Полианионная целлюлоза (PAC) в буровых жидкостях: полное руководство

Полианионная целлюлоза (PAC) в буровых жидкостях для нефтяной промышленности является предпочтительной добавкой для контроля потери жидкости и регулирования реологических свойств в буровых растворах на водной основе, обеспечивая стабильный контроль фильтрации в пресной воде, морской воде и насыщенном рассоле при температурах до 120 °C. В данном руководстве объясняется, чем отличаются PAC-LV и PAC-HV, как они проходят испытания по стандарту API/ISO 13500 и как их дозировать для оптимизации показателей бурения при любом химическом составе воды.

Введение

Потеря жидкости — это «тихий убийца» рентабельности бурения. Когда буровой раствор просачивается в проницаемые пласты, фильтрационный осадок уплотняется, скважина начинает заклинивать, возникает повреждение пласта, а расходы на буровой раствор растут. Полианионная целлюлоза (PAC) — это добавка, к которой прибегают инженеры-специалисты по буровым растворам, когда им требуется предсказуемый и термостабильный контроль фильтрации в самом широком диапазоне химических составов воды — от пресной воды до насыщенного рассола.

Полианионная целлюлоза (PAC) представляет собой карбоксиметилцеллюлозу (CMC) высокой чистоты с высокой степенью замещения. Карбоксиметильные группы (степень замещения DS до 0,9–1,3, что значительно выше, чем у стандартной CMC) придают молекуле сильные анионные свойства, высокую растворимость и устойчивость к воздействию солей, которые деактивируют обычную CMC. PAC выпускается в двух функциональных модификациях, предназначенных для решения различных задач: PAC-LV (низковязкая) для контроля фильтрации с минимальным вкладом в вязкость и PAC-HV (высоковязкая) для контроля фильтрации, а также повышения вязкости и суспендирования шламов. В большинстве буровых растворов используются оба сорта, подбираемые с учётом плотности, химического состава воды и температуры скважины.

На сайте TENESSY Chemical, мы производим PAC из целлюлозы высшего качества, полученной из хлопка, на немецком технологическом оборудовании, при этом контроль качества производства осуществляется в соответствии с методами испытаний, предусмотренными стандартами API 13A / ISO 13500. Наши марки PAC экспортируются в более чем 40 стран и используются как при наземном, так и при морском бурении. В данном руководстве обобщен практический опыт, лежащий в основе выбора PAC: механизм контроля фильтрации, выбор между низким (LV) и высоким (HV) давлением, эффективность при работе с различными типами воды, а также практические схемы дозирования.

Роль PAC в буровых растворах: фильтрация, вязкость и реология

Контроль потери жидкости: механизм образования фильтрационного осадка

Потеря жидкости — это объем фильтрата бурового раствора, который под давлением проникает в пласт. В стандартном испытании на фильтрацию по API (API 13B-1, LPLT, 690 кПа / 100 фунтов на квадратный дюйм в течение 30 минут) качественный буровой раствор, обработанный PAC, даёт 5–8 мл фильтрата, тогда как для необработанного раствора или раствора, содержащего только крахмал, этот показатель составляет 15–40 мл или более.

Полианионная целлюлоза (PAC) предотвращает эту утечку через фильтрационный осадок. Цепи полимера адсорбируются на поверхности частиц глины (бентонита) и бурового шлама, образуя между ними мостики и создавая тонкий осадок с низкой проницаемостью на стенках скважины. Поскольку кек тонкий и гибкий, он ограничивает как объём фильтрата, так и риск застревания трубы. Два свойства делают ПАК подходящим полимером для этой задачи:

• Высокий анионный заряд. Карбоксиметильные группы прочно адсорбируются на положительно заряженных краях глинистых частиц и на участках, содержащих кальций и магний, в породе пласта, благодаря чему осадок прочно удерживается даже в рассолах.
• Удлинение цепи. В растворе заряженные цепочки ПАК отталкиваются друг от друга и остаются вытянутыми, поэтому даже небольшая доза покрывает значительную площадь поверхности глины. Именно поэтому ПАК превосходит по эффективности крахмал (который является нейтральным и вымывается из осадка) и обычный КМК (который сворачивается в рассоле и теряет эффективность).

