馮光通,胥 豪,唐 波,靳瑞環(huán)
(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營257017;2.中國石化中原石油勘探局培訓(xùn)中心,河南濮陽457001)
氣體鉆井是利用空氣、天然氣、氮氣或柴油機尾氣等作為循環(huán)介質(zhì)的一種欠平衡鉆井技術(shù)。與常規(guī)鉆井相比,其優(yōu)點是機械鉆速快、對儲層損害小,可消除井漏對鉆井的影響、克服水敏性頁巖和泥巖遇水坍塌導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)等問題。但氣體鉆井受制于地層出水,導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到極大限制,很多井在氣體鉆井過程中因地層出水而不得不轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井,部分井甚至出現(xiàn)井下故障[1-3]。
目前氣體鉆井遇到出水地層時,通常采用加大注氣量、采用充氣泡沫或者直接轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井等措施,極大地限制了氣體鉆井的應(yīng)用范圍和優(yōu)勢[4-6]。超吸水材料簡稱SAP(super absorbent polymer),也稱高吸水性樹脂、超強吸水劑或高吸水性聚合物,是一種具有超強吸水能力和保水能力的新型高分子材料。超吸水材料的吸水性非常強,吸水量可以達到其質(zhì)量的成百甚至上千倍,而且其表面不存在自由水。這類材料具有吸水能力強、吸水速度快、保水能力強的特點,目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生用品(緩釋性藥劑、抗血栓材料等)、日用吸水材料(如尿不濕、衛(wèi)生巾等)、土壤改良材料和工業(yè)堵水吸水等方面[7-9],油田開發(fā)過程中也曾用作堵水材料[10]。由于其具有超強的吸水能力,給解決氣體鉆井地層出水時上部地層井壁穩(wěn)定和攜水問題提供了一種新的方案。
地層水與巖石長期接觸,通常含有相當(dāng)多的金屬鹽類,如鉀鹽、鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽等,尤其以鉀鹽、鈉鹽最多。地層水溶液中常見的陽離子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+,常 見 的 陰 離 子 有 Cl-、、、、、Br-和I-。就水型分類而言,常見的地層水類型主要有硫酸鈉(Na2SO4)型、碳酸氫鈉(NaHCO3)型、氯化鎂(MgCl2)型和氯化鈣(CaCl2。
1.2.1 評價原則
針對地層水的特點和氣體鉆井的特點,建立了超吸水材料適應(yīng)性評價原則:
1)吸水倍數(shù)。吸水倍數(shù)越高,越有利于減少材料用量,提高經(jīng)濟性;同時,避免過量的吸水材料注入井筒而導(dǎo)致出現(xiàn)井下況障。
2)吸水速度。氣體鉆井時氣體在井筒內(nèi)的流速非常快,通常為10~15m/s,超吸水材料進入井筒至返出地面的時間不會太長,由水眼噴出之后與地層水接觸的時間也較短。因此,其必須具備較快的吸水速度。
3)抗鹽能力。由于地層水通常含有較多的鹽分,其抗鹽能力必須要強。
4)耐酸堿性。由于地層水具有一定的酸堿度,因此要求材料具有較好的耐酸堿性。
5)抗溫和抗壓能力。氣體鉆井時,立管壓力通常在4~5MPa[2],同時隨井深增加,井筒內(nèi)的溫度也隨之升高。因此,吸水材料吸水前后必須具備一定的抗溫、抗壓能力。
1.2.2 性能評價
高吸水樹脂(SAP)是一種含強親水性基團、經(jīng)適度交聯(lián)后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型高分子材料,具有超強的吸水能力和保水能力[11-14]。根據(jù)制備高吸水樹脂原料的不同來源,其大致分為3大系列,即淀粉系列、纖維素系列和合成聚合物系列。其中,聚丙烯酸鹽類高吸水樹脂具有成本低、吸水能力好、保質(zhì)期長、吸水速度快、對某些金屬離子的絡(luò)合能力強的特點,應(yīng)用非常廣泛。因此,筆者對該類材料的性能進行了評價。
