聚合物對鉆井液體系性能影響因素分析研究

苗鈺琦，張 婷，鄭繼龍

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南 南陽 473000;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452;3.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

鉆井液用聚丙烯酰胺分子鏈上含酰胺基易與水形成氫鍵，親水性強。在引入離子基—COO－的部分水解聚合物中，—COO－之間存在靜電排斥，使分子鏈拉伸，提高了聚丙烯酰胺溶液的黏度［1］。鉆井液中加入的聚丙烯酰胺具有增黏、防塌防漏、降濾失等作用，能提高泥漿的懸浮力和稠度，從而使泥漿控制濾失量、增強穩(wěn)定性、降低摩阻、提高固井速度等［2］。因此研究鉆井液用聚丙烯酰胺的性能及其性能評價具有重大意義。

1 實驗

1.1 原料及儀器

梳形聚合物HJ－1，北京恒聚化工集團有限責任公司;陰離子聚丙烯酰胺(XR－2)，深圳興瑞環(huán)?？萍加邢薰?反向乳液DY－3、聚丙烯酰胺，東營勝利油田聚合物有限公司;NaOH，KCl，NaCl，Na2CO3，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

TC－502P恒溫水浴;賽多利斯電子天平BSA223S－CW，德國;JJ－6型六連電動攪拌器，轉速:0～3000 r/min，深圳市鼎鑫宜實驗設備有限公司;DV－Ⅲ Brookfield黏度儀，美國Brookfield公司;電熱鼓風干燥箱 WGL－45(B)型，天津泰斯特儀器有限公司;ZNS－D6六速旋轉黏度儀、HGDS－1失水測量儀、GRL高溫滾子爐、BGJ－1變頻高速攪拌機，青島得順電子機械有限公司。

1.2 聚合物特性黏度測定

愛因斯坦理論表明，溶液中的大分子特性黏度是影響溶液黏度的主要因素［3］。特性黏度能反映單位質量的聚丙烯酰胺分子在其溶液中所占體積大小。因此，測定聚丙烯酰胺特性黏度對評價其增黏性至關重要。

1.2.1 溶劑流出時間測定［4］

將烏氏黏度計安裝在鐵架臺上，放入25℃恒溫水槽，如圖1所示，液面應高過a線上方的球2 cm，用移液管取10 mL待測溶劑從A口注入，恒溫10 min;然后堵住B口，用洗耳球在C口將待測溶劑吸至a線上方半球處，去掉洗耳球，松開B口，測定待測溶劑上液面從a處流經(jīng)b處所用的時間，重復3次，取其平均值為t0。

圖1 烏氏黏度計示意圖

1.2.2 溶液流出時間測定［5］

依照1.2.1，用移液管取10 mL待測溶液，測定待測溶液上液面從a處流經(jīng)b處所用的時間，重復3次，取其平均值為t1;然后再用移液管移入5 mL溶劑，使其混合均勻，恒溫10 min，測定待測溶液上液面從a處流經(jīng)b處所用的時間，重復3次，取其平均值為t2;再用移液管取5 mL溶劑測t3;清洗烏氏黏度計，用移液管取5 mL已知濃度的溶液和10 mL溶劑，測其混合液從a處流經(jīng)b處所用的時間t4，再用移液管取5 mL溶劑測t5。

1.3 聚合物抗鹽性測定［6］

分別用蒸餾水與HJ－1、XR－2和DY－3按一定質量比配制0.1%的聚合物溶液，再分別加入不同質量分數(shù)的NaCl，利用Brookfield DV－Ⅲ黏度儀測其黏度。

1.4 聚合物在鉆井液中性能的測定［7］

稱取5.00 L蒸餾水，加熱至60℃，緩慢加入500.00 g坂土，用BGJ－1變頻高速攪拌機攪拌20 min，稱取 25.00 g Na2CO3加入其中，并攪拌2 h，靜置 24 h。取 500.00 g 海水，加入 0.50 g NaOH和1.25 g Na2CO3，攪拌均勻。用以上2種溶液配制質量分數(shù)為4%海水坂土漿400.00 g，攪拌20 min;再向其中加入一定質量分數(shù)的聚丙烯酰胺乳液，攪拌20 min;適量加入降濾失劑AM、抑制劑KCl和潤滑劑ABSN，攪拌20 min;在室溫條件下，用ZNS－D6六速旋轉黏度儀測其流變性;利用GRL高溫滾子爐在130℃條件下，將鉆井液熱滾16 h后放至室溫，攪拌5 min，測其動切力、塑性黏度、表觀黏度及FLAPI等。

