韦兰胶对钻井液流变性能的影响规律.pdf

第 2 6卷 第 3期 2 0 0 9年 5月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I LI NG FLUI D ＆ COMPLETI ON FL UI D Vo1 ． 2 6 NO ． 3 M a y 2 0 09 文 章 编 号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 3 0 0 4 1 0 3 韦兰胶对钻 井液流变性能的影 响规律 杨振杰 刘 阿妮 张喜凤 丁建旭 吴伟 韩波 刘 刚 西安石油大学石油工程学 院， 西安 摘要 韦兰胶具有 比黄原胶更加优 良的抗 温性 能和剪切稀 释性 能。研 究 了韦兰胶在 不同条件 下 温度、 p H、 膨 润土含量和含盐量 对钻井液流变性能的影响规律 ， 并 与黄 原胶进 行 了对 比。结果表 明， 在 相 同加 量条件 下， 韦 兰胶钻井液 比黄原胶钻井液具有更高 的表观黏度和动切力 ， 而塑性黏度基本 一致， 具 有优 良的剪切 稀释性 能； 韦兰 胶钻 井液 的抗温能力 明显高于黄原胶钻井液。 韦兰胶将成为深井钻井液 中的一种新 型流 型调节剂 。 关键词 钻井液添加剂 ； 韦兰胶 ； 黄原胶； 生物胶 ； 流变性 ； 高 温 中图 分 类 号 TE 2 5 4 ． 4 文 献 标 识 码 A 0 引 言 黄原胶 的抗 温能力 限 制 了它在高 温深井 钻井 液 中 的广泛 运 用 。韦 兰 胶 是 产碱 杆 菌 Al c a l i g e n e s s p 的代谢 多糖 ， 其结 构与 结冷 胶类似 ， 它 的结构 骨架 由 I _ 葡萄糖 、 I I 葡糖醛 酸和 L 一 鼠李 糖 的 单元 组 成 。侧 链 由单链 的 L 一 甘露 糖 或 单 链 的 L 一 鼠李糖 构 成 。水 溶液中韦兰胶分子 主要是分子内的范德华力作用 ， 侧 链 和主链 间 的氢 键 作 用n ] 。韦 兰 胶 和 黄 原 胶 的 分 子结构 见参 考文 献 [ 2 ] 。黄 原 胶 和韦 兰 胶 都 是 有 广泛 应用 前景 的 添加 剂 。与黄 原 胶 相 比， 韦 兰胶 具 有更 加优 良的触变 性 、 悬 浮 性 、 水 溶 性 等 流 变性 能 ， 且具 有卓 越 的温 度 稳 定性 ， 在 较 高 的温 度 下 能够 保 持稳定 的流变性 能 。研 究 了韦 兰胶在 不 同条件 下对 钻井 液流 变性能 的影 响规 律 ， 并 与黄 原胶进 行对 比。 该研究 对在 深井 复杂井 中更 好地 选用 优 良的流 变性 能调 节剂有 重要 的参 考价值 。 l 实验 材 料 、 仪 器 和 方 法 实 验材 料和 仪器 韦兰胶 w L J ， 黄原 胶 HYJ ， 河 北 鑫合 生 物 化 工 有 限 公 司生 产 。六 速 旋 转 黏 度 计 Z NN- D 6 ， 数 显式滚 子 加热 炉 X GR L 一 2 ， 青 岛 海通 达 专用仪器厂生产 ； 哈克黏度计 D ／ MS 一 2 4 0 0 ， 德 国哈 克公 司生 产 。 实验方法 分别在 4 膨润土浆 中加入韦兰胶 WL J 、 黄 原胶 HY J或 2种 生物胶 的 复配 ， 在 6 O℃下 测其性 能 。 2 两种 生物胶及 其复配钻井液的性能 2 ． 1 流 变性 能 2种生 物胶 及其 复 配钻 井 液 的流变性 能见 表 1 。 表 1 2种生物胶及其复配钻井液的流变性能 wL -I HY J实验 P y P wL J HY J实验 P Y P g g 条件 mP a s P a g g 条件 m P a S P a 热滚前1 O 1 8 ． 