1)吸水倍數(shù)。3種聚丙烯酸鹽類SAP常溫下吸收蒸餾水的能力見圖1。從圖1可以看出:3種SAP的吸水倍數(shù)較高,大約為500~700倍;同時在20min內(nèi)3種SAP的吸水倍數(shù)達到400~550倍,吸水量為其最大吸水量的80%左右,說明其吸水速度很快。
圖1 超吸水材料的吸水能力Fig.1 Absorption capacity of SAP
2)抗鹽能力。測試了SAP材料在一定時間段內(nèi)對陰、陽離子濃度5mmol/L不同溶液的吸水能力,結(jié)果見圖2和圖3。
從圖2可以看出,高價陽離子對SAP吸水能力的影響大于低價陽離子,SAP在不同價位陽離子溶液中的吸水能力順序大致為NaCl>KCl>MgCl2>CaCl2>FeCl3。SAP在主族金屬離子溶液中的吸水倍數(shù)主要取決于陽離子的水合離子半徑,在過渡金屬離子溶液中的吸水倍數(shù)主要取決于陽離子與樹脂基團形成絡(luò)合物的穩(wěn)定性[15]。
圖2 不同陽離子對SAP吸水能力的影響Fig.2 Effects of different cations on SAP’s absorption capacity
圖3 不同陰離子對SAP吸水能力的影響Fig.3 Effects of different anions on SAP’s absorption capacity
從圖3可以看出,SAP在不同價位陰離子溶液中的吸水能力順序為Na2CO3>NaCl>Na3PO4>Na2SO4,且隨著吸水時間的增長,吸水倍數(shù)在前30min迅速增大,100min后基本達到平衡狀態(tài)。SAP在Na2SO4溶液中的平衡吸水倍數(shù)最低,這可能是由于二價離子價位較高,與SAP中的陰離子斥力較大,較難進入樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對樹脂網(wǎng)絡(luò)鏈起排斥擴張作用[15]。
測試了不同陰、陽離子濃度對SAP吸水能力的影響,結(jié)果見圖4和圖5。從圖4可知:隨著陽離子濃度的增大,SAP的吸水能力呈現(xiàn)迅速降低的趨勢,當(dāng)陽離子濃度達到6mmol/L以后,SAP在二價和三價陽離子溶液中基本達到溶脹平衡,其吸水能力變化較小。這主要是由于陽離子濃度達到一定程度后,樹脂與溶液的滲透壓很小,故陽離子濃度的增加對吸水倍數(shù)的影響不大;SAP抵抗一價陽離子的能力稍強,當(dāng)陽離子濃度達到10mmol/L以后基本達到溶脹平衡,這是由于樹脂對一價陽離子沒有吸附作用;由于Fe3+在較低濃度時就能與樹脂形成較多的絡(luò)合物,使樹脂的網(wǎng)絡(luò)彈性大幅降低,最終導(dǎo)致吸水倍數(shù)迅速下降[15]。
圖4 陽離子濃度對SAP吸水能力的影響Fig.4 Effects of cation concentration on SAP’s absorption capacity
圖5 陰離子濃度對SAP吸水能力的影響Fig.5 Effects of anion concentration on SAP’s absorption capacity
從圖5可以看出,隨著陰離子濃度的增大,SAP的吸水倍數(shù)不斷下降,在Na2SO4溶液中下降的最快,這可能是因為由于陰離子價位較高,與樹脂中的陰離子斥力較大,較難進入樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對樹脂網(wǎng)絡(luò)鏈起排斥擴張作用;Na2CO3溶液中的大部分水解為,而的半徑要比Cl-的大,在樹脂網(wǎng)絡(luò)中更容易起到擴張作用,所以濃度的增加對平衡吸水倍數(shù)的影響較??;Na3PO4溶液中的也易水解成為和H2,多,少,和樣,也由于價位較高,難以進入樹脂網(wǎng)絡(luò),而為一價離子,進入樹脂網(wǎng)絡(luò)鏈起到了擴張作用,從而其濃度的影響略低于不發(fā)生水解的Na2溶液,但由于較少,因此濃度的影響要大于Cl-。因此,SAP在不同陰離子溶液中平衡吸水倍數(shù)順序為Na2CO3>NaCl>Na3PO4>Na2SO4。
