液体黄原胶水包油钻井液研究

常珑严

(中国石化华北石油工程有限公司五普钻井分公司，河南新乡453700)

1 研究目的及意义

面对石油地质储量被开采得日益减少以及社会对石油资源的需求逐渐加剧的现状。为更好地发现和开发油藏，多实施欠平衡钻井作业，以最大限度地保护储层。

作为一种深井低密度欠平衡水基钻井流体，水包油钻井液既保持了水基钻井液的特点，又具备了油基钻井液的特点，适合于深井欠平衡钻井作业。

其主要优点如下:

(1)体系性能稳定，抗温能力强，流动性好，滤失量低，稳定井壁能力较强;

(2)其密度低于普通钻井液体系，欠平衡钻进时对储层损害极小，有利于解放油气层，提高油气井产能;有助于防止井漏的产生和机械钻速的提高，不影响电测和核磁测井;

(3)润滑作用好，可减少对泥浆泵的损害;

(4)较之泡沫和充气钻井液体系而言，其在使用过程中不需配备复杂设备，且性能上容易监测、控制和调整;较纯油基钻井液成本低，对橡胶件的损害小，对环境污染小。

正因水包油钻井液有着以上优良的性能，已经广泛的投入到石油工业中。液体黄原胶是近几年新开发的一种新型钻井液流变性调节剂，在国外已经开始应用于钻井液，在国内几乎还没有人进行室内评价和现场使用。由于国外对这种新型黄原胶产品的使用方法进行了保密，因此在我国它的应用几乎处于一片空白。本文通过探索研究液体黄原胶对5种钻井液体系乳化性和流变性的影响，优选液体黄原胶水包油钻井液体系配方，以解决钻井中的难题，提高钻井效率。

2 黄原胶的物理化学性质

2．1 黄原胶的分子量

黄原胶是一种具有超高分子量的细菌胞外多糖，只溶于水中。由于其侧链上含有可电离的三糖基团，表现出很强的聚电解质行为，因而给分子量及分子量分布的测定带来许多困难。

许多学者对黄原胶的分子量进行了研究，但由于测试方法和试验条件以及样品的差异，得到的结果不尽相同。综合多家数据得出黄原胶分子量的大致范围是 2×106～50×106。

2．2 黄原胶单分子的形貌

它的侧链较大且成螺旋，所以分子链较粗，加之电镜分辨率较高(1.4 A。)，因而其分子在电镜下清晰可辨。经电镜观察并从其变性后的形态变化推测出黄原胶分子的二级结构是由40余个亚基组成的直径为4 nm的右手双螺旋(见图1)。

图1 黄原胶分子的多亚基双螺旋

2．3 黄原胶组分结构特点

黄原胶的分子式(C35H49O29)n，它是一种线型高分子聚合物，它的β－主链上含有D－葡萄糖、D－甘露糖、D－葡萄糖醛酸。这种聚合物可能的最简单的结构模式如图2所示。

图2 黄原胶最简单的结构模式

结构中丙酮酸和葡萄糖醛酸带有阳离子基，分子链呈自由卷曲状态;但在多数情况下，由于大分子内部氢键的存在而成双螺旋麻花状的立体构型，进而有序地排列成聚合体结构(超会合结构)。

由于它具有这种超会合结构，如图3所示，即使它的水溶液在较低的浓度时，仍具有较高粘度。这种立体构型在温度和剪切速率的变化下可以互相转化。

图3 黄原胶的双螺旋环结构

2．4 黄原胶的物理化学性质

黄原胶是一种集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体、性能较为优越的生物胶。它在水溶液中呈多聚阴离子且构象是多样的，不同条件下表现出不同的特性，具有独特的理化性质。

(1)稳定性。黄原胶溶液具有很强的抗温性和抗酸碱能力。许多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶等都不能使黄原胶降解。

(2)假塑流变性。黄原胶溶液是一种典型假塑性流体，具有很好的剪切稀释性。

(3)增稠性。黄原胶具有良好增稠性能，特别是在低质量浓度下具有很高粘度，0.3 g/L黄原胶溶液即能产生0.09 Pa·s有效粘度。与大多数合成或天然增稠剂配伍，混溶后使混合胶粘度显著提高。

(4)悬浮性和乳化性。由于黄原胶理化性质稳定，因而具有良好悬浮性和乳化性。

3 黄原胶钻井液体系试验

3．1 试验方案

本试验的主要目的是探索液体黄原胶对钻井液乳化特性的影响，通过研究液体黄原胶对柴油－清水体系、柴油－清水－充气剂体系、原油－清水－充气剂体系、原油－聚合物钻井液体系和原油－聚磺钻井液水包油钻井液5种钻井液体系性能的影响，分析总结液体黄原胶对钻井液乳化特性的影响。具体试验方案见表1。

