Dung dịch khoan gốc nước: Ảnh hưởng của các chất phụ gia cao phân tử đến các đặc tính lưu biến

Dung dịch khoan gốc nước: Ảnh hưởng của các chất phụ gia cao phân tử đến các đặc tính lưu biến

GIỚI THIỆU

Bentonite là thuật ngữ chỉ đất sét nhựa ban đầu được tìm thấy ở vùng Fort Benton, Wyoming, Hoa Kỳ. Những loại đất sét này có đặc tính làm tăng thể tích ban đầu của chúng nhiều lần khi có hơi ẩm và chủ yếu bao gồm các khoáng chất đất sét từ nhóm smectite, chẳng hạn như montmorillonite, có thể được trình bày, trong số những loại khác, ở dạng sodic và canxi. Đất sét bentonit được xếp vào loại khoáng chất được quan tâm nhiều hơn trong công nghiệp, có nhiều lĩnh vực ứng dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu các hành vi lưu biến của sự phân tán đất sét bentonit được các nhà nghiên cứu rất quan tâm vì những mục đích công nghệ đa dạng nhất.

Theo Lagaly và Ziesmer, các ứng dụng chính của phân tán bentonit có thể được chia thành ba loại. Loại thứ nhất bao gồm các ứng dụng như cát đúc, vật liệu bịt kín trong công trình dân dụng, luyện quặng sắt và dung dịch khoan giếng dầu, là những ứng dụng có mức tiêu thụ bentonite cao nhất. Thứ hai bao gồm các ứng dụng có mức tiêu thụ bentonit thấp hơn; sơn, chất kết dính (trên nhựa đường và vật liệu cao su), sử dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm, làm chất độn và trong lọc nước. Thứ ba bao gồm các xu hướng mới; vật liệu nano, kỹ thuật hạt nano và cấu trúc dị cấu trúc xốp. Người ta phát hiện ra rằng đất sét được cấu tạo từ các khoáng sét montmorillonite, mùn, kaolinit, với các lớp hỗn hợp của mù chữ-montmorillonite và thạch anh, và nếu được xử lý bằng dung dịch natri cacbonat đậm đặc, thì có thể thu được natri bentonit có thể thay thế tốt cho bentonit natri tự nhiên được nhập khẩu bởi Việt Nam. Từ công trình này, một số nghiên cứu đã được thực hiện cho đến ngày nay.

Chất lỏng khoan, còn được gọi là bùn, theo truyền thống được phân loại theo thành phần chính của chúng thành: chất lỏng gốc khí, chất lỏng gốc dầu và chất lỏng gốc nước. Gần đây, một lớp mới đã được phát triển, chúng được gọi là chất lỏng tổng hợp.

Loại chất lỏng này được áp dụng trong các tình huống khoan khắc nghiệt hơn, thay thế chất lỏng gốc dầu, nhưng họ nói thêm rằng chất lỏng gốc nước được sử dụng trong hầu hết các công việc khoan trên khắp thế giới được coi là an toàn về mặt sinh thái. Chất lỏng được sử dụng để hỗ trợ hoạt động khoan, thực hiện một số chức năng, chẳng hạn như: loại bỏ các mảnh vụn tạo ra bởi bit, làm mát và làm sạch bit, ổn định thành giếng ngăn chặn sự sụp đổ của nó, tạo thành một lớp mỏng có độ thấm thấp (thạch cao) trên thành của giếng, trong số những người khác. Do đó, chúng phải có đầy đủ các đặc tính lưu biến và lọc. Đối với chất lỏng gốc nước và đất sét bentonitic hoặc chất lỏng thủy sét, Petrobras quy định rằng giá trị độ nhớt biểu kiến ​​và độ nhớt dẻo phải có tối thiểu tương ứng là 15,0 cP và 4,0 cP, trong khi thể tích dịch lọc không được vượt quá 18,0 Ml. Ngay cả với sự phát triển của các loại uid mới, các công ty khoan ngầm lớn nhất ở Việt Nam vẫn ưa chuộng các loại uid truyền thống dựa trên nước và đất sét bentonit, và Petrobras sử dụng loại uid này rất nhiều trong cả việc khoan trên bờ và ngoài khơi. Mức tiêu thụ hàng năm của natri bentonit để sử dụng trong dung dịch khoan là 25.000 tấn. Tuy nhiên, với sự phá vỡ độc quyền dầu mỏ trong nước và sự gia nhập của các công ty tư nhân vào lĩnh vực này, dự kiến ​​trong những năm tới sẽ có sự gia tăng nhu cầu đối với nguyên liệu đầu vào khoáng sản này và các loại khoáng sản khác ngoài đất sét bentonit. Chúng thường được sử dụng trong thành phần của dung dịch khoan phụ gia để cải thiện hoặc kiểm soát các đặc tính lưu biến và lọc của chúng.

