聚丙烯酸鉀在水基鉆井液中的應(yīng)用

李 成，謝濟(jì)瑄，寧 波，王 禹

1.江漢油田 采油氣工程技術(shù)服務(wù)中心，湖北 潛江 433100；2.長城鉆探工程有限公司 鉆井一公司，遼寧 盤錦 124010

水基鉆井液中的水分主要為自由水、結(jié)合水、吸附水。水基鉆井液中以可以自由流動(dòng)的自由水為主，結(jié)合水主要存在于黏土礦物晶體構(gòu)造中，吸附水主要存在于固相顆粒表面以及溶脹聚合物內(nèi)[1]。自由水的存在能保證鉆井液具有良好的流動(dòng)性，但是在鉆井過程中也會(huì)形成黏土水化膨脹、儲(chǔ)層污染等不利影響，因此，考慮在鉆井液中加入能降低鉆井液自由水含量的處理劑，以減少這些不利影響。聚丙烯酸鉀是一種適度交聯(lián)的聚電解質(zhì)，在水中能解離出K+和帶負(fù)電的聚合物空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成的離子濃度差，并產(chǎn)生滲透壓使鉆井液中的水分進(jìn)入空間網(wǎng)架的內(nèi)部[2-5]。因此，聚丙烯酸鉀具有一定的自由水束縛性能，能夠降低水基鉆井液中自由水含量。鉆井液自由水含量的減少，可以提高鉆井液的濾失性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能等。聚丙烯酸鉀也可以應(yīng)用于對鉆井液抑制性能、濾失性能等要求較高的地層，如泥頁巖地層[6-7]。

1 聚丙烯酸鉀的基本特性

聚丙烯酸鉀是一種適度交聯(lián)的聚電解質(zhì)，易溶于水，在水中解離生成與聚合物鏈相連的陰離子和K+。K+在水中可自由移動(dòng)，陰離子由于分子鏈的束縛不能向水中擴(kuò)散，因此聚丙烯酸鉀的主鏈網(wǎng)絡(luò)骨架均帶有陰離子。負(fù)電的相互排斥作用使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生擴(kuò)張，而在水中移動(dòng)的K+由于受主鏈上負(fù)電的吸引、束縛，使得其只能存在于聚丙烯酸鉀的網(wǎng)絡(luò)骨架中，在聚丙烯酸鉀的網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)外形成K+濃度差，導(dǎo)致聚合物骨架內(nèi)外形成滲透壓。滲透壓差作用使水分子滲入聚合物網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)，進(jìn)而加速聚丙烯酸鉀的解離，最終大量的水分被束縛到聚丙烯酸鉀的網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)。同時(shí)，聚丙烯酸鉀的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有一定的彈性收縮力，限制聚丙烯酸鉀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能無限膨脹，最終達(dá)到吸水平衡。滲透壓和彈性收縮力的相反作用使聚丙烯酸鉀具有一定的吸水能力以及吸水后能維持平衡的能力。

1.1 自由水含量測定

通過測定聚丙烯酸鉀水溶液(400 mL清水+0.2%NaOH+聚丙烯酸鉀)中自由水含量來評價(jià)聚丙烯酸鉀束縛自由水的能力。將水溶液用API濾失儀做濾失實(shí)驗(yàn)，每隔30 min記錄濾失液體體積，直到30 min內(nèi)濾失液體沒有增加為止，記錄最終濾失液體體積即為自由水體積，結(jié)果如表1所示。

表1 聚丙烯酸鉀加量對自由水含量的影響

由表1可知：隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，聚丙烯酸鉀水溶液自由水含量逐漸減少，說明聚丙烯酸鉀對自由水具有很強(qiáng)的束縛能力；同時(shí)體系的黏度也隨之增加，可見聚丙烯酸鉀有一定增黏作用。

1.2 毛細(xì)管吸水實(shí)驗(yàn)

采用毛細(xì)管吸水實(shí)驗(yàn)(CST)對聚丙烯酸鉀束縛水能力進(jìn)行了評價(jià)，CST時(shí)間越長，說明測試液體的毛管阻力越大，自由水被束縛的力越大。室內(nèi)測定了不同加量的聚丙烯酸鉀清水溶液的CST時(shí)間并與包被劑(PLH)、降濾失劑(FA367)等有機(jī)溶劑水溶液進(jìn)行了對比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同處理劑的CST時(shí)間

由表2可知：不同的處理劑束縛自由水的能力是不同的，PLH和FA367對自由水有一定的束縛能力，但效果一般；與其他處理劑相比，聚丙烯酸鉀的自由水束縛性能較好，且隨著加量的增加束縛能力大幅度增加。

