Investigación sobre la mejora de la resistencia a la temperatura del agente de pérdida de fluido formador de película de PVA
(1. Instituto de Investigación de Tecnología e Ingeniería Petroquímica de China, Beijing 100101; 2. Escuela de Ingeniería del Petróleo, Universidad China Youshi (Beijing), Beijing 102249)
El alcohol polivinílico reticulado químico cambia la permeabilidad de la torta de filtración formando una película sólida uniforme y densa de alcohol polivinílico reticulado en la interfaz entre la torta de filtración y el material del filtro, y desempeña un papel importante en el control de la pérdida de agua. Este artículo analiza el mecanismo y el rendimiento de dos aditivos de pérdida de fluidos de alcohol polivinílico químicamente reticulados que se utilizan ampliamente en la actualidad y propone una forma de modificar aún más el alcohol polivinílico desde una perspectiva molecular para mejorar su resistencia a altas temperaturas.
Síntesis de aditivos de pérdida de fluidos de alcohol polivinílico
Investigación sobre métodos para mejorar significativamente la resistencia a la temperatura de los aditivos de pérdida de fluidos de alcohol polivinílico
Liu Xuepeng 1, 2, Zhang Mingchang 1
(1. Instituto de Investigación de Ingeniería del Petróleo de Sinopec, Beijing 100101; 2. Escuela de Ingeniería del Petróleo, Universidad del Petróleo de China, Beijing 102249
Transferencia química enlace El factor principal para reducir la pérdida de filtración de alcohol polivinílico (PVA) es la reducción de la permeabilidad de la torta de filtración: se forma una película de polímero resistente, completa y densa en la superficie de la membrana del filtro debajo de la torta de filtración. Este artículo analiza dos sustancias químicas cruzadas. Mecanismo y propiedades del alcohol polivinílico (PVA). El PVA se modifica aún más a nivel molecular para mejorar su resistencia a altas temperaturas y puede usarse como agente de pérdida de fluido para cemento de pozos petroleros a alrededor de 150 °C. p>Palabras clave. Alcohol polivinílico; aditivo de pérdida de fluido; cemento de petróleo; aditivo de pérdida de fluido de cemento para pozos de petróleo es un tipo de aditivo de pérdida de fluido que puede controlar la fase líquida en la lechada de cemento. formaciones, manteniendo así el cemento. La lechada es un material con una proporción adecuada de agua y cemento. Es el aditivo más importante en las mezclas de cemento para pozos petroleros. Su uso está directamente relacionado con el éxito o fracaso de la cementación de la construcción y una serie de cuestiones tales. como la vida útil y la productividad de los pozos de petróleo, en comparación con otras formulaciones, los reductores de pérdida de fluidos tienen un precio moderado, tienen poco impacto en el tiempo de retardo y la resistencia a la compresión, tienen ciertos efectos de prevención de formación de película y canalización de gas y tienen buenas perspectivas de aplicación [1]. ]
Generalmente, el PVA sin modificar tiene una baja eficiencia de pérdida de agua y la dosis es grande. Solo se puede utilizar en formaciones por debajo de 50 °C [1]. La construcción de cementación son productos modificados químicamente reticulados y su temperatura máxima de uso también se ha aumentado a 70 °C ~ 120 ℃ [2 ~ 5]. proceso, restringiendo el flujo de agua libre y, al mismo tiempo, puede formar una barrera densa de baja temperatura con la interfaz para evitar la canalización de aire para reducir aún más la pérdida de agua [5]. A medida que la exploración y el desarrollo del petróleo se desarrollan hacia pozos profundos y ultraprofundos, las temperaturas más altas del fondo del pozo plantean mayores desafíos para la ingeniería de cementación. Se utilizan medios químicos para modificar el PVA desde una perspectiva molecular para aumentar aún más su temperatura de aplicación, lo cual es de gran importancia para. operaciones de cementación Sobre la base de la exploración del mecanismo de reducción de la pérdida de agua del alcohol polivinílico, el artículo analiza cómo mejorar eficazmente el rendimiento de reducción de la pérdida de agua del alcohol polivinílico
1 El alcohol polivinílico y su mecanismo de reducción de la pérdida de agua. /p>
1.1 Estructura del alcohol polivinílico
El alcohol polivinílico (PVA) es un polvo blanco. Es una resina obtenida de la hidrólisis del acetato de polivinilo. La Figura 1 es el fragmento estructural de la molécula de PVA. contiene una gran cantidad de estructura de hidroxilo (-OH) y una pequeña cantidad de carboximetilo no hidrolizado (--COCH3). El PVA ordinario se puede dividir en muchos tipos, incluidos 300, 500, según su peso molecular y su grado de hidrólisis. 1200, 1700, 2200, 2400, etc. Según el grado de hidrólisis, se puede dividir en un grado de hidrólisis del 99% (tipo de hidrólisis completa), un grado de hidrólisis del 88% y un grado de hidrólisis del 78%. Los signos de los productos nacionales son los dos primeros pesos moleculares y los dos últimos grados de hidrólisis, como 1788, 1799, etc.