Trong số các chất phụ gia phổ biến nhất và được sử dụng thường xuyên trong chất lỏng như chất làm nhớt và chất khử dịch lọc, nổi bật là carboxymethylcellulose (CMC), một loại polymer tự nhiên có nguồn gốc từ cellulose. Việc sử dụng nó làm giảm tổn thất lọc và tạo ra các ám ảnh rất tốt có khả năng ngăn chặn dòng chảy của chất lỏng qua các thành tạo địa chất bị đục lỗ thay thế và độ tinh khiết của sản phẩm. DP được định nghĩa là số đơn vị monome trung bình dọc theo chuỗi polyme; DP càng cao thì khối lượng phân tử và độ nhớt của polyme càng cao. DS được định nghĩa là số nhóm cacboxymetyl thay thế trung bình trên một đơn vị monome. Giá trị của nó có thể đạt cực đại là 3,0, nhưng trong thực tế, giá trị cực đại đạt từ 1,2 đến 1,4. Trong thập kỷ trước, một số nghiên cứu đã được phát triển để đánh giá ảnh hưởng của sự hấp phụ polyme đối với đất sét bentonit, sự nghiên cứu của polyme khối lượng phân tử thấp đối với tính lưu biến của sự phân tán sét bentonit, mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu quả của phụ gia polyme cho dung dịch khoan và mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc và tính thấm của ám màu hình thành từ dung dịch khoan có chứa đất sét bentonit và polyme anion. Công trình này nhằm đánh giá tác dụng của các chất phụ gia cao phân tử gốc xenlulo trong việc cải thiện các đặc tính lưu biến và lọc chất lỏng thủy sét được chế biến bằng đất sét bentonit tự nhiên và công nghiệp hóa từ Paraíba, với mục đích sử dụng nó trong việc khoan các giếng dầu.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đất sét bentonite

Ba mẫu đất sét bentonit tự nhiên được gọi là Bofe, Sô cô la và Verde-bùn đã được nghiên cứu, cũng như ba mẫu đất sét bentonit được công nghiệp hóa, được cung cấp bởi các ngành công nghiệp hưởng lợi từ khoáng chất và được xác định bởi Dolomil, Brasgel và Brasgel PA. Đất sét tự nhiên và những thứ tạo nên đất sét công nghiệp hóa đến từ các mỏ đá nằm ở đô thị Boa Vista, Paraíba, và được cấu tạo về mặt khoáng học từ các khoáng sét từ nhóm smectite và với sự hiện diện của thạch anh. Mẫu bùn xanh cũng cho thấy mù chữ và kaolinit. ( Tham khảo thêm Hướng dẫn sử dụng Bentonite trong cọc khoan nhồi )

Phụ gia polyme Ba mẫu carboxymethylcellulose có các cấp độ nhớt khác nhau, được đặt tên là CMC BV, CMC BV1 và CMC AV, và một mẫu polyanionic cellulose, tên là PAC, đã được nghiên cứu. Đất sét bentonit tự nhiên được thêm vào với dung dịch đậm đặc của Na2CO3 (0,2g / mL) theo tỷ lệ sau: 150 meq Na2CO3 / 100 g đất sét khô đối với đất sét Bofe; 75 meq Na2CO3 / 100 g đất sét khô đối với đất sét Sô cô la và 100 meq Na2CO3 / 100 g đất sét khô đối với đất sét Mud-Green. Sau 05 ngày bảo dưỡng trong buồng ẩm có độ ẩm tương đối 100%, dung dịch khoan được pha chế theo mục sau.

