Polyanionová celulóza (PAC) v ropných vrtných kapalinách: Kompletní průvodce

Polyaniontová celulóza (PAC) v ropných vrtných kapalinách je preferovanou přísadou pro regulaci úbytku kapaliny a reologickou přísadou pro vrtné systémy na vodní bázi, která zajišťuje stabilní kontrolu filtrace ve sladké vodě, mořské vodě i nasyceném solném roztoku při teplotách až do 120 °C. Tato příručka vysvětluje, v čem se PAC-LV a PAC-HV liší, jak splňují požadavky normy API/ISO 13500 a jak je dávkovat pro optimalizaci výkonu vrtání v jakémkoli chemickém složení vody.

Úvod

Ztráta tekutin je tichým zabijákem ekonomiky vrtání. Když vrtná suspenze prosakuje do propustných horninových formací, filtrační koláč zhoustne, vrt se začne zasekávat, dochází k poškození hornin a náklady na vrtnou suspenzi stoupají. Polyanionová celulóza (PAC) je přísada, po které inženýři zabývající se vrtnými kapalinami sahají, když potřebují předvídatelnou a teplotně stabilní kontrolu filtrace v nejširším rozsahu chemického složení vody – od sladké vody až po nasycený solný roztok.

Polyaniontová celulóza (PAC) je karboxymethylcelulóza (CMC) s vysokou čistotou a vysokým stupněm substituce. Díky karboxymethylovým skupinám (s stupněm substituce až 0,9–1,3, což je mnohem více než u standardní CMC) je molekula silně aniontová, vysoce rozpustná a odolná vůči solím, které běžnou CMC deaktivují. PAC se dodává ve dvou funkčních provedeních, která řeší různé problémy: PAC-LV (nízká viskozita) pro regulaci filtrace s minimálním vlivem na viskozitu a PAC-HV (vysoká viskozita) pro regulaci filtrace a zároveň zvýšení viskozity a suspenzi vrtného výplachu. Většina vrtných kalů v terénu využívá obě varianty, přizpůsobené hustotě, chemickému složení vody a teplotě vrtu.

Na adrese TENESSY Chemical, vyrábíme PAC z prvotřídní celulózy získané z bavlny na německých výrobních zařízeních, přičemž kontrola výroby je v souladu se zkušebními metodami podle norem API 13A / ISO 13500. Naše typy PAC se vyvážejí do více než 40 zemí a používají se při vrtných operacích na pevnině i na moři. Tato příručka shrnuje praktické zkušenosti s výběrem PAC: mechanismus řízení filtrace, volba mezi nízkým (LV) a vysokým (HV) tlakem, výkonnost v různých typech vody a praktické dávkovací programy.

Úloha PAC v vrtných kapalinách: filtrace, viskozita a reologie

Regulace úniku kapaliny: Mechanismus filtračního koláče

Ztráta tekutiny představuje objem filtrátu z vrtného kalu, který pod tlakem uniká do horninového útvaru. Ve standardní filtrační zkoušce API (API 13B-1, LPLT, 690 kPa / 100 psi po dobu 30 minut) poskytuje kvalitní vrtná suspenze upravená PAC 5–8 ml filtrátu, zatímco u neupravené suspenze nebo suspenze obsahující pouze škrob je to 15–40 ml nebo více.

Polyaniontová celulóza (PAC) omezuje tuto ztrátu přes filtrační koláč. Polymerní řetězce se adsorbují na povrchy jílových částic (bentonitu) a vrtných pevných látek a spojují je do tenkého koláče s nízkou propustností na stěně vrtu. Vzhledem k tomu, že je koláč tenký a pružný, omezuje jak objem filtrátu, tak riziko uvíznutí trubky. Dvě vlastnosti činí z PAC ideální polymer pro tento úkol:

• Vysoký aniontový náboj. Karboxymethylové skupiny se silně adsorbují na kladně nabité hrany jílu a na vápníkové a hořečnaté vazebné místa v hornině, takže filtrát pevně drží i v solných roztocích.
• Prodloužení řetězu. V roztoku se nabité řetězce PAC navzájem odpuzují a zůstávají roztažené, takže i malé množství pokryje velkou plochu jílu. Právě proto je PAC účinnější než škrob (který je neutrální a vyplavuje se z kalového koláče) a běžný CMC (který se ve slaném roztoku svinuje a ztrácí účinnost).