Figura 1 Fragmento de la estructura molecular del PVA
La estructura química del alcohol polivinílico es estable. El 10% de la temperatura de descomposición térmica es superior a 200 °C y la estructura química es muy estable en soluciones alcalinas de alta 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, tiene un precio moderado y es adecuado como materia prima o componente para el desarrollo de cemento resistente a altas temperaturas. Aditivos para la pérdida de fluidos [1].
1.2 Mecanismo reductor de la pérdida de agua del alcohol polivinílico
Los agentes reductores de la pérdida de fluido actúan principalmente en tres aspectos: en primer lugar, aumentan la viscosidad del filtrado y, en segundo lugar, aumentan la resistencia al movimiento del agua libre; El primero es ajustar la relación del tamaño de las partículas en la torta de lodo, controlar la pérdida de partículas finas, hacer que la torta de filtración sea más densa y reducir la permeabilidad. El tercero es cambiar las propiedades eléctricas de la superficie de las partículas de cemento y aumentar la humectabilidad; del capilar de torta de filtración [1].
Los resultados muestran que el aumento de la viscosidad del filtrado no es la razón principal por la que el PVA reduce el rendimiento de 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 material del filtro es la razón principal para reducir la permeabilidad y la pérdida de agua de la torta de filtración [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 se rompen fácilmente y tienen propiedades mecánicas deficientes [1], por lo que se utilizan en sistemas de filtración. No se forma una película en la interfaz entre la torta y el medio filtrante y la capacidad para reducir la pérdida de agua es deficiente. Esta es también la razón por la cual el PVA no modificado tiene una baja eficiencia de reducción de la pérdida de agua. Cómo formar una membrana de baja permeabilidad en la junta y hacerla resistente a altas temperaturas es la clave para mejorar el rendimiento del agente de pérdida de fluido PVA. Actualmente, varios métodos químicos de reticulación se dirigen a este factor principal.
2 Agente reductor de la pérdida de agua de PVA modificado con reticulación química
En las décadas de 1980 y 1990, países extranjeros comenzaron a realizar investigaciones sobre la modificación química del PVA y el aumento de su temperatura de aplicación desde una perspectiva molecular. . 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 de ácido bórico, ácido titánico, ácido crómico o las sales inorgánicas correspondientes [5, 6, 8 ~ 12]; el otro es la modificación de reticulación de glutaraldehído [; 1 ~ 4, 7, 13, 14]. El objetivo principal de estos dos métodos de modificación es formar una película de baja permeabilidad y resistente a la temperatura en la unión.
