)現(xiàn)具有日益廣泛的用途。這些半天然的表面活性劑及APG顆粒的迅速應(yīng)用主要是受兩個(gè)良性因素所驅(qū)使:首先是其優(yōu)良的潤(rùn)濕性和乳化性;其次是其高效率的需氧生物降解性。APG本身低毒和降解迅速的良好品質(zhì)成為其在眾多領(lǐng)域得以大量應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
由葡萄糖與C4～C14的脂肪醇經(jīng)生物酶催化制備的APG產(chǎn)品(其中C4～C10的APG產(chǎn)品為水溶性,C12～C14為油溶性),除APG外,其產(chǎn)品中還不可避免地含有少量足以拓寬其商業(yè)使用價(jià)值的異構(gòu)體及烷基鏈長(zhǎng)不同的脂肪醇。與其它傳統(tǒng)的表面活性劑不同,APG具有良好而規(guī)律的表面活性,以APG作為鉆井液的一種組成部分的進(jìn)一步研究也許可以獲得更多有價(jià)值的資料。本文把APG作為降濾失的一種協(xié)同添加劑使用,室內(nèi)研究了其對(duì)鉆井液降濾失特性的增益情況以及作為糖基表面活性劑聚合物為環(huán)境接受的可能性,發(fā)現(xiàn)在鉆井液中加入極低濃度的APG即可以極大地改善整個(gè)泥漿系統(tǒng)的所有特性。
以適當(dāng)溶劑溶解的長(zhǎng)鏈的APG顆粒與短鏈的APG產(chǎn)品一樣具有良好的水溶性,能夠發(fā)出令人愉悅的氣息,其水溶液呈現(xiàn)出較低的粘度和較好的牛頓流變性,且在對(duì)水硬度敏感的環(huán)境APG都顯示出較高的起泡能力(尤其是具有短鏈烷基的APG)和潤(rùn)濕能力。APG能降低水/油界面張力,這使其還兼?zhèn)淞肆己玫娜ノ哿腿榛匦浴Ｆ洚a(chǎn)品中所含脂肪鏈基長(zhǎng)短的巨大變化為其在獲得最佳HLB值的范圍內(nèi),營(yíng)造了一個(gè)寬松的選擇空間和因材施用的上佳環(huán)境。
三､實(shí)驗(yàn)測(cè)試
根據(jù)所研究的各個(gè)配方準(zhǔn)備鉆井液,其流變性及流體損失特性,采用API儀器和方法測(cè)定。
水溶性的APG(短鏈)可以直接加入,水不溶性的APG(長(zhǎng)鏈)經(jīng)由10wt%的APG/乙醇的乙醇溶解后加入。盡管由于極低的APG用量以及商業(yè)級(jí)APG產(chǎn)品中含有本身就具有消泡特性的少量脂肪醇雜質(zhì),使得消泡劑的使用顯得不太必要,但應(yīng)用時(shí)仍可以加入適量的消泡劑以避免潛在的起泡問(wèn)題。
生物降解測(cè)試可采用OECD301D(封閉罐式測(cè)試)方法,經(jīng)28天的實(shí)驗(yàn),約60%以上的APG已經(jīng)降解,這證實(shí)了APG可以“迅速生物降解”的性質(zhì)。
潤(rùn)滑性測(cè)試采用的是OFITE潤(rùn)滑測(cè)定儀。
地層損害測(cè)試是用“Clashach sandstone”(含有90%石英和2%粘土)的巖心樣品,在70℃下進(jìn)行。該巖心樣品的半徑為5cm,長(zhǎng)度為5cm,被裝在Hassler容器中,在約1400lb/in2的限制壓力下測(cè)試。這項(xiàng)測(cè)試包括評(píng)價(jià)巖心對(duì)氣體和3%KCl鹽水的初始滲透率(kin.gas和kin,b),然后將其在70kg/cm3高壓的鉆井液中放置2h(1h動(dòng)態(tài),1h靜態(tài)),隨后測(cè)試其對(duì)氣體和鹽水的最終滲透率(kfin,gas和kfin,b)。