水基鉆井液用聚合物處理劑技術(shù)進(jìn)展研究

張艷秋

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

鉆井液是地質(zhì)勘探和鉆井施工的重要組成部分。1953年Veder對膨潤土的性能進(jìn)行了很多開創(chuàng)性的研究，目前天然膨潤土和改性膨潤土已成為被普遍使用的鉆井液用配漿材料。但膨潤土是一種有限的自然資源，因此，科研從業(yè)者一直在尋找更有效的替代品。在過去幾十年中，學(xué)者們研究了瓜爾膠、黃原膠和合成聚合物等各種替代材料。20 世紀(jì)60～70 年代，部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)及其衍生物被發(fā)現(xiàn)并用于鉆井行業(yè)，到20 世紀(jì)90 年代開始被大范圍推廣應(yīng)用[1-2]。此外，部分水解聚丙烯酰胺還被應(yīng)用于油田的三次采油作業(yè)，目前大慶油田已成為國內(nèi)聚合物驅(qū)油技術(shù)最先進(jìn)的油田。

部分水解聚丙烯酰胺在降低失水和調(diào)節(jié)流型等方面表現(xiàn)出的良好性能使其在油田作業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但其在高溫深井環(huán)境中仍然存在熱降解問題。因此，改性聚丙烯酰胺成為從業(yè)者研究的熱點。本文重點討論了水基鉆井液的常用處理劑及其作用機(jī)理，綜述了聚合物類處理劑的最新進(jìn)展以及與納米粒子的改性研究情況。

2 水基鉆井液發(fā)展情況

水基鉆井液中最常用的處理劑是膨潤土。膨潤土已在世界各地的建筑行業(yè)和巖土工程中使用了80 多年。在1970 以后，隨著優(yōu)質(zhì)懷俄明膨潤土數(shù)量的減少和鉆井液廢棄物處理成本的增加，科研工作者開始尋找膨潤土的替代品。20世紀(jì)70年代到90年代，科研工作者進(jìn)行了大量天然可生物降解聚合物在鉆井液中的應(yīng)用研究。隨著研究的不斷深入，PHPA 等合成聚合物也應(yīng)運(yùn)而生。人工合成聚合物在鉆井技術(shù)中具有多種優(yōu)勢：可以減少濾失量、減少鉆井固相和提高井壁穩(wěn)定能力[3-4]。聚丙烯酰胺增粘效果好，水敏性能好，不膠結(jié)。此外，聚丙烯酰胺的施工成本更低、鉆井液性能更好。因此，隨著不同的應(yīng)用需求，多種類型的聚合物產(chǎn)品被設(shè)計和開發(fā)出來。

3 鉆井液用聚合物

術(shù)語“聚合物”與“poly”相關(guān)聯(lián)，表示“many”和“meros”。這個詞是瑞典化學(xué)家Jacob Berzelius于1833年發(fā)明的。通常，聚合物是只包含重復(fù)結(jié)構(gòu)單體的大分子，其通過共價鍵相互連接。1922 年，Hermann Staudinger將它們定義為“大分子”，其中有許多小分子連接在一起形成長鏈。聚合物，如油、焦油、樹脂和樹膠等已在過去幾個世紀(jì)中得到廣泛的開發(fā)利用。

3.1 聚合物的分類

聚合物通常可分為兩大類，即天然聚合物和合成聚合物。天然聚合物和合成聚合物在交通、醫(yī)藥、通訊和服裝等各種行業(yè)中對提高人類的生活品質(zhì)都發(fā)揮了重要作用。例如，電器的電纜、廚房中的塑料器具、運(yùn)輸行業(yè)的車身材質(zhì)都依賴于聚合物。由于聚合物自身的物理化學(xué)性質(zhì)，使其可以用作鉆井液行業(yè)的多種處理劑。

3.1.1 天然聚合物

1810年人們從天然植物中提取纖維素時發(fā)現(xiàn)了天然聚合物。在第一次工業(yè)革命中，天然橡膠用于生產(chǎn)鞋子、手套等商業(yè)品，滿足了人類的日常需求。天然聚合物環(huán)保且易于獲取，被大量用于水基鉆井液體系中，例如馬來酸酐衍生物、聚丙烯酸酯、瓜爾膠、黃原膠和纖維素等。但天然聚合物在鉆井過程中的熱穩(wěn)定性和抗鹽性較弱，導(dǎo)致其使用范圍受限。

3.1.2 合成聚合物

1900年，比利時化學(xué)家Leo Baekeland 發(fā)明了一種名為膠木的合成聚合物。隨后，塑料、玻璃纖維、尼龍等合成聚合物在現(xiàn)代社會中被普遍應(yīng)用。在鉆井行業(yè)，合成聚合物可以作為增粘劑和降濾失劑，因為合成聚合物具有熱穩(wěn)定性、水溶性和經(jīng)濟(jì)性等顯著優(yōu)勢，使其成為與天然聚合物的替代品。但傳統(tǒng)的合成聚合物仍存在成本高、反應(yīng)活性高、腐蝕性強(qiáng)等問題。此外，高溫鉆井作業(yè)會導(dǎo)致傳統(tǒng)的合成聚合物降解，進(jìn)而影響鉆井液的流變性和濾失性。并且傳統(tǒng)的合成聚合物在含鹽環(huán)境中性能較差，也不適應(yīng)海上作業(yè)環(huán)境。