2.1 Modificación de reticulación con ácido bórico, ácido titánico, ácido crómico o su correspondiente sal inorgánica.
El primer método utilizado para generar y fortalecer una membrana de baja permeabilidad en la unión de la torta de filtración del agente de pérdida de fluido PVA y el medio filtrante es combinar PVA lineal con una cierta proporción de agentes gelificantes como ácido bórico, titánico ácido, y ácido crómico o la correspondiente mezcla de sales inorgánicas. El PVA y el ácido bórico entran en contacto en la lechada de cemento para formar una estructura compleja, que se fortalece aún más en condiciones alcalinas, como se muestra en la Figura 2. Ya en 1990, hubo un informe de patente en los Estados Unidos [6] y también se estudió el mecanismo de complejación [12]. En los últimos años, la investigación y la aplicación nacionales en esta área se han vuelto muy maduras [11].
Figura 2 Reacción de complejación del alcohol polivinílico y el ácido bórico
* * *El PVA reticulado mixto se forma mediante el contacto mutuo y la unión de moléculas y moléculas de gel en la superficie del Material filtrante. La membrana de gel de baja permeabilidad reduce la pérdida de agua y mejora en gran medida el rendimiento de la pérdida de agua. Sin embargo, este producto tiene ciertas limitaciones de aplicación. Cuando la temperatura es inferior a 40 °C, es difícil formar una membrana compuesta uniforme. Cuando la temperatura es superior a 95 °C, la membrana compuesta es fácil de descomponer y no puede usarse como agente antifiltración a alta temperatura. [1].
2.2 Modificación de reticulación con glutaraldehído
Para resolver el problema de la inestabilidad de la película polimérica formada por * * * reticulación mixta, ha aparecido la reticulación química con glutaraldehído. nuevamente Métodos para aumentar la resistencia de las películas poliméricas (Figura 3). Hubo informes de patentes en esta área en el extranjero en 1994 [7], y también se estudió el mecanismo de reticulación [13]. En los últimos años, se han realizado investigaciones relevantes en China [1, 3] y se han solicitado patentes relacionadas [2].
La reticulación química del PVA 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 de ácido bórico, y es más fácil para las partículas coloidales de PVA ricas en hidroxilo reticuladas químicamente agregarse en la unión del filtro para formar un todo continuo. 1], promoviendo así la formación de una película sólida uniforme. Se señala que las partículas coloidales de PVA químicamente reticuladas acumuladas en la torta de filtración también pueden formar una película sólida discontinua. Esto permite que la temperatura de uso del PVA reticulado con glutaraldehído alcance 65438±020 ℃. 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 del alcohol polivinílico y glutaraldehído
2.3 Formas de mejorar la resistencia a la temperatura del agente de pérdida de fluido PVA
Método de reticulación química Muestra que La modificación química de la estructura molecular del PVA puede mejorar su resistencia a la temperatura como agente de pérdida de fluido, permitiendo que su temperatura máxima de uso alcance los 120 °C. Actualmente, esta es también la temperatura más alta aplicable cuando se utiliza solo el agente de pérdida de fluido PVA. Como se mencionó anteriormente, la estructura química del PVA es estable y el 10% de sus temperaturas de descomposición térmica son superiores a 200 °C. ¿Se puede mejorar más?
Recientemente, Plank et al. [15] de la Universidad Técnica de Munich en Alemania realizaron un estudio detallado y en profundidad sobre el mecanismo de acción de los aditivos de pérdida de fluidos PVA y dieron sugerencias para mejorar el rendimiento de Aditivos antipérdida de fluidos PVA. 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 alto grado de hidrólisis; Esto es consistente con las primeras conclusiones de la investigación nacional Chen Juan et al. [1], cuyo propósito es promover la formación de una película sólida uniforme y aumentar su resistencia a la temperatura. En vista de 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 un buen rendimiento de reducción de la pérdida de agua.
2.3.1 Reticulación de glioxal y glutaraldehído
Mezcla glioxal y glutaraldehído, optimiza la ruta de síntesis y obtiene un agente reductor de agua PVA filmógeno resistente a la temperatura. Al optimizar la cantidad de materias primas y la ruta de reacción utilizando el método de reticulación de dialdehído anterior, la caída de temperatura y la resistencia a la pérdida de agua se pueden mejorar aún más a 65438 ± 025 ℃. Cuando la temperatura excede esta temperatura, la película de baja permeabilidad formada se disolverá gradualmente y la pérdida de agua de la lechada de cemento aumentará considerablemente. La Figura 4 muestra la torta de filtración y la membrana de filtración de baja permeabilidad formadas a 125°C.
