适应石油钻采技术发展需要的生物聚合物研发方向

1、适应石油钻采技术发展需要的生物聚合物研发方向张禹,刘学珍,贾敬敏,张朝铸(河北鑫合生物化工有限公司055650摘要:综述了生物聚合物的特性及新型生物聚合物在石油钻采(石油钻井、调剖堵水、三次采油、回注 上的应用,对生物聚合物的研发方向进行了展望。关键词:生物聚合物特性石油钻采应用随着国民经济的持续、快速发展,中国已经成为世界第二大石油消费国。经过半个多世纪石油天然气的勘探开发,中国石油钻采经历了从陆上浅层到深层、从陆地到浅海、从东部到西部的发展历程。勘探不断向更深的层位、更复杂的区域发展。随着开采难度的增加,钻采工艺也随之不断更新发展,对油田化学助剂变提出更高要求。耐盐、耐温、耐剪切、环保、添

2、加量少是石油钻采技术对新型油田化学助剂性能的基本要求。生物聚合物黄原胶以优良的增稠和剪切变稀性能在石油开采中应用十分普遍,特别是在欧美、中东地区的钻井作业中已得到广泛应用。随着生物技术的不断发展,为满足不断提高的油钻采技术要求,又涌现出一批新的生物聚合物如特殊规格黄原胶、温轮胶、硬葡聚糖等。一、生物聚合物的特性1、增稠、悬浮、乳化性生物聚合物一般具有多侧链线性结构的多羟基化合物,其羟基能与水分子相结合,形成较稳定的网状结构,而且在很低的浓度下仍具有较高的粘度。0.3g/L 的黄原胶溶液产生0.09Pa·s的有效黏度,0.1-0.2%硬葡聚糖溶液可有效地悬浮5-10%碳酸钙。对不溶性固

3、体和油滴具有良好的悬浮作用。2、稳定性a.耐酸碱:其溶液粘度在pH值212基本保持不变。 图pH对温轮胶、黄原胶溶液粘度的影响b.温度的稳定性:温轮胶、黄原胶都是生物高分子,均有热稳定性较高的特性。由下图可以看出在在一定条件下黄原胶可耐温120,温轮胶在140仍有一定的粘度。而硬葡聚糖的主要优点是热稳定性好,适应温度高,在90海水中粘度可保持500天。 4.1 温轮胶、黄原胶在不同温度下的动切力c.盐对黄原胶溶液性能的影响:黄原胶呈螺旋刚性链,在较高盐浓度条件下,甚至在饱和盐溶液中仍保持其溶解性而不发生沉淀和絮凝,抗温性增强,水溶液具有较强的结构粘度13。两价金属盐如Ca2+、Mg2+和三价金

4、属盐如Al3+、Fe3 +在合适的pH值范围内可与黄原胶形成凝胶。 图:盐浓度对黄原胶、温轮胶粘度的影响d.生物稳定性:由于黄原胶稳定的双螺旋结构使其具有极强的抗氧化和抗酶解能力。许多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等均不能使黄原胶降解。(3独特的剪切稀释性黄原胶是一种典型的假塑性流体,其溶液粘度随剪切速率的增加而明显降低,变为无规则线团结构,当剪切解除时,分子结构又恢复到比、双螺旋网状聚合状态,使溶液粘度瞬间恢复到最大。 图2.3剪切对黄原胶溶液粘度的影响(4兼容性和协效性与酸、碱、盐、防腐剂、天然的或合成的增稠剂在同一溶液体系中有良好的兼容性。与瓜尔胶、刺槐豆胶等复配,粘度倍增。二、生物聚合物