3.2 鉆井液用聚合物

鉆井液配方多種多樣，其中涉及天然聚合物、合成聚合物及改性聚合物。聚合物的改性形式較多，例如共聚物、接枝聚合物、半合成聚合物（天然聚合物與合成聚合物）等。

3.2.1 鉆井液用天然聚合物

淀粉、黃原膠和纖維素等是鉆井液中最常使用的天然聚合物。但是，它們在耐鹽性和耐溫性方面存在局限性。納西里等人指出，淀粉在鉆井行業(yè)中是最常見的，因為它易溶于水并可以減少濾失量。淀粉可以最大限度地減少濾餅的厚度，但其穩(wěn)定性低，在高于115℃的溫度下會降解。淀粉可以用單乙醇胺(MEA)等化學(xué)原料進(jìn)行改性，可以將其熱穩(wěn)定性提高到160℃。

此外，纖維素也是鉆井系統(tǒng)中廣泛使用的自然資源之一。它的化學(xué)成分含有許多羥基，很容易被反應(yīng)性官能團(tuán)破壞。由纖維素衍生的甲基纖維素可形成粘性流體，但其機(jī)械強(qiáng)度有限，無法滿足所需的鉆井性能。貝蒂哈等人通過纖維素的甲基化制備離子液體纖維素二氧化硅水凝膠，然后對甲基纖維素進(jìn)行二氧化硅接枝。通過響應(yīng)面法(RSM)對這種制造進(jìn)行了優(yōu)化，使具有適當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定性和良好的耐鹽性。

查米等人將黃原膠通過微波輔助接枝共聚改性聚丙烯酰胺，證明了接枝聚合物的粘度損失比天然聚合物（黃原膠）更小。此外，Saboori 等人通過細(xì)乳液聚合開發(fā)了羧甲基纖維素/聚苯乙烯核殼納米復(fù)合材料[5-6]。對羧甲基纖維素、納米羧甲基纖維素和核殼納米復(fù)合材料這三種添加劑的過濾和流變性能進(jìn)行了比較。與傳統(tǒng)的羧甲基纖維素相比，納米復(fù)合材料的泥餅厚度顯著降低。三種不同添加劑的濾失量都有急劇下降的趨勢。同時，三種添加劑的鉆井液密度和pH 值變化不大。從這些結(jié)果可以看出，聚合物納米復(fù)合材料的厚度比裸聚合物薄，這使其具有更好的過濾性能。

3.2.2 鉆井液用合成聚合物

改性合成聚合物比天然聚合物具有更高的耐熱性和耐鹽性。達(dá)沃迪等人2019 年報道，合成共聚物可以在高壓高溫條件下產(chǎn)生好的結(jié)果。毛等人2020年開發(fā)了一種陰離子聚合物，由丙烯酰胺(AM），N-乙烯基吡咯 烷 酮(NVP)、2- Acrylamido- 2- methylpropane(AMPS)和2,2＇-偶氮-2-（2-甲基丙酰胺）二鹽酸鹽（AIBN）通過自由基聚合而成。對該處理劑的濾失量試驗發(fā)現(xiàn)，通過將酸性氣體一起添加，陰離子聚合物在低pH 下可以抵抗約4.5×105ppm 的Cl-、4×105ppm 的Ca2+和1.5×104ppm 的Mg2+。它可以承受高達(dá)180℃的鉆井液高溫。

鉆井液中最常見的合成聚合物是聚丙烯酰胺類聚合物。Huo 等人使用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和對苯乙烯磺酸鈉(SSS)通過反相乳液聚合開發(fā)了聚(SSS/AM/AMPS)。這種改性聚合物抗溫達(dá)160℃。此外，隨著改性聚合物濃度的增加，AV和PV 也顯著增加。這就是為什么這種改性聚合物的吸附效果由于大量的非離子酰胺和磺酸基團(tuán)而得到改善的原因。并且，粘土顆粒很容易分散在鉆井液中。因此，可以通過聚合物的改性提高鉆井液的流變性能。

良好的鉆井液性能取決于流變特性，聚合物的選擇及其濃度與鉆井液性能相互關(guān)聯(lián)。具有高分子量的聚丙烯酰胺聚合物在較低濃度下可以很好地滿足鉆井要求。根據(jù)Magzoub 等人的研究，不同濃度的聚丙烯酰胺的粘度都隨著溫度的升高而降低。由于溫度升高，這種情況會導(dǎo)致鉆井液流變性變差。近年來，為了提高聚丙烯酰胺類聚合物對鉆井液的性能影響，從業(yè)者開展了大量研究。