2 結果與討論

2.1 聚丙烯酰胺相對分子質量的計算

測定聚合物特性黏度，得其不同濃度聚合物溶液的相對黏度和增比黏度，結果見表1。

表1 聚合物的相對黏度和增比黏度

根據(jù)聚合物的相對黏度和增比黏度，繪制對應的ηsp/Cr和 ηr/Cr與Cr關系圖，求得截距 H，計算其特性黏度和黏均相對分子質量，結果見表2。HJ－1和XR－2黏均相對分子質量遠高于DY－3。在相同濃度下，聚合物的相對分子質量與黏度成正比，相對分子質量越大，黏度越大。作為增黏劑的聚丙烯酰胺須選用以溶液聚合法制備的高相對分子質量的聚丙烯酰胺。

表2 聚合物的特性黏度和黏均相對分子質量

2.2 聚丙烯酰胺的抗鹽性

進入地層的鉆井液，其黏度會受到地層水礦化度的影響。因此，為了保證鉆井液的增黏效果，考察增黏劑的抗鹽性，結果見圖2。

圖2 NaCl含量對聚合物溶液黏度的影響

從圖2看出，HJ－1和XR－2溶液的黏度隨NaCl含量(質量分數(shù)，下同)增加而下降，NaCl含量小于0.2%時，HJ－1和 XR－2溶液黏度隨NaCl含量增大下降快，NaCl含量大于0.2%時，其下降緩慢。比較3種聚合物的，HJ－1抗鹽性最好，且在NaCl含量于0.2%時，黏度基本保持穩(wěn)定;聚合物XR－2和HJ－1均具有抗鹽性，但XR－2的穩(wěn)定性遠不足HJ－1。當NaCl含量大于0.7%時，聚合物DY－3黏度基本為0。

通過聚丙烯酰胺的抗鹽性實驗研究，發(fā)現(xiàn)高相對分子質量聚合物的抗鹽性優(yōu)于低相對分子質量的;由于HJ－1側鏈帶親水和親油基團，基團間存在排斥力，使分子卷曲、纏繞減少，高分子鏈在水溶液中成梳狀，具有較好的抗鹽能力和剪切穩(wěn)定性。DY－3相對分子質量小，其水溶液黏度較低，當加入NaCl后，體系的羧基負離子與Na+結合，使高分子線團間靜電斥力減弱，線團收縮，黏度降低。綜合考慮，梳形聚合物HJ－1是較適合的增黏劑，具有較好的抗剪切性和抗鹽性。

2.3 聚合物對鉆井液性能的影響［8］

為提高鉆井液攜帶巖屑和減少井壁沖刷的能力，需向鉆井液中加入適量的高分子添加劑，改變鉆井液流變性。聚合物溶液的流變性用溶液表觀黏度隨剪切速率的變化關系表征［9］。

配制2種鉆井液基漿各400.00 g，其中A體系:4.0%海水坂土漿+0.3%聚丙烯酰胺;B體系:4.0%海水坂土漿 +5.0%DY－3。配制2種鉆井液體系各400.00 g，其中C體系:4.0%海水坂土漿 +0.3%聚丙烯酰胺 +2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN;D體系:4.0%海水坂土漿+5.0%DY － 3+2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN?？疾炀郾０穼鶟{性能的影響，結果見表3。

表3 不同聚合物對鉆井液體系性能的影響

由表3可知，在鉆井液基漿和鉆井液體系中，加入DY－3后，經(jīng)高溫滾子爐16 h，其表觀黏度增大，說明其具有很好的耐溫抗鹽性。在鉆井液基漿中HJ－1在經(jīng)過高溫滾子爐前后其黏度均小于XR－2，在鉆井液體系中其黏度高于XR-2，主要是由于聚合物HJ－1與體系中AM、KCl和ABSN發(fā)生了作用，使其黏度增加。

聚合物DY－3的 FLAPI明顯小于 XR－2和HJ－1，體系中加入 AM、KCl和 ABSN，其 FLAPI降低，其中HJ－1降低幅度最大，主要是由于其與體系中AM、KCl和ABSN發(fā)生協(xié)同作用，使鉆井液體系黏度增大、濾失量減小。

作為鉆井液流變性調(diào)節(jié)劑，DY－3具有其獨特的優(yōu)勢，其耐溫抗鹽性、降濾失性使鉆井液性能更穩(wěn)定;而HJ－1和XR－2需在熱穩(wěn)定性及降濾失性能上加以改進。

3 結論

1)水溶液聚合法制備的聚合物相對分子質量較高，反相乳液法制備的聚合物盡管具有一定的黏度，但相對分子質量較低，可從合成單體及反應條件等方面改進。

2)HJ－1具有較好的抗鹽能力和剪切穩(wěn)定性。

3)DY－3具有其獨特的優(yōu)勢，其耐溫抗鹽性、降濾失性使鉆井液性能更穩(wěn)定;而HJ－1和XR－2需在熱穩(wěn)定性及降濾失性能上加以改進。

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