納米聚合物微球?qū)λ@井液流變性影響的實(shí)驗(yàn)

唐 力，黃賢斌

(1.中國石化西南油氣分公司 元壩凈化廠，四川 蒼溪 628400；(2.中國石化西南油氣分公司 頁巖氣項(xiàng)目部，重慶 永川 402160；(3.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

納米材料具有較好耐溫性、環(huán)保性，在鉆井液的使用更為重視[1]。具有良好分散性和黏彈性的納米聚合物微球可封堵鉆井液濾餅微裂縫或孔喉而降低濾失量。此外，交聯(lián)后的聚合物因其獨(dú)特的三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對水基鉆井液黏度影響更小，易控制流變性，也具有更好的耐溫性。因頁巖微納米級裂縫發(fā)育，鉆井液易漏入地層，引起井塌、井漏、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況[2]，常規(guī)封堵材料因尺寸過大，難以見效；另外，在水平井段，因鉆井液黏度過高導(dǎo)致“托壓、卡鉆”等情況。為此有必要考慮封堵性強(qiáng)的鉆井液來降低頁巖井段漏失。王學(xué)力等[3]針對頁巖氣水基鉆井液難點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種納米材料鉆井液體系，該體系封堵抑制性、潤滑性和抗污染性等綜合性能接近油基鉆井液。武元鵬等[4]分別從有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)/無機(jī)納米三種類型對納米粒子改性鉆井液進(jìn)行了研究。王偉吉等[5]以苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體,過硫酸鉀(KPS)為引發(fā)劑，采用乳液聚合法制備了納米聚合物微球封堵劑，抗溫達(dá)402.5℃，阻緩壓力傳遞效果顯著，使頁巖巖心滲透率降低95%。針對國內(nèi)較少研究納米聚合物微球?qū)λ@井液流變性的影響，本文利用合成的聚丙烯酰胺納米微球，通過六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試了不同加量納米聚合物微球?qū)λ@井液流變性能的影響。利用賓漢和雙曲模型對其流變性進(jìn)行了擬合，分析了納米聚合物微球在水基鉆井液中作用機(jī)理，對促進(jìn)鉆井液技術(shù)的發(fā)展意義重大。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

XGRL-4滾子加熱爐、D90-A高速攪拌機(jī)、ZNS-2中壓濾失儀、ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島創(chuàng)夢儀器技術(shù)服務(wù)有限公司；EP極壓潤滑儀，美國FANN公司；H-7650透射電鏡，日立集團(tuán)有限公司；LS-POP激光粒度儀，歐美克儀器有限公司。

PMS聚丙烯酰胺納米微球，實(shí)驗(yàn)室自制；鈉基膨潤土，工業(yè)級，鵬顯礦產(chǎn)品加工廠；碳酸鈉，分析純，百靈威化學(xué)試劑公司。

1.2 納米聚合物微球的合成

本文通過自由基聚合法合成了聚合物納米微球PMS[6]。運(yùn)用透射電鏡(TEM)、粒度分析儀(DLS)表征了PMS微觀形貌和粒徑分布。

1.3 基漿基本性能

水基鉆井液基漿配方為：4%鈉基膨潤土+0.2%碳酸鈉+清水。常溫陳化24h[7]。

取300 mL基漿，分別加入0、0.5、1、2、4、6g PMS，11 000 r·min-1高速攪拌30 min，使其混合均勻。使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)分別測量加入不同量PMS后的基漿的φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3讀數(shù)。然后利用中壓濾失儀測量其在0.69 MPa壓力下，7.5 min的失水量，按照API濾失量公式計(jì)算鉆井液的濾失量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PMS的表征

PMS微觀形貌和粒徑分布，分別見圖1、圖2。從圖1中可以看出，PMS具有納米尺度，其外觀形態(tài)主要為球形。球形顆粒有利于進(jìn)入頁巖微納米級裂縫或孔喉，從而實(shí)現(xiàn)封堵。從圖2可以看出納米聚合物微球粒徑主要分布在10～100 nm，進(jìn)一步證明了合成的聚合物微球?yàn)榧{米尺度。通過比表面分析儀(BET)測試了PMS的比表面積。在聚合物納米微球PMS表面存在氫鍵，相鄰酰胺基彼此通過氫鍵結(jié)合，表面酰胺基的存在使其表面具有良好的黏附能力，在水基鉆井液中可與黏土表面、水分子間形成氫鍵，從而改善水基鉆井液流變性和濾餅質(zhì)量。納米聚合物微球比表面積和粒徑如表1所示。

2.2 流變參數(shù)擬合

使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測得基漿在不同剪切速率下的儀表讀數(shù)。六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)儀表讀數(shù)與剪切速率轉(zhuǎn)換關(guān)系如表2。根據(jù)式(1)可計(jì)算不同剪切速率下的剪切應(yīng)力。

表1 納米聚合物微球比表面積和粒徑

樣品比表面積/(m2·g-1)平均粒徑/nm1223.65342198.25363219.3335

表2 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)儀表讀數(shù)與剪切速率轉(zhuǎn)換關(guān)系

τ=0.511|θ

(1)

式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa；θ為表盤讀數(shù)。

鉆井液是一種非牛頓流體，賓漢塑性模型(Bingham plastic model)常用來研究鉆井液的塑性黏度(μp)和動切力(τ0)。其計(jì)算公式如下：

μp=θ600-θ300

(2)

τ0=θ300-μp

(3)

