有机盐钻井液

材料科学

化工之友  2007.NO.03

有机盐钻井液

褚祖礼

(长江大学化学与环境工程学院  湖北  434023)

摘 要:在盐膏层等复杂地层钻探过程中,常规钻井液易受到盐、膏等的污染,导致钻井液性能恶化,维护处理复杂,甚至引发钻井事故。有机盐钻井液是国际公认的高效、低毒钻井液体系,国外已经广泛应用,取得了非常好的效果,该体系特点:性能稳定,抗污染能力强,有利于发现和保护油气层、抑制防塌能力强、有利于提高机械钻速、有利于提高固井质量,解决了井壁稳定和保护油气层之间的矛盾。

关键词:有机盐加重剂  钻井液性能  机械钻速  保护油气层中图分类号:TE24文献标识码:A

文章编号:1004-0862(2007)03(a)-0042-02钻井液是石油钻井和其他钻井作业过程中使用的一种专用流体,地下钻井作业的严酷环境促进了对钻井液的研究和开发。钻井液在钻井过程中主要完成悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却等多项关键任务。有机盐钻井液以其公认的高效、低毒的优点在钻井液体系中崭露头角,它在国外已经广泛应用,取得了非常好的效果。有机盐钻井液的性能稳定,抗污染能力强,有利于发现和保护油气层、抑制防塌能力强、有利于提高机械钻速、有利于提高固井质量,解决了井壁稳定和保护油气层之间的矛盾。

流入岩石,这有利于井壁稳定及钻屑、粘土的不分散;

(2) 有机盐溶液中电离出的大量的阳离子K+、NH4+、[NHxR4-x]+(x=1~4)可通过静电引力吸附进入粘土晶格(尤其是蒙脱石晶格中),抑制粘土表面水化及渗透水化膨胀;

(3) 有机酸根阴离子可吸附在带负电的粘土边面上,抑制其水化分散;

(4) 有机盐阴、阳离子对粘土颗粒的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用,从而较强地抑制粘土分散。1.3 有机盐钻井液的抗温性能

(1) 有机盐钻井液抗高温机理分析如下:

有机盐钻井液中含有高浓度的XmRn(COO)q-1基团,XmRn(COO)q-l具有较强的还原性,可除掉钻井液中的溶解氧。这是由下述反应的电位决定的:

反应:

1 有机盐钻井液的作用机理

1.1 有机盐钻井液的流变性

有机盐水溶性加重剂的有机酸根阴离子与单价阳离子亲水性强,在水中电离倾向大,具有超高溶解度。有机盐加重剂溶于水后形成的较高密度溶液,为无固相、低固相、高密度且具有优良流变性钻井液的配制打下了良好的基础。这种溶液在一定密度范围内,不用惰性加重剂调节,在高密度范围内,也比常规钻井液含惰性加重剂少得多,流变性比常规钻井液好得多。往有机盐加重剂溶液中加入提切剂Viscol . Visco2来调整流变性。 Viscol在水中溶解后可形成空间网状结构,提高钻井液的悬浮携砂能力。Viscol溶于水后所成胶体颗粒不带电,因此其在高浓度有机盐溶液中仍能保持较高切力。Visco2为抗盐聚合物的微交联产品,在有机盐溶液中可形成空间网状结构,改善有机盐溶液的悬浮能力。1.2 有机盐钻井液的抑制性

(1) 井壁钻屑、粘土颗粒在有机盐钻井液中浸泡时的水化应力为:

式中:

T为绝对温度;

为钻井液中水的活度;

为岩石(钻屑、井壁、粘土颗粒)的活度。由上式可见

越小, 越小。试验测定不同种类盐(或处理剂)的饱和溶液中的值见表

由表1可知饱和溶液的值极小。因此在有机盐钻井液中,井壁、钻屑、粘土颗粒的水化应力τ水化比在其它钻井液中小得多,其结果是在有机盐钻井液中,井壁稳定、钻屑、粘土不分散、不膨胀。另外由于钻井液中水的活度远比岩石中水的活度小得多,岩石中的水将渗流入钻井液,钻井液中的水不会渗