Viskozita a suspenze

PAC-HV zvyšuje viskozitu kalů tím, že se vázá na vodnou fázi, čímž plní tři funkce:

• Přeprava řízků. Mezikruží musí dopravovat vrtné úlomky na povrch; k jejich udržení v pohybu je nutná minimální viskozita. Při nízkých smykových rychlostech (5–100 s⁻¹, což je rozsah hodnot pro mezikruží) vytváří PAC-HV gelovitou strukturu, která udržuje úlomky v suspenzi i po zastavení cirkulace.
• Čištění vrtů u odkloněných vrtů. V horizontálních a odkloněných úsecích se výřezky usazují na nižší straně výkopu. Hlavní ochranou je nízká smyková viskozita materiálu PAC-HV.
• Suspenze barytu. Zatížené kaly využívají mez kluzu k udržení barytu (hustota 4,2 g/cm³) v suspenzi, když jsou čerpadla vypnutá. PAC-HV k této mez kluzu přispívá.

Reologická regulace a teplotní stabilita

Polyaniontová celulóza (PAC) je na biopolymer poměrně tepelně odolná: zachovává si své filtrační a viskozitní vlastnosti až do teploty přibližně 120 °C (některé typy s vysokým DS dokonce až do 130 °C) v kalových roztocích s nízkým obsahem pevných látek, a je kompatibilní s běžnými modifikátory reologie — xanthanovou gumou pro viskozitu při nízkém střihu, inhibitory břidlic na bázi polyakrylamidu a ředidly na bázi lignosulfonátu. Na rozdíl od xanthanu nedochází u PAC k katastrofálnímu rozkladu působením střihu v tryskách vrtného výstroje a na rozdíl od škrobu PAC nefermentuje ani neztrácí viskozitu v horkém, okysličeném vrtném kalu. Další praktickou výhodou je její odolnost vůči bakteriím: škrob vyžaduje ošetření biocidy, PAC nikoli.

Typická kombinace v terénu je PAC-LV pro filtraci + xanthan nebo PAC-HV pro zvýšení viskozity, přičemž poměr se určuje podle hustoty vrtného kalu a úhlu vrtu. Jednoduché praktické pravidlo je popsáno v následující části věnované dávkování.

PAC-LV vs. PAC-HV: V čem spočívá rozdíl a který z nich potřebujete?

Jakmile se seznámíte s programem MUD, je logika výběru jednoduchá:

• Společnost PAC-LV je specialistou na filtraci. Tato metoda se volí v případě, že vrtná suspenze již má dostatečnou viskozitu díky bentonitu, xanthanu nebo pevným částicím a jediným nedostatkem je ztráta tekutiny. To je běžný případ u zatížených vrtných suspenzí, kde by přidání vysoce viskózního polymeru vedlo k přílišnému zvýšení mezního napětí a tlaku v čerpadle.
• PAC-HV je přísada s dvojím účinkem. Používá se v kalových roztocích s nízkým obsahem pevných látek a bez zátěže (kde není přítomen bentonit pro zvýšení viskozity) a v úsecích vertikálních vrtů, kde je zapotřebí viskozita, ale není nutná zvýšená hustota. PAC-HV zajišťuje zvýšení viskozity a regulaci filtrace v rámci jediného produktu.

Většina systémů pro práci s blátem využívá obojí. Typický recept na vrtnou suspenzi pro sladkovodní vrty s nízkým obsahem pevných látek začíná dávkou 4–6 kg/m³ PAC-LV a 1–3 kg/m³ PAC-HV; u dokončovacího roztoku se nasycenou solankou se používá pouze 5–8 kg/m³ PAC-LV, protože v dokončovací kapalině není žádoucí viskozita polymeru.

