聚合物对钻井液体系性能影响因素分析研究

时间：2024-08-31

苗钰琦，张婷，郑继龙

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473000;2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452;3.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)

钻井液用聚丙烯酰胺分子链上含酰胺基易与水形成氢键，亲水性强。在引入离子基—COO－的部分水解聚合物中，—COO－之间存在静电排斥，使分子链拉伸，提高了聚丙烯酰胺溶液的黏度［1］。钻井液中加入的聚丙烯酰胺具有增黏、防塌防漏、降滤失等作用，能提高泥浆的悬浮力和稠度，从而使泥浆控制滤失量、增强稳定性、降低摩阻、提高固井速度等［2］。因此研究钻井液用聚丙烯酰胺的性能及其性能评价具有重大意义。

1 实验

1.1 原料及仪器

梳形聚合物HJ－1，北京恒聚化工集团有限责任公司;阴离子聚丙烯酰胺(XR－2)，深圳兴瑞环保科技有限公司;反向乳液DY－3、聚丙烯酰胺，东营胜利油田聚合物有限公司;NaOH，KCl，NaCl，Na2CO3，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

TC－502P恒温水浴;赛多利斯电子天平BSA223S－CW，德国;JJ－6型六连电动搅拌器，转速:0～3000 r/min，深圳市鼎鑫宜实验设备有限公司;DV－Ⅲ Brookfield黏度仪，美国Brookfield公司;电热鼓风干燥箱 WGL－45(B)型，天津泰斯特仪器有限公司;ZNS－D6六速旋转黏度仪、HGDS－1失水测量仪、GRL高温滚子炉、BGJ－1变频高速搅拌机，青岛得顺电子机械有限公司。

1.2 聚合物特性黏度测定

爱因斯坦理论表明，溶液中的大分子特性黏度是影响溶液黏度的主要因素［3］。特性黏度能反映单位质量的聚丙烯酰胺分子在其溶液中所占体积大小。因此，测定聚丙烯酰胺特性黏度对评价其增黏性至关重要。

1.2.1 溶剂流出时间测定［4］

将乌氏黏度计安装在铁架台上，放入25℃恒温水槽，如图1所示，液面应高过a线上方的球2 cm，用移液管取10 mL待测溶剂从A口注入，恒温10 min;然后堵住B口，用洗耳球在C口将待测溶剂吸至a线上方半球处，去掉洗耳球，松开B口，测定待测溶剂上液面从a处流经b处所用的时间，重复3次，取其平均值为t0。

图1 乌氏黏度计示意图

1.2.2 溶液流出时间测定［5］

依照1.2.1，用移液管取10 mL待测溶液，测定待测溶液上液面从a处流经b处所用的时间，重复3次，取其平均值为t1;然后再用移液管移入5 mL溶剂，使其混合均匀，恒温10 min，测定待测溶液上液面从a处流经b处所用的时间，重复3次，取其平均值为t2;再用移液管取5 mL溶剂测t3;清洗乌氏黏度计，用移液管取5 mL已知浓度的溶液和10 mL溶剂，测其混合液从a处流经b处所用的时间t4，再用移液管取5 mL溶剂测t5。

1.3 聚合物抗盐性测定［6］

分别用蒸馏水与HJ－1、XR－2和DY－3按一定质量比配制0.1%的聚合物溶液，再分别加入不同质量分数的NaCl，利用Brookfield DV－Ⅲ黏度仪测其黏度。

1.4 聚合物在钻井液中性能的测定［7］

称取5.00 L蒸馏水，加热至60℃，缓慢加入500.00 g坂土，用BGJ－1变频高速搅拌机搅拌20 min，称取 25.00 g Na2CO3加入其中，并搅拌2 h，静置 24 h。取 500.00 g 海水，加入 0.50 g NaOH和1.25 g Na2CO3，搅拌均匀。用以上2种溶液配制质量分数为4%海水坂土浆400.00 g，搅拌20 min;再向其中加入一定质量分数的聚丙烯酰胺乳液，搅拌20 min;适量加入降滤失剂AM、抑制剂KCl和润滑剂ABSN，搅拌20 min;在室温条件下，用ZNS－D6六速旋转黏度仪测其流变性;利用GRL高温滚子炉在130℃条件下，将钻井液热滚16 h后放至室温，搅拌5 min，测其动切力、塑性黏度、表观黏度及FLAPI等。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯酰胺相对分子质量的计算