Вязкость и суспензия

PAC-HV повышает вязкость шлама за счет образования сгустков в водной фазе, что обеспечивает три эффекта:

• Перевозка черенков. Межсверловое пространство должно выносить буровой шлам на поверхность; для поддержания его движения требуется минимальная вязкость. При низких скоростях сдвига (5–100 с⁻¹, что соответствует диапазону значений для межсверлового пространства) PAC-HV образует гелеобразную структуру, которая удерживает буровой шлам во взвешенном состоянии при остановке циркуляции.
• Очистка ствола в наклонных скважинах. В горизонтальных и наклонных участках выщелоченный грунт оседает на нижней стороне скважины. Низкая вязкость при сдвиге, обеспечиваемая PAC-HV, является основной защитой.
• Суспензия барита. Утяжелённые буровые растворы используют предел текучести для поддержания барита (плотность 4,2 г/см³) во взвешенном состоянии при остановке насосов. PAC-HV способствует формированию этого предела текучести.

Реологический контроль и температурная стабильность

Полианионная целлюлоза (PAC) обладает высокой термостойкостью для биополимера: она сохраняет свои фильтрационные и вязкостные характеристики при температурах до примерно 120 °C (некоторые марки с высоким содержанием сухих веществ — до 130 °C) в буровых растворах с низким содержанием твердых веществ, а также совместима с распространенными модификаторами реологических свойств — ксантановой камедью для обеспечения вязкости при низких сдвиговых нагрузках, ингибиторами сланцевого вымывания на основе полиакриламида и разжижителями на основе лигносульфонатов. В отличие от ксантана, ПАЦ не подвергается катастрофическому сдвиговому разложению в соплах бурового раствора, а в отличие от крахмала, ПАЦ не ферментирует и не разжижается в горячем, насыщенном кислородом буровом растворе. Её устойчивость к бактериям является ещё одним практическим преимуществом: крахмал требует обработки биоцидами, а ПАЦ — нет.

Типичная комбинация, применяемая в скважине, — PAC-LV для фильтрации + ксантан или PAC-HV для повышения вязкости, причем соотношение определяется плотностью бурового раствора и углом наклона скважины. Простое практическое правило описано в разделе о дозировке ниже.

PAC-LV и PAC-HV: в чём разница и какой из них вам нужен?

Логика выбора проста, если вы знакомы с программой «Mud»:

• PAC-LV — специалист в области фильтрации. Его выбирают в тех случаях, когда буровой раствор уже обладает достаточной вязкостью за счет бентонита, ксантана или твердых частиц, а единственным недостатком является потеря жидкости. Такая ситуация часто встречается в случае утяжеленных буровых растворов, где добавление высоковязкого полимера привело бы к чрезмерному повышению предела текучести и давления в насосе.
• PAC-HV — это присадка двойного назначения. Он применяется в буровых растворах с низким содержанием твердых частиц и без утяжелителей (в которых отсутствует бентонит для повышения вязкости), а также на участках вертикальных скважин, где буровой раствор должен обладать вязкостью, но не требует дополнительной плотности. PAC-HV обеспечивает повышение вязкости и контроль фильтрации с помощью одного продукта.

В большинстве грязевых систем используются оба варианта. Типичная полевая рецептура пресноводного бурового раствора с низким содержанием твердых частиц включает 4–6 кг/м³ PAC-LV плюс 1–3 кг/м³ PAC-HV; в насыщенном рассоле для заканчивания скважины используется только PAC-LV в количестве 5–8 кг/м³, поскольку в заканчивающей жидкости нежелательна вязкость, обусловленная полимером.