5、在油田上的应用在石油工业中,生物聚合物可用于调配钻井泥浆,以保持水基钻井液的粘度和控制其流变性能。还可用于钻井之后的完井和修井、压裂和三次采油。目前,鑫合生物根据钻采中井的不同深度及其地质条件及不同的应用领域推出了不同规格的黄原胶(XC-CH、XC-XCT、XC-OF、XC-CL等、温轮胶、硬葡聚糖、生物表面活性剂、破胶剂等,更好地推动了钻采技术的发展。1、在钻井上的应用黄原胶优良的增稠和剪切变稀性能在石油开采中应用十分普遍。低浓度的黄原胶水溶液就可以保持水基钻井液的黏液并控制其流变性能,因而在高速转动的钻头部位黏度极小,大大节约了动力;而在相对静止的钻孔部位却保持高能黏度,起到防止井壁坍塌、

6、便于切削碎石、排出井外等作用。在油田钻井上可根据井的不同深度及其地质条件选择不同规格的黄原胶。1.1浅井:垂直井深小于2000m的井为浅井。在浅井作业时由于地层浅、上覆岩层压力小,压实程度低,所以目的层井段岩性结构极为松散,首先要考虑井壁稳定,其次是井眼清洁。对于浅井应选用鑫合XC-CH类型的黄原胶,此产品粘度高、耐剪切性能好,尤其是在低浓度低转速下有较高的粘度,1ppb的浓度在1.5rpm 转速粘度可达2000CP以上,增稠、悬浮效果好。此产品有较好的耐温性能,耐温能力达105。能有效的提高钻井液的抗温稳定性。使钻井液有较低的失水量,良好的润滑性能,强的悬浮携砂能力和防塌效果。另本产品价格低

7、廉,可大大减少钻井费用。1.2深井:西部地区是国内石油产量的主要战略接替区,但其近70%油气资源埋藏在深部地层。必须向地层深部进军,大力发展深井超深井钻井技术。深井超深井钻井存在地层压力系统多、裸眼段长、井壁稳定性条件复杂、高温、高压,深部地层岩石可钻性差等难点。目的层的高温、高压对钻井液和水泥浆提出的高要求,这就需要鑫合XC-XCT、温轮胶、硬葡聚糖等耐高温的聚合物。为了顾客更好的应用,系列分散型产品已经投放市场,分散型黄原胶在使用过程中不结块,更易溶解且溶解充分,如XC-CHD、XC-XCTD等。此外温轮胶还可用于完井、修井、地层压裂和稠油输送的流动改进剂等。温轮胶在固井水泥中应用,可以增

8、加水泥的可塑性,悬浮量,空气含量,以及流动特性和抗失水性,可提高深井井壁的稳定性。2、在调剖堵水上的应用2.1调剖剂一般指能调整注水地层吸水剖面的物质,通过提高波及体积而增加采收率。黄原胶的侧链上含有羧基,可与三价金属离子发生交联反应,形成冻胶。黄原胶与三价铬离子的交联剂相混合所形成的是一种弱结合方式,此种结合所形成的冻胶具有假塑性2。2.2 硬葡聚糖不能直接和铬交联,重铬酸盐可把硬葡聚糖上的羟基氧化成羧基后,可与铬交联形成冻胶用于油层深层调剖。2.3 液体瓜尔胶是由特殊的油性物质及稳定剂与瓜胶复配而成,无毒无害,且用油类物质及稳定剂做溶剂,使瓜胶溶质能够均匀的保持悬浮状态,不沉淀,不分层。此

9、种产品最大的优点即是它配置简单,可倒在拉液罐中用水一冲即溶为现场施工带来了很大的便利,并且因为它存在特殊溶剂可使此种产品比同类的羟丙基瓜尔胶具有更好的抗温、抗剪切性及降滤失性能。用作油气井水力压力作业中的水基压裂液和酸化作业中的前置液的稠化剂。3、在三次采油上的应用石油是一种非再生资源,提高采收率不仅是石油工业界,而且是整个社会关心的问题。用聚合物驱油已成为老油田稳产的主要措施。常用的聚合物是聚丙烯酰胺和黄原胶。黄原胶与聚丙烯酰胺比具有在高盐度下仍保持高粘度,溶解性好,不会发生沉淀和絮凝;但常规黄原胶的过滤性较差5,限制了应用规模。根据三次采油的特点较适用的生物聚合物有:三次采油专用黄原胶、硬

