液體黃原膠水包油鉆井液研究

常瓏嚴

(中國石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南新鄉(xiāng)453700)

1 研究目的及意義

面對石油地質(zhì)儲量被開采得日益減少以及社會對石油資源的需求逐漸加劇的現(xiàn)狀。為更好地發(fā)現(xiàn)和開發(fā)油藏，多實施欠平衡鉆井作業(yè)，以最大限度地保護儲層。

作為一種深井低密度欠平衡水基鉆井流體，水包油鉆井液既保持了水基鉆井液的特點，又具備了油基鉆井液的特點，適合于深井欠平衡鉆井作業(yè)。

其主要優(yōu)點如下:

(1)體系性能穩(wěn)定，抗溫能力強，流動性好，濾失量低，穩(wěn)定井壁能力較強;

(2)其密度低于普通鉆井液體系，欠平衡鉆進時對儲層損害極小，有利于解放油氣層，提高油氣井產(chǎn)能;有助于防止井漏的產(chǎn)生和機械鉆速的提高，不影響電測和核磁測井;

(3)潤滑作用好，可減少對泥漿泵的損害;

(4)較之泡沫和充氣鉆井液體系而言，其在使用過程中不需配備復雜設(shè)備，且性能上容易監(jiān)測、控制和調(diào)整;較純油基鉆井液成本低，對橡膠件的損害小，對環(huán)境污染小。

正因水包油鉆井液有著以上優(yōu)良的性能，已經(jīng)廣泛的投入到石油工業(yè)中。液體黃原膠是近幾年新開發(fā)的一種新型鉆井液流變性調(diào)節(jié)劑，在國外已經(jīng)開始應用于鉆井液，在國內(nèi)幾乎還沒有人進行室內(nèi)評價和現(xiàn)場使用。由于國外對這種新型黃原膠產(chǎn)品的使用方法進行了保密，因此在我國它的應用幾乎處于一片空白。本文通過探索研究液體黃原膠對5種鉆井液體系乳化性和流變性的影響，優(yōu)選液體黃原膠水包油鉆井液體系配方，以解決鉆井中的難題，提高鉆井效率。

2 黃原膠的物理化學性質(zhì)

2．1 黃原膠的分子量

黃原膠是一種具有超高分子量的細菌胞外多糖，只溶于水中。由于其側(cè)鏈上含有可電離的三糖基團，表現(xiàn)出很強的聚電解質(zhì)行為，因而給分子量及分子量分布的測定帶來許多困難。

許多學者對黃原膠的分子量進行了研究，但由于測試方法和試驗條件以及樣品的差異，得到的結(jié)果不盡相同。綜合多家數(shù)據(jù)得出黃原膠分子量的大致范圍是 2×106～50×106。

2．2 黃原膠單分子的形貌

它的側(cè)鏈較大且成螺旋，所以分子鏈較粗，加之電鏡分辨率較高(1.4 A。)，因而其分子在電鏡下清晰可辨。經(jīng)電鏡觀察并從其變性后的形態(tài)變化推測出黃原膠分子的二級結(jié)構(gòu)是由40余個亞基組成的直徑為4 nm的右手雙螺旋(見圖1)。

圖1 黃原膠分子的多亞基雙螺旋

2．3 黃原膠組分結(jié)構(gòu)特點

黃原膠的分子式(C35H49O29)n，它是一種線型高分子聚合物，它的β－主鏈上含有D－葡萄糖、D－甘露糖、D－葡萄糖醛酸。這種聚合物可能的最簡單的結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。

圖2 黃原膠最簡單的結(jié)構(gòu)模式

結(jié)構(gòu)中丙酮酸和葡萄糖醛酸帶有陽離子基，分子鏈呈自由卷曲狀態(tài);但在多數(shù)情況下，由于大分子內(nèi)部氫鍵的存在而成雙螺旋麻花狀的立體構(gòu)型，進而有序地排列成聚合體結(jié)構(gòu)(超會合結(jié)構(gòu))。

