植物胶在钻井液中的主要作用
[摘要]天然野生植物胶是配制无粘土冲洗液的主要原材料。近年来,随着环保意识的逐渐加强,野生植物资源的开采受到极大限制,植物胶已面临**枯竭的状况。故需要寻找可替代的植物胶资源。目标是原料易得,可种植再生或人工合成,且成本较低。作者以一种可种植再生的植物胶瓜尔胶为研究对象,通过适度交联改性和性能控制等手段,形成可满足钻进要求的新型复合胶无粘土冲洗液。经现场试用,效果较好,完全满足地质钻探的要求。
[关键词]植物胶;瓜尔胶;PHP;交联剂;改性
1.问题提出
天然野生植物胶是新型复合无粘土冲洗液的主要原料。近年来,国家越来越重视对环境的保护,并制定了相应的法律、法规来保护植被使其免遭破坏。因此,原来被地质钻探和工程地质勘察广为采用的天然SM植物胶已面临原料枯竭、采集困难的情况。现在迫切需要寻找出可替代SM植物胶的,原料易得,可再生合成,成本较低的配制无粘土冲洗液的新植物胶。本文就是想通过对植物胶改性方面的探讨,来达到这个目的。
2.研究思路
植物胶在钻井液中的主要作用是保持体系有适当的粘度和切力。实践表明,若将单一的植物胶液直接用做泥浆处理剂或配制成无固相冲洗液,其性能效果均不理想,所以必须对植物胶进行改性处理。通常是通过向植物胶液中加入适当的交联剂和处理剂,使其发生交联作用、桥接作用和水化作用,使胶粒变得更为致密。具体的改性方法有两种:一为交联剂改性;另一种是复合改性。其中交联剂改性又可分为无机交联剂改性和有机交联剂改性两种。本文以石油工业中常用的一种压裂液原料瓜尔胶为交联改性对象,通过交联剂以及交联控制剂的选择,进行了系统的实验研究,筛选出*优复合方案,并将研制产品投入到现场试用。
3.植物胶的改性
3.1 植物胶的品种筛选
国内外用于提高无粘土冲洗液粘度的植物胶很多,如:瓜尔胶或羟丙基瓜尔胶、魔芋胶、田菁、钻井粉等等。根据改性要求,筛选的基本原则是资源丰富、性能稳定、易于采集加工、成本低廉。在进行了大量试验的基础上,重点对以下常用的几种植物胶原液进行了性能对比,其结果如表1所示。从表1可以看出:在相同溶液浓度下,羟丙基瓜尔胶的增粘效果*好,其漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度均大大超过了其他几种植物胶原液。另外羟丙基瓜尔胶目前在中国已有几个种植与生产配套的生产企业,可确保原料来源丰富,性能稳定可靠,完全能满足冲洗液的推广应用和长期使用的要求。其他几种植物胶虽然性能上也可满足冲洗液的基本要求,但是都存在着原料来源不稳定的缺点。因此,本研究中确定羟丙基瓜尔胶作为改
性的主要研究对象。
3.2 交联剂改性品种的选择
根据冲洗液的性能的综合要求,交联体系应尽量以线**联为主,应抑制和控制体形交联,同时也要求交联体应具有一定的强度和足够的稳定性。达到这几项要求都与交联剂类型的选择有关,目前在钻井压裂液中采用的交联剂,主要是有机金属锆、钛、有机硼、有机硼-锆、硼砂交联剂和FeCl3等等。考虑到有机过渡金属锆和钛价格比较昂贵,研究中仅对有机硼、PS交联剂和三价铁作了对比。
在相同试验条件下,PS交联剂对羟丙基瓜尔胶交联形成的交联体结构*为稳定,保存时间*长,完全能够满足冲洗液现场应用的要求。而且PS交联剂来源广、成本低,是较为理想的交联剂。因此拟选择PS交联剂为瓜尔胶改性的基本交联剂。
3.3 交联控制剂的选择
交联控制剂目的是控制植物胶交联体系为线**联,改善溶液流变特性,提高溶液成膜护芯作用,并且应尽量兼顾冲洗液的其他性能要求(如润滑减阻、絮凝清洁等等)。因此,在确定了植物胶的种类和适宜加量的基础上,进行交联控制剂(合成高分子聚合物)的选择是又一重要工作。这里所指的合成高分子聚合物主要系指工业化生产合成的高分子聚合物。用于无粘土冲洗液的高聚物一般有:羟乙基纤维素(HEC)、钠羧甲基纤维素(CMC)、生物聚合物(XC)、水解聚丙烯酰胺(PHP)、未水解聚丙烯酰胺(PAM)等等,以下是几种高聚物与羟丙基瓜尔胶复合后配制无粘土冲洗液的性能测试结果。