表1  不同种类的盐的饱和溶液中的a水值

E2、E3为氧化还原电位。E越高,氧化性越强,E越低,还原性越强。由于E3<E2,故有机盐阴离子可很快除掉钻井液中的溶解氧,使得高分子处理剂不断链、不降解。有效地保护了这些处理剂,使其效能即使在高温下(200℃的情况)也能长时间充分发挥。

(2) 有机盐钻井液的滤失造壁性有机盐钻井液体系中的降滤失剂Redu1、无荧光仿沥青

NFA-25可有效降低滤失量、改善泥饼质量,可形成薄而韧的泥饼, NFA-25中油溶组分可在压力温梯下发生塑性形变,进入地层微裂缝,起到封堵、防塌的作用。

2 有机盐钻井液的现场应用

例:有机盐钻井液在新疆克拉玛依油田五三东井区乌尔禾油藏开发井57031井进行了现场试验,取得安全优质钻进、提高钻速、井径规则的良好效果。

57031井是准噶尔盆地西北缘的一口开发井,该井除目的层为砂泥岩互层外,其余井段为水敏性易缩径泥岩,易水化膨胀、坍塌。井身结构:Φ 339.7mm×104.12m+Φ140mm×2364.92m。

该井二开使用有机盐钻井液体系,主控配方为:

H2O+0 .3 % Na2CO3+0.1%KOH+(0.7%一1.0%)Re dul+(0.1%一0 .2 %) IND10+(10%一15%)Weight+2%K一100

由于该井密度较低,有机盐仅作为抑制剂使用,钻井液性能稳定,全井施工顺利,表明有机盐抑制性良好。

该井二开转化为有机盐钻井液后,有机盐钻井液其良好的现

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  2007.NO.03  化工之友

碳素钢硫化后的焊接技术探索

王大维  刘泉生  刘建平

(中国石油南充炼油化工总厂建安公司)

摘 要:本文举例阐述了碳素钢硫化腐蚀后的焊接技术。关键词:碳素钢  硫化腐蚀  焊接技术  实例中图分类号:TG4文献标识码:A炼油生产、天然气净化脱硫以及天然气化工企业的装置设备及其工艺管线,材质多为20#、Q235等碳素钢,由于原油、天然气中含有的硫及硫化物,在高温及压力作用下,部分硫离子渗入钢材之中,引起置设备及工艺管线钢材被硫化,给检维修的焊接施工带来极大危害。由于渗入钢材内的硫离子在焊接高温作用下外淅、燃烧、产生二氧化硫(SO2)气体,破坏了焊接金属与母材的熔合,部分硫(S)离子进入焊接金属,化合后生成硫化亚铁(FeS),使焊缝金属脆性加大、发泡,成蜂窝状,严重者使焊缝金属无法与母材熔合。

在设备、管线检修中为解决碳素钢硫化后的焊接施工难题,达到合格的焊接接头,必须对常规的焊接方法进行修正与改进。通过实践与摸索,总结出以下两种焊接方法。

文章编号:1004-0862(2007)03(a)-0043-01用出汗法进行处理和施焊,达到非常满意的焊接效果。

2 剥皮法

此方法适用于硫化不很严重,硫离子侵入钢材不深的情况,且焊口部位易于机械切削的设备。即采用车、削等机械加工方法,将焊口处表面被硫化的母材去除,使焊接施工在无硫化物的情况下进行,从而达到较为满意的效果。

效果实例:2006年4月在南充炼油化工总厂35×104 t/年 重油催化裂化装置脱硫系统大修时,冷却器E-1102AB浮头花板与冷却管束腐蚀严重,冷却管严重腐蚀穿孔。决定采用原冷却器壳体及浮头花板进行换芯处理。在管束与花板焊接时由于花板受硫化物腐蚀,施焊后发现管束与花板焊接处有微裂纹,焊接效果不好。后采用剥皮法对已腐蚀花板表面车削2-3mm,再进行施焊,达到了满意的效果。

