Investigación sobre la mejora de la resistencia a la temperatura del agente reductor de la pérdida de agua formador de película de PVA
Liu Xuepeng1, 2 Zhang Mingchang1
(1. Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería del Petróleo de Sinopec, Beijing 100101; 2. Escuela de Ingeniería del Petróleo, Universidad del Petróleo de China (Beijing), Beijing 102249 )
Resumen El alcohol polivinílico (PVA) químicamente reticulado cambia la permeabilidad de la torta de filtración formando una película sólida de PVA reticulada uniforme y densa en la interfaz entre la torta de filtración y el medio filtrante, y Juega un papel en el control de la pérdida de agua. Este artículo analiza el mecanismo y el rendimiento de dos tipos de agentes reductores de la pérdida de agua de alcohol polivinílico químicamente reticulado actualmente ampliamente utilizados y propone formas de modificar aún más el PVA y mejorar su resistencia a altas temperaturas desde una perspectiva molecular.
Palabras clave Aditivo de pérdida de fluidos de alcohol polivinílico, mezcla sintética de cemento para pozos petrolíferos
Estudio sobre la forma de mejorar la temperatura constante del aditivo de pérdida de fluidos de alcohol polivinílico
LIU Xuepeng1, 2, ZHANG Mingchang1
（1.SINOPEC Instituto de Investigación de Ingeniería del Petróleo, Beijing 100101, China 2.Escuela de Ingeniería del Petróleo, Universidad del Petróleo de China, Beijing 102249, China)
Resumen Los factores principales en la reducción de FL por el alcohol polivinílico (PVA) químicamente reticulado es la reducción de la permeabilidad de la torta de filtración: se forma una película de polímero resistente, monolítica y compacta en la superficie de la membrana del filtro debajo de la torta de filtración. En el papel, se discutieron el mecanismo y las propiedades de dos tipos de alcohol polivinílico (PVA) químicamente reticulado. El PVA se modificó aún más desde el nivel molecular y se mejoró la propiedad de resistencia a altas temperaturas que podía usarse cerca de 150 ℃ como pérdida de fluido. aditivo para cemento de pozos petroleros.
Palabras clave alcohol polivinílico; aditivo para pérdida de fluidos; aditivo para cemento de petróleo; que puede controlar Un material que pierde la fase líquida en la lechada de cemento hacia la formación permeable, manteniendo así la relación agua-cemento adecuada de la lechada de cemento. Es el tipo de aditivo más importante entre los aditivos para cemento de pozos petroleros. Su uso está directamente relacionado con el éxito o el fracaso de la construcción de cementación y una serie de cuestiones como la vida útil y la productividad del pozo petrolero. En comparación con otras formulaciones, el agente reductor de la pérdida de agua de alcohol polivinílico (PVA) tiene las ventajas de tener un precio moderado, tener poco impacto en el tiempo de retardo y la resistencia a la compresión, y tener un cierto efecto formador de película y canalización antigas, y tiene una buena aplicación. perspectivas [1] .
Por lo general, el PVA sin modificar tiene una baja eficiencia de reducción de la pérdida de agua y una gran dosis, y solo puede usarse en formaciones por debajo de 50 °C [1].
En la actualidad, la mayoría de los agentes reductores de la pérdida de agua de PVA ampliamente utilizados en la cementación de la construcción son productos modificados químicamente reticulados, y su temperatura máxima de funcionamiento también ha aumentado entre 70 y 120 °C [2-5]. Este PVA modificado químicamente puede formar una estructura de red espacial con cierta resistencia durante el proceso de aplicación, lo que restringe el flujo de agua libre. Al mismo tiempo, también puede formar una membrana densa de baja permeabilidad con la interfaz para evitar la canalización del aire. reducir aún más la pérdida de agua [5].
A medida que la exploración y el desarrollo del petróleo avanzan hacia pozos profundos y ultraprofundos, las temperaturas más altas en el fondo del pozo plantean mayores desafíos para los proyectos de cementación. Cómo utilizar medios químicos para modificar el PVA desde una perspectiva molecular y aumentar aún más su temperatura de funcionamiento es de gran importancia para las operaciones de cementación. Basado en la investigación del mecanismo de reducción de la pérdida de agua del PVA, este artículo explora formas de mejorar eficazmente el rendimiento de reducción de la pérdida de agua del PVA.