4 O 热滚前1 O 1 3 ． 8 O 热滚后1 2 1 3 ． 2 9 热滚后9 1 0 ． 2 2 热滚前1 2 2 6 ． 5 7 热滚前1 O 2 1 ． 4 6 热 滚 后1 O 2 3 ． 5 1 热 滚 后1 1 1 6 ． 3 5 热滚前1 5 3 9 ． 3 5 热滚前1 4 2 8 ． 1 1 0 ．0 0． 8 热滚后1 1 3 6 ． 7 9 热滚后1 1 2 3 ． 5 1 热滚前2 4 6 3 ． 8 8 热滚前1 7 3 9 ． 8 6 热 滚 后1 4 5 5 ． 1 9 热 滚 后1 3 3 3 ． 2 2 O．8 o ．2热滚 前 2 6 5 6 ． 7 2 O ．2 O． 8热滚前 2 1 4 2 ． 4 1 热滚后1 4 4 7 ． 5 2 热滚后1 2 3 9 ． 3 5 热滚前1 8 5 2 ． 1 2 热滚前2 2 4 6 ． 0 0 热滚后1 5 4 5 ． 9 9 热滚后1 5 3 8 ． 8 4 注 测试温度为 6 O℃， 热滚条件为 1 2 0℃、 1 6 h 。 第一作者简 介 杨振杰 ， 教授级 高级 工程 师， 1 9 5 8年 生， 1 9 8 2年 毕业于西南石油学院钻井工程专业 ， 长 期从事现场钻 井液 技术和科研工作， 现从 事科研 教 学 工作。地 址 陕 西省 西 安市 西安 石 油大 学石 油 工程 学 院； 邮政编 码 7 1 0 0 6 5 ； 电话 0 2 9 88 38 3 013。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 9年 5月 由表 1可 以看 出 ， 随着 WL J或 HY J加量 的增 加 ， 韦兰胶 钻井液 和 黄 原胶 钻 井 液 的塑 性 黏 度 和动 切力 都 明显 增加 ； 相 同加 量条 件下 ， 韦兰胶 钻井 液 的 表观 黏度 和动切力 明显 高 于黄 原 胶 钻井 液 ， 而 2种 体 系的塑性 黏度 基 本一 致 ， 说 明 韦 兰胶 钻 井 液具 有 更好 的剪切 稀释性 能 ； 经过 高温 滚动 后 ， 2种 体 系 的 表 观黏度 和动切 力 均有 所 下 降 ， 而 塑性 黏 度 变化 幅 度较 小 ； 韦 兰胶钻 井 液 随着 加 量 的增 加 流 变性 能 受 温度 的影 响程 度 逐 渐 减 小 ， 在 wL J加 量 为 0 ． 8 时 ， 韦兰胶 钻井液 的动 切力 和 表 观 黏度 的下 降 幅度 最小 ， 塑性 黏度 的下 降幅度 最大 ， 该 钻井 液具有 最佳 的流变性 能 。 郭建军 等人认为韦兰胶与黄原胶复配比例为 0 ． 2 0 ． 8时 ， 2种 生 物胶 复 配 钻 井 液 的 流变 性 能 最 佳 ， 溶 液 的黏度最 大 ， 协 同增 效作 用最 明 显 ， 抗 温 性 能 最好 。在 2 种 生 物 胶复 配 钻 井 液 中 ， 随着 韦 兰胶 复配比例的减少 ， 钻井液的表观黏度、 塑性黏度和动 切 应力均 下降 。在 较 高 的温 度 下 ， 在 黄原 胶 钻井 液 中复配韦兰胶能够有效地提高钻井液的表观黏度和 动 切力 ， 提高钻 井液 的剪切 稀释性 能 ， 韦兰胶 钻井液 在 高温条 件下 ， 具 有 比黄 原胶 钻 井 液更 优 良的 流变 性 能 。 2 ． 2 抗温性能 2种生 物胶及 其复 配钻井 液 的抗温性 能见表 2 。 