10、葡聚糖和生物表面活性剂。3.1三次采油专用黄原胶:由精心挑选的黄单孢菌菌种和独特的配方发酵而成的液体黄原胶,本黄原胶解决了现有技术存在的在三次采油时不能透过滤膜,堵塞地层,降低了三次采油的采收率等问题。三次采油专用黄原胶在使用一定浓度条件下,滤过比小于1.5,在三次采油时可透过5微米滤膜,不堵塞地层,可提高三次采油的采收率达25%以上。3.2硬葡聚糖:硬葡聚糖的主要优点是热稳定性好,适应温度高,耐盐性好。硬葡聚糖的粘度随NaCL浓度的增加,其粘度变化比黄原胶小,说明硬葡聚糖比黄原胶更耐盐。硬葡聚糖在孔隙介质中的流动性也较好,且明附量低6。在高矿化度和高温、高压条件下的提高采收率的主要流速控制剂

11、。3.3生物表面活性剂:生物表面活性剂是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质。与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、 能生物降解等优点。生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石 油工业和环境工程,如石油的生物降粘、提高原油采收率、重油污染土壤的生物 修复等。常用的生物表面活性剂有鼠李糖脂。其作用机理：该产品的主要成份是 生物大分子，它们具有粘弹性和乳化性，能起到增大驱油波及效率的作用，在油 层中具有封堵、变形、运移、再封堵的特性，可实现从水井到油井的全过程调剖 驱油；具有较高的表面活性

12、能力，有效改变储集层岩石表面的润湿状态，降低原 油与岩石表面的润湿角， 降低油水界面张力，从而减少了原油在储层孔隙中的流 动阻力，原油得以从岩石颗粒表面释放，从而起到提高原油采收率的作用。 4、在回注上应用 环境保护是我国的一项基本国策，保持社会、经济和环境的可持续协调发展 己经成为我国的一项战略性任务和目标。钻井废弃物的主要来源是钻井废水、废 弃钻井液和钻屑。回注是指将钻井废弃物中固体(钻屑或其它固体和废液用适当 的设备粉碎、研磨至一定的粒径，再与水或废钻井液、添加剂混合配制成回注浆 体后, 在超过地层破裂压力下将浆体注入井下设计的地层中，使浆体中固体成分 被永久性载留在压裂裂缝中, 实现钻

13、井废弃物无污染的零排放处理过程。回注浆 体含有较高的固相，要保证浆体能在回注过程和关井期间有较好的钻屑悬浮能 力，必需加入增粘剂、交联剂等化学处理剂。常用的生物聚合物有液体黄原胶 XC-OF、XINHEZAN L。 4.1液体黄原胶：其固含量高40-42%，溶解充分、无鱼眼，耐温性好，悬浮能力 强，以油为载体，更好地与钻井废水、废弃钻井液和钻屑等混合。含油量变化对 液体黄原胶钻井液流变性能的影响4 原油加量% 0.0 5.0 10.0 15.0 AV/mPa.s 34.5 36.5 39 40.5 AV/mPa.s 16.00 18.00 19.00 19.00 YP/Pa 18.91 18.91 20.44 21.97 三、生物聚合物的研究展望 有关钻井专家表示， 深井超深井钻井技术在今后较长时期内仍将是我国实施 油气资源战略，提高勘探开发效益的重要技术支持手段。开发新型耐盐、耐温、 环保的油田化学助剂已迫在眉睫。 其研究方向主要有几点： 1.分离、 筛选新菌种， 研究开发新的生物聚合物。2.对现有的生物聚合物采用化学改性或接枝的方法， 改变其性能， 提高其超高温下的稳定性。3.进一步研究聚合的作用机理并与油田 开发实践有机结合，找出生物聚合物结构、组成与其性能之间的相互关系,为更 好地服务于