陽離子聚合物鑽井液

基本介紹

• 中文名：陽離子聚合物鑽井液
• 外文名：cationic polymer drilling fluid
• 學科：鑽探工程

釋義

由含有眾多正離子的有機聚合物鑽井液

基本信息

學科：鑽探工程

詞目：陽離子聚合物鑽井液

英文：cationic polymer drilling fluid

釋文：由含有眾多正離子的有機聚合物鑽井液。常使用的陽離子聚合物主要是有機聚季銨鹽類,如聚胺甲基丙烯醯胺(代號cPAM)、陽離子澱粉等。它既具有高價陽離子的強聚結效應；又具有高聚物對膨脹性粘土表面的吸附成膜作用,是較理想的抑制劑。其穩定粘土的能力遠遠超過無機鹽類(如鈣鹽、鉀鹽等),也遠遠超過廣為套用的有機聚合物(如聚丙烯酸鹽類)。這種陽離子聚合物在淡水、硬水、鹽水中均可使用；並適用於水敏性地層(高嶺土、蒙脫土),用量小(僅千分之幾),效能高,配製簡單,成本低等優點。隨著陽離子鑽井液體系的發展,呵以預期在鑽井液技術方面將有一個較大的突破,對鑽井工程也會有較深遠的影響。

特點

(1) 固相含量低，且亞微米粒子所占比例也低。這是聚合物鑽井液的基本特徵，是聚合物處理劑選擇性絮凝和抑制岩屑分散的結果，對提高鑽井速度是極為有利的。對不使用加重材料的鑽井液，密度和固相含量大約成正比的。研究表明，純蒙脫土鑽井液中亞微米粒子含量為13%左右，用分散劑木質素磺酸鹽處理後，亞微米粒子含量上升為約80%，而用聚合物處理後的體系亞微米粒子的含量降為約6%。大量室內實驗和鑽井實踐均證明，固相含量和固相顆粒的分散度是影響鑽井速度的重要因素。

(2) 具有良好的流變性，主要表現為較強的剪下稀釋性和適宜的流型。聚合物鑽井液體系中形成的結構由顆粒之間的相互作用、聚合物分子與顆粒之間的橋聯作用以及聚合物分子之間的相互作用所構成。結構強度以聚合物分子與顆粒之間橋聯作用的貢獻為主。在高剪下作用下，橋聯作用被破壞，因而粘度和切力降低，所以聚合物鑽井液具有較高的剪下稀釋作用。由於這種橋聯作用賦予聚合物鑽井液具有比其它類型鑽井液高的結構強度，因而聚合物鑽井液具有較高的動切力。同時，與其它類型鑽井液相比，聚合物鑽井液具有較低的固相含量，粒子之間的相互摩擦作用相對較弱，因而聚合物鑽井液具有較低的塑性濃度。由於聚合物水溶液為典型的非牛頓流體，所以聚合物鑽井液一般具有較低的n值。當然，在實際鑽井過程中，各流變參數需控制在適宜的範圍內，過高和過低對鑽井工程都不利。

(3) 鑽井速度高。如前所述，聚合物鑽井液固相含量低，亞微米粒子比例小，剪下稀釋性好，卡森極限粘度低，懸浮攜帶鑽屑能力強，洗井效果好，這些優良性能都有利於提高機械鑽速。在相同鑽井液密度的條件下，使用聚丙烯醯胺鑽井時的機械鑽速明顯高於使用鈣處理鑽井液時的機械鑽速。

(4) 穩定井壁的能力較強，井徑比較規則。只要鑽井過程中始終加足聚合物處理劑，使濾液中保持一定的含量，聚合物可有效地抑制岩石的吸水分散作用。合理地控制鑽井液的流型，可減少對井壁的沖刷。這些都有穩定井壁的作用。在易坍塌地層，通過適當提高鑽井液的密度和固相含量，可取得良好的防塌效果。

(5) 對油氣層的損害小，有利於發現和保護產層。由於聚合物鑽井液的密度低，可實現近平衡壓力鑽井；由於固相含量少，可減輕固相的侵入，因而減小了損害程度。

處理劑機理

(1)橋聯與包被作用

聚合物在鑽井液中顆粒上的吸附是其發揮作用的前提。當一個高分子同時吸附在幾個顆粒上，而一個顆粒又可同時吸附幾個高分子時，就會形成網路結構，聚合物的這種作用稱為橋聯作用。當高分子鏈吸附在一個顆粒上，並將其覆蓋包裹時，稱為包被作用。橋聯和包被是聚合物在鑽井液中的兩種不同的吸附狀態。實際體系中，這兩種吸附狀態不可能嚴格分開，一般會同時存在，只是以其中一種狀態為主而已。吸附狀態不同，產生的作用也不同，如橋聯作用易導致絮凝和增粘等，而包被作用對抑制鑽屑分散有利。