Sửa chữa dung dịch khoan

Dung dịch khoan được chuẩn bị với nồng độ 4,86% khối lượng đất sét (24,3 g đất sét trong 500 mL nước khử ion), phù hợp với tiêu chuẩn N-2605. Bổ sung polyme Sau khi chuẩn bị, các nắp được xử lý bằng các phụ gia polyme, ở dạng bột, và được khuấy trong 5 phút. Sau 24 giờ nghỉ, các đặc tính lưu biến và lọc được xác định theo mục dưới đây. Các chất phụ gia được nghiên cứu ở các nồng độ sau: 0,58 g, 1,16 g và 1,74 g / 24,3 g đất sét cho CMC BV, 0,3 g, 0,4 g và 0,5 g / 24,3 g đất sét cho CMC BV1 và 0,2 g, 0,3 g và 0,4 g /24,3 g đất sét khô cho CMC AV và PAC. Các nồng độ này sẽ được chỉ định trong văn bản như: 0,58 g, 1,16 g và 1,74 g cho CMC BV, 0,3 g, 0,4 g và 0,5 g cho CMC BV1 và 0,2 g, 0,3 g và 0,4 g cho CMC AV và PAC. Nghiên cứu lưu biến Độ nhớt biểu kiến ​​(VA) và nhựa (VP) được xác định trong nhớt kế Fann 35A và thể tích lọc trong máy ép Fann lter, theo tiêu chuẩn N -2605.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả cho thấy kết quả của độ nhớt biểu kiến ​​(VA), độ nhớt dẻo (VP) và thể tích lter (VF) thu được với uid được điều chế bằng đất sét tự nhiên ở dạng natri (sau khi xử lý bằng Na2CO3) và với đất sét công nghiệp. Người ta quan sát thấy rằng các mẫu tự nhiên ở dạng sodic không có các đặc tính đáp ứng các thông số kỹ thuật của Petrobras và trong số các mẫu công nghiệp hóa, chỉ có Brasgel PA có các đặc tính phù hợp với tiêu chuẩn nói trên, và do đó có thể được sử dụng làm chất làm nhớt và chất thixotropic trong dung dịch khoan gốc nước. Sau khi kết hợp các chất phụ gia cao phân tử, một hành vi khác nhau đã được quan sát đối với mỗi loại đất sét được nghiên cứu. CMC BV1, với CMC AV và với PAC đã cung cấp một sự cải thiện trong hành vi lưu biến của nó, đạt đến các giá trị VA, VP và VF theo các giới hạn quy định. Để sử dụng trong khoan giếng dầu cho các nồng độ 0,40 g và 0,50 g CMC BV1, 0,20 g và 0,40 g CMC AV và 0,40 g PAC. Bổ sung với CMC BV dẫn đến các uid đến giá trị VA cao hơn (ngoại trừ nồng độ 0,58 g CMC BV) và giá trị VP và VF thấp hơn, tuy nhiên giá trị VA thu được không đạt đến mức tối thiểu 15,0 cP, được quy định bởi Petrobras. Khi phụ gia polyme được thêm vào uid, chúng sẽ phân tán trong pha lỏng (nước) và các nhóm chức của chúng ít nhiều trở nên phân ly, và chuỗi polyme có thể có cấu hình kéo dài. Cài đặt này là nguyên nhân làm tăng độ nhớt của hệ thống. Các chuỗi polyme sau đó được hấp phụ vào bề mặt của các hạt đất sét, trung hòa chúng, tức là có sự hấp phụ giữa các điện tích âm của polyme và các điện tích dương có trên các cạnh của các hạt đất sét. Với sự trung hòa này, các hạt có được đặc tính âm điện và giữa chúng xảy ra lực đẩy lẫn nhau, tránh hiện tượng keo tụ. Tương tác bề mặt polyelectrolyte-đất sét xảy ra chủ yếu trên các cạnh của khoáng sét.

Sự tương đương cũng được quan sát thấy trong các kết quả thu được với CMC, CMC AV và PAC. Mặc dù các chất phụ gia này có các đặc điểm khác nhau, chúng là các polyme mạch dài và hoạt động như chất làm nhớt và giảm bộ lọc. Do đó, các hành vi tương tự được quan sát có thể được chứng minh bởi các yếu tố này. Sau khi kết hợp các chất phụ gia cao phân tử, có sự gia tăng đáng kể về VA, các biến thể nhỏ trong VP (ngoại trừ phụ gia CMC BV dẫn đến mức tăng lên đến 100%) với các giá trị vượt quá mức tối thiểu độ nhớt cụ thể. do Petrobras tạo ra và giảm FV với các giá trị dưới mức tối đa cho phép của thông số kỹ thuật nói trên. Mặc dù các giá trị thu được đáp ứng các tiêu chuẩn của Petrobras, nhưng có một hệ thống có các đặc tính không mong muốn; Giá trị VA cao đặc trưng cho hệ thống như đã được tính toán và khi đi vào hoạt động, tức là trong quá trình khoan ngầm, chúng có thể gây ra nhiều vấn đề khác nhau như không hiệu quả trong việc mang các mảnh vỡ khoan.