Výkonnost PAC ve sladké vodě, mořské vodě a nasyceném solném roztoku

Rozhodujícím testem pro polymery odolné proti ztrátě tekutin je jejich chování v solném roztoku. Běžný CMC ztrácí ve slaných roztocích většinu své viskozity a schopnosti regulovat filtraci, protože sůl stíní náboje polymeru a svinuje jeho řetězce. PAC, vyrobený s vyšším DS a vyšší čistotou, si zachovává roztažené řetězce i v nasyceném roztoku NaCl.

Sladkovodní bahna

Ve sladké vodě se polyaniontová celulóza (PAC) rychle disperguje a hydratuje. Typický sladkovodní vrtný kal s bentonitem 4% + 4 kg/m³ PAC-LV poskytuje filtrát API 6–8 mL/30 min a nárůst plastické viskozity pouze o 1–3 mPa·s — řízení filtrace téměř bez negativního vlivu na reologické vlastnosti. Jedná se o klasické použití PAC-LV v vrtných roztocích s nízkým obsahem pevných látek, kde jsou splněny specifikace pro filtraci, zatímco vrtný roztok zůstává dostatečně řídký pro rychlé vrtání.

Mořská voda a bahno s vysokou salinitou

PAC se od CMC odlišuje v mořské vodě (s celkovým obsahem solí přibližně 3,5%) a v bahnech se smíšenými solemi. Při obsahu 3,5% NaCl si standardní CMC zachovává pouze 40–60% své viskozity ve sladké vodě; PAC si zachovává 70–90%, protože díky svému vyššímu DS zůstávají řetězce ionizované. Regulace filtrace zůstává v rozmezí 6–9 mL. V praxi se při přechodu vrtného výplachu ze sladké vody na mořskou zvyšuje dávka PAC-LV o 20–30%, aby se kompenzovala zbývající ztráta viskozity.

Nasycený solný roztok (NaCl ≥ 36%)

Nejnáročnější podmínky představují vrtné kaly s nasyceným solným roztokem a dokončovací solné roztoky. Vrtný kal je prakticky mrtvý solný roztok a většina polymerů v něm buď vysráží, nebo zgelovatí. PAC v množství 5–8 kg/m³ poskytuje filtrát podle API 8–12 ml/30 min v nasyceném roztoku NaCl — což je přijatelné pro většinu vrtných operací a mnohem lepší než škrob, který poskytuje 15–25 ml a rozkládá se. U dokončovacích solných roztoků (kde není žádoucí tvorba filtračního koláče na těžební formaci) se používá specificky PAC-LV, protože vytváří tenký, kyselinou rozpustný koláč, který mohou čisticí kapaliny odstranit. Všimněte si, že PAC se používá v monovalentních solných roztocích; u divalentních solných roztocích (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) nad hodnotou přibližně 10% se výkonnost PAC zhoršuje a jsou zapotřebí speciální polymery.

Normy API a ISO pro testování zařízení PAC

Přísady do vrtných kapalin se nakupují podle norem, nikoli podle technických listů. Typy PAC jsou testovány a certifikovány podle:

• API 13A — Specifikace pro materiály vrtných kapalin, která v oddíle 8 (karboxymethylcelulóza a polyaniontová celulóza) zahrnuje PAC a stanoví požadavky na vlhkost, stupeň substituce, viskozitu roztoku 1% ve slané vodě 4% a regulaci úbytku kapaliny měřenou jako objem filtrátu.
• ISO 13500 — mezinárodní norma (s technickým obsahem shodným s normou API 13A), která se používá při zadávání zakázek mimo Severní Ameriku.
• API 13B-1 / ISO 10414-1 — terénní a laboratorní postupy používané k měření vlastností vrtného kalu: filtrační zkouška LPLT (100 psi, 30 min), plastická viskozita a mez tečení podle měření viskozimetrem Fann a filtrační zkouška HTHP (obvykle 500 psi, až do 150 °C) pro hluboké vrty.

Klíčové hodnoty pro třídy TENESSY PAC, testované podle těchto norem:

Při specifikaci polyaniontové celulózy (PAC) vždy vyžadujte, aby certifikát uváděl výsledky zkoušek podle normy API 13A / ISO 13500, nikoli pouze hodnotu viskozity. Produkt, který neprojde zkouškou filtrátu za standardních podmínek, selže i ve vašem vrtu, bez ohledu na to, jakou viskozitu 2% vykazuje.