1 PVA y su mecanismo de reducción de la pérdida de agua
1.1 Estructura del PVA
El alcohol polivinílico (PVA) es un producto en polvo de color blanco obtenido por hidrólisis del acetato de polivinilo. resina con forma. La Figura 1 es un fragmento estructural de una molécula de PVA, que contiene una gran cantidad de estructuras de hidroxilo (—OH) y una pequeña cantidad de carboximetilo no hidrolizado (—COCH3). El PVA común se puede dividir en muchos tipos según el peso molecular y el grado de hidrólisis. Según el peso molecular, se divide en 300, 500, 1200, 1700, 2200, 2400, etc.; dividido en 99% de grado de hidrólisis (tipo completamente hidrolizado), 88% de grado de hidrólisis, 78% de grado de hidrólisis, también hay grados de hidrólisis más bajos, pero son poco comunes. Los productos nacionales están marcados con los dos primeros dígitos del peso molecular y los dos últimos dígitos del grado de hidrólisis, como 1788, 1799, etc.
Figura 1 Fragmento de la estructura molecular del PVA
La estructura química del PVA es estable, la temperatura de descomposición térmica del 10% es superior a 200 °C y la estructura química es muy estable en altas temperaturas. -Soluciones alcalinas de temperatura. Tiene una fuerte resistencia a los iones de calcio y magnesio, es un polímero no iónico, tiene poco impacto en el tiempo de fraguado de la lechada de cemento y tiene un precio moderado. Es adecuado como materia prima o componente para el desarrollo de materiales resistentes a altas temperaturas. Agentes reductores de la pérdida de agua del cemento [1].
1.2 Mecanismo de reducción de la pérdida de agua PVA
El agente reductor de pérdida de agua actúa principalmente a través de tres aspectos: en primer lugar, aumenta la viscosidad del filtrado y, en segundo lugar, aumenta la resistencia al movimiento del agua libre; ajustar la torta de lodo La relación de tamaño de partícula en la relación de tamaño de partícula de cemento controla la pérdida de partículas finas, haciendo que la torta de filtración sea más densa y reduciendo la permeabilidad; el tercero es cambiar las propiedades eléctricas de la superficie de las partículas de cemento y aumentar el rendimiento de humectación de; los poros de la torta de filtración [1].
Las investigaciones muestran que el aumento de la viscosidad del filtrado no es la razón principal por la que el PVA reduce el rendimiento de la pérdida de agua. Si el PVA puede formar una película de polímero densa resistente a la temperatura en la interfaz entre la torta de filtración y el medio filtrante es la razón principal para reducir la permeabilidad de la torta de filtración y reducir la pérdida de agua [1, 5]. Cuando se utiliza PVA no reticulado, aunque el PVA puede formar enlaces de hidrógeno dentro y entre moléculas a través de grupos hidroxilo (—OH) a temperatura ambiente, dichos enlaces de hidrógeno son fáciles de romper y tienen propiedades mecánicas pobres [1], por lo que en No se forma película en la interfaz entre la torta de filtración y el medio filtrante, y la capacidad para reducir la pérdida de agua es pobre. Esta es también la razón por la cual el PVA no modificado tiene una baja eficiencia en la reducción de la pérdida de agua. Cómo formar una película de baja permeabilidad en la unión y hacerla resistente a altas temperaturas se ha convertido en la clave para mejorar el rendimiento del agente reductor de pérdida de agua PVA. Varios métodos actuales de reticulación química tienen como objetivo este factor principal.
2 Agente reductor de la pérdida de agua de PVA modificado con reticulación química
La investigación sobre el uso de medios químicos para modificar el PVA desde una perspectiva molecular para aumentar su temperatura de servicio comenzó en el siglo XX en el extranjero. y los años 1990[6,7]. El trabajo de investigación nacional en esta área también ha logrado grandes avances en los últimos años [1 ~ 3], y los productos relacionados también se han utilizado ampliamente. Los enfoques principales se dividen en dos aspectos: uno es la modificación de reticulación con ácido bórico, ácido titánico, ácido crómico o las sales inorgánicas correspondientes [5, 6, 8-12] y el otro es la modificación de reticulación con glutaraldehído [1-4]; ,7,13,14]. El objetivo principal de ambos métodos de modificación es permitir la formación de películas de baja permeabilidad y resistentes a la temperatura en la interfaz.
2.1 Ácido bórico, ácido titánico, ácido crómico o modificación de reticulación de sales inorgánicas correspondientes
Utilizado anteriormente para generar y fortalecer la unión de la torta de filtración del agente reductor de pérdida de agua PVA y los medios filtrantes El método para fabricar una película de baja permeabilidad consiste en utilizar PVA lineal mezclado con una cierta proporción de ácido bórico, ácido titánico, ácido crómico o las sales inorgánicas correspondientes y otros agentes gelificantes. El PVA y el ácido bórico entran en contacto en la lechada de cemento para formar una estructura compleja, que se mejora aún más en condiciones alcalinas, como se muestra en la Figura 2. Los Estados Unidos tenían informes de patentes en esta área ya en 1990 [6], y también se ha estudiado su mecanismo complejante [12].