2020 年，Magzoub 等開發(fā)了一種用于鉆井液堵漏的雙功能交聯(lián)聚乙烯亞胺(PEI)。2021 年Magzoub 等人的研究證明，在聚合物鉆井液中使用膨潤土和醋酸鋁作為交聯(lián)劑，可以提高其動切力和塑性粘度，從而提高聚合物鉆井液的攜屑能力和井眼清潔能力。其研究結(jié)果還表明，當(dāng)醋酸鋁在pH為5的條件下作用于低濃度的膨潤土（0.5～1wt%）中時，膨潤土的凝膠強(qiáng)度不顯著；當(dāng)陽離子聚丙烯酰胺加入到鉆井液中時，由于聚丙烯酰胺中的電荷作用，可能會使細(xì)小的膨潤土顆粒發(fā)生絮凝。此外，它的絮凝會導(dǎo)致其顆粒形成開放和松散的網(wǎng)絡(luò)，從而增大濾失量并降低鉆井液的綜合性能。

2021年，Xie等人使用聚乙烯亞胺作為交聯(lián)劑合成了疏水性聚丙烯酰胺。該產(chǎn)品是使用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸和丙烯酸十八烷基酯進(jìn)行膠束共聚合成的。由該處理劑組成的聚合物鉆井液在140℃下仍表現(xiàn)出更好的凝膠強(qiáng)度、彈性和熱穩(wěn)定性。

3.2.3 聚合物納米材料

在近年來的研發(fā)過程中，科研人員發(fā)現(xiàn)，將聚合物與納米材料雜交可產(chǎn)生更優(yōu)異的性能，例如碳納米管、納米氧化鋅、納米氧化硅、納米石墨、納米氧化石墨烯等。納米粒子由于其獨(dú)特的性能，在鉆井性能方面受到關(guān)注。2019年Anoop等通過摻入最佳比例的碳納米管來提高鉆井液塑性粘度。AlBajalan和Haias于2021年報道稱，隨著鉆井液中納米氧化鋅濃度增加，其塑性粘度和屈服點降低，該流體比傳統(tǒng)的水基鉆井液表現(xiàn)出更好的井筒穩(wěn)定性和濾失量。此外，Minakov等的研究報道稱，1%的納米二氧化硅會顯著降低濾失量。Ozkan 還報道了在鉆井液中摻入沸石可以減小濾失量和優(yōu)化流變性。阿馬爾等人2016 年得出的結(jié)論是，由于其良好的分散性和與多種聚合物基體的相互作用，氧化石墨烯的使用導(dǎo)致聚合物納米復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能，可以提高鉆井液的強(qiáng)度。

阿里扎德等人(2015)通過溶液聚合合成氧化鋁/聚丙烯酰胺納米復(fù)合材料來改進(jìn)聚丙烯酰胺。結(jié)果表明，在淡水和咸水基泥漿中添加納米顆粒后，觸變率降低了5%以上，進(jìn)一步證實納米復(fù)合聚合物可以改善鉆井液的觸變性。

Vargas 等人（2015）通過使用過硫酸鉀的自由基聚合，開發(fā)了一種聚丙烯酰胺接枝聚乙二醇/二氧化硅納米復(fù)合材料鉆井液。與普通的部分水解聚丙烯酰胺聚合物鉆井液相比，納米復(fù)合鉆井液具有更低的地層損傷、更高的頁巖采收率和更高的熱穩(wěn)定性。當(dāng)在200℃～300℃進(jìn)行高溫測試時，聚合物納米復(fù)合材料的重量損失(16%)低于部分水解的聚丙烯酰胺(49%)。這意味著納米粒子聚合物復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性高于普通聚合物。

對于井壁穩(wěn)定性差的頁巖地層，為了增強(qiáng)鉆井液體系的頁巖抑制性能，可以通過鉀鹽和二氧化硅顆粒之間的反應(yīng)在頁巖表面形成保護(hù)膜。這種情況可以阻止固體顆粒和鉆井液濾液進(jìn)入頁巖的微孔隙。因此，納米顆粒的存在可以增強(qiáng)頁巖抑制性能?？傊?，合成聚合物和納米顆粒相互作用可以有效提高鉆井液體系的流變性、降濾失能力和熱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論和建議

（1）膨潤土、天然聚合物和合成聚合物是水基鉆井液中較為常用的處理劑。膨潤土和天然聚合物都存在一些性能上的缺點。因此，往往需要使用人工合成的聚合物處理劑來滿足現(xiàn)場施工需求

（2）與合成聚合物相比，天然聚合物存在熱穩(wěn)定性和耐鹽性較差等問題。改性聚丙烯酰胺類聚合物可以有效提高鉆井液的觸變性、抗溫性和頁巖抑制性，目前已成為水基鉆井液的常用配漿材料。

（3）使用納米粒子對聚合物進(jìn)行修飾，可以優(yōu)化聚合物的各項性能。碳納米管、納米氧化鋅、納米二氧化硅、石墨烯等納米材料對聚合物的改性研究已經(jīng)得到廣泛開展，大多數(shù)納米材料都可以進(jìn)一步提高鉆井液的性能。