超吸水材料在气体钻井井眼干燥中的应用探讨.pdf
第 4 2卷 第 3期 2 0 1 4年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLE UM DRI LLI NG TECHNI QUE S Vo 1 . 4 2 No . 3 M a v。 2 O1 4 钻井完井 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 4 . 0 3 . 0 0 8 超 吸水材 料在气体钻 井井 眼干燥 中的应 用探讨 冯光通 ,胥 豪 , 唐 波 , 靳瑞环 1 . 中石化胜利石油工程有 限公司钻井工艺研究院, 山东东营 2 5 7 0 1 7 ; 2 . 中国石化中原石油勘探局培训中心 , 河南濮 阳 4 5 7 0 0 1 摘要 气体钻 井时地层 出水可导致水敏性泥 页岩坍塌失稳 , 为 了解决这一 问题 , 进行 了超 吸水材料 用 于井眼 干燥 的研 究。通过 室内试验对超吸水材料 的吸 水能力、 吸水速度 、 抗盐能力、 抗温 能力、 抗压 能力、 p H 值适 应性 、 改 性方 法、 并筒通过能力 、 回收和 重复利 用可行性 进行 了评 价 。结 果表 明 超吸 水材料 具有吸 水能 力强、 吸 水速度 快 的特 点; 温度和压力对其吸水能力影响 小; 盐分对其吸水 能力影 响较 大, 但 可以通过 改性方 法提 高其 耐 盐性 ; 超 吸 水材料吸 水后 可以顺利返 至地 面, 可回收 , 但脱 水 困难 , 重 复利用 的可行性低 。研 究表 明 , 超吸 水材料应 用 于气体 钻 井井壁 干燥在材料 、 工 艺方 面都具备可行性 , 可为气体钻井井壁干燥提供 了新的思路和技术手段 。 关键词 气体钻 井 超吸水材料 地层 水 吸水 能力 可行性研 究 中图分类 号 T E 2 4 2 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 3 - 0 0 3 8 0 7 Di s c u s s i o n o n t he Ap pl i c a t i o n o f S u p e r - Abs o r b e nt Po l y me r i n Ga s Dr i l l i ng t o Dr y W e l l b o r e F e n g Gu a n g t o n g , Xu Ha o , T a n g B o , J i n Ru i h u a n 。 1 . Dr i l l i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e , S i n o p e c S h e n g l i O i l f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n, Do n g y i n g, S h a n d o n g, 2 5 7 0 1 7 , C h i n a ; 2 . Tr a i n i n g C e n t e r o f Z h o n g y u a n Pe t r o l e u m Ex p l o r a t i o n Bu r e a u, S i n o p e c , Pu y a n g, H e n a n, 4 5 7 0 0 1 , Ch i n a Ab s t r a c t I n g a s d r i l l i n g, f o r ma t i o n wa t e r f l o w ma y l e a d t o i n s t a b i l i t y o f wa t e r s e n s i t i v e mu d s t o n e a n d s h a l e . To s o l v e t h i s p r o b l e m , t h e f e a s i b i l i t y o f a p p l y i n g s u p e r a b s o r b e n t p o l y me r S AP t o d r y we l l b o r e wa s i n v e s t i g a t e d . A l a b o r a t o r y e x p e r i me n t wa s ma d e t o e v a l u a t e t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y, a b s o r p t i o n v e l o c i t y , s a l t r e s i s t a n c e , t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e , c o mp r e s s i v e s t r e n g t h, p H v a l u e a d a p t a b i l i t y, mo d i f i c a t i o n me t h o d s , a b i l i t y o f p a s s i n g t h r o u g h b i t n o z z l e , r e c y c l i n g a n d r e u s e o f s u c h ma t e r i a l s . Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t s u p e r a b s o r b e n t ma t e r i a l s p r o v i d e s t r o n g a n d f a s t wa t e r a b s o r p t i o n, t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y i s l e s s s e n s i t i v e t o t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e a n d h i g h l y s e n s i t i v e t o s a l t c o n t e n t , wh i c h c a n b e i mp r o v e d b y mo d i f i c a t i o n me t h o d s . Th e S AM c a n r e t u r n t o t h e s u r f a c e s u c c e s s f u l l y a f t e r a b s o r b i n g wa t e r a n d t h e n r e c y c l e d . Ho we v e r , t h e y c a n t b e r e u s e d b e c a u s e o f d i f f i c u l t d e h y d r a t i o n . I t i s s u g g e s t e d t h a t s u p e r a b s o r b e n t ma t e r i a l s a r e f e a s i b l e i n b o t h ma t e r i a l s a n d t e c h n o l o g y f o r d r y i n g we l l b o r e 。 Th i s r e s e a r c h p r o v i d e s n e w i d e a s a n d me t h o d s f o r we l l b o r e d r y i n g i n g a s d r i l l i n g . Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g; s u p e ra b s o r b e n t p o l y me r S AP ; f o r ma t i o n wa t e r ; a b s o r p t i o n c a p a c i t y; f e a s i b i l i t y s t u d y 气体钻井是利用空气 、 天然气 、 氮气或柴油机尾 气等作为循环介质 的一种欠平衡钻井技术 。与常规 钻井相 比, 其优点是机械钻速快、 对储层 损害小 , 可 消除井漏对钻井的影响、 克服水敏性页岩和泥岩遇 水坍塌导致的井壁失稳等问题 。但气体钻井受制于 地层出水 , 导致其应用范围受到极大限制 , 很多井在 气体钻井过程中因地层 出水而不得不转换为常规钻 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 1 2 ; 改回 日期 2 0 1 4 0 3 2 7 。 作者简介 冯光通 1 9 7 4 , 男, 山东庆云人 , 1 9 9 6年毕 业于石 油 大学 华 东 钻井工程专业 , l 9 9 9 年 获石油大学 北京 油气井 X - 程 专业硕士 学位 , 2 0 1 2年 获 中 国石 油 大学 华 东 油 气井 工程博 士 学 位 , 高级工程师 , 主要从事钻井工艺、 钻 柱力学等方面的研 究工作。 联 系方式 0 5 4 6 8 7 9 1 4 2 l , f e n g g u a n g t o n g . s l y t s i n o p e c . C O r tl 。 基金项 目 中国石油化工集 团公 司科研攻关项 目“ 气体钻井井壁 干燥技术前瞻性研 究” 编号 J P 1 3 O 1 4 2 2 0 1 4 部分成果。 第4 2卷第 3 期 冯光通等. 超吸水材料在气体钻井井眼干燥中的应用探讨 井 , 部分井甚至出现井下故障[ 1 ] 。 目前气体钻井遇到出水地层时 , 通常采用加大 注气量 、 采用充气泡沫或者直接转换 为常规钻井等 措施 , 极 大 地 限制 了气 体 钻 井 的应 用 范 围 和 优 势【 4 ] 。超吸水材料简称 S AP s u p e r a b s o r b e n t p o l y me r , 也称高吸水性树脂 、 超强吸水剂或高吸水 性 聚合物 , 是一种具有超强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强 , 吸水 量可 以达到其质量 的成百甚至上千倍 , 而且其表 面 不存在 自由水 。