1 出汗法

即对硫化比较严重的碳素钢管材,采用焊前脱硫,焊后消氢的焊接方法。以20#钢管硫化后的焊接方法为例,具体说明施焊方法和步骤。

1.1 脱硫(出汗)

在坡口加工成型后,用烤把将坡口处加热至720℃-750℃左右,使坡口处及焊口附近钢材中的硫离子外淅、燃烧。可见泡沫流出并有红黄色火苗,自然冷却后除去燃烧后的硫化物。按以上方法反复烧烤加热脱硫,直至无硫离子淅出为止。然后修磨坡口至符合焊接要求。1.2 组对焊接

按20号钢的常规方法进行焊接。1.3 消氢

用烤把或电加热带对焊口及熔合区加热至360℃-400℃左右消除焊口及其附近的硫化氢(H2S)1.4 正火处理

待焊口消氢冷却后,加热至780℃左右,保温缓冷,进行正火处理,得到满意的焊接接头。

效果实例:2006年5月在川中气矿天然气净化厂50×104 m3/d 和2006年9月在川中气矿天然气净化厂80×104 m3/d脱硫装置检修中,其脱硫塔半贫液出塔管线为Φ89×5/20#的钢管,焊口硫化腐蚀较重,弯头及部分管材需要更换,施工中采

3 科学推广“两法”,创建节约型企业

炼油装置和天然气净化脱硫装置,工艺流程紧密,连接系

统多为碳素钢制管线,由于管材的硫化过程是以与介质接触的管内壁开始,越靠近内壁,硫化腐蚀越严重,在检修周期内,其外半壁未硫化,能保证管材的强度安全。通过超声波测厚检查,弯头部分腐蚀严重。而一般情况长直管线能保证生产要求。因此,只需更换弯头及部分装置工艺进出口处硫化腐蚀严重的管材,即能保证装置安全生产的要求。在更换弯头和部分管段时,使用“出汗法”,“剥皮法”能克服常规焊法无法解决的难题,达到满意的焊接接头。采用“两法”可节省因重新配管所需的大量管材。缩短施工时间,降低劳动强度,从而降低检修成本,是一举多得的好方法。以科学态度,严谨的技术措施,推广使用“两法”,有利于炼化、天然气净化生产降低成本,创建节约型企业。

4 结语

实践证明钢材硫化腐蚀后,采用出汗法和剥皮法的焊接技术与措施,能够达到满意的焊接效果。

参考文献

[1] 焊工手册.编写小组.机械工业出版社,1979年5月.

[2] 张仁武主编.焊接工程手册.山西科学技术出版社,2005年1月.

场应用效果,缩短了钻井周期,降低了钻井密度,提高了机械钻速,减少了事故复杂的发生率,完井电测一次成功。

参考文献

[1] 伍勇,王爱东,董殿彬等.甲酸盐聚合醇钻井液在庄海4×1井

的应用[J].钻井液与完井液,2003,20(3):54~56.

[2] 黄河福.正电胶聚合醇钻井液在临盘地区的应用[J],钻井液与

完井液,2002,19(4).

[3] 郭保雨,严波等.氯化钙/聚合醇钻井液体系的研究及应用[J].

精细石油化工进展,2001,3(1):23~26.[4] 李建山,李谦定,杨呈德.环保型钻井液技术研究与发展方向[J],

西安石油学院报,2002,17(2):59~63.