通過上述分析可知:1)不同種類的鹽對超吸水樹脂吸水能力的影響不同;2)不同濃度的鹽對超吸水樹脂吸水能力存在著不同的影響,當(dāng)鹽濃度增大時,吸水能力普遍大幅度下降,部分鹽在達到一定濃度后,超吸水材料吸水能力呈現(xiàn)低位平穩(wěn)的趨勢;3)當(dāng)溶液中鹽離子濃度小于4mmol/L時,超吸水材料處在較高的吸水能力區(qū)域,高于該濃度后,吸水能力通常較低。目前地層水主要為CaCl2、Na2SO4、NaHCO3和Na2SO44種類型,因此研究氣體鉆井用超吸水材料時,可針對不同區(qū)塊的地層水進行重點分析,以開發(fā)適用于不同區(qū)塊的SAP材料。
3)抗溫能力。測試了溫度對3種聚丙烯酸鹽類SAP吸水能力的影響,結(jié)果見圖6。由圖6可知:隨著溫度的升高,SAP的吸水能力有降低的趨勢,但總體降低幅度不大;當(dāng)溫度達到80℃時,SAP的吸水能力在常溫下吸水能力的80%以上。氣體鉆井應(yīng)用的井段通常較淺,鉆遇80℃以上高溫地層的情況較少。因此SAP的抗溫能力能夠滿足氣體鉆井的要求。
圖6 溫度對SAP吸水能力的影響Fig.6 Effects of temperature on SAP’s absorption capacity
4)抗壓能力。測試了壓力對2種聚丙烯酸鹽類SAP吸水能力的影響,結(jié)果見表1。由表1可以看出,壓力對SAP的吸水能力有一定的影響,但影響較小。氣體鉆井時的井筒壓力通常在4~5MPa,SAP的抗壓能力基本能夠滿足氣體鉆井的要求。
5)耐酸堿性。測試了SAP對不同pH值溶液的吸水能力,結(jié)果見圖7。由圖7可知:當(dāng)溶液的pH值小于2時,SAP吸水能力極低;當(dāng)溶液的pH值為2~5時,吸水能力隨著pH值的增高而迅速增大;當(dāng)溶液的pH值為5~9時,SAP吸水能力基本保持不變,且處于較高吸水能力區(qū)間;當(dāng)溶液的pH值大于9之后,SAP的吸水能力迅速下降。
表1 壓力對SAP吸水能力的影響Table 1 Effects of pressure on SAP’s absorption capacity
圖7 pH值對SAP吸水能力的影響Fig.7 Effects of pH value on SAP’s absorption capacity
利用超吸水材料進行氣體鉆井?dāng)y水排水時,需要注意地層水的酸堿度,pH值太高和太低都會限制其使用。不同油田、不同地區(qū)地層水的pH值有所不同,pH值受礦化度的影響比較大,地層水的pH值隨礦化度的增高而降低,中等礦化度地層水的pH值為7~8,高等礦化度地區(qū)地層水的pH值為3~4。水的pH值為4~10時,SAP吸水能力較強,因此SAP可滿足普通地區(qū)氣體鉆井?dāng)y水的需要。
通過分析可知,耐鹽能力不足是影響SAP在氣體鉆井應(yīng)用的一大阻力,提高其耐鹽能力成為當(dāng)務(wù)之急。SAP的使用環(huán)境一般都有鹽類存在,其耐鹽性在一定程度上決定了它的應(yīng)用范圍。目前常用的提高丙烯酸鹽系SAP耐鹽性的方法有共聚、互穿、選用特定交聯(lián)劑、表面改性等。
何培新等人通過反相懸浮聚合得到吸收0.9%NaCl溶液前后質(zhì)量比為133的SAP,孫克時等人通過共聚得到吸收0.9%NaCl溶液前后質(zhì)量比為88的SAP,陳密峰等人通過反相懸浮聚合得到吸收0.9%NaCl溶液前后質(zhì)量比為199和220的SAP,王進鋒等人通過共聚得到吸收0.9%NaCl溶液前后質(zhì)量比為150的SAP,路建美等人通過二元共聚得到吸收去離子水前后質(zhì)量比為1484、吸收0.9%NaCl溶液前后質(zhì)量比為687的 SAP[16-20]??梢?,隨著材料學(xué)研究者的努力,可以提高SAP的抗鹽能力。因此SAP應(yīng)用于氣體鉆井具備極大的可行性。