按照试验方案把液体黄原胶加入到钻井液体系，测量其混合密度、体系的上下部密度以及流变性能和其他一些性能，试验的原始数据见表2。

3．2 试验结果

对原始试验数据进行处理得试验结果见表3～7。

表1 试验设计方案

表2 试验原始数据

3．3 试验分析(见图4～17)

3．3．1 液体黄原胶在柴油－清水体系中的乳化性能(60℃)

由图4可看出，在柴油－清水体系中加入液体黄原胶，随着体系液体黄原胶量的增加，表观粘度、塑性粘度和动切力均增大，液体黄原胶调节了体系的剪切稀释性。

由图4可看出，体系有一段动切力为负值，这可能是旋转粘度计的机械摩阻影响，导致塑性流体动切力测值偏低。

表3 液体黄原胶在柴油－清水体系中乳化性能试验(60℃)

表4 液体黄原胶在柴油－清水－充气剂体系中乳化性能试验(60℃)

表5 液体黄原胶在原油－清水－充气剂体系中的乳化性能试验(60℃)

表6 液体黄原胶在原油－聚合物钻井液体系中的乳化性能试验(60℃)

表7 液体黄原胶在原油－聚磺钻井液体系中的乳化性能试验(60℃)

图4 液体黄原胶在柴油－清水体系中流变曲线图

由图4可看出，在体系液体黄原胶量1%时，继续增加液体黄原胶量，体系流变曲线呈下降趋势，原因可能是由于液体黄原胶量的持续增大，导致分子排列成线的趋势增加，另外有些长链分子可能断裂。

图5 柴油－清水体系密度变化图

图6 液体黄原胶在柴油－清水－充气剂体系中的流变曲线图

图7 液体黄原胶在柴油－清水－充气剂体系中API失水量

图8 柴油－清水－充气剂体系密度变化图

图9 液体黄原胶在原油－清水－充气剂体系中的流变曲线图

图10 液体黄原胶在原油－清水－充气剂体系中的API失水量

由图5可看出，随着体系液体黄原胶量的增多，体系上下部液体密度差异在逐渐减小，但是与混合密度差异比较大。

3．3．2 液体黄原胶在柴油－清水－充气剂体系中的乳化性能(60℃)

图11 原油－清水－充气剂体系密度变化图

图12 液体黄原胶原油－聚合物钻井液体系中的流变曲线图

图13 液体黄原胶原油－聚合物钻井液体系中的API失水量

图14 原油－聚合物钻井液体系密度变化图

图15 液体黄原胶在原油－聚磺钻井液体系中的流变曲线图

图16 液体黄原胶在原油－聚磺钻井液体系中的API失水量

图17 原油－聚磺钻井液体系密度变化图

(1)由图6可看出，在柴油－清水－充气剂体系中加入液体黄原胶，随着液体黄原胶量的增多，表观粘度、塑性粘度和动切力均先增后减，液体黄原胶调节了体系的剪切稀释性。在体系液体黄原胶量0.4%时，继续增加液体黄原胶量，体系流变曲线呈下降趋势，原因可能是由于液体黄原胶量的持续增大，进而导致分子排列成线性的趋势增加，另外有些长链分子可能断裂。

(2)由图7可看出，体系中液体还原胶量增多，滤失逐渐减小，慢慢趋于稳定，说明在柴油－清水－充气剂体系中加入液体黄原胶，形成了比较好的泥饼，能够有效地防止滤失。

(3)由图8可看出，体系中随着液体黄原胶量的增加，上下部密度逐渐趋于相同，并且与混合密度差异非常小，体系逐渐趋于稳定，体系乳化比较好。

3．3．3 液体黄原胶在原油－清水－充气剂体系中的乳化性能(60℃)

(1)由图9可看出，在原油－清水－充气剂体系中加入液体黄原胶，随着液体黄原胶量的增加，体系表观粘度和塑性粘度变化趋势一致，均是先增大后减小，动切力变化幅度比较小。

(2)由图10可看出，随着体系液体黄原胶量的增大，滤失量在逐渐增大，说明体系未能形成好的泥饼，不能有效地防止滤失。

(3)由图11可看出，随着体系液体黄原胶量的增加，体系上下部密度差异逐渐减小，但是与混合密度差异比较大，体系乳化效果不好。

3．3．4 液体黄原胶在原油－聚合物钻井液体系中的乳化性能(60℃)