3 结语

(1) 有机盐钻井液有独特的流变性,动、静切力低,流变性好;(2) 有机盐钻井液体系具有抑制性强,可有效抑制泥岩、钻屑水化分散、膨胀;(3) 有机盐钻井液滤失造壁性好;对钻具无腐蚀;对环境无污染;保护油气层效果好。

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有机盐钻井液

褚祖礼

(长江大学化学与环境工程学院  湖北  434023)

摘 要:在盐膏层等复杂地层钻探过程中,常规钻井液易受到盐、膏等的污染,导致钻井液性能恶化,维护处理复杂,甚至引发钻井事故。有机盐钻井液是国际公认的高效、低毒钻井液体系,国外已经广泛应用,取得了非常好的效果,该体系特点:性能稳定,抗污染能力强,有利于发现和保护油气层、抑制防塌能力强、有利于提高机械钻速、有利于提高固井质量,解决了井壁稳定和保护油气层之间的矛盾。

关键词:有机盐加重剂  钻井液性能  机械钻速  保护油气层中图分类号:TE24文献标识码:A

文章编号:1004-0862(2007)03(a)-0042-02钻井液是石油钻井和其他钻井作业过程中使用的一种专用流体,地下钻井作业的严酷环境促进了对钻井液的研究和开发。钻井液在钻井过程中主要完成悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却等多项关键任务。有机盐钻井液以其公认的高效、低毒的优点在钻井液体系中崭露头角,它在国外已经广泛应用,取得了非常好的效果。有机盐钻井液的性能稳定,抗污染能力强,有利于发现和保护油气层、抑制防塌能力强、有利于提高机械钻速、有利于提高固井质量,解决了井壁稳定和保护油气层之间的矛盾。

流入岩石,这有利于井壁稳定及钻屑、粘土的不分散;

(2) 有机盐溶液中电离出的大量的阳离子K+、NH4+、[NHxR4-x]+(x=1~4)可通过静电引力吸附进入粘土晶格(尤其是蒙脱石晶格中),抑制粘土表面水化及渗透水化膨胀;

(3) 有机酸根阴离子可吸附在带负电的粘土边面上,抑制其水化分散;

(4) 有机盐阴、阳离子对粘土颗粒的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用,从而较强地抑制粘土分散。1.3 有机盐钻井液的抗温性能

(1) 有机盐钻井液抗高温机理分析如下:

有机盐钻井液中含有高浓度的XmRn(COO)q-1基团,XmRn(COO)q-l具有较强的还原性,可除掉钻井液中的溶解氧。这是由下述反应的电位决定的:

反应:

1 有机盐钻井液的作用机理

1.1 有机盐钻井液的流变性

有机盐水溶性加重剂的有机酸根阴离子与单价阳离子亲水性强,在水中电离倾向大,具有超高溶解度。有机盐加重剂溶于水后形成的较高密度溶液,为无固相、低固相、高密度且具有优良流变性钻井液的配制打下了良好的基础。这种溶液在一定密度范围内,不用惰性加重剂调节,在高密度范围内,也比常规钻井液含惰性加重剂少得多,流变性比常规钻井液好得多。往有机盐加重剂溶液中加入提切剂Viscol . Visco2来调整流变性。 Viscol在水中溶解后可形成空间网状结构,提高钻井液的悬浮携砂能力。Viscol溶于水后所成胶体颗粒不带电,因此其在高浓度有机盐溶液中仍能保持较高切力。Visco2为抗盐聚合物的微交联产品,在有机盐溶液中可形成空间网状结构,改善有机盐溶液的悬浮能力。1.2 有机盐钻井液的抑制性

(1) 井壁钻屑、粘土颗粒在有机盐钻井液中浸泡时的水化应力为:

式中:

T为绝对温度;

为钻井液中水的活度;

为岩石(钻屑、井壁、粘土颗粒)的活度。由上式可见

越小, 越小。试验测定不同种类盐(或处理剂)的饱和溶液中的值见表

由表1可知饱和溶液的值极小。因此在有机盐钻井液中,井壁、钻屑、粘土颗粒的水化应力τ水化比在其它钻井液中小得多,其结果是在有机盐钻井液中,井壁稳定、钻屑、粘土不分散、不膨胀。另外由于钻井液中水的活度远比岩石中水的活度小得多,岩石中的水将渗流入钻井液,钻井液中的水不会渗