SAP用于氣體鉆井井眼干燥的工藝可行性主要涉及2個方面:一是地面注入設(shè)備;另一個是井筒通過能力評估。SAP通常為粉末狀,對于地面設(shè)備而言,只需要在氣體鉆井流程的基礎(chǔ)上增加一套高壓注固設(shè)備,設(shè)備開發(fā)可借鑒粒子沖擊鉆井的注入系統(tǒng)[21]。粉末狀的SAP很容易通過鉆頭水眼,之后SAP遇水并開始迅速吸收水分,在上返過程中繼續(xù)吸收氣體中攜帶的水分,最終隨著巖屑和空氣返至地面。氣體鉆井時加入SAP后,井筒內(nèi)含有吸水后的SAP,由于SAP保水能力強,其表面無自由水,可最大程度地確保上部井壁干燥。此外,SAP吸水后的密度小于等于地層水的密度,也遠遠小于巖屑的密度(約2.5~3.0g/cm3),因而很容易被攜帶至地面。
由于SAP吸水后普遍呈現(xiàn)凍膠狀態(tài),可能會附著于井壁或者井下鉆具上,導(dǎo)致井下風(fēng)險增加,因此進行了室內(nèi)模擬試驗。用光滑的巖心模擬光滑的井壁,用不光滑的巖心模擬不規(guī)則的井壁,用鉆柱接頭模擬井底鉆具,空氣瓶管線以合適角度吹向巖屑或者鉆具表面的SAP,以模擬氣體鉆井空氣流動,試驗檢測吸水后的SAP能否被順利攜帶至地面而不會黏附于井壁和鉆具上,結(jié)果見圖8。從圖8可以看出,利用空氣均能將巖心和鉆具表面吸附的SAP全部吹走,因此可以認為吸水后的SAP可以被氣體順利攜帶出井筒,而不會附著于井壁和鉆具之上導(dǎo)致井下風(fēng)險增大。
圖8 氣吹前后巖心和鉆具表面Fig.8 Surfaces of cores and drill pipes before and after blowing gas
由于吸水后的SAP在井筒內(nèi)還會與巖屑混合,因此需要確保其不會與巖屑混在一起形成聚團,增加井下風(fēng)險。出于此考慮,筆者認為可以通過提高SAP吸水后的強度來解決該問題,由于SAP吸水后強度較高不易破碎,不會與巖屑發(fā)生聚團;同時,SAP從加入至返出地面通常是一個連續(xù)的過程,在高流速氣體的攜帶下,巖屑和SAP通常呈均勻分布狀態(tài),也可以防止其與巖屑混合形成聚團。
吸水材料SAP吸水后體積膨脹,當(dāng)遇到超過其吸水能力的水或者溶液時,其成為懸浮狀態(tài)。氣體鉆井時,吸水后的SAP與巖屑一起排出井筒,需要將其與巖屑分離,才能再次利用。
筆者通過深入研究,設(shè)計出適用于氣體鉆井現(xiàn)場的SAP分離方法,SAP回收流程如圖9所示。吸水后的SAP與巖屑一起從井口返出,然后進入含水的沉砂池,巖屑下沉,SAP懸?。辉诔辽俺氐呐赃呍俳ㄒ粋€分離池,懸浮SAP的水進入分離池,分離池內(nèi)安裝一過濾網(wǎng),用電機將過濾后的水抽回沉砂池,SAP即可與巖屑分離。為了避免未充分吸水的SAP在沉砂池內(nèi)繼續(xù)吸水,可在沉砂池內(nèi)加入過量鹽分,充分利用SAP抗鹽能力不足的特點來解決分離問題。
圖9 SAP回收流程設(shè)計Fig.9 Recycling process design
SAP再利用的前提是脫水。SAP的吸水屬于化學(xué)吸水,利用離心方法很難將水分離出來。筆者采用烘烤方法,對5種吸水后的SAP進行了烘烤脫水試驗,結(jié)果見表2。由表2可以看出,SAP的烘烤脫水能力較弱。
在鉆井現(xiàn)場對大量的SAP進行烘烤不現(xiàn)實,加之脫水后的SPA再吸水能力較弱,再利用的可行性較小。聚丙烯酸鹽類SAP為高分子聚合物,具有較強的自然分解能力,分解后的主要產(chǎn)物為H2O、CO2和Na+等,對空氣、土壤、水源無污染,不會對環(huán)境造成破壞,可采用與鉆井巖屑類似的固化處理方法。
1)氣體鉆井應(yīng)用超吸水材料進行井壁干燥具有可行性。通過進一步深入研究,有望獲得成功,有助于發(fā)揮氣體鉆井的技術(shù)優(yōu)勢,提高其克服地層出水的能力,拓寬其應(yīng)用范圍。
2)聚丙烯酸鹽類超吸水材料具備在氣體鉆井過程中攜水的能力,但由于其抗鹽能力較弱,需要提高其抗鹽能力。
3)應(yīng)用于氣體鉆井的聚丙烯酸鹽類超吸水材料回收之后脫水困難,且重復(fù)吸水能力顯著降低。因此,其重復(fù)利用的可行性較低。
4)建議下一步針對一些區(qū)塊開展超吸水樹脂改性方法研究,提高其應(yīng)用于氣體鉆井的適應(yīng)性,并開展吸水后的SAP、巖屑與氣體的多相流理論研究和模擬試驗。
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