由于它具有這種超會合結(jié)構(gòu)，如圖3所示，即使它的水溶液在較低的濃度時，仍具有較高粘度。這種立體構(gòu)型在溫度和剪切速率的變化下可以互相轉(zhuǎn)化。

圖3 黃原膠的雙螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)

2．4 黃原膠的物理化學性質(zhì)

黃原膠是一種集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定于一體、性能較為優(yōu)越的生物膠。它在水溶液中呈多聚陰離子且構(gòu)象是多樣的，不同條件下表現(xiàn)出不同的特性，具有獨特的理化性質(zhì)。

(1)穩(wěn)定性。黃原膠溶液具有很強的抗溫性和抗酸堿能力。許多酶如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶等都不能使黃原膠降解。

(2)假塑流變性。黃原膠溶液是一種典型假塑性流體，具有很好的剪切稀釋性。

(3)增稠性。黃原膠具有良好增稠性能，特別是在低質(zhì)量濃度下具有很高粘度，0.3 g/L黃原膠溶液即能產(chǎn)生0.09 Pa·s有效粘度。與大多數(shù)合成或天然增稠劑配伍，混溶后使混合膠粘度顯著提高。

(4)懸浮性和乳化性。由于黃原膠理化性質(zhì)穩(wěn)定，因而具有良好懸浮性和乳化性。

3 黃原膠鉆井液體系試驗

3．1 試驗方案

本試驗的主要目的是探索液體黃原膠對鉆井液乳化特性的影響，通過研究液體黃原膠對柴油－清水體系、柴油－清水－充氣劑體系、原油－清水－充氣劑體系、原油－聚合物鉆井液體系和原油－聚磺鉆井液水包油鉆井液5種鉆井液體系性能的影響，分析總結(jié)液體黃原膠對鉆井液乳化特性的影響。具體試驗方案見表1。

按照試驗方案把液體黃原膠加入到鉆井液體系，測量其混合密度、體系的上下部密度以及流變性能和其他一些性能，試驗的原始數(shù)據(jù)見表2。

3．2 試驗結(jié)果

對原始試驗數(shù)據(jù)進行處理得試驗結(jié)果見表3～7。

表1 試驗設(shè)計方案

表2 試驗原始數(shù)據(jù)

3．3 試驗分析(見圖4～17)

3．3．1 液體黃原膠在柴油－清水體系中的乳化性能(60℃)

由圖4可看出，在柴油－清水體系中加入液體黃原膠，隨著體系液體黃原膠量的增加，表觀粘度、塑性粘度和動切力均增大，液體黃原膠調(diào)節(jié)了體系的剪切稀釋性。

由圖4可看出，體系有一段動切力為負值，這可能是旋轉(zhuǎn)粘度計的機械摩阻影響，導致塑性流體動切力測值偏低。

表3 液體黃原膠在柴油－清水體系中乳化性能試驗(60℃)

表4 液體黃原膠在柴油－清水－充氣劑體系中乳化性能試驗(60℃)

表5 液體黃原膠在原油－清水－充氣劑體系中的乳化性能試驗(60℃)

表6 液體黃原膠在原油－聚合物鉆井液體系中的乳化性能試驗(60℃)

表7 液體黃原膠在原油－聚磺鉆井液體系中的乳化性能試驗(60℃)

圖4 液體黃原膠在柴油－清水體系中流變曲線圖

由圖4可看出，在體系液體黃原膠量1%時，繼續(xù)增加液體黃原膠量，體系流變曲線呈下降趨勢，原因可能是由于液體黃原膠量的持續(xù)增大，導致分子排列成線的趨勢增加，另外有些長鏈分子可能斷裂。