Характеристики PAC в пресной воде, морской воде и насыщенном рассоле

Решающим критерием для полимера, предотвращающего потерю жидкости, является его поведение в солевом растворе. Обычный CMC теряет большую часть своей вязкости и способности контролировать фильтрацию в рассолах, поскольку соль экранирует заряды полимера и сворачивает его цепи. PAC, изготовленный с более высоким степенью дисперсии (DS) и более высокой степенью чистоты, сохраняет свои цепи в растянутом состоянии даже в насыщенном растворе NaCl.

Пресноводные илы

В пресной воде полианионная целлюлоза (PAC) быстро диспергируется и гидратируется. Типичный пресноводный буровой раствор с бентонитом 4% + 4 кг/м³ PAC-LV обеспечивает фильтрат API 6–8 мл/30 мин и увеличение пластической вязкости всего на 1–3 мПа·с — контроль фильтрации практически без ухудшения реологических характеристик. Это классический вариант применения PAC-LV в буровых растворах с низким содержанием твердых частиц, при котором соблюдаются требования к фильтрации, а буровой раствор остается достаточно жидким для быстрого бурения.

Морская вода и грязи с высокой соленостью

Морская вода (с общим содержанием солей около 3,5%) и грязи со смешанным составом солей — это среды, в которых PAC отделяется от CMC. При концентрации NaCl 3,5% стандартный CMC сохраняет лишь 40–60% своей вязкости в пресной воде; PAC сохраняет 70–90%, поскольку его более высокая степень дисперсии (DS) поддерживает ионизацию цепей. Контроль фильтрации остается в диапазоне 6–9 мл. На практике дозировку PAC-LV принято увеличивать на 20–30% при переходе бурового раствора с пресной воды на морскую, чтобы компенсировать оставшуюся потерю вязкости.

Насыщенный рассол (NaCl ≥ 36%)

Буровые растворы на основе насыщенного рассола и рассолы для заканчивания скважин представляют собой наиболее агрессивную среду. Буровой раствор представляет собой практически неразбавляемый раствор соли, и большинство полимеров либо выпадают в осадок, либо гелеобразятся. PAC в дозе 5–8 кг/м³ обеспечивает фильтрат по API 8–12 мл/30 мин в насыщенном растворе NaCl — это приемлемо для большинства буровых операций и намного лучше, чем крахмал, который дает 15–25 мл и разлагается. Для заканчивающих рассолов (где нежелательно образование фильтрационного осадка на добывающем пласте) специально используется PAC-LV, поскольку он образует тонкий, растворимый в кислоте осадок, который может быть удален промывочными жидкостями. Следует отметить, что PAC используется в одновалентных рассолах; для двухвалентных рассолов (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) с концентрацией выше примерно 10% эффективность PAC снижается, и требуются специальные полимеры.

Стандарты тестирования PAC в соответствии с API и ISO

Присадки для буровых растворов закупаются в соответствии со стандартами, а не с техническими паспортами. Марки PAC проходят испытания и сертификацию в соответствии с:

• API 13A — Спецификация на материалы для буровых растворов, в которой в разделе 8 (карбоксиметилцеллюлоза и полианионная целлюлоза) рассматривается PAC; в ней установлены требования к влажности, степени замещения, вязкости раствора 1% в солевом растворе 4%, а также к контролю потерь жидкости, измеряемому как объем фильтрата.
• ISO 13500 — международный стандарт (техническое содержание которого полностью соответствует стандарту API 13A), применяемый при закупках за пределами Северной Америки.
• API 13B-1 / ISO 10414-1 — полевые и лабораторные методы, используемые для определения свойств бурового раствора: фильтрационный тест LPLT (100 psi, 30 мин), пластическая вязкость и предел текучести по показаниям вискозиметра Фанна, а также испытание на фильтрацию при высоких температурах и давлениях (HTHP) (обычно 500 psi, до 150 °C) для глубоких скважин.

Основные показатели для классов TENESSY PAC, испытанных в соответствии с этими стандартами:

При заказе полианионной целлюлозы (PAC) всегда требуйте, чтобы в сертификате были указаны результаты испытаний в соответствии со стандартами API 13A / ISO 13500, а не только значение вязкости. Продукт, не прошедший испытание фильтрата в стандартных условиях, не подойдет для вашей скважины, независимо от того, какое значение вязкости 2% у него указано.