表 2 2种生物胶及其 复配钻井液的抗温性能 由表 2可以看出， 随着温度的增加 ， 韦兰胶钻井 液和黄原胶钻井液的塑性 黏度和动切力都有所下 降 ， 但黄原胶钻井液的下降幅度较大； 在复配的钻井 液中， 随着韦兰胶所占比例的减少 ， 温度变化对塑性 黏度和动切力的影响程度有所增加 ； 生物胶加量相 同时， 在不同温度下 ， 韦兰胶钻井液的动切力明显高 于黄原胶和 2 种生物胶复配钻井液 ， 而其塑性黏度 基本一致 ， 说明韦兰胶钻井液在各种 温度条件下都 具有 较好 的剪切 稀释性 能 。 2 ． 3 抗盐性能 2 种 生物 胶及 其复配 钻井 液的抗盐 Na C 1 性 能 见 表 3 。 表 3 2种生物胶及其复配钻井液的抗盐 N a O I 性能 o． 60 o ． 00 9 1 l l l Z 5 ．O 4 Z 3． 5l Z 7． O 8 0． 48 o．1 2 1 1 1 1 9 2 4 ．0 2 2 4． 5 3 2 1． 4 6 0． 36 0 ．2 4 11 1 2 7 21 ． 46 21 ． 46 2 4． O 2 o． 24 o ． 36 1 1 1 1 11 21 ． 4 6 21 ． 4 6 2 O． 4 4 0． 12 O ． 48 9 1 l 1 1 1 9． 93 1 9． 93 2 O． 4 4 o． 00 0 ．6 0 9 9 1 0 1 8． 91 1 8． 91 1 8． 9 1 注 5 、 l O 和 1 5 均为 Na C 1 的浓度 。 从 表 3 可 以看 出 ， Na C I 含 量 的增 加 对 韦 兰胶 、 黄原胶和 2种胶复配钻井液 的流变性能影 响都不 大 ， 说 明韦兰胶 和黄 原胶 均具有 较好 的抗 盐性 能 。 2 ． 4抗碱性 p H值对 2 种生物胶及其复配钻井液的影响见 表 4 。由表 4可以看 出 ， 随着 钻 井 液碱 性 的提 高 ， 韦 兰胶钻井液的动切力明显提高 ， 而塑性黏度有所 下 降 ， 对 提高钻 井液 的剪切 稀释性 能 十分有利 ； 碱性 的 变化对 黄原胶 钻井 液 的流 变性 能 影 响不 大 ； 在 复 配 钻井液中， 随着韦兰胶所 占比例的减少， 碱性变化对 塑性 黏度 和动切力 的影 响程度 有所 降低 。 表 4 N a O H加量对 2种生物胶及其复配钻井液的影 响 的 ∞ ∞ “ ％ 一 H 一 O 2 4 6 8 O一 0 1 2 3 4 6一 ． 勾 ● ● ● ● ● ■ ■ 】 0 O O O O O一 直 O 8 6 4 2 O一 生 p 6 4 3 2 1 O一 ， ● ● ● ● ， ● _ } 一 ～ 一 一 一 一一一 一 3 4 7 7 6 6 1 O 9 3 8 2 9 5 1 7 6 2 2 2 2 1 1 1 2 5 4 5 3 9 6 5 O 9 9 8 8 5 5 O 9 7 2 2 2 2 1 1 9 3 2 5 1 6 1 1 6 5 5 4 2 9 8 5 3 l 3 2 2 2 2 2 7 8 如 U n 0 4 3 2 2 3 l 1 1 11 1 1 1 O 2 4 6 8 O O 1 2 3 4 6 O O O O O 0 O 8 6 4 2 0 6 4 3 2 1 O O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 3期 杨振 杰 等 韦兰胶 对钻 井液 流 变性 能 的影响 规律 4 3 2 ． 5 膨润土含量的影响 膨润土含量对 2种生物胶及其复配钻井液的影 响见 表 5 。 表 5 膨润土含 量对 2种 生物胶及 其复配钻 井液的影响 注 2 ． 0 、 4 ． 0 和 6 ． 0 均 为 膨 润 土 含 量 。 由表 5 可 知 ， 随着膨 润土 含量 的增加 ， 韦兰胶 和 黄原 胶 的塑性 黏度 和 动 切力 均 明显 提 高 ， 其 增加 的 幅度 基本 一致 ， 相 同膨 润 土 加 量下 韦 兰胶 的动 切 力 明显 高于黄 原胶 。 