这类材料具有 吸水能力强 、 吸水速 度快 、 保水能力强的特点 , 目前广泛应用于医疗卫生 用品 缓释性 药剂、 抗血栓材料 等 、 日用吸水材料 如尿不湿 、 卫生巾等 、 土壤改 良材料和工业堵水吸 水等方 面[ 7 。 。 ] , 油 田开 发 过 程 中也 曾用 作 堵水 材 料[ 1 。由于其具有超强的吸水能力 , 给解决气体钻 井地层出水时上部地层井壁稳定和携水问题提供了 一 种新 的方案。 1 材料可行性研究 1 . 1 地层水 特 点 地层水与岩石长期接触 , 通常含有相 当多的金 属盐类 , 如钾盐、 钠盐、 钙盐 、 镁盐等 , 尤其以钾盐 、 钠 盐最多。地层水 溶液 中常见 的 阳离子包 括 Na 、 K、 C a 、 Mg , 常 见 的 阴 离 子 有 C I ~、S Oi、 HC O 、 C O;、 NO 、 B r 和 I。就水 型分类 而言, 常见的地层水类型主要有硫酸钠 Na z S O 型 、 碳酸 氢钠 Na HC O。 型、 氯 化镁 Mg C 1 z 型 和氯 化 钙 C a C I 2 型 。 1 . 2 材料适应性评价 1 . 2 . 1评价 原则 针对地层水的特点和气体钻井 的特点 , 建立 了 超吸水材料适应性评价原则 1 吸水倍数。吸水倍数越高, 越有利于减少材 料用量 , 提高经济性 ; 同时 , 避免过量 的吸水材料注 入井筒而导致出现井下况障。 2 吸水速度。气体钻井时气体在井筒 内的流 速非常快, 通常为 1 O ~1 5 m/ s , 超吸水材料进入井 筒至返 出地面的时间不会太长 , 由水眼喷出之后与 地层水接触的时间也较短。因此 , 其必须具备较快 的吸水速度 。 3 抗盐能力 。由于地层水通常含有较多 的盐 分 , 其抗盐能力必须要强。 4 耐酸碱性 。由于地层水具有一定 的酸碱度 , 因此要求材料具有较好 的耐酸碱性。 5 抗温和抗压能力。气体钻井时, 立管压力通 常在 4 ~5 MP a [ , 同时 随井深增加 , 井筒内的温度 也随之升高。因此 , 吸水材料吸水前后必须具备一 定的抗温 、 抗压能力 。 1 . 2 . 2 性 能评价 高吸水树脂 S AP 是一种含强亲水 性基 团、 经 适度交联后形成三维 网状结构的新 型高分子材料 , 具有超强的吸水能力和保水能力 1 1 - 1 4 ] 。根据制备高 吸水树脂原料的不同来源, 其大致分为 3大系列 , 即 淀粉系列、 纤维素系列和合成 聚合物系列。其中, 聚 丙烯酸盐类高吸水树脂具有成本低、 吸水能力好、 保 质期长、 吸水速度快、 对某些金属离子的络合能力强 的特点, 应用非常广泛 。因此, 笔者对该类材料 的性 能进行了评价。 1 吸水倍数 。3 种聚丙烯酸盐类 S AP常温下 吸收蒸馏水 的能力见 图 l 。从 图 1可 以看 出 3种 S AP的吸水倍数较高 , 大约为 5 0 0 7 0 0倍 ; 同时在 2 0 mi n内 3种 S AP的吸水倍数达到 4 0 0 ~5 5 0倍 , 吸水量为其最大吸水量的 8 O 左右 , 说 明其吸水速 度很快 。 8 0 0 70 0 60 0 籁 5 0 0 4 0 o 螫 3 0 0 2 0 0 l 0 O O l 20 l 6O 图 1 超 吸水材 料的吸水 能力 F i g . 1 Ab s o r p t i o n c a p a c i t y o f S AP 2 抗盐能力 。测试 了 S AP材料在一定时 间段 内对 阴、 阳离子浓度 5 mmo l / L不同溶液 的吸水能 力 , 结果见 图 2和图 3 。 从图 2可以看出, 高价 阳离子对 S AP吸水能力 的影响大于低价 阳离子 , S AP在不 同价位 阳离子溶 液中的吸水能力顺序大致为 Na C I K C I Mg C 1 。 C a C 1 z F e C 1 。 。S A P在主族金 属离子溶 液 中的吸 石 油 钻 探 技 术 籁 逛 筠 图 2 不 同阳离子对 S A P吸水 能力的影响 Fi g . 2 Effe c t s o f di ffe r e nt c a t i o m o n S AP’ S a b s o r pt i o n c a p ac i t y 籁 也 苗 整 图 3 不 同阴离子对 S AP 吸水能力 的影响 Fig . 3 E船 t s o fd i ffe r e nt a n i o n son S AP’ S a b s o r pt i o n c a p a c i t y 水倍数主要取决于阳离子的水合离子半径 , 在过渡 金属离子溶液 中的吸水倍数主要取决于阳离子与树 脂基 团形成络合物的稳定性lL 1 引。 从图 3可 以看 出, S AP在不同价位阴离子溶液 中的吸水 能力顺序 为 Na 2 C O。 Na C 1 Na 。 P O Na z S O4 , 且 随着 吸水 时 间 的增 长 , 吸水倍 数 在前 3 0 rai n 迅速 增 大, 1 0 0 rai n后基 本 达到平 衡 状态 。 