Figura 4 Torta de filtración y membrana de filtración de baja permeabilidad (125 ℃)
2.3.2 Modificación de partículas nanobloqueantes inorgánicas
Según Plank et al. Según la investigación, en este artículo, se injertó nanosílice (30 nm) en moléculas de PVA utilizando epiclorhidrina [16] y luego se reticuló con glutaraldehído para obtener otro agente reductor de la pérdida de agua de PVA formador de película resistente a la temperatura. La ruta de reacción se muestra en la Figura 5. El PVA modificado tiene buena capacidad para reducir la pérdida de agua por debajo de 130 °C, pero su consistencia es grande, lo que no favorece la aplicación práctica en el sitio. La Figura 6 es una imagen de muestra de PVA modificado con nanosílice.
Figura 5 Modificación del injerto de nanosílice (unos 30 nanómetros)
Figura 6 Muestra de PVA injertado con sílice
2.3.3 Modificación orgánica de materiales resistentes al calor partículas bloqueadoras
Se puede ver en la investigación anterior que, aunque la reticulación del dialdehído y la introducción de PVA modificado con nanosílice antiadhesión y resistente a la temperatura han mejorado su rendimiento de resistencia a la temperatura, pero el la mejora es limitada. La razón es que cuando la temperatura aumenta aún más, las moléculas de PVA se disolverán rápidamente y se filtrarán con 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 adoptaron las conclusiones de la investigación de Plank et al.: la resistencia de la película de polímero se mejoró mediante la reticulación con dialdehído y se utilizaron polímeros orgánicos resistentes al calor como partículas bloqueantes de alta temperatura. Al mismo tiempo, se introduce una pequeña cantidad de grupos funcionales químicos para cambiar las propiedades moleculares del PVA, reducir su solubilidad a altas temperaturas, aumentar su adhesión a la superficie de las partículas de cemento y mejorar integralmente su resistencia a la temperatura.
Este método aumenta la adhesión molecular introduciendo una pequeña cantidad de 2-acrilamida-2-metilpropanosulfonato de sodio (AMPS), e introduciendo una pequeña cantidad de N-vinilpirrolidona (N-vinilpirrolidona), una estructura de soporte rígida con resistencia a la temperatura, NVP), y añadir partículas bloqueantes de polímero sintético resistentes a la temperatura para obtener 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 Introducción del producto de modificación química por injerto de alcohol polivinílico y partículas bloqueantes orgánicas resistentes al calor
2.4 Resumen
Al analizar la reducción de la pérdida de agua del alcohol polivinílico Sobre la base del mecanismo, se exploraron formas de mejorar eficazmente el rendimiento de reducción de la pérdida de agua del alcohol polivinílico y se sintetizaron dos agentes reductores de agua modificados con alcohol polivinílico con un buen rendimiento de reducción de la pérdida de agua y excelentes propiedades integrales de la lechada de cemento. Las temperaturas fueron 125. °C y 150℃. Esto proporciona una forma eficaz de modificar aún más el alcohol polivinílico y mejorar su resistencia a altas temperaturas.
3 Teoría de la conclusión
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 material del filtro, cambiando la permeabilidad. de la torta de filtración y controlar la pérdida de control. El agua juega un papel importante.
2) La membrana sólida compuesta de PVA químicamente reticulado mezclado con dos aldehídos tiene alta resistencia y buena estabilidad, y puede mejorar la resistencia a altas temperaturas del agente de pérdida de fluido PVA.
3) El uso de PVA con gran peso molecular, la introducción de moléculas para aumentar la adhesión molecular y la adición de partículas bloqueadoras pueden mejorar aún más la resistencia a altas temperaturas del reductor de pérdida de fluido PVA.
Referencia
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