氣體和鹽水的流動(dòng)方向與鉆井液正好相反。放置2h期間的流體損失也附帶地被測(cè)量。巖心滲透實(shí)驗(yàn)完成后,測(cè)試“lift-off壓力”(即巖心脫去泥餅時(shí)的使用壓力)。然后,在測(cè)試其“回流滲透率”之前,將該巖心用酸進(jìn)行處理。根據(jù)ASTMD1141-75(為替代真實(shí)海水制定的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則)的詳細(xì)程序制備合成海水。
四､流體損失､流變學(xué)和輔助效應(yīng)
被研究的泥漿至少含有一種水溶性的聚合物及一種以上的烷基(多)葡萄糖苷,且這些泥漿具有有效地減少流體損失和較好地抑制加熱老化的特性。此外,其潤(rùn)滑性和抗細(xì)菌侵襲的敏感性也得到了改善。
曾報(bào)道過(guò)有關(guān)高濃度甲基苷在水基鉆井液中具有良好的頁(yè)巖穩(wěn)定作用。我們正在研究的是當(dāng)APG用于水基泥漿時(shí),其對(duì)頁(yè)巖失水的抑制情況。
在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中,輕泥漿用來(lái)增加實(shí)驗(yàn)之間的差異,最好的APG則在更現(xiàn)實(shí)的泥漿體系中研究(例6)。
例1:配制一系列含水溶性聚合物和APG總重量相同的實(shí)驗(yàn)用鉆井泥漿。水溶性聚合物(規(guī)整的PAC與黃原膠的比例為1∶1)和APG的比例在確保總重量恒定的前提下有所變化。
由實(shí)驗(yàn)可知,在總含量相同的前提下,將水溶性聚合物和APG復(fù)配用于減少流體損失的情況與其各自單獨(dú)作為所謂的添加劑使用的情況對(duì)比,發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用APG的效果不如與聚合物混合更有效。然而,用APG替代15%的水溶性聚合物能將液體損失減少約50%。添加了APG的泥漿其粘度幾乎沒(méi)有變化。
例2:將一定量微量的不同類型的烷基(多)葡萄糖苷添加到含有可溶性聚合物(規(guī)整的PAC和黃原膠)的泥漿中,配制成一系列輕質(zhì)泥漿。這些泥漿在120℃老化16h后,其HPHTFLAA(高溫高壓下的流體損失值)降低,測(cè)定結(jié)果顯示將特定類型APG以極低的濃度(約占泥漿總重的0.008wt%)添加到泥漿中,即可把老化后泥漿的HPHT流體損失降低至原先的一半。這種HPHTFL值的降低情況在甲基葡糖苷或APGC4的泥漿體系中均觀察不到,僅對(duì)長(zhǎng)鏈的APG泥漿體系是有效的。
作為參考的其他類型表面活性劑,DME(鉆井泥漿乳化劑)和DMS(鉆井泥漿表面活性劑)在減少流體損失方面的貢獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。在同一類型的泥漿配方中,測(cè)試并研究了兩種APG對(duì)泥漿潤(rùn)滑性的影響。含有APG的泥漿的摩擦系數(shù)得以改善,這也許應(yīng)該歸因于不純的APG產(chǎn)品中殘存有少量脂肪醇的緣故。
例3:一個(gè)為頂部井眼(tophole)配制的泥漿用于研究加入APG后對(duì)泥漿特性所起的作用。其結(jié)果顯示用上述被監(jiān)控的泥漿,隨著其中APGA(一種優(yōu)化的APG組合)加入量的增加,增強(qiáng)了泥漿的流變性,提高了懸浮特性(較高YP/PV比例),因而減少了流體損失。然而,經(jīng)濟(jì)因素限制了APG為頂部井眼使用的應(yīng)用可能性。