S AP在 Na S O4 溶液 中的平衡 吸水倍数最低 , 这可 能是 由于二价离子价位较高 , 与 S AP中的阴离子斥 力较大 , 较难进入树脂 网络结构中对树脂 网络链 起 排斥扩张作用L 1 引。 测试了不同阴、 阳离子浓度对 S AP吸水能力的 影响 , 结果见图 4和图 5 。从 图 4可知 随着阳离子 浓度的增 大 , S AP的吸水 能力呈 现迅速 降低 的趋 势 , 当阳离子浓度达到 6 mmo l / L以后 , S AP在二价 和三价 阳离子溶液 中基本达到溶胀平衡 , 其 吸水能 力变化较小。这主要是 由于阳离子浓度达到一定程 度后 , 树脂与溶液的渗透压很小 , 故阳离子浓度的增 加对吸水倍数的影响不大 ; S A P抵抗一价 阳离子的 能力稍强, 当阳离子浓度达到 1 0 mmo l / L以后基本 裁 也 * 整 图 4 阳离子浓度对 S A P吸水 能力的影 响 Fi g . 4 Ef f e c t s of c at i o n c o nc e nt r at i o n o n S AP’ S a b s o r p t i o n ca pa c i t y 图 5 阴离子浓度对 S A P吸水能力 的影 响 F i g . 5 Ef f e c ts o f a n i o n c o n c e n t r a t i o n o n S AP’ S a b s or pt i o n ca p ac i t y 达到溶胀平衡 , 这是由于树脂对一价阳离子没有 吸 附作用 ; 由于 F e 。 在较低浓度时就能与树脂形成较 多的络合物 , 使树脂 的网络弹性大幅降低 , 最终导致 吸水倍数迅速下降_ 1 引。 从图 5 可以看出 , 随着阴离子浓度 的增大 , S AP 的吸水倍数不断下降 , 在 Na S 0 4溶液 中下 降的最 快 , 这可能是因为由于阴离子价位较高 , 与树脂中的 阴离子斥力较大 , 较难进入树脂 网络结构 中对树脂 网络链起排斥扩张作用 ; Na C 0。 溶液 中的 C O ; 一大 部分水 解为 HC O g, 而 HC Oa -的半 径要 比 C l 一的 大, 在树脂网络中更容易起到扩张作用, 所以 C O ; 一 浓度的增 加对平衡 吸水倍数 的影 响较小 ; Na 。 P O 溶液中的 P O i 一 也 易水解成 为 HP O; 一和Hz P O2, HP O i 一 多, H2 P O 少 , HP O i 一 和S O j 一 样 , 也 由于 价位较高 , 难以进入树脂 网络 , 而 H P O 为一价离 子 , 进入树脂网络链起到了扩张作用 , 从而其浓度的 影响略低 于不发生水解 的 Na 。 S O;溶液 , 但 由于 H。 P O 4较少 , 因此 P O2 一浓 度 的影 响要 大于 C l 一。 第 4 2卷 第 3期 冯光通等. 超 吸水材 料在 气体钻井井眼干燥 中的应用探讨 因此 , S AP在不同阴离子溶 液中平衡 吸水倍数顺序 为 Na 2 C O 3 Na C I Na 3 P O4 Na 2 S O4 。 通过上述分析可知 1 不同种类 的盐对超 吸水 树脂吸水能力的影响不 同; 2 不 同浓度的盐对超吸 水树脂吸水能力存在着不 同的影响 , 当盐浓度增大 时, 吸水能力普遍大幅度下降 , 部分盐在达到一定浓 度后 , 超吸水材料吸水能力呈现低位平稳的趋势; 3 当溶液 中盐离子浓度小于 4 mmo l / L时, 超吸水材 料处在较高的吸水能力 区域 , 高于该浓度后 , 吸水能 力通常较低 。目前地层 水 主要 为 C a C 1 z 、 Na z S O 、 Na HC O。 和 Na S O 4种类型 , 因此研究 气体钻井 用超吸水材料时, 可针对不同区块的地层水进行重 点分析, 以开发适用于不同区块的 S AP材料 。 3 抗温能力 。测试 了温度对 3种聚丙烯酸盐 类 S AP吸水 能力 的影 响, 结果 见 图 6 。由图 6可 知 随着温度 的升高, S AP的吸水 能力有降低 的趋 势, 但总体降低幅度不大; 当温度达到 8 o℃时, s A P 的吸水能力在常温下吸水能力的 8 0 9 / 5 以上。气体 钻井应用的井段通常较浅 , 钻遇 8 O℃以上高温地层 的情况较少 。因此 S A P的抗温能力 能够满足气体 钻井的要求 。 图 6 温 度对 S AP吸水 能 力 的 影 响 F i g . 6 Ef f e c t s o f t e mp e r a t u r e o n S AP’ S a b s o r p t i o n c a p a c i t y 4 抗压能力。测试 了压力对 2种 聚丙烯酸盐 类 S AP吸水能力的影响 , 结果见表 1 。由表 1可以 看出, 压力对 S AP的吸水能力有一 定的影 响, 但 影 响较小 。气体钻井时的井筒压力通常在 4 ~5 MP a , S AP的抗压能力基本能够满足气体钻井的要求。 5 耐酸碱性 。测试了 S AP对不同 p H 值溶 液 的吸水能力 , 结果 见 图 7 。