式中，μp為塑性黏度，mPa·s；τ0為動切力，Pa。

2014年Vipulanandan[8]針對納米二氧化硅對膨潤土漿的流變性影響，提出了一種雙曲線模型(Hyperbolic model)。其計(jì)算公式如下：

(4)

根據(jù)在六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上測得的讀數(shù)，對加入不同量納米聚合物微球的基漿流變性分別進(jìn)行了Bingham plastic model和Hyperbolic model擬合。其結(jié)果如表3～表5所示。

表3 納米聚合物微球/基漿(老化前)流變模型

表4 納米聚合物微球/基漿老化后(80 ℃)流變模型

表5 老化前納米聚合物微球/基漿老化后(120 ℃)流變模型

從表3～表5可以看出，在基漿中加入納米聚合物微球后，兩種流變模型的相關(guān)系數(shù)大小為Hyperbolic模型>Bingham模型， Hyperbolic模型相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，然而Bingham模型其相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)不到0.99。說明對于納米聚合物微球，比較合適的流變模型為Hyperbolic模型。另外，在老化前和高溫老化后(120 ℃)，隨著納米聚合物微球加量的增大，基漿的動切力會先增大后減小，PMS當(dāng)加量為1%時(shí)，動切力最大。然而，當(dāng)?shù)蜏乩匣?80 ℃)，基漿的動切力隨著納米聚合物微球加量的增大而增大。另一方面，從表5可以看出加入2%納米聚合物微球的基漿在120 ℃老化后仍然具有較大的動切力。說明納米聚合物微球具有較好的耐溫性。

2.3 PMS濃度對塑性黏度的影響

納米聚合物微球在低溫和高溫不會顯著提高基漿的塑性黏度[9]。PMS濃度對塑性黏度的影響如圖3所示。老化前和120 ℃老化后的基漿塑性黏度隨PMS的加入增加不明顯?？赡苁且?yàn)镻MS為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而非線性結(jié)構(gòu)的聚合物，因此不會增加基漿的黏度。

2.4 PMS 濃度對動切力的影響

動切力是反應(yīng)鉆井液攜帶巖屑的一大重要指標(biāo)[10]。不合適的動切力會嚴(yán)重影響鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度。納米聚合物微球可提高基漿的動切力，如圖4所示。隨著PMS加量的增大，動切力增大?？赡艿脑蚴请S著PMS的加入，固體顆粒開始聚集，增加基漿的動切力。但是，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，過高的PMS濃度會破壞基漿的動切力。從圖4中，基漿老化前和120 ℃老化后，當(dāng)PMS加量為1%時(shí)，動切力最大，PMS加量為2%時(shí)，動切力明顯下降。但是當(dāng)基漿80 ℃老化后，隨著PMS加量增大，動切力增大。可能是由于中低溫老化后，基漿水化得更好，本身能形成的較好的動切力。

2.5 PMS濃度對基漿濾失量的影響

濾失量是鉆井液質(zhì)量要求的一大指標(biāo)，鉆井液濾失量跟濾餅形成組分、濾餅厚度和濾餅致密性密切相關(guān)[11]。常見的水基鉆井液降濾失劑有聚陰離子纖維素PAC、羧甲基纖維素CMC以及部分水解聚丙烯酰胺PHPA。納米聚合物微球可有效降低水基鉆井液濾失量。如圖5所示。隨著PMS濃度的增大，基漿無論是老化前還是老化后濾失量均明顯有所降低。特別是加入2%PMS的基漿80℃老化后中壓濾失量僅為3.8 mL，相比原始基漿降低75.2%。主要是因?yàn)榧{米聚合物微球具有高表面積、獨(dú)特的納米尺度和表面黏附性。PMS加入基漿后可形成薄且致密的濾餅。

2.6 PMS 濃度對基漿的潤滑性影響

鉆井過程中鉆井液具有潤滑鉆具的功能[12]。鉆井液的潤滑系數(shù)大多通過EP極壓潤滑儀測得。通常采用潤滑系數(shù)降低率來研究處理劑加入鉆井液前后對鉆井液的影響。通過極壓潤滑儀測得了加入不同PMS后的基漿的潤滑系數(shù)，得到了加入不同濃度PMS基漿的潤滑系數(shù)降低率，如圖6所示。

從圖6可知，當(dāng)加入低濃度的PMS后，基漿的潤滑系數(shù)降低率先增高后降低最后為負(fù)值。說明加入少量的PMS能降低基漿的潤滑系數(shù)，但是隨著PMS繼續(xù)增大，基漿的潤滑性反而增大，納米聚合物微球是在0.01%的情況下達(dá)到最優(yōu)潤滑系數(shù)降低率，隨著濃度繼續(xù)增大，潤滑系數(shù)反而增大。

3 結(jié)論

1)納米聚合物微球加入基漿后，Hyperbolic模型比Bingham模型具有更高的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)在0.99以上，說明Hyperbolic模型更適應(yīng)解釋納米聚合物微球?qū)︺@井液的流變規(guī)律。

2)納米聚合物微球可以明顯提高水基鉆井液的潤滑性，其最優(yōu)加量為0.1%。納米聚合物微球通過吸附在黏土表面，形成聚合物微球?qū)?，可一定程度改變鉆井液的潤滑性。

3)2%的PMS加入基漿后，濾失量最小為3.8 mL，相比原始基漿降低75.2%。納米聚合物微球可以填充在濾餅微納米孔喉中，提高濾餅質(zhì)量，明顯降低水基鉆井液的濾失量。