En los últimos años, la investigación y aplicación nacionales en esta área también se han vuelto muy maduras [11].
Figura 2 Reacción de complejación de PVA y ácido bórico
***Las moléculas mixtas de PVA reticuladas y las moléculas del agente gelificante entran en contacto y se unen entre sí en la superficie del medio filtrante para Forme una película adhesiva de coagulación de baja permeabilidad para reducir la pérdida de agua y mejorar en gran medida el rendimiento de la pérdida de agua. Sin embargo, este producto tiene ciertas limitaciones de aplicación. Cuando es inferior a 40°C, es difícil formar una película compleja uniforme. Cuando es superior a 95°C, la película compleja es fácil de descomponer y no puede usarse como producto. agente reductor de pérdida de agua a alta temperatura [1].
2.2 Modificación de reticulación de glutaraldehído
En vista del problema inestable de la película polimérica formada mediante reticulación mixta, se ha utilizado el método de reticulación química de glutaraldehído para aumentar la polimerización. método de fuerza (Figura 3). Hubo informes de patentes en esta área en el extranjero en 1994 [7], y también hay estudios sobre su mecanismo de reticulación [13]. En los últimos años también se han llevado a cabo investigaciones nacionales [1, 3] y se han presentado solicitudes de patentes pertinentes [2].
El PVA químicamente reticulado con glutaraldehído también controla la pérdida de agua formando una película de polímero en la interfaz entre la torta de filtración y el medio filtrante. Sin embargo, este tipo de reticulación química es más estable que la reticulación mixta con ácido bórico, etc., lo que facilita que las partículas coloidales de PVA reticuladas químicamente ricas en grupos hidroxilo se agreguen en la unión del filtro para formar un todo continuo. que están unidos entre sí [1]. Esto promueve aún más la formación de una película sólida uniforme. Los estudios han señalado que las partículas coloidales de PVA químicamente reticuladas agregadas en la torta de filtración también pueden formar películas sólidas discontinuas. Esto permite que la temperatura de uso del PVA químicamente reticulado con glutaraldehído alcance los 120°C. Cuando la temperatura aumenta aún más por encima de 120 °C, las partículas coloidales de PVA y la película sólida formada se disolverán gradualmente, la película de gel de baja permeabilidad desaparecerá gradualmente y la pérdida de agua aumentará repentinamente.
Figura 3 Reacción de complejación de PVA y glutaraldehído
2.3 Formas de mejorar la resistencia a la temperatura del agente reductor de pérdida de agua de PVA
El método de reticulación química muestra que, La modificación química de la estructura molecular del PVA puede mejorar su resistencia a la temperatura como agente reductor de la pérdida de agua y permitir que su temperatura máxima de uso alcance los 120 °C. En la actualidad, esta es también la temperatura de funcionamiento más alta que los agentes reductores de pérdida de agua de PVA pueden aplicar cuando se usan solos. Como se mencionó anteriormente, la estructura química del PVA es estable y su temperatura de descomposición térmica del 10% es superior a 200 °C. ¿Se puede aumentar aún más su temperatura de uso?
Recientemente, Plank et al. [15] de la Universidad Técnica de Munich en Alemania realizaron un estudio detallado y en profundidad sobre el mecanismo de reducción de la pérdida de agua del PVA y dieron sugerencias para mejorar el rendimiento del PVA. Agentes reductores de la pérdida de agua. Se puede resumir en tres puntos: primero, mejorar la adhesión de las moléculas de PVA a la superficie de las partículas a altas temperaturas; segundo, aumentar las partículas bloqueantes resistentes a la temperatura; tercero, utilizar materias primas de PVA con alto peso molecular y grado de hidrólisis; Esto es consistente con la conclusión inicial de la investigación de Chen Juan et al. [1], cuyo propósito es promover la formación de una película sólida uniforme y aumentar su resistencia a la temperatura. Según los resultados de la investigación anterior, el PVA se puede modificar y desarrollar aún más para obtener productos de PVA resistentes a la temperatura con buenas propiedades de reducción de la pérdida de agua.