测定聚合物特性黏度，得其不同浓度聚合物溶液的相对黏度和增比黏度，结果见表1。

表1 聚合物的相对黏度和增比黏度

根据聚合物的相对黏度和增比黏度，绘制对应的ηsp/Cr和 ηr/Cr与Cr关系图，求得截距 H，计算其特性黏度和黏均相对分子质量，结果见表2。HJ－1和XR－2黏均相对分子质量远高于DY－3。在相同浓度下，聚合物的相对分子质量与黏度成正比，相对分子质量越大，黏度越大。作为增黏剂的聚丙烯酰胺须选用以溶液聚合法制备的高相对分子质量的聚丙烯酰胺。

表2 聚合物的特性黏度和黏均相对分子质量

2.2 聚丙烯酰胺的抗盐性

进入地层的钻井液，其黏度会受到地层水矿化度的影响。因此，为了保证钻井液的增黏效果，考察增黏剂的抗盐性，结果见图2。

图2 NaCl含量对聚合物溶液黏度的影响

从图2看出，HJ－1和XR－2溶液的黏度随NaCl含量(质量分数，下同)增加而下降，NaCl含量小于0.2%时，HJ－1和 XR－2溶液黏度随NaCl含量增大下降快，NaCl含量大于0.2%时，其下降缓慢。比较3种聚合物的，HJ－1抗盐性最好，且在NaCl含量于0.2%时，黏度基本保持稳定;聚合物XR－2和HJ－1均具有抗盐性，但XR－2的稳定性远不足HJ－1。当NaCl含量大于0.7%时，聚合物DY－3黏度基本为0。

通过聚丙烯酰胺的抗盐性实验研究，发现高相对分子质量聚合物的抗盐性优于低相对分子质量的;由于HJ－1侧链带亲水和亲油基团，基团间存在排斥力，使分子卷曲、缠绕减少，高分子链在水溶液中成梳状，具有较好的抗盐能力和剪切稳定性。DY－3相对分子质量小，其水溶液黏度较低，当加入NaCl后，体系的羧基负离子与Na+结合，使高分子线团间静电斥力减弱，线团收缩，黏度降低。综合考虑，梳形聚合物HJ－1是较适合的增黏剂，具有较好的抗剪切性和抗盐性。

2.3 聚合物对钻井液性能的影响［8］

为提高钻井液携带岩屑和减少井壁冲刷的能力，需向钻井液中加入适量的高分子添加剂，改变钻井液流变性。聚合物溶液的流变性用溶液表观黏度随剪切速率的变化关系表征［9］。

配制2种钻井液基浆各400.00 g，其中A体系:4.0%海水坂土浆+0.3%聚丙烯酰胺;B体系:4.0%海水坂土浆 +5.0%DY－3。配制2种钻井液体系各400.00 g，其中C体系:4.0%海水坂土浆 +0.3%聚丙烯酰胺 +2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN;D体系:4.0%海水坂土浆+5.0%DY － 3+2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN。考察聚丙烯酰胺对基浆性能的影响，结果见表3。

表3 不同聚合物对钻井液体系性能的影响

由表3可知，在钻井液基浆和钻井液体系中，加入DY－3后，经高温滚子炉16 h，其表观黏度增大，说明其具有很好的耐温抗盐性。在钻井液基浆中HJ－1在经过高温滚子炉前后其黏度均小于XR－2，在钻井液体系中其黏度高于XR-2，主要是由于聚合物HJ－1与体系中AM、KCl和ABSN发生了作用，使其黏度增加。

聚合物DY－3的 FLAPI明显小于 XR－2和HJ－1，体系中加入 AM、KCl和 ABSN，其 FLAPI降低，其中HJ－1降低幅度最大，主要是由于其与体系中AM、KCl和ABSN发生协同作用，使钻井液体系黏度增大、滤失量减小。

作为钻井液流变性调节剂，DY－3具有其独特的优势，其耐温抗盐性、降滤失性使钻井液性能更稳定;而HJ－1和XR－2需在热稳定性及降滤失性能上加以改进。