Doporučené dávkování a osvědčené postupy

Dávkovací programy podle systému Mud

Osvědčené postupy z praxe

• Před zastávkou v boxech se napijte. Před přidáním soli přidejte do vody polyaniontovou celulózu (PAC) a důkladně promíchejte. PAC se špatně hydratuje, pokud se nasype přímo do solného roztoku – polymerní tabletu vždy nejprve připravte ve sladké vodě a teprve poté do ní vmíchejte sůl.
• Přidávejte pomalu. Vysypání obsahu sáčku přímo do sacího potrubí způsobuje vznik „rybích očí“ a náhlé zvýšení viskozity. Prášek dávkujte přes směšovací násypku nebo ejektor.
• Dávkujte podle výsledků testů, ne podle zvyku. Po každém přidání proveďte filtrační test LPLT. Cílem je dosáhnout 30minutového filtrátu v rámci vašeho pracovního rozmezí (u většiny vrtných kalů 5–10 ml) a správné dávkování je takové minimální množství, které tohoto výsledku dosáhne.
• Sledujte teplotu. Při teplotách nad 120 °C dochází ke snížení účinnosti filtrace pomocí PAC. U hlubokých horkých vrtů je vhodné kombinovat PAC se sulfonovanými polymery (např. SMP nebo deriváty hnědého uhlí) nebo přejít na syntetickou nebo esterovou vrtnou suspenzi.
• Před mixováním zkontrolujte kompatibilitu. PAC je kompatibilní s většinou přísad na vodní bázi, při přidávání povrchově aktivních látek, inhibitorů tvorby vodního kamene nebo odpeněčů HTHP je však třeba provést ověření pomocí zkušebního testu – aniontový PAC může ve tvrdé doplňovací vodě vytvářet sraženiny se solemi těžkých kovů.
• Při skladování jej uchovávejte v suchu. PAC je hygroskopický; otevřené pytle je nutné znovu uzavřít, jinak obsah vlhkosti překročí specifikaci API a dávkování bude nepřesné.

ČASTO KLADENÉ DOTAZY

Otázka 1: Jaký je rozdíl mezi PAC-LV a PAC-HV?

A: PAC-LV (nízká viskozita) je určen k omezení úniku kapaliny s minimálním zvýšením viskozity, obvykle o 30–120 mPa·s při 1% v solném roztoku. PAC-HV (vysoká viskozita) zajišťuje regulaci úniku tekutin a zároveň významné zvýšení viskozity, 700–1 200 mPa·s při 1% v solném roztoku, pro transport a suspenzi vrtného odpadu. Většina vrtných roztoků využívá oba produkty: PAC-LV jako prostředek pro filtraci a PAC-HV (nebo xanthan) jako zdroj viskozity.

Otázka 2: Jaký je rozdíl mezi CMC a PAC v vrtných kapalinách?

A: Polyaniontová celulóza (PAC) je kvalitnější verzí CMC s vyšším DS. Obě látky jsou karboxymethylcelulózy, avšak PAC má stupeň substituce ≥ 0,9 (oproti 0,7–0,8 u CMC určené pro vrtné účely) a vyšší čistotu. Díky tomu si PAC zachovává svou rozptylnost a účinnost v mořské vodě i nasyceném solném roztoku, kde se CMC svinuje a ztrácí viskozitu i schopnost regulovat filtraci. PAC také snáší vyšší teploty a vytváří filtrační koláč, který je lépe rozpustný v kyselinách, a proto je preferován pro náročné vrty a dokončovací práce.

Otázka č. 3: Jaké je obvyklé dávkování PAC ve vrtném kalovi?

A: Pro regulaci úniku tekutin pokrývá PAC-LV v dávce 3–6 kg/m³ většinu sladkovodních, mořských a solankových kalů; nasycená solanka vyžaduje 5–8 kg/m³. Pro zvýšení viskozity a zlepšení filtrace se obvykle používá PAC-HV v dávce 1–4 kg/m³. Přesná hodnota se stanovuje na základě filtrační zkoušky API LPLT (cílová hodnota 5–10 ml/30 min) a na základě reologických vlastností potřebných pro čištění vrtu — vždy titrujte podle výsledků zkoušky a znovu zkontrolujte, pokud dojde ke změně teploty nebo hustoty vrtného kalu.