例4:表1展示了幾種以不同濃度(約占泥漿總重量的0.05wt%和0.5wt%)配制的含有APGA(不溶于水)的水溶性聚合物泥漿與作為對(duì)比樣的甲基葡糖苷及APGC4(都是水溶性)水溶性聚合物泥漿的對(duì)比試驗(yàn)。
其結(jié)果再次表明,增加APGA的用量可以改善泥漿的流體損失。僅在泥漿流變學(xué)上良性的變化也是顯而易見(jiàn)的。又一次表明甲基葡糖苷､APGC4(丁基葡糖苷)在這方面沒(méi)有明顯的效果。另外,在含有APGA的泥漿表現(xiàn)出更好的抗微生物侵襲的能力,據(jù)對(duì)泥漿存放兩個(gè)星期的初步觀察,發(fā)現(xiàn)僅有不含APGD的泥漿遭受到微生物的侵襲。
例5:按表2配制的鉆井液用于證實(shí)由于APG的加入在硅酸鹽體系中所產(chǎn)生的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,APG的加入有助于改善硅酸鹽體系的流變性､濾液性能及耐溫能力。
表2 在硅酸鹽體系中APGA的作用
泥漿配方:水350g+氯化鉀15g+黃原膠1g+規(guī)整PAC1.5g+改性淀粉
4g+膨潤(rùn)土鈉鹽0.5g+純堿硅酸鈉5(vol%)+APGA(見(jiàn)下表)+氧化鋇
300g+APGA(見(jiàn)下表)+氧化鋇12g
注:試驗(yàn)溫度為105℃
例6:表3用于記錄在13ppgKCl-聚合物泥漿體系中隨APGA用量的增加其泥漿行為的改變。測(cè)定結(jié)果表明,該泥漿的耐溫能力和高溫濾失性均有所改善。
表3 在13ppgKCl-聚合物體系中APGA的作用
泥漿配方:合成海水350g+氯化鉀10.5g+黃原膠1g+規(guī)整PAC1g+PAC1g
例7:表4顯示了加入APGA后,可以改善黃原膠溶液的耐溫穩(wěn)定性。將不含APGA的黃原膠溶液與老化前后均加入APGA的黃原膠溶液分別進(jìn)行老化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在黃原膠溶液老化前加入APGA可以充分地保護(hù)該聚合物抗熱降解的泥漿流變性能。
表4 在黃原膠溶液體系中APG的作用
五､地層損害性能
用兩種以碳酸鈣聚合物為主的鉆井液作對(duì)照,其中一種加入了APGA(0.5ppb)。將這兩種鉆井液與巖石接觸2h,從濾液的角度觀察其各自的差異。含有APGA鉆井液的濾液為29mL(相當(dāng)于6.8mL的APIFL)而另一鉆井液的濾液為79mL(相當(dāng)于8.4mL的APIFL),從而證實(shí)使用APGA作為抑制聚合物流體損失的協(xié)同添加劑是有效的。巖心樣品的初始滲透率介于250～450mD的氣體滲透率和21～36mD的鹽水滲透率之間,該巖心與鉆井液接觸2h后,超過(guò)2h巖心的持續(xù)滲透率介于含有APGA的體系81%氣/90%鹽水的滲透率值和不含APG的體系62%氣/97%鹽水的滲透率值之間。這兩種鉆井液各自的初動(dòng)壓力均較低(含有APGA的為2.5lb/in2,不含APG的為4.5lb/in2)。酸化處理后其滲透率的恢復(fù)值為:含有APGA的體系為87%氣/90%鹽水的滲透率,沒(méi)有APG的體系為60%氣/100%鹽水的滲透率。這些數(shù)據(jù)表明,不含APGA的更高濾失率在巖心內(nèi)部會(huì)造成更多的傷害,這種傷害即使通過(guò)移去濾餅或酸化處理也難以得到恢復(fù)。
六､作用機(jī)理