由图 7可知 当溶液 的 p H值小于 2时 , S AP吸水能力极低 ; 当溶液的 p H 值为 2 ~5时, 吸水能力随着 p H值的增高而迅速增 大; 当溶液的 p H值为 5 ~9时 , S AP吸水能力基本 保持不变 , 且处于较高吸水能力 区间 ; 当溶液的 p H 表 1 压 力对 S A P吸水能 力的影响 Ta b l e 1 Ef f e c t s o f p r e s s u r e o n S AP’ S a b s o rp t i o n cap a c i t y 材料类 型 压力/ MP a 吸水前质量/ g 吸水 后质量 / g 吸水倍数 9 0 0 8 0 0 7 0 0 60 0 蓬5 o 0 4 0 0 30 0 2 0 0 1 O O 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 p H值 图 7 p H值对 S A P吸水能力 的影 响 F i g . 7 Ef f ec ts o fp H v a l u e o n S AP’ S a b s o rp t i o n ca p a c i t y 值大于 9 之后, S A P的吸水能力迅速下降。 利用超吸水材料进行气体钻井携水排水 时, 需 要注意地层水 的酸碱度 , p H值 太高和太低都会 限 制其使用 。不同油 田、 不 同地 区地层水的 p H 值有 所不 同, p H 值受矿化 度 的影 响 比较 大, 地层 水 的 p H值随矿化度的增高而降低 , 中等矿化度地层水 的 p H值为 7 ~8 , 高等矿化度地区地层水 的 p H值 为 3 ~4 。水 的 p H值为 4 ~1 O时, S A P吸水能力较 强 , 因此 S AP可 满 足普 通 地 区气 体 钻 井携 水 的 需 要 。 1 . 3 材 料 改性方 法 通过分析可知 , 耐盐能力不足是影响 S AP在气 体钻井应用的一大阻力 , 提高其耐盐能力成为 当务 之急。s AP的使用环境一般都有盐类存在 , 其耐盐 性在一定程度上决定了它的应用范围。目前常用 的 提高丙烯酸盐系 S A P耐盐性的方 法有共 聚、 互 穿、 选用特定交联剂、 表面改性等 。 何培新等人通过反相悬浮聚合得到吸收 0 . 9 Na C 1 溶液前后质量比为 1 3 3的 S AP, 孙克时等人通 过共聚得到吸收 0 . 9 Na C 1 溶液前后质量 比为 8 8 的 S AP , 陈密 峰等人 通过 反相悬 浮聚合得 到 吸收 0 . 9 Na C 1 溶液前后 质量 比为 1 9 9和 2 2 0的 S AP , 王进锋等人通过共聚得到 吸收 0 . 9 Na C 溶液前 4 4 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 4年 5月 [ 9 ] 邹 新 禧.超 强 吸 水 剂 [ M] . 北 京 化 学 工 业 出版 社 , 1 9 9 1 4 7 3 5 0 2 . 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Ef f e c t s o f mo l e c u l a r we igh t o n t he mi s c i b il i t y a n d p r o p e r t i e s o f p o l y u r e t h a n e / b e n z y l s t a r c h s e mi i n t e r p e n e t r a t i n g p o l ym e r n e t w o r k s [ J ] .B i o ma c r o mo l e c u l e s , 2 0 0 5, 6 2 6 7 1 6 7 7 . 刘廷栋 , 刘 京. 高 吸水 性树 脂 的吸水 机 理 [ J ] . 高 分子 通报 , 1 99 4 3 1 81 1 8 5 . L i u Ti n g d o n g , Uu J i n g . Wa t e r a b s o r b i n g me c h a n i s ms o f h i g h w a t e r a b s o r b e n t r e s i n [ J ] . C h i n e s e P o l y me r B u l l e t i n , 1 9 9 4 3 1 81 1 8 5 . 沈朴. 高吸水性树脂的发展、 结构及吸水理论研究现状[ J ] . 榆 林学 院学报 , 2 0 1 0 , 2 0 2 5 3 5 5 . S h e n Pu .Th e d e v e lop me nt o f s u p e r a b s o r b e nt p o l y me r s , s t r u c t u r e a n d w a t e r s t a t u s o f t h e o r e t i c a l s t u d i e s [ J ] . J o u r n a l o f Yu l i n Co l l e g e , 2 0 1 0, 2 0 2 5 3 5 5 . 李晟. C P AAM 高吸 水性树 脂的制备 及性 能研究 [ D] . 长 沙 中南林业科技大学 , 2 0 1 0 . Li S he n g . 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