非稠化型杂聚糖苷钻井液体系研究

张 洁 张 黎 陈 刚 杨乃旺 郭 钢 程 升

1.西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065；

2.西安市环保局，陕西 西安 710068；

3.中国石油长庆油田公司，陕西 西安 710021；

4.扬州润达油田化学剂有限公司，江苏 扬州 225261

0 前言

低固相钻井液有利于油层保护，施工中能提高钻井速度，节约钻井成本［1-4］。 杂聚糖苷（KD-03）是适用于低固相钻井液的多功能处理剂， 它属于天然杂聚糖衍生物，数均分子量为30～120 万，其中分子量﹤80 万的组分能溶于水中形成半透明溶胶液，分子量﹥80 万的组分不溶于水但能均匀悬浮于水中［5］。 KD-03 作为钻井液处理剂已经在江苏油田工业化生产并应用，实践证明KD-03在钻井液中具有以下作用：a）能有效避免或减少黏土矿物的水化膨胀和分散， 表现出较强的抑制性；b）分子的聚集成膜性产生了良好的造壁性和降滤失效果，能有效地控制由于固相微粒和滤液侵入地层而引起的储层损害；c）在水和岩石矿物颗粒之间的低表面张力和低界面张力能有效降低因滤液滞留效应而引起的储层损害，并给泥饼表面带来一定的润滑作用；d）环状多羟基分子结构单元使其具有良好的抑制水合物结垢作用，表现出一定的抗冻性；e）大分子主链呈线型，使KD-03 在水基钻井液中表现出一定的增黏性。 上述c）、d）两项同时存在使KD-03 在水基钻井液中表现出一定的极压润滑性。此外，KD-03 在地面条件下易于生物降解， 所组配的钻井液是理想的环保型钻井液［5-7］。

目前国内外聚合糖类钻井液通常黏度较高，主要通过聚合糖用量控制滤失量， 泥饼质量偏厚且润滑性不佳。 与目前聚合糖类钻井液处理剂的性能类似，KD-03需要靠提高用量来增大黏度、降低滤失量，在应用中也存在缺点，如：在用量较少时滤失量偏大，而增加用量虽能降低滤失量，但同时会引起体系黏度过度增大。 要应用KD-03，应调整聚合糖钻井液的组成，扩展聚合糖钻井液应用范围，使之满足不同地层现场生产要求，本文研究了KD-03—水解聚丙烯腈盐低固相钻井液的各项性能，测试了不同用量的三种水解聚丙烯腈盐与KD-03组配钻井液的密度、黏度、电导率、滤失量等性能参数，开发了一种非稠化型钻井液体系，为进一步优化KD-03—水解聚丙烯腈盐低固相钻井液现场应用工艺提供实验依据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

ZNN-D6型六速旋转黏度计、ZNS 型钻井液失水测定仪、PHS-3 C 型酸度计、DDS-11 A 型电导率仪；杂聚糖苷（KD-03）、水解聚丙烯腈盐为工业级产品，其余试剂均为分析纯。

1.2 实验内容

1.2.1 钻井液配制

钻井液基浆配方为2 000 mL 水+ 80 g 膨润土+ 4 g无水Na2CO3；取预水化基浆，添加4%KD-03 和一定量的水解聚丙烯腈盐，室温下充分混合均匀，陈化。

1.2.2 钻井液性能评价

参照API 标准，对添加了KD-03 的水解聚丙烯腈盐钻井液的相对密度、表观黏度、塑性黏度、动切力、API 滤失量、pH 值、电导率等性能参数进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 水解聚丙烯腈钠的影响

首先考察了不同用量的水解聚丙烯腈钠对KD-03钻井液性能的影响，结果见表1。

表1 不同用量水解聚丙烯腈钠对KD-03 钻井液性能影响

从表1 可见，水解聚丙烯腈钠在KD-03 钻井液中的添加量为0.05%～1.50%时，3#～6#水解聚丙烯腈钠处理的KD-03 钻井液电导率相对于2# KD-03 钻井液电导率（0.105 s/m）大幅增加。 水解聚丙烯腈钠加量从1.05%增至1.50%时，水解聚丙烯腈钠处理的KD-03 钻井液电导率增加幅度明显降低，说明水解聚丙烯腈钠处理的KD-03 钻井液中水解聚丙烯腈钠的含量已趋于饱和。 3#～6#水解聚丙烯腈钠处理的KD-03 钻井液黏度相对于2#KD-03 钻井液有较大幅度下降，表明得到非稠化型KD-03 钻井液，水解聚丙烯腈钠添加量为0.05%即可使KD-03 钻井液黏度显著降低，随着水解聚丙烯腈钠添加量提高，KD-03 钻井液黏度略有上升。