Trạng thái oculation được đề cập ở trên đã đạt được hoặc thậm chí được nhấn mạnh bởi sự giảm khoảng cách giữa các hạt sét và sự nén của lớp kép khuếch tán; các chuỗi polyme được hấp phụ vào bề mặt của các hạt đất sét và các chuỗi này càng dài thì hiện tượng kết tụ càng dễ xảy ra, vì một số hạt được hấp phụ trên cùng một chuỗi polyme, tạo ra hiện tượng bao bọc (hình thành các bông lớn hoặc kết tụ đất sét vật rất nhỏ). Hơn nữa, sự oculation xảy ra do sự hình thành các cầu nối, tức là tương tác bên giữa các nhóm kỵ nước của polyme mang các hạt sét lại gần nhau hơn. Các uids được chuẩn bị bằng đất sét bùn xanh ở dạng sodic phát triển các hệ thống gọi là gel oculate, dịch theo giá trị VA và VF cao, và giá trị VP thấp, gần 1,0 cP. Ở trạng thái này, các hạt đất sét vẫn liên kết với nhau thông qua tương tác điện và khối lượng, với các liên kết trực diện và cạnh nhau, tạo ra một cấu trúc giống như lâu đài của thẻ, trong đó toàn bộ thể tích của chất lỏng được chiếm giữ bởi các hạt đất sét. Sau khi phụ gia với CMC BV, sự chuyển đổi từ trạng thái gel đặc sang trạng thái khử tiêu tụ một phần (trạng thái trong đó có ít tương tác điện và khối lượng giữa các hạt đất sét) đã được quan sát, dịch giảm trong VA và VF, và tăng trong VP. Giá trị VP và VF thu được phù hợp với thông số kỹ thuật của Petrobras, với giá trị lần lượt là 6,0 cP và 9,0 mL khi thêm 1,74 g CMC BV. Đối với nồng độ phụ gia này, VA là 14,8 cP, thực tế bằng với mức tối thiểu được chỉ định, là 15,0 cP.

Với việc bổ sung các chất phụ gia CMC BV1, CMC AV và PAC, sự chuyển đổi từ trạng thái dạng gel sang trạng thái đông đặc (trạng thái trong đó các tương tác) được quan sát thấy chiếm ưu thế giữa các hạt sét thuộc loại mặt đối mặt), đặc trưng bởi giá trị VA cao. Giá trị VF trên 18,0 mL, mức tối đa do Petrobras quy định. Mặc dù đã thu được các hệ thống có mức độ tính toán thấp hơn, nhưng kết quả không đáp ứng các giới hạn của đặc điểm kỹ thuật nói trên. Sự chuyển đổi từ trạng thái gel đặc sang trạng thái khử đặc một phần khi phụ gia CMC BV được kết hợp cho thấy rằng có sự tương tác giữa polyme và các hạt đất sét, được giải thích là do sự giảm mạng tương tác tĩnh điện giữa các hạt đất sét. Hơn nữa, CMC BV là một polyme mạch ngắn hoạt động như một chất khử đông tụ, như đã đề cập ở trên. Sự chuyển đổi từ trạng thái gel đông đặc sang trạng thái đông đặc, khi kết hợp các chất phụ gia CMC BV1, CMC AV (Hình 3c) và PAC, có thể được chứng minh bằng thực tế là có polyme dài dây chuyền; mặc dù xảy ra sự hấp phụ của các chuỗi vào bề mặt của các hạt đất sét, làm giảm tương tác điện giữa chúng, nhưng rất có thể một số hạt đất sét đã bị hấp phụ trên cùng một chuỗi polyme, làm cho khoảng cách giữa các hạt không đủ đến trạng thái đó.