表1  不同种类的盐的饱和溶液中的a水值

E2、E3为氧化还原电位。E越高,氧化性越强,E越低,还原性越强。由于E3<E2,故有机盐阴离子可很快除掉钻井液中的溶解氧,使得高分子处理剂不断链、不降解。有效地保护了这些处理剂,使其效能即使在高温下(200℃的情况)也能长时间充分发挥。

(2) 有机盐钻井液的滤失造壁性有机盐钻井液体系中的降滤失剂Redu1、无荧光仿沥青

NFA-25可有效降低滤失量、改善泥饼质量,可形成薄而韧的泥饼, NFA-25中油溶组分可在压力温梯下发生塑性形变,进入地层微裂缝,起到封堵、防塌的作用。

2 有机盐钻井液的现场应用

例:有机盐钻井液在新疆克拉玛依油田五三东井区乌尔禾油藏开发井57031井进行了现场试验,取得安全优质钻进、提高钻速、井径规则的良好效果。

57031井是准噶尔盆地西北缘的一口开发井,该井除目的层为砂泥岩互层外,其余井段为水敏性易缩径泥岩,易水化膨胀、坍塌。井身结构:Φ 339.7mm×104.12m+Φ140mm×2364.92m。

该井二开使用有机盐钻井液体系,主控配方为:

H2O+0 .3 % Na2CO3+0.1%KOH+(0.7%一1.0%)Re dul+(0.1%一0 .2 %) IND10+(10%一15%)Weight+2%K一100

由于该井密度较低,有机盐仅作为抑制剂使用,钻井液性能稳定,全井施工顺利,表明有机盐抑制性良好。

该井二开转化为有机盐钻井液后,有机盐钻井液其良好的现

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  2007.NO.03  化工之友

碳素钢硫化后的焊接技术探索

王大维  刘泉生  刘建平

(中国石油南充炼油化工总厂建安公司)

摘 要:本文举例阐述了碳素钢硫化腐蚀后的焊接技术。关键词:碳素钢  硫化腐蚀  焊接技术  实例中图分类号:TG4文献标识码:A炼油生产、天然气净化脱硫以及天然气化工企业的装置设备及其工艺管线,材质多为20#、Q235等碳素钢,由于原油、天然气中含有的硫及硫化物,在高温及压力作用下,部分硫离子渗入钢材之中,引起置设备及工艺管线钢材被硫化,给检维修的焊接施工带来极大危害。由于渗入钢材内的硫离子在焊接高温作用下外淅、燃烧、产生二氧化硫(SO2)气体,破坏了焊接金属与母材的熔合,部分硫(S)离子进入焊接金属,化合后生成硫化亚铁(FeS),使焊缝金属脆性加大、发泡,成蜂窝状,严重者使焊缝金属无法与母材熔合。

在设备、管线检修中为解决碳素钢硫化后的焊接施工难题,达到合格的焊接接头,必须对常规的焊接方法进行修正与改进。通过实践与摸索,总结出以下两种焊接方法。

文章编号:1004-0862(2007)03(a)-0043-01用出汗法进行处理和施焊,达到非常满意的焊接效果。

2 剥皮法

此方法适用于硫化不很严重,硫离子侵入钢材不深的情况,且焊口部位易于机械切削的设备。即采用车、削等机械加工方法,将焊口处表面被硫化的母材去除,使焊接施工在无硫化物的情况下进行,从而达到较为满意的效果。

效果实例:2006年4月在南充炼油化工总厂35×104 t/年 重油催化裂化装置脱硫系统大修时,冷却器E-1102AB浮头花板与冷却管束腐蚀严重,冷却管严重腐蚀穿孔。决定采用原冷却器壳体及浮头花板进行换芯处理。在管束与花板焊接时由于花板受硫化物腐蚀,施焊后发现管束与花板焊接处有微裂纹,焊接效果不好。后采用剥皮法对已腐蚀花板表面车削2-3mm,再进行施焊,达到了满意的效果。