Otázka č. 4: Jaké normy upravují obsah PAC ve vrtných kapalinách?

A: PAC je specifikován v normě API 13A (oddíl 8) a její mezinárodní ekvivalent ISO 13500, které definují vlhkost, stupeň substituce, viskozitu ve slané vodě 4% a požadavky na filtrát podle API. Zkoušky vlastností vrtného kalu se řídí normou API 13B-1/ISO 10414-1: filtrační zkouška LPLT (100 psi, 30 min), reologické měření viskozimetrem Fann (plastická viskozita, mez tečení) a filtrační zkouška HTHP pro hluboké vrty. Při nákupu PAC trvejte na předložení certifikátů s uvedením výsledků těchto zkoušek.

Otázka č. 5: Funguje technologie PAC v nasyceném solném roztoku?

A: Ano – to je jeho klíčová výhoda. Vysoká hodnota DS u PAC udržuje polymerní řetězce ionizované a roztažené v nasyceném roztoku NaCl, zatímco běžný CMC se zde svinuje a selhává. Při koncentraci 5–8 kg/m³ poskytuje PAC-LV v nasyceném solném roztoku filtrát API o objemu 8–12 ml/30 min a tenký, kyselinou rozpustný filtrační koláč. U dvojmocných solných roztoků (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) nad hodnotou přibližně 10% klesá výkon PAC a jsou zapotřebí speciální polymery.

Otázka č. 6: Lze PAC použít společně s xanthanovou gumou ve stejném vrtném kalovi?

A: Ano, a jedná se o běžnou praxi. PAC zajišťuje kontrolu filtrace a mírnou viskozitu; xanthan dodává vysokou viskozitu při nízkém smykovém namáhání, která je nezbytná pro udržení vrtného výplachu v suspendaci v odkloněných vrtech. Tato kombinace je standardem u polymerových vrtných kalů s nízkým obsahem pevných látek. Obě látky přidejte přes míchací násypku do čerstvé vody před přidáním soli a pomocí pilotního testu ověřte, zda tyto dva polymery nezpůsobí nadměrné zahuštění vrtného kalu při vaší cílové hustotě.

Závěr

Polyaniontová celulóza v ropných vrtných kapalinách řeší dva hlavní problémy, které dominují v oblasti inženýrství vrtných kapalin: únik kapaliny do propustných horninových formací a regulaci reologie při měnícím se chemickém složení vody. PAC-LV zajišťuje kontrolu filtrace bez snížení viskozity, PAC-HV dodává strukturu potřebnou pro čištění vrtu a chemické složení s vysokým obsahem DS, na kterém jsou oba produkty založeny, zajišťuje jejich účinnost ve sladké vodě, mořské vodě i nasyceném solném roztoku při teplotách až 120 °C. Produkt PAC, specifikovaný a ověřený podle norem API 13A / ISO 13500, je základním polymerem pro omezení ztráty vrtné kapaliny při vrtání na vodní bázi – a správnou volbou vždy, když musí být program vrtné kapaliny jednoduchý, stabilní a nákladově efektivní.

Společnost TENESSY Chemical vyrábí produkty PAC-LV a PAC-HV z prvotřídní bavlněné celulózy na německých zařízeních, které jsou certifikovány podle zkušebních metod API 13A / ISO 13500 a vyváženy do více než 40 zemí. Vyžádejte si bezplatný vzorek o hmotnosti 500–3000 g, certifikát o zkoušce podle normy API nebo doporučení ohledně dávkování pro váš vrtný kalový systém – dodací lhůta je pouhých 7–14 dní.

Doporučené produkty: PAC (polyaniontová celulóza) | CMC (karboxymethylcelulóza)
Další články: CMC (karboxymethylcelulóza): Průvodce průmyslovými aplikacemi | HEC ve vodou ředitelných barvách: Průvodce zahušťovadly a stabilizátory | HEMC (MHEC) ve stavebnictví: využití a výhody