从滤失量来看，4#～6# 水解聚丙烯腈钠处理的KD-03 钻井液滤失量分别较2#KD-03 钻井液的滤失量均有降低， 随着聚丙烯腈钠加入量的增大其滤失量逐渐降低。综上，聚丙烯腈钠与KD-03 具有良好的配伍性，可以使原体系的黏度和滤失量降低，适宜添加量为1.50%。

2.2 水解聚丙烯腈钾的影响

室内实验考察不同用量水解聚丙烯腈钾对KD-03钻井液性能的影响，结果见表2。

表2 不同用量水解聚丙烯腈钾对KD-03 钻井液性能影响

从表2 可见，水解聚丙烯腈钾在KD-03 钻井液中添加量为0.05%～1.50%时，7#～10# 水解聚丙烯腈钾处理的KD-03 钻井液电导率相对于KD-03 钻井液电导率大幅增加。水解聚丙烯腈钾的加入可以显著降低KD-03 钻井液的黏度，随着加量的提高黏度略有上升。 从滤失量来看， 随着聚丙烯腈钾加入量的增大其滤失量逐渐降低，加量为1.50%时滤失量仅为8.0 mL。综上，水解聚丙烯腈钾在KD-03 钻井液中的适宜添加量为1.50%。

2.3 水解聚丙烯腈铵的影响

进一步实验考察不同用量水解聚丙烯腈铵对KD-03 钻井液性能的影响，结果见表3。

从表3 可见， 加入水解聚丙烯腈铵可提高KD-03钻井液电导率，但随加量提高电导率有所下降；水解聚丙烯腈铵的加入可以降低KD-03 钻井液黏度，0.05% 加量即可使黏度显著降低， 随着加量提高黏度略有上升；KD-03 钻井液滤失量随水解聚丙烯腈铵加入而降低，至添加量为1.05% 和1.50% 时的滤失量基本相同。 综上， 水解聚丙烯腈铵在KD-03 钻井液中的适宜添加量为1.05%。

表3 不同用量水解聚丙烯腈铵对KD-03 钻井液性能影响

2.4 作用机理探讨

杂聚糖苷与水解聚丙烯腈盐形成非稠化型钻井液的原因是： 聚丙烯腈盐离子的存在降低了水分活度，影响杂聚糖苷分子与游离水分子之间的相互作用［8］；Na+、K+、NH4+离子可以与KD-03 中的羟基发生作用， 导致自由电荷下降，斥力减少，使钻井液黏度降低［8］；水解聚丙烯腈盐阴离子在黏土颗粒端面吸附， 拆散了黏土颗粒之间的空间网架结构； 聚丙烯腈盐分子上的水化基团（-COO-）中的羰基氧和吸附基团中的（-CONH2）可以与KD-03 分子上的羟基形成多元氢键络合物， 占据了聚丙烯腈盐和KD-03 分子上部分可与黏土颗粒吸附的位点，拆散了黏土与KD-03 间形成的网络结构；此外，水解聚丙烯腈盐的加入使KD-03 杂聚糖苷分子链的伸展受到限制，减弱了KD-03 分子之间的相互作用，使钻井液黏度下降。

3 结论

a） 室内试验条件下， 在KD-03 钻井液中加入一定量水解聚丙烯腈盐能够形成非稠化钻井液。

b）KD-03 钻井液的电导率随水解聚丙烯腈钠、水解聚丙烯腈钾添加量的增加而上升，而水解聚丙烯腈铵的加入会使钻井液的电导率先上升后降低。

c） 水解聚丙烯腈钠、水解聚丙烯腈钾、水解聚丙烯腈铵和KD-03 钻井液配伍性良好，组配后钻井液的黏度和滤失量都有所降低，三种水解聚丙烯腈盐的降黏作用差别不大， 其中添加1.50%水解聚丙烯腈钾具有较强的降黏和降滤失效果。

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