2 聚丙烯酸鉀對鉆井液中自由水的影響

2.1 自由水含量

通過測試鉆井液CST時(shí)間以及自由水的含量，考察聚丙烯酸鉀對鉆井液中自由水束縛能力的影響，結(jié)果如表3和圖1所示。鉆井液基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+1.5%降濾失劑+3%封堵劑+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

表3 聚丙烯酸鉀加量對鉆井液性能的影響

由表3可知：聚丙烯酸鉀具有很好的自由水束縛能力，而且隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，鉆井液的CST儀毛細(xì)管吸水時(shí)間逐漸增加，鉆井液的自由水含量隨之降低；隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，鉆井液的黏切力有所增加，而且自由水含量過低，勢必會(huì)影響鉆井液的過篩能力，因此現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)應(yīng)需優(yōu)選合適的加量。

將鉆井液滴在濾紙上，觀察鉆井液在濾紙上的擴(kuò)散速度(圖1)。由于濾紙上存在大量微小孔隙，類似多維的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)。將鉆井液滴在濾紙上，如果對自由水的束縛能力不強(qiáng)，自由水便會(huì)在毛管作用下迅速擴(kuò)散。

圖1 聚丙烯酸鉀對鉆井液析水性能的影響(7 min)

由圖1可知：隨著聚丙烯酸鉀的增加，鉆井液濾液在濾紙上的擴(kuò)散范圍越小。由此可知，聚丙烯酸鉀有一定自由水束縛能力，隨著它的用量增大進(jìn)而增大了鉆井液中自由水進(jìn)入毛管的阻力。

2.2 濾失性能

通過測定不同加量聚丙烯酸鉀鉆井液的API濾失量和高溫高壓濾失量，考察聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能的影響

由表4可知：隨著聚丙烯酸鉀的增加，鉆井液API濾失量和高溫高壓濾失量均大幅降低。由此可知，聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能具有很好的改善作用。

2.3 抑制性能

聚丙烯酸鉀能夠減少鉆井液中自由水的含量，增大鉆井液中水分進(jìn)入黏土礦物的毛管阻力，進(jìn)而降低黏土礦物的水化膨脹作用。同時(shí)，聚丙烯酸鉀可解離出K+，K+可以進(jìn)入黏土礦物的間層，能將間層中水化半徑較大的Ca2+與Na+交換出來，從而抑制了黏土礦物的水化膨脹。測定50 g巖屑(2.5～4.2 mm)在不同加量聚丙烯酸鉀的鉆井液的熱滾回收率(100 ℃，16 h)，評價(jià)聚丙烯酸甲的抑制性能，結(jié)果見圖2。鉆井液基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+3%封堵劑+1%HAS，重晶石加重至1.20 g/cm3。

圖2 聚丙烯酸鉀對巖屑熱滾回收率的影響

由圖2可知：聚丙烯酸鉀具有一定的抑制性能，但是一般情況下要求巖屑的熱滾回收率達(dá)到90%以上，因此，不能將聚丙烯酸鉀作為純粹的抑制劑。

用相似物理特性的泥巖巖心在鉆井液中浸泡24 h，通過YE-300型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)做巖心單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 聚丙烯酸鉀對泥巖巖心單軸抗壓能力的影響

由圖3可知，隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，泥巖巖心的單軸抗壓能力明顯增強(qiáng)；利用聚丙烯酸鉀對自由水的束縛性能，能夠增大鉆井液自由水進(jìn)入巖心的毛管阻力，加上K+的抑制作用，能夠明顯降低巖心黏土礦物的水化膨脹。因此，聚丙烯酸鉀能夠增強(qiáng)泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性。

2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能

用鉆井液在100 ℃和3.5 MPa壓差下通過巖心流動(dòng)儀驅(qū)替巖心做巖心污染實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4。實(shí)驗(yàn)基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+1.5%降濾失劑+3%封堵劑+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

圖4 巖心污染實(shí)驗(yàn)

由圖4可知：未加聚丙烯酸鉀的鉆井液對巖心污染程度較大，幾乎整個(gè)巖心都被污染，而加有1%聚丙烯酸鉀的鉆井液對巖心污染程度不大?？芍?，聚丙烯酸鉀能夠增大自由水進(jìn)入巖心孔隙的阻力，降低鉆井液對儲(chǔ)層的損害。

3 結(jié)論

1)聚丙烯酸鉀有一定的自由水束縛性能，能夠降低水基鉆井液中的自由水含量。

2)聚丙烯酸鉀具有提高鉆井液的抑制性、濾失性、儲(chǔ)層保護(hù)性等的性能。

3)聚丙烯酸鉀能夠?qū)︺@井液的黏度產(chǎn)生一定影響，應(yīng)在保證鉆井液具有良好流動(dòng)性的前提下加入適量聚丙烯酸鉀。