Рекомендуемая дозировка и передовые методы применения

Программы дозирования по типам грязевых систем

Передовой опыт из практики

• Забейте воду перед пит-стопом. Перед добавлением соли добавьте полианионную целлюлозу (PAC) в воду, тщательно перемешивая. PAC плохо гидратируется, если её сразу высыпать в рассол — всегда сначала растворяйте полимерный гранулят в пресной воде, а затем добавляйте соль.
• Добавляйте постепенно. Если высыпать содержимое мешка непосредственно в всасывающий трубопровод, это приведёт к образованию «рыбьих глаз» и скачкам вязкости. Дозируйте порошок через смесительный бункер или эдуктор.
• Определяйте дозировку на основе результатов тестов, а не по привычке. После каждого добавления проводите тест на фильтрацию LPLT. Целевым показателем является объем фильтрата, полученного за 30 минут, в пределах рабочего диапазона (5–10 мл для большинства буровых растворов), а правильная дозировка — это минимальное количество, позволяющее достичь этого показателя.
• Контролируйте температуру. При температуре выше 120 °C фильтрационные свойства PAC снижаются. При бурении глубоких горячих скважин рекомендуется использовать PAC в сочетании с сульфированными полимерами (например, SMP или производными бурого угля) либо перейти на буровой раствор на синтетической основе или на основе эфиров.
• Перед смешиванием проверьте совместимость. PAC совместим с большинством добавок на водной основе, однако при добавлении поверхностно-активных веществ, ингибиторов образования накипи или пеногасителей HTHP следует провести контрольное испытание — анионный PAC может вступать в реакцию с солями тяжелых металлов в жесткой подпиточной воде с образованием осадка.
• Храните в сухом месте. PAC обладает гигроскопичностью; вскрытые мешки необходимо повторно запечатать, иначе содержание влаги выйдет за пределы, установленные в спецификации активного фармацевтического ингредиента (API), что приведет к неточности дозирования.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос 1: В чем разница между PAC-LV и PAC-HV?

A: PAC-LV (с низкой вязкостью) предназначен для контроля потери жидкости с минимальным увеличением вязкости, как правило, на 30–120 мПа·с при 1% в рассоле. PAC-HV (высоковязкий) обеспечивает контроль потерь жидкости плюс значительное повышение вязкости — 700–1 200 мПа·с при 1% в рассоле — для транспортировки и суспендирования бурового шлама. В большинстве буровых растворных систем используются оба компонента: PAC-LV в качестве средства, предотвращающего фильтрацию, и PAC-HV (или ксантан) в качестве средства для повышения вязкости.

Вопрос 2: В чём заключается разница между CMC и PAC в буровых растворах?

A: Полианионная целлюлоза (PAC) представляет собой более качественную версию CMC с более высоким показателем степени замещения (DS). Обе субстанции являются карбоксиметилцеллюлозой, однако PAC обладает степенью замещения ≥ 0,9 (по сравнению с 0,7–0,8 у CMC бурового качества) и более высокой степенью чистоты. Благодаря этому PAC сохраняет распушенность и эффективность в морской воде и насыщенном рассоле, тогда как CMC сворачивается в спирали и теряет вязкость и способность контролировать процесс фильтрации. PAC также устойчива к более высоким температурам и образует фильтрационный осадок, лучше растворимый в кислоте, поэтому её предпочитают использовать для сложных скважин и операций по заканчиванию скважин.

Вопрос 3: Какова типичная дозировка PAC в буровом растворе?

A: Для контроля потери жидкости доза PAC-LV в диапазоне 3–6 кг/м³ подходит для большинства пресноводных, морских и рассольных буровых растворов; для насыщенного рассола требуется 5–8 кг/м³. Для повышения вязкости и улучшения фильтрации обычно используется PAC-HV в дозе 1–4 кг/м³. Точное значение определяется результатами фильтрационного испытания API LPLT (целевой показатель 5–10 мл/30 мин) и реологическими характеристиками, необходимыми для очистки скважины — всегда подбирайте дозировку в соответствии с результатами испытания и повторно проверяйте при изменении температуры или плотности бурового раствора.

