陽離子聚合物鉆井液基本信息

?學科:鉆探工程

詞目:陽離子聚合物鉆井液

英文:cationic polymer drilling fluid

釋文:由含有眾多正離子的有機聚合物鉆井液。常使用的陽離子聚合物主要是有機聚季銨鹽類,如聚胺甲基丙烯酰胺(代號cPAM)、陽離子淀粉等。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(wěn)定粘土的能力遠遠超過無機鹽類(如鈣鹽、鉀鹽等),也遠遠超過廣為應用的有機聚合物(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;并適用于水敏性地層(高嶺土、蒙脫土),用量小(僅千分之幾),效能高,配制簡單,成本低等優(yōu)點。隨著陽離子鉆井液體系的發(fā)展,可以預期在鉆井液技術方面將有一個較大的突破,對鉆井工程也會有較深遠的影響。

(1) 固相含量低，且亞微米粒子所占比例也低。這是聚合物鉆井液的基本特征，是聚合物處理劑選擇性絮凝和抑制巖屑分散的結果，對提高鉆井速度是極為有利的。對不使用加重材料的鉆井液，密度和固相含量大約成正比的。研究表明，純蒙脫土鉆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后，亞微米粒子含量上升為約80%，而用聚合物處理后的體系亞微米粒子的含量降為約6%。大量室內實驗和鉆井實踐均證明，固相含量和固相顆粒的分散度是影響鉆井速度的重要因素。

(2) 具有良好的流變性，主要表現(xiàn)為較強的剪切稀釋性和適宜的流型。聚合物鉆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(lián)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(lián)作用的貢獻為主。在高剪切作用下，橋聯(lián)作用被破壞，因而粘度和切力降低，所以聚合物鉆井液具有較高的剪切稀釋作用。由于這種橋聯(lián)作用賦予聚合物鉆井液具有比其它類型鉆井液高的結構強度，因而聚合物鉆井液具有較高的動切力。同時，與其它類型鉆井液相比，聚合物鉆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，因而聚合物鉆井液具有較低的塑性濃度。由于聚合物水溶液為典型的非牛頓流體，所以聚合物鉆井液一般具有較低的n值。當然，在實際鉆井過程中，各流變參數需控制在適宜的范圍內，過高和過低對鉆井工程都不利。

(3) 鉆井速度高。如前所述，聚合物鉆井液固相含量低，亞微米粒子比例小，剪切稀釋性好，卡森極限粘度低，懸浮攜帶鉆屑能力強，洗井效果好，這些優(yōu)良性能都有利于提高機械鉆速。在相同鉆井液密度的條件下，使用聚丙烯酰胺鉆井時的機械鉆速明顯高于使用鈣處理鉆井液時的機械鉆速。

(4) 穩(wěn)定井壁的能力較強，井徑比較規(guī)則。只要鉆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巖石的吸水分散作用。合理地控制鉆井液的流型，可減少對井壁的沖刷。這些都有穩(wěn)定井壁的作用。在易坍塌地層，通過適當提高鉆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，有利于發(fā)現(xiàn)和保護產層。由于聚合物鉆井液的密度低，可實現(xiàn)近平衡壓力鉆井;由于固相含量少，可減輕固相的侵入，因而減小了損害程度。

(1)橋聯(lián)與包被作用

聚合物在鉆井液中顆粒上的吸附是其發(fā)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，就會形成網絡結構，聚合物的這種作用稱為橋聯(lián)作用。當高分子鏈吸附在一個顆粒上，并將其覆蓋包裹時，稱為包被作用。橋聯(lián)和包被是聚合物在鉆井液中的兩種不同的吸附狀態(tài)。實際體系中，這兩種吸附狀態(tài)不可能嚴格分開，一般會同時存在，只是以其中一種狀態(tài)為主而已。吸附狀態(tài)不同，產生的作用也不同，如橋聯(lián)作用易導致絮凝和增粘等，而包被作用對抑制鉆屑分散有利。

(2)絮凝作用

當聚合物在鉆井液中主要發(fā)生橋聯(lián)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。形成的絮凝塊易于靠重力沉降或固控設備清除，有利于維持鉆井液的低固相。所以，絮凝作用是鉆井液實現(xiàn)低固相和不分散的關鍵。

根據絮凝效果和對鉆井液性能的影響，絮凝劑又可分為兩類:一是全絮凝劑，能同時絮凝鉆屑、劣質土和蒙脫土，如非離子型聚合物PAM就屬于此類;二是選擇性絮凝劑，只絮凝鉆屑和劣質土，不絮凝蒙脫土，如離子型聚合物PHPA、VAMA就屬于此類。當絮凝劑能提高鉆井液粘度時，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

增粘劑多用于低固相和無固相水基鉆井液，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(lián)作用形成的網絡結構能增強鉆井液的結構粘度。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。

陽離子聚合物鉆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)作泥巖抑制劑，并配合降濾失劑、增粘劑、降粘劑、CaO等處理劑配制而成的，它是一種新型的聚合物鉆井液體系。

⑴、大陽離子:顆粒狀固體，較易溶解，其膠液PH值7-8之間。具有包被鉆屑，抑制鉆屑造漿的作用，還有一定的增粘作用。在鉆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。在鉆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(wěn)定鉆井液性能。

聚合物鉆井液轉化為陽離子鉆井液

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

⑵、鉆完表層水泥塞，測量全套鉆井液性能，排放適量的聚合物鉆井液，補充清水，循環(huán)均勻后，測量鉆井液性能，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配制成膠液，按照循環(huán)周均勻混入聚合物鉆井液中，小陽離子的含量控制在0.3-0.5%之間，循環(huán)2-3周后，測量鉆井液性能，若粘切較高，可再次加入FCLS、NaOH膠液降低粘切，粘度<50s。

⑷、將大陽離子配制成膠液，按照兩個循環(huán)周均勻加入，大陽離子含量控制在0.2-0.4%之間。大陽離子加入后，鉆井液粘切會會大幅度上升，隨著鉆井液的循環(huán)，鉆井液粘切會逐步下降，粘切穩(wěn)定后會比加入前略有上升，因此大陽離子加入一周后，循環(huán)2-3周，再次加入大陽離子。

⑸、加入小陽離子后，鉆井液失水會有所上升，可加入CMC、鈉鹽降低鉆井液失水，CMC的降失水效果明顯好于鈉鹽。

⑹、改型完畢后，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。