圖5 柴油－清水體系密度變化圖

圖6 液體黃原膠在柴油－清水－充氣劑體系中的流變曲線圖

圖7 液體黃原膠在柴油－清水－充氣劑體系中API失水量

圖8 柴油－清水－充氣劑體系密度變化圖

圖9 液體黃原膠在原油－清水－充氣劑體系中的流變曲線圖

圖10 液體黃原膠在原油－清水－充氣劑體系中的API失水量

由圖5可看出，隨著體系液體黃原膠量的增多，體系上下部液體密度差異在逐漸減小，但是與混合密度差異比較大。

3．3．2 液體黃原膠在柴油－清水－充氣劑體系中的乳化性能(60℃)

圖11 原油－清水－充氣劑體系密度變化圖

圖12 液體黃原膠原油－聚合物鉆井液體系中的流變曲線圖

圖13 液體黃原膠原油－聚合物鉆井液體系中的API失水量

圖14 原油－聚合物鉆井液體系密度變化圖

圖15 液體黃原膠在原油－聚磺鉆井液體系中的流變曲線圖

圖16 液體黃原膠在原油－聚磺鉆井液體系中的API失水量

圖17 原油－聚磺鉆井液體系密度變化圖

(1)由圖6可看出，在柴油－清水－充氣劑體系中加入液體黃原膠，隨著液體黃原膠量的增多，表觀粘度、塑性粘度和動切力均先增后減，液體黃原膠調(diào)節(jié)了體系的剪切稀釋性。在體系液體黃原膠量0.4%時，繼續(xù)增加液體黃原膠量，體系流變曲線呈下降趨勢，原因可能是由于液體黃原膠量的持續(xù)增大，進而導致分子排列成線性的趨勢增加，另外有些長鏈分子可能斷裂。

(2)由圖7可看出，體系中液體還原膠量增多，濾失逐漸減小，慢慢趨于穩(wěn)定，說明在柴油－清水－充氣劑體系中加入液體黃原膠，形成了比較好的泥餅，能夠有效地防止濾失。

(3)由圖8可看出，體系中隨著液體黃原膠量的增加，上下部密度逐漸趨于相同，并且與混合密度差異非常小，體系逐漸趨于穩(wěn)定，體系乳化比較好。

3．3．3 液體黃原膠在原油－清水－充氣劑體系中的乳化性能(60℃)

(1)由圖9可看出，在原油－清水－充氣劑體系中加入液體黃原膠，隨著液體黃原膠量的增加，體系表觀粘度和塑性粘度變化趨勢一致，均是先增大后減小，動切力變化幅度比較小。

(2)由圖10可看出，隨著體系液體黃原膠量的增大，濾失量在逐漸增大，說明體系未能形成好的泥餅，不能有效地防止濾失。

(3)由圖11可看出，隨著體系液體黃原膠量的增加，體系上下部密度差異逐漸減小，但是與混合密度差異比較大，體系乳化效果不好。

3．3．4 液體黃原膠在原油－聚合物鉆井液體系中的乳化性能(60℃)

(1)由圖12可看出，在原油－聚合物鉆井液體系中加入液體黃原膠，隨著液體黃原膠量的增加，體系表觀粘度和塑性粘度先減小，慢慢趨于穩(wěn)定，動切力變化幅度不變。

(2)由圖13可看出，隨著體系液體黃原膠量的增加，失水量先增大后減小。

(3)由圖14可看出，隨著體系液體黃原膠量的增加，上下部密度差異逐漸減小，與混合密度差異比較小，體系乳化比較好。

3．3．5 液體黃原膠在原油－聚磺鉆井液體系中的乳化性能(60℃)