Вопрос 4: Какие стандарты регулируют содержание PAC в буровых растворах?

A: Характеристики PAC определены в стандарте API 13A (раздел 8) и его международном эквиваленте ISO 13500, в которых установлены требования к содержанию влаги, степени замещения, вязкости в солевом растворе 4%, а также к фильтрату по стандарту API. Испытания свойств бурового раствора проводятся в соответствии со стандартом API 13B-1/ISO 10414-1: испытание на фильтрацию по методу LPLT (100 psi, 30 мин), реологические измерения на вискозиметре Фанна (пластическая вязкость, предел текучести) и испытание на фильтрацию при высоких температурах и давлениях (HTHP) для глубоких скважин. При покупке PAC требуйте предоставления сертификатов с указанием результатов этих испытаний.

Вопрос 5: Работает ли система PAC в насыщенном рассоле?

A: Да — в этом заключается его главное преимущество. Высокий уровень сухого вещества (DS) PAC позволяет полимерным цепям оставаться ионизированными и растянутыми в насыщенном растворе NaCl, в то время как обычный CMC скручивается и теряет свои свойства. При концентрации 5–8 кг/м³ PAC-LV в насыщенном рассоле обеспечивает пропускную способность фильтра по API 8–12 мл/30 мин и образует тонкий, растворимый в кислоте фильтрационный осадок. Для двухвалентных рассолов (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) при концентрации выше примерно 10% эффективность PAC снижается, и требуются специализированные полимеры.

Вопрос 6: Можно ли использовать PAC вместе с ксантановой камедью в одном буровом растворе?

A: Да, и это общепринятая практика. PAC обеспечивает контроль фильтрации и умеренную вязкость; ксантан придает высокую вязкость при низких сдвиговых нагрузках, необходимую для поддержания суспензии бурового шлама в наклонных скважинах. Такое сочетание является стандартным для полимерных буровых растворов с низким содержанием твердых частиц. Добавьте оба компонента через смесительную воронку в пресную воду перед добавлением соли и проведите пилотное испытание, чтобы убедиться, что эти два полимера не приводят к чрезмерному загустению бурового раствора при заданной плотности.

Заключение

Полианионная целлюлоза в буровых растворах для нефтяных скважин решает две основные проблемы, стоящие перед инженерами-буровиками: потерю жидкости в проницаемых пластах и регулирование реологических свойств при изменении химического состава воды. PAC-LV обеспечивает контроль фильтрации без снижения вязкости, PAC-HV придаёт структуру, необходимую для очистки скважины, а высокая степень сушки (DS) обоих составов гарантирует их эффективность в пресной воде, морской воде и насыщенном рассоле при температурах до 120 °C. Соответствующий требованиям и проверенный в соответствии со стандартами API 13A / ISO 13500, PAC является основным полимером для предотвращения потери жидкости при бурении на водной основе — и правильным выбором во всех случаях, когда программа бурового раствора должна оставаться простой, стабильной и экономически эффективной.

Компания «TENESSY Chemical» производит PAC-LV и PAC-HV из высококачественной хлопковой целлюлозы на немецком оборудовании, сертифицированном в соответствии с методами испытаний API 13A / ISO 13500, и экспортирует свою продукцию в более чем 40 стран. Закажите бесплатный образец весом 500–3000 г, сертификат испытаний по стандарту API или рекомендации по дозировке для вашей буровой жидкости — срок изготовления составляет всего 7–14 дней.

Рекомендуемые товары: PAC (полианионная целлюлоза) | КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза)
Рекомендуемые материалы: CMC (карбоксиметилцеллюлоза): Руководство по промышленному применению | HEC в красках на водной основе: руководство по загустителям и стабилизаторам | HEMC (MHEC) в строительстве: области применения и преимущества