2 ． 6 2种生物胶钻井液的黏度随温度的变化 使 用 哈克黏 度计 ， 固定 剪 切 速 率 为 5 1 1 S _ 。 ， 测 定 了 2种生 物胶 钻井 液 的黏 度 随 温度 的变 化 情 况 ， 结果见 图 1 。由图 1可以看 出， 温度高于 7 0℃后 ， 黄原胶 钻井 液受 温度 影 响 的 程 度 高 于 韦 兰胶 钻 井 液 。实 验再 次表 明 ， 韦 兰胶 比黄 原 胶 具有 更 加 优 良 的温度 稳定性 。 ℃ 图 1 2种生物胶钻井液 的黏度 随温度 的变化 3 机 理 分 析 黄原胶侧链和主链之间通过氢键形成双螺旋和 多重螺旋结构 ， 而韦兰胶 由带侧链的巨大链状分子 构成 ， 平 面扩 展范 围较 大 ， 侧 链 和主链 都带 有大 量 的 羟基 ， 有 利于 在膨 润土 颗粒上 牢 固吸 附 ， 因此韦 兰胶 的分 子结 构有 利 于形 成 充 分 伸 展 的 空 间 网架 结 构 ， 能够 减少 生物 胶 的 加 量 ， 获 得优 异 的流 变 性 能 。在 温度 升高 时 ， 由于 韦 兰胶 分 子 间 的氢 键 力 比黄 原 胶 强， 形成的网架结构 比较牢固， 因此在高温下仍能保 持较 高 的结 构 黏度 。 在 2种 生 物胶 复 配 的水 溶 液 中， 黄 原胶 分 子 的 双螺旋 结构 易 和含 1 ， 4键 的韦 兰胶 分 子发 生 嵌 合 作 用 ， 有利 于提 高 溶 液 的 结构 黏 度 。 而且 在 带 有膨 润土的钻井液中， 韦兰胶与黄原胶复配之所以没有 水 溶 液 中明显 的增 效作 用 ， 可 能是 由 于韦 兰胶 分 子 在 钻井 液 中抢先 吸 附在 膨 润 土 颗 粒 上 ， 然 后通 过 氢 键力相互嵌合 ， 形成网架结构 ， 和黄原胶分子嵌合形 成网架结构的几率减小。在试验 中还发现 ， 韦兰胶 钻 井液 的滤 失控 制 能力 比黄 原 胶 更 强 ， 证 明 韦兰 胶 具有 更好 的胶 体稳 定 性 和 吸 附 强度 ， 有 较好 的综 合 性 能 。 4 认 识 与 结 论 1 ． 韦 兰 胶 是一 种 新 型 的生 物 胶 ， 具 有 比黄 原 胶 更 优 异 的流型 调 节 能力 。相 同加 量 下 ， 韦兰 胶 钻 井 液 比黄原胶 钻井 液 具 有 更 高 的表 观 黏 度 和 动切 力 ， 而塑性 黏度 变化 不 大 ， 有 利 于 降低 生物 胶 钻 井 液 的 成 本 ， 增 强 钻井 液 的剪切稀 释性 能 ， 有希 望用 于大斜 度 定 向井和 水平 井钻 井液 中。 2 ． 抗 温 能力 较强 是韦 兰胶钻 井液 的另 一个 重要 特点。通过韦兰胶的运用 ， 能够拓展生物胶钻井液 的 温度使 用 范 围 ， 在 深 井条 件 下 能 够 保证 生 物 胶 处 理剂 的性能稳定性 ， 使深井钻井液具有更好 的流型 调节 手段 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈芳 ， 李建科 ， 徐昶． 新型微生物多糖一 韦兰胶的流变特 性影 响因素研究[ J ] ． 食 品科 学 ， 2 0 0 7 ， 9 2 8 4 9 5 2 [ 2 ] 郭建军 ， 李建科 ， 陈芳 ， 等． 黄原胶和韦兰胶混胶 黏度 的 影响 因素研究 [ J ] ．食 品科学 ， 2 0 0 7 ， 1 0 2 8 9 6 9 9 收 稿 日期 2 0 0 8 0 9 2 7； HGF 0 9 0 3 N3； 编 辑 王 小 娜 暑 梅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m