(1)由圖15可看出，在原油－聚磺鉆進液體系中加入液體黃原膠，隨著液體黃膠量的增加，體系表觀粘度和塑性粘度先減小，慢慢趨于穩(wěn)定，動切力先增大后減小。

(2)由圖16可看出，隨著體系液體黃原膠量的增加，失水量先減小后增大。

(3)由圖17可看出，隨著體系液體黃原膠量的增加，體系上下部密度差異逐漸減小，并且與混合密度差異比較小，體系乳化效果比較理想。

3．4 水包油鉆井液體系優(yōu)選

優(yōu)選液體黃原膠水包油鉆井液體系配方時，把乳化穩(wěn)定性、流變性、動塑比和API濾失量作為重要的指標，但是還得兼顧其他的性能指標，而在有些加量的選取上，如果在某一性能上變化不大，就可以在考慮其他性能的基礎(chǔ)上選擇其加量，從而得出試驗組，從試驗的各項數(shù)據(jù)結(jié)果中，優(yōu)選出比較好的配方，見表8～11。

3．5 小結(jié)

由以上乳化對比試驗可以得出以下結(jié)論。

(1)在柴油－清水體系中，優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度，較低的塑性粘度，但是試驗結(jié)果表明API全漏，未能形成泥餅，所以要使用該體系的話，要在其中加入降濾失劑。

(2)在柴油－清水－充氣劑體系中，優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度、較高的動塑比和較低的API失水量，說明形成了良好的泥餅，在鉆井過程中能夠有效地防止濾失，保護井壁。

表8 液體黃原膠在柴油－清水體系中乳化對比試驗(60℃)

表9 液體黃原膠在柴油－清水－充氣劑體系中乳化對比試驗(60℃)

表11 液體黃原膠在原油－抗高溫聚磺鉆井液體系中的乳化對比試驗(60℃)

(3)在原油－聚合物鉆井液體系中，優(yōu)選體系具有較高的表觀粘度、塑性粘度和較高的動切力，API失水較低，能夠形成泥餅。

(4)在原油－聚磺鉆井液體系中，優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度、較高的動切力、API失水量較低和有著較高的動塑比，說明該優(yōu)選體系具有較好的剪切稀釋性能。

通過以上乳化對比試驗，優(yōu)選出以下4組優(yōu)選方案，見表12，其中優(yōu)選出的柴油－清水－充氣劑體系配方更適合作低密度充氣鉆井液。80;基液C配方為100 mL聚磺鉆井液+2.0 g液體黃原膠+0.3 g SP－80;聚合物鉆井液配方為3%膨潤土漿+0.3%CMC+0.1%K－PAM+0.1%JT－888+0.2%銨鹽;聚合物鉆井液配方為聚合物鉆井液基槳+3%SMP－2+3%腐植酸鉀+0.4%Na2O。

表12 液體黃原膠水包油鉆井液體系優(yōu)選方案

該鉆井液體系的特點:表觀粘度與動切力較高，塑性粘度較低，動塑比較高，表明其具有較好的剪切稀釋性能，其能充分發(fā)揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，在環(huán)形空間能很好地攜帶巖屑;API濾失量低，具有良好的降濾失性能，能夠形成薄而致密的泥餅，進而有效地阻止鉆井液進入地層，減輕對油氣層的侵害。

4 結(jié)語

(1)試驗結(jié)果表明，在配制超低密度充氣鉆井液時，更適合用柴油，而不宜選用原油。

(2)優(yōu)選的柴油－清水－充氣劑體系，密度很低，適合作低密度充氣鉆井液。

(3)優(yōu)選的原油－聚合物體系，密度比較低，且流變性比較好。

(4)優(yōu)選的原油－聚磺鉆井液體系，體系比較穩(wěn)定，流變性比較好，濾失量低。

(5)液體黃原膠作為一種新型鉆井液流變性處理劑，具有良好的水溶性，耐溫，抗酸堿，優(yōu)良的增粘性，并起一定的降濾失作用，良好的配伍性。目前深井和超深井井底地層情況復雜，井底溫度高，因此適合應用液體黃原膠處理鉆井液。液體黃原膠應用廣泛，但在我國石油工業(yè)中的應用還需要更多、更深層次的探索和研究。

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