2.3.1 Reticulación de glioxal y glutaraldehído
Adopte una reticulación mixta de glioxal y glutaraldehído, optimice la ruta de síntesis y obtenga PVA formador de película resistente a la temperatura con pérdida reducida. agente. Al utilizar el método de reticulación con dialdehído mencionado anteriormente y optimizar la adición del material y la ruta de reacción, la capacidad para resistir la caída de temperatura y la pérdida de agua se puede mejorar aún más hasta 125 °C. Por encima de esta temperatura, la película de baja permeabilidad formada se disolverá gradualmente y la pérdida de agua de la lechada de cemento aumentará significativamente. La Figura 4 muestra la torta de filtración y la membrana de baja permeabilidad formadas a 125°C.
Figura 4 Torta de filtración y membrana de baja permeabilidad (125°C)
2.3.2 Modificación de partículas nanobloqueantes inorgánicas
Según la investigación de Plank et al. En este artículo se utiliza nanosílice (30 nm) para injertarla en moléculas de PVA con epiclorhidrina [16] y luego la reticula con glutaraldehído para obtener otro agente reductor de la pérdida de agua de PVA formador de película resistente a la temperatura. para la ruta. El PVA modificado tiene una buena capacidad de reducción de la pérdida de agua por debajo de 130 °C, pero su gran consistencia no es propicia para aplicaciones prácticas en el sitio. La Figura 6 es una imagen de una muestra de PVA modificado con nanosílice.
Figura 5 Modificación del injerto de nanosílice (aproximadamente 30 nm)
Figura 6 Muestra de PVA injertada con sílice
2.3.3 Resistencia a la temperatura orgánica Modificación de partículas bloqueantes
Se puede ver en la investigación anterior que, aunque la reticulación del dialdehído y la introducción de PVA modificado con nanosílice con bloqueo y resistencia a la temperatura han mejorado su resistencia a la temperatura, la mejora es limitada.
La razón es que cuando la temperatura aumenta aún más, las moléculas de PVA se disolverán rápidamente y se perderán junto con el agua libre. Cómo reducir su solubilidad a altas temperaturas y aumentar su adhesión a la superficie de las partículas de cemento ayudará a mejorar aún más su resistencia a la temperatura. Se adoptan las conclusiones de la investigación de Plank et al.: la reticulación de dialdehído se utiliza para aumentar la resistencia de la película de polímero y, al mismo tiempo, se utilizan polímeros orgánicos resistentes a la temperatura como partículas de bloqueo de alta temperatura. Se introducen grupos funcionales químicos que cambian las propiedades de las moléculas de PVA para reducir su solubilidad a alta temperatura y aumentar su La adhesión a la superficie de las partículas de cemento mejora de manera integral su resistencia a la temperatura.
Este método utiliza una pequeña cantidad de 2-acrilamida-2-metilpropanosulfonato de sodio (AMPS) para aumentar la adhesión molecular y una pequeña cantidad de estructura de soporte rígida N-vinilpirrolidona (NVP) con resistencia a la temperatura. Se obtuvo un polímero sintético resistente a la temperatura para bloquear las partículas, un agente reductor de la pérdida de agua formador de película de PVA con buena capacidad de reducción de la pérdida de agua a 150 °C. La ruta de reacción se muestra en la Figura 7.
Figura 7 Modificación del injerto químico de PVA e introducción de productos de partículas bloqueantes orgánicas resistentes a la temperatura
2.4 Resumen
Este artículo explora el mecanismo de reducción de la pérdida de agua del PVA. Se exploraron formas de mejorar eficazmente el rendimiento del PVA para reducir la pérdida de agua y se sintetizaron dos agentes reductores de la pérdida de agua modificados con PVA con buen rendimiento para reducir la pérdida de agua y excelentes propiedades integrales de la lechada de cemento a temperaturas de 125 °C y 150 °C. Proporciona una forma eficaz de modificar aún más el PVA y mejorar su resistencia a altas temperaturas.
3 Conclusiones
1) El PVA reticulado químicamente forma una película sólida de PVA reticulado uniforme y densa en la interfaz entre la torta de filtración y el medio filtrante, lo que cambia el filtro. permeabilidad y controles de la torta El papel principal de la pérdida de agua.
2) La membrana sólida compuesta de dos aldehídos mezclados con PVA químicamente reticulado tiene alta resistencia y estabilidad, y puede mejorar la resistencia a altas temperaturas del agente reductor de pérdida de agua de PVA.
3) El uso de PVA de gran peso molecular, la introducción de moléculas que aumentan la adhesión molecular y la adición de partículas bloqueadoras pueden mejorar aún más la resistencia a altas temperaturas de los agentes reductores de la pérdida de agua de PVA.
Referencias
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