(2)絮凝作用

當聚合物在鑽井液中主要發生橋聯吸附時，會將一些細顆粒聚結在一起形成粒子團，這種作用稱為絮凝作用，相應的聚合物稱為絮凝劑。形成的絮凝塊易於靠重力沉降或固控設備清除，有利於維持鑽井液的低固相。所以，絮凝作用是鑽井液實現低固相和不分散的關鍵。

根據絮凝效果和對鑽井液性能的影響，絮凝劑又可分為兩類：一是全絮凝劑，能同時絮凝鑽屑、劣質土和蒙脫土，如非離子型聚合物PAM就屬於此類；二是選擇性絮凝劑，只絮凝鑽屑和劣質土，不絮凝蒙脫土，如離子型聚合物PHPA、VAMA就屬於此類。當絮凝劑能提高鑽井液粘度時，稱為增效型選擇性絮凝劑，而對粘度影響不大時稱為非增效型選擇性絮凝劑。

(3)增粘作用

增粘劑多用於低固相和無固相水基鑽井液，以提高懸浮力和攜帶力。增粘作用的機理，一是游離(未被吸附)聚合物分子能增加水相的粘度，二是聚合物的橋聯作用形成的網路結構能增強鑽井液的結構粘度。常用的增粘劑有相對分子質量較高的PHPA和高粘度型羧甲基纖維素(CMC)等。

體系

陽離子聚合物鑽井液體系是以高相對分子質量陽離子聚合物（簡稱大陽離子）作包被絮凝劑，以小相對分子質量有機陽離子（簡稱小陽離子）作泥岩抑制劑，並配合降濾失劑、增粘劑、降粘劑、CaO等處理劑配製而成的，它是一種新型的聚合物鑽井液體系。

處理劑功能

⑴、大陽離子：顆粒狀固體，較易溶解，其膠液PH值7-8之間。具有包被鑽屑，抑制鑽屑造漿的作用，還有一定的增粘作用。在鑽井液中的最佳含量是0.2-0.4%。

⑵、小陽離子：液體或粉末狀固體，其膠液PH值5-7之間。具有抑制粘土水化分散的作用，還有一定的增粘增失水的負作用。在鑽井液中的最佳含量是0.3-0.5%。

⑶、降濾失劑：SAS、鈉鹽、CMC、SPNH（磺化褐煤樹脂）

⑷、增粘劑：HV-CMC

⑸、降粘劑：SMC（磺化褐煤）、PSC（磺化酚腐植酸鉻）、FCls

⑹、加重劑：鐵礦石粉、石灰石粉 ⑺、Ca0：提供Ca2+，減弱地層粘土水化分散，穩定鑽井液性能。

現場套用

聚合物鑽井液轉化為陽離子鑽井液

⑴、鑽表層水泥塞時，根據水泥塞的長度加入適量的純鹼，沉除Ca2+，確保鑽井液具有良好的流動性。

⑵、鑽完表層水泥塞，測量全套鑽井液性能，排放適量的聚合物鑽井液，補充清水，循環均勻後，測量鑽井液性能，若粘度≤45s，搬土含量≤45g/l，固相含量≤10%，改型前的準備工作完畢。

⑶、將小陽離子、FCLS、NaOH配製成膠液，按照循環周均勻混入聚合物鑽井液中，小陽離子的含量控制在0.3-0.5%之間，循環2-3周后，測量鑽井液性能，若粘切較高，可再次加入FCLS、NaOH膠液降低粘切，粘度<50s。

⑷、將大陽離子配製成膠液，按照兩個循環周均勻加入，大陽離子含量控制在0.2-0.4%之間。大陽離子加入後，鑽井液粘切會會大幅度上升，隨著鑽井液的循環，鑽井液粘切會逐步下降，粘切穩定後會比加入前略有上升，因此大陽離子加入一周后，循環2-3周，再次加入大陽離子。

⑸、加入小陽離子後，鑽井液失水會有所上升，可加入CMC、鈉鹽降低鑽井液失水，CMC的降失水效果明顯好於鈉鹽。

⑹、改型完畢後，測量Ca2+濃度，若Ca2+濃度偏低，可加入Ca0乳液，Ca2+濃度控制在400-600mg/l之間。