(1)由图12可看出，在原油－聚合物钻井液体系中加入液体黄原胶，随着液体黄原胶量的增加，体系表观粘度和塑性粘度先减小，慢慢趋于稳定，动切力变化幅度不变。

(2)由图13可看出，随着体系液体黄原胶量的增加，失水量先增大后减小。

(3)由图14可看出，随着体系液体黄原胶量的增加，上下部密度差异逐渐减小，与混合密度差异比较小，体系乳化比较好。

3．3．5 液体黄原胶在原油－聚磺钻井液体系中的乳化性能(60℃)

(1)由图15可看出，在原油－聚磺钻进液体系中加入液体黄原胶，随着液体黄胶量的增加，体系表观粘度和塑性粘度先减小，慢慢趋于稳定，动切力先增大后减小。

(2)由图16可看出，随着体系液体黄原胶量的增加，失水量先减小后增大。

(3)由图17可看出，随着体系液体黄原胶量的增加，体系上下部密度差异逐渐减小，并且与混合密度差异比较小，体系乳化效果比较理想。

3．4 水包油钻井液体系优选

优选液体黄原胶水包油钻井液体系配方时，把乳化稳定性、流变性、动塑比和API滤失量作为重要的指标，但是还得兼顾其他的性能指标，而在有些加量的选取上，如果在某一性能上变化不大，就可以在考虑其他性能的基础上选择其加量，从而得出试验组，从试验的各项数据结果中，优选出比较好的配方，见表8～11。

3．5 小结

由以上乳化对比试验可以得出以下结论。

(1)在柴油－清水体系中，优选的体系配方较原配方有着较高的表观粘度，较低的塑性粘度，但是试验结果表明API全漏，未能形成泥饼，所以要使用该体系的话，要在其中加入降滤失剂。

(2)在柴油－清水－充气剂体系中，优选的体系配方较原配方有着较高的表观粘度、较高的动塑比和较低的API失水量，说明形成了良好的泥饼，在钻井过程中能够有效地防止滤失，保护井壁。

表8 液体黄原胶在柴油－清水体系中乳化对比试验(60℃)

表9 液体黄原胶在柴油－清水－充气剂体系中乳化对比试验(60℃)

表11 液体黄原胶在原油－抗高温聚磺钻井液体系中的乳化对比试验(60℃)

(3)在原油－聚合物钻井液体系中，优选体系具有较高的表观粘度、塑性粘度和较高的动切力，API失水较低，能够形成泥饼。

(4)在原油－聚磺钻井液体系中，优选的体系配方较原配方有着较高的表观粘度、较高的动切力、API失水量较低和有着较高的动塑比，说明该优选体系具有较好的剪切稀释性能。

通过以上乳化对比试验，优选出以下4组优选方案，见表12，其中优选出的柴油－清水－充气剂体系配方更适合作低密度充气钻井液。80;基液C配方为100 mL聚磺钻井液+2.0 g液体黄原胶+0.3 g SP－80;聚合物钻井液配方为3%膨润土浆+0.3%CMC+0.1%K－PAM+0.1%JT－888+0.2%铵盐;聚合物钻井液配方为聚合物钻井液基桨+3%SMP－2+3%腐植酸钾+0.4%Na2O。

表12 液体黄原胶水包油钻井液体系优选方案

该钻井液体系的特点:表观粘度与动切力较高，塑性粘度较低，动塑比较高，表明其具有较好的剪切稀释性能，其能充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，在环形空间能很好地携带岩屑;API滤失量低，具有良好的降滤失性能，能够形成薄而致密的泥饼，进而有效地阻止钻井液进入地层，减轻对油气层的侵害。

4 结语

(1)试验结果表明，在配制超低密度充气钻井液时，更适合用柴油，而不宜选用原油。

(2)优选的柴油－清水－充气剂体系，密度很低，适合作低密度充气钻井液。

(3)优选的原油－聚合物体系，密度比较低，且流变性比较好。

(4)优选的原油－聚磺钻井液体系，体系比较稳定，流变性比较好，滤失量低。

(5)液体黄原胶作为一种新型钻井液流变性处理剂，具有良好的水溶性，耐温，抗酸碱，优良的增粘性，并起一定的降滤失作用，良好的配伍性。目前深井和超深井井底地层情况复杂，井底温度高，因此适合应用液体黄原胶处理钻井液。液体黄原胶应用广泛，但在我国石油工业中的应用还需要更多、更深层次的探索和研究。

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