與APG一樣,“聚乙二醇”為人所熟知地應(yīng)用于水基鉆井液中以改善傳統(tǒng)的聚合物體系的HPHT穩(wěn)定性。實(shí)際上,這些“聚乙二醇”為烷氧基化的脂肪醇､酸或胺。通常它們是含有與文獻(xiàn)中所討論的APG極為相似的一個(gè)疏水基和親水基團(tuán)的非離子表面活性劑。
用于解釋“聚乙二醇”和其它表面活性劑的降低流體損失聚合物的溫度穩(wěn)定性機(jī)理也許可以拓寬,為APG與傳統(tǒng)的降低流體損失聚合物相互作用而具有上述貢獻(xiàn)的顯著能力提供一個(gè)解釋。即APG“棒狀的”小膠束群能與每一個(gè)聚合物分子通過(guò)形成分子間氫鍵亦或APG與降低流體損失聚合物之間的疏水基 親水基的相互作用而聯(lián)系在一起。這種相互作用也許可以屏蔽聚合物的氧化降解。
用APG具有降低流體損失協(xié)同效應(yīng)的說(shuō)法也許有助于解釋該機(jī)理的其它可能的因素,包括:
1､APG的表面活性或許影響到鉆井液表面和濾餅形成的界面區(qū)域的表面張力和親水性,可想而知,該相疏水能力的降低必然伴隨有流體損失的降低。
2､APG(尤其是APGA是非水溶性的)也許以形成泥餅的方式堵塞了地層孔隙而使之變得更不易被滲透。
七､環(huán)保因素
含有甲基葡糖苷的水基鉆井液在報(bào)道中被視為是對(duì)環(huán)境安全的鉆井液,與之類似,APG也應(yīng)該能被接受。這種觀點(diǎn)已被APG的生物降解性和水生毒性的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。例如含有C8～C14的APG在封瓶試驗(yàn)中所展示的那樣具有“迅速生物降解”能力和可接受的水生毒性(較短的鏈顯示較低的毒性)。水生毒性測(cè)試不宜用于水不溶性添加劑諸如:APGC16～C18的檢測(cè),但這些物質(zhì)不大可能產(chǎn)生毒性問(wèn)題。
這種觀點(diǎn)可以從我們對(duì)水溶性APG的研究中得到進(jìn)一步強(qiáng)化。例如在封瓶測(cè)試中APGC10～C14､APGC10～C12S(磺基丁二酸酯)和APGC10～C12C(檸檬酸酯)都是可以迅速生物降解的。
八､結(jié)論
1､在含有少量固體的聚合物體系中,只要加入少量的某一類型的APG便能有效而顯著地降低其HPHT的濾液損失。
2､泥漿體系中含有的固體越多,取得相同的降濾失效果所需的APG就越多。
3､最有前景的APG是能與其它水溶性聚合物相互作用而達(dá)到最佳API降濾失效果的APGA配方。
4､不應(yīng)僅從其自身的角度把APG視為一種降濾失劑,而應(yīng)該將其作為一種與已成功用作泥漿添加劑的聚合物一起使用,并增加了該聚合物降濾失效率的協(xié)同添加劑來(lái)看待。
5､泥漿聚合物的溫度穩(wěn)定性可以借助于APG的加入而改善;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明APG可以拓寬天然聚合物泥漿使用的溫度限定范圍。
6､作為輔助效應(yīng),在聚合物泥漿中添加APG可以提高該泥漿的潤(rùn)滑性及抗微生物侵襲的敏感性。
7、加入APGA可以減少鉆井液對(duì)地層的傷害,這或許因?yàn)樗兄谔岣邔?duì)泥漿流體損失的控制。
8､APG可以作為高兼容性的組分用于泥漿配方､生產(chǎn)控制和改善泥漿體系的氣味。
9､APG通常是可以迅速生物降解的。
本文僅探索了有關(guān)鉆井液成分,尤其是與聚合物 表面活性劑之間的相互作用的一小部分,更深意義上的理論,仍需做進(jìn)一步的研究。
