高溫對鉆井液處理劑的影響

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鉆井液中的處理劑包括無機處理劑和有機處理劑兩種,高溫對無機處理劑的作用主要是加劇了無機離子的熱運動從而增強了其穿透能力。本文著重描述高溫對有機處理劑的影響。

高溫降解

有機高分子化合物因高溫而產生分子鏈斷裂的現象稱為高溫降解。對于鉆井液處理劑,高溫降解包括高分子主鏈斷裂,親水基團與主鏈聯接鏈的斷裂兩個方面。前者使處理劑分子量降低,部分或全部失去高分子性質,從而導致大部分或全部失效,后者降低處理劑親水性或吸附能力,從而使處理劑抗鹽抗鈣能力和效能降低,以至喪失其作用。

任何高分子化合物都要發生高溫降解,只是隨其結構和環境條件不同,發生明顯降解的溫度不同而已。因此,高溫降解是抗高溫鉆井液必須考慮的另一重大問題。由于高溫降解與介質關系很大,本文只討論它在水溶液中的降解問題。其中影響高溫降解的主要因素,首先是處理劑的分子結構,由處理劑分子的各種鍵在水溶液中高溫熱穩定所決定。比如醚鍵在水溶液中,容易被氧化,而高溫和PH值將促進這種作用發生,所以凡由醚鍵聯接的高分子化合物在高溫下都不穩定,容易降解,而這種降解多與氧化作用有關,故稱熱氧降解。顯然,若能設法制止或減弱這種作用(如加入抗氧劑),則可減少高溫降解的趨勢。又如酯鍵在堿性介質中易水解,而高溫大大加速此反應,故其高溫降解變得更嚴重。其次是溫度的高低及作用時間的長短。各種高分子在不同的條件下,發生明顯降解的溫度彼此不同,常用處理劑在其溶液中發生明顯降解的溫度來表示該處理劑的抗溫能力。溶液中的PH值及礦化條件對降解也有影響,一般而言,PH值高促進降解的發生。降解是一種逐漸進行的過程,所以它與受高溫作用時間關系很大,必須認真考慮這一因素。降解還與其他一些因素如細菌、氧含量、攪拌剪切等有關。

由于處理劑的熱穩定性與其分子結構有關,因此,抗高溫處理劑分子的主鏈、親水基和吸附基與主鏈連接鍵應盡量采用“C—C”、“C—N”、“C—S”等鍵而避免采用“—O—”鍵等。

實踐證明,高溫降解也可能減輕,現在行之有效的辦法是使用抗氧劑。如酚及其衍生物、苯胺及其衍生物、亞硫酸鹽、硫化物等,均可將纖維素類處理劑的抗溫能力從120℃-140℃提高到180℃-200℃。另一方面,也可巧妙地應用高溫降解以能夠更好地調整和維護鉆井液性能,這在國內外都有成功的經驗。

高溫交聯

處理劑分子中存在著各種不飽和或活性基團,在高溫作用下,可促使分子之間發生各種反應,互相聯結,從而增大分子量,這種作用叫高溫交聯。顯然,可以把它看做是與處理劑高溫降解相反的作用。一般的有機高分子處理劑(特別是天然高分子)都能發生高溫交聯,而高溫交聯可能產生兩個結果:

1.高分子交聯過度,形成三維的空間網狀結構,稱為體型高聚物,則處理劑失去水溶性,整個體系稱為凍膠,處理劑完全失效。

2.處理劑交聯適當,增大分子量,抵消了降解的破壞作用,從而保持以至增大處理劑的效能。另一方面,兩種處理劑適當交聯可使它們的親水能力和吸附能力互為補充,其結果相當于處理劑進一步改性增效。

高溫交聯對鉆井液性能的影響有好壞兩個方面:

1.若交聯過度,處理劑完全失效,鉆井液完全破壞,濾失量猛增,鉆井液膠凝(土量低也不可避免),從鉆井液中可以明顯見到不溶于水的體型高聚物;

2.若交聯適當,則大大有利于鉆井液性能,而且使鉆井液在高溫作用下,性能愈來愈好,其結果必然是現場使用效果優于室內實驗。在一定范圍內,井愈深,溫度愈高,效果愈好。由于高溫交聯實際上可以抵消高溫降解作用,所以,可以加入有機交聯劑來有效地防止處理劑的高溫降解作用。但是,由于高溫交聯及其影響因素,至今研究很少,對于如何控制適當還沒有一個較為成熟的看法和方法,然后對于高溫交聯作用的認識和有關概念的建立至少給了科研工作者利于高溫交聯反應以改善深井鉆井液體系的可能,從而能把高溫堆深井鉆井液性能的破壞轉化為利于高溫改善鉆井液體系,這樣就為深井鉆井液工作開辟了新的途徑。

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