1 出汗法

即对硫化比较严重的碳素钢管材,采用焊前脱硫,焊后消氢的焊接方法。以20#钢管硫化后的焊接方法为例,具体说明施焊方法和步骤。

1.1 脱硫(出汗)

在坡口加工成型后,用烤把将坡口处加热至720℃-750℃左右,使坡口处及焊口附近钢材中的硫离子外淅、燃烧。可见泡沫流出并有红黄色火苗,自然冷却后除去燃烧后的硫化物。按以上方法反复烧烤加热脱硫,直至无硫离子淅出为止。然后修磨坡口至符合焊接要求。1.2 组对焊接

按20号钢的常规方法进行焊接。1.3 消氢

用烤把或电加热带对焊口及熔合区加热至360℃-400℃左右消除焊口及其附近的硫化氢(H2S)1.4 正火处理

待焊口消氢冷却后,加热至780℃左右,保温缓冷,进行正火处理,得到满意的焊接接头。

效果实例:2006年5月在川中气矿天然气净化厂50×104 m3/d 和2006年9月在川中气矿天然气净化厂80×104 m3/d脱硫装置检修中,其脱硫塔半贫液出塔管线为Φ89×5/20#的钢管,焊口硫化腐蚀较重,弯头及部分管材需要更换,施工中采

3 科学推广“两法”,创建节约型企业

炼油装置和天然气净化脱硫装置,工艺流程紧密,连接系

统多为碳素钢制管线,由于管材的硫化过程是以与介质接触的管内壁开始,越靠近内壁,硫化腐蚀越严重,在检修周期内,其外半壁未硫化,能保证管材的强度安全。通过超声波测厚检查,弯头部分腐蚀严重。而一般情况长直管线能保证生产要求。因此,只需更换弯头及部分装置工艺进出口处硫化腐蚀严重的管材,即能保证装置安全生产的要求。在更换弯头和部分管段时,使用“出汗法”,“剥皮法”能克服常规焊法无法解决的难题,达到满意的焊接接头。采用“两法”可节省因重新配管所需的大量管材。缩短施工时间,降低劳动强度,从而降低检修成本,是一举多得的好方法。以科学态度,严谨的技术措施,推广使用“两法”,有利于炼化、天然气净化生产降低成本,创建节约型企业。

4 结语

实践证明钢材硫化腐蚀后,采用出汗法和剥皮法的焊接技术与措施,能够达到满意的焊接效果。

参考文献

[1] 焊工手册.编写小组.机械工业出版社,1979年5月.

[2] 张仁武主编.焊接工程手册.山西科学技术出版社,2005年1月.

场应用效果,缩短了钻井周期,降低了钻井密度,提高了机械钻速,减少了事故复杂的发生率,完井电测一次成功。

参考文献

[1] 伍勇,王爱东,董殿彬等.甲酸盐聚合醇钻井液在庄海4×1井

的应用[J].钻井液与完井液,2003,20(3):54~56.

[2] 黄河福.正电胶聚合醇钻井液在临盘地区的应用[J],钻井液与

完井液,2002,19(4).

[3] 郭保雨,严波等.氯化钙/聚合醇钻井液体系的研究及应用[J].

精细石油化工进展,2001,3(1):23~26.[4] 李建山,李谦定,杨呈德.环保型钻井液技术研究与发展方向[J],

西安石油学院报,2002,17(2):59~63.

3 结语

(1) 有机盐钻井液有独特的流变性,动、静切力低,流变性好;(2) 有机盐钻井液体系具有抑制性强,可有效抑制泥岩、钻屑水化分散、膨胀;(3) 有机盐钻井液滤失造壁性好;对钻具无腐蚀;对环境无污染;保护油气层效果好。

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