Người ta cũng quan sát thấy rằng VF nhạy cảm với loại polyme được sử dụng, với giá trị thấp nhất thu được khi bổ sung với CMC BV và PAC, rất có thể, do các yếu tố sau: i) CMC BV là một CMC có mức độ thay thế cao (DS) (0,90) so với CMC BV1, và với một chuỗi ngắn, các đặc điểm làm cho polyme có khả năng hòa tan cao hơn và tránh hiện tượng đóng gói và ii) PAC mặc dù nó có các chuỗi polyme dài , nó có DS rất cao (0,95), mang lại cho nó khả năng hòa tan cao và do đó, độ đồng nhất cao hơn với các hạt đất sét. Hơn nữa, độ tinh khiết cao hơn (> 98%) và sự đồng đều của sự thay thế các nhóm cacboxylat dọc theo chuỗi có xu hướng tránh được hiện tượng kết tủa. Có ý kiến ​​cho rằng việc khử lter đạt được nhờ sự hấp phụ của chuỗi cao phân tử CMC lên bề mặt của các hạt sét bentonit có cường độ ion cao, tránh hiện tượng keo tụ thông qua cơ chế ổn định. Theo sự giảm thể tích lter được giải thích thông qua các cơ chế ổn định tĩnh điện và ổn định điện tử. Ổn định tĩnh điện xảy ra do lực đẩy giữa các chuỗi polyme bị hấp phụ vào bề mặt của các hạt đất sét, trong khi ổn định điện xảy ra do sự gia tăng khoảng cách phân tách tối thiểu giữa các hạt đất sét mà các chuỗi polyme tham gia và do tương tác đẩy điện giữa các chuỗi polyme. Các cơ chế này ngăn chặn hiện tượng keo tụ, thu được hệ thống với các hạt sét phân tán trong môi trường lỏng. Người ta nhấn mạnh rằng sự giảm thể tích lter này chủ yếu đạt được do các polyme không bị hấp phụ vào các hạt đất sét lấp đầy các lỗ rỗng của thạch cao, làm giảm tốc độ lát. Nó đã được quan sát thấy, sau khi bổ sung polyme, sự gia tăng giá trị VA (ngoại trừ uids được chuẩn bị bằng đất sét Brasgel PA và thêm với CMC BV) và VP và giảm giá trị VF.

Đối với chất lỏng được chuẩn bị bằng đất sét Dolomil và thêm CMC BV1 và với CMC AV, các giá trị VA, VP và VF thu được theo thông số kỹ thuật của Petrobras. Đối với đất sét Brasgel, chỉ bổ sung với CMC BV dẫn đến các giá trị đáp ứng các thông số kỹ thuật nói trên. Đối với chất lỏng được điều chế bằng đất sét Brasgel PA, bổ sung với CMC BV1, CMC AV và PAC đã dẫn hệ thống đến trạng thái tính toán, được đặc trưng bởi các giá trị VA cao. Khi được bổ sung với CMC BV, có sự giảm VA và VF và tăng VP ở các nồng độ 0,58 g và 1,16 g, phỏng đoán hoạt động khử keo tụ của nó, và đối với nồng độ 1,74 g, bổ sung VA và Giá trị VP và thậm chí thấp hơn của VF đã đạt được thỏa mãn các thông số kỹ thuật nêu trên. Hành vi này là điển hình của CMC có độ nhớt thấp có chức năng chính là giảm độ nhớt, nghĩa là, đạt được độ nhớt khi sử dụng nồng độ cao.

Đối với uid được chế biến bằng đất sét công nghiệp hóa, người ta quan sát thấy rằng giá trị VF thấp nhất thu được bằng chất phụ gia với CMC BV, rất có thể vì đây là một polyme mạch ngắn, như đã thảo luận ở trên. Đặc tính này cung cấp sự phân tán lớn hơn của các hạt đất sét thông qua sự hấp phụ của các chuỗi polyme trên các hạt đất sét, tránh sự nén của lớp kép khuếch tán và thúc đẩy quá trình hydrat hóa lớn hơn của cả polyme và đất sét, giảm lượng nước miễn phí trên hệ thống.

KẾT LUẬN

- sự bổ sung cao phân tử làm cho chất lỏng được điều chế bằng đất sét Bofe ở dạng natri, Dolomil và Brasgel thích hợp để sử dụng trong khoan giếng dầu;

- các đặc tính lưu biến và lọc của chất lỏng được chế biến bằng đất sét bentonit từ Boa Vista, PB phụ thuộc nhiều vào bentonit / polyme tương tác và điều này, đến lượt nó, phụ thuộc vào mức độ nhớt và kích thước của chuỗi polyme;

- các hành vi khác nhau thu được đối với chất lỏng được chuẩn bị bằng đất sét Bofe, Sôcôla và Verde-bùn ở dạng sodic sau khi Bổ sung với các CMC khác nhau có thể rất hữu ích để tối ưu hóa dung dịch khoan tùy thuộc vào điều kiện hiện trường.

Xem thêm Biên bản nghiệm thu công trình hoàn thành đưa vào sử dụng dự án đấu bổ sung tuyến ống cấp nước khu vực Gia Lâm 2020