兩性離子聚合物在鉆井液中的應用

廖 輝，唐善法，田 磊，王曉杰，雷小洋

(長江大學石油工程學院，武漢 430100)

石油勘探開發技術不斷發展，鉆遇地層日趨復雜，深井、超深井［1］、多分支井等特殊工藝井增多，這對鉆井液的性能也提出了更高要求。普通聚合物鉆井液在現場應用中出現了許多問題，耐溫抗鹽性能差，造壁性差，對泥頁巖抑制能力差，靜結構力強，井壁穩定性差。而兩性離子聚合物用作鉆井液處理劑既降低水眼能耗，抑制泥頁巖水化膨脹，又可提高機械鉆速。大量鉆井實踐表明，鉆井液性能對保證深井和超深井的安全、快速鉆進起著重要作用。兩性離子聚合物鉆井液是以兩性離子聚合物為主處理劑配制的鉆井液。兩性離子聚合物泥漿密度低、對泥頁巖抑制性強、水眼黏度低，高溫下性能穩定，且能顯著提高機械鉆速降低綜合鉆井成本［2］。

目前，兩性離子聚合物鉆井液在全國各大油田得到了推廣與應用，并形成了兩性離子無固相聚合物鉆井液、兩性離子低固相聚合物鉆井液、兩性離子聚磺體系鉆井液及兩性離子聚合物完井液體系［3］。

鉆井液處理劑的研發推動了兩性離子聚合物鉆井液體系的發展。普通聚合物處理劑不耐高溫，易交聯［4］，而兩性離子聚合物處理劑高溫下性能穩定。兩性離子聚合物分子鏈上因含陽離子和陰離子基團而與陰離子聚合物和陽離子聚合物的配伍性較好［5］，受到各大油田的青睞。兩性離子聚合物在鉆井液中主要用作包被抑制劑、降濾失劑、增黏劑和降黏劑。目前研究較多的是兩性離子聚合物處理劑的耐溫抗鹽和防坍塌性能。

1 包被抑制劑

兩性離子聚合物的分子鏈中含陽離子和陰離子基團，陽離子基團以靜電吸附方式快速地吸附于黏土粒子表面，中和黏土表面部分負電荷，并形成致密包被，有效地抑制黏土水化分散［6］。陰離子基團水化形成水化基團，大量水化基團又形成致密水化膜，使包被膜增厚，減弱了黏土顆粒的絮凝能力，增強了體系的穩定性。

彭剛［7］在對兩性離子聚合物抑制黏土水化膨脹作用機理的研究基礎上，以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)和2－丙烯酰胺基－2－甲基－丙磺酸(AMPS)為聚合單體，合成了一種性能優良的耐高溫黏土穩定劑。該聚合物分子中引入一定量的陰離子基團—SO3－，增強了聚合物的耐溫性能和抗二價離子性能(Ca2+，Mg2+)，在黏土表面形成致密的水化層，防止黏土水化膨脹。邵定波等［8］以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)、丙烯酸為單體，合成了三元兩性離子共聚物PADA，鉆井液中加入500 mg/L的PADA，顯著降低黏土水化膨脹，膨脹率在42.7%以下，與清水中24 h的膨脹率78.3%相比，下降顯著。

朱清泉等［9］以含陰離子、陽離子和非離子基團的乙烯基或丙烯基單體為原料，采用水溶液聚合法，合成多元共聚物BY－1，現場試驗表明對泥頁巖的水化分散具有較強的抑制性，與鉆井液中其他處理劑調配具有良好的配伍性和較強的抗鹽抗鈣污染能力。

楊小華等［10］以2－丙烯酰氧－2－甲基丙磺酸(MAOPS)、丙烯酰胺、丙烯酸為單體，共聚合成了兩性離子磺酸鹽共聚物CPS－2000，其具有較強的耐溫抗鹽和抗鈣能力，熱穩定性好，對泥頁巖具有較強的抑制性，有效地控制膨潤土及固相含量，其抑制黏土水化膨脹、防止地層坍塌的能力明顯優于乙烯基磺酸鹽聚合物PAMS601。

2 降濾失劑

兩性離子聚合物含陰陽兩種離子基團，與陰離子或非離子聚合物比較，其用作降濾失劑可增強泥漿體系的抑制性和耐溫抗鹽性［11］，還可改善鉆井液中處理劑間的配伍性和實現聚合物鉆井液的不分散和低固相。如兩性離子無固相聚合物鉆井液和兩性離子低固相聚合物鉆井液。表1為近3年國內文獻報道的兩性離子聚合物降濾失劑。

3 增黏劑

表2 在不同溫度和礦化度條件下1.0%NV2P/MAPTAC/AMPS兩性共聚物溶液的黏度［18］

國外對鉆井液增黏劑的研究較多，1987年，Peiffer等［17］首次對 N－乙烯基 －2－吡咯烷酮(NV2P)用于兩性離子聚合物鉆井液增黏劑進行了報道。此三元聚合物由NV2P、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化銨(MAPTAC)、SSS或AMPS共聚合成。此三元共聚物分子鏈上含季銨鹽型陽離子基團和磺酸根陰離子基團，因此，其具有較好的pH穩定性。此類聚合物屬強堿強酸型，與常用的陰離子或非離子型聚合物降黏劑比較，其增黏、耐高溫和抗鹽性能好，可用于高溫，高礦化度水基鉆井液的增稠劑。表2為此類三元共聚物中NV2P/MAPTAC/AMPS在不同溫度和礦化度條件下的黏度。

4 降黏劑

陰離子型降黏劑降黏效果好，但對黏土的抑制作用差，陽離子型降黏劑雖滿足泥漿對泥頁巖的抑制性，利于井壁穩定，但耐溫性能差。而含陰陽離子基團的兩性離子聚合物降黏劑兼具有兩種降黏劑的特性，既降低泥漿的黏度和切力，控制泥漿的流變性，提高機械鉆速，又增強泥漿體系的抑制性，且耐溫抗鹽。

王中華［19］以丙烯酰氧乙基二甲基氯化銨AODAC、AA、烯丙基磺酸鈉AS為原料采用水溶液聚合法，共聚制得了兩性離子共聚物降黏劑，其耐溫抗鹽抗鈣污染能力強，且對泥頁巖水化分散具有一定的抑制作用。

高長虹［20］以烯類單體為主要原料，采用水溶液聚合方法合成了一種新型的兩性離子聚合物鉆井液降黏劑GCH－11，其在膨潤土鉆井液、聚合物鉆井液及高密度聚合物鉆井液中的降黏效果優于GD－18和XY－27，是高密度聚合物鉆井液的理想降黏劑。

楊小華［21］以2－羥基－3－甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化銨、丙烯酸、烯丙基磺酸鈉為原料，采用水溶液聚合，用氧化還原體系引發，合成了一種兩性離子型共聚物鉆井液降黏劑，其在淡水泥漿、鹽水泥漿、飽和鹽水泥漿中均具有較好的降黏和耐溫能力，同時還具有較強的抗鹽和抗鈣鎂離子污染的能力，對泥頁巖也具有較強的抑制性。

張翔宇［22］從分子設計的角度，以 AMPS、馬來酸、陽離子單體為原料，在38℃下反應0.5～2.0 h，制得兩性離子共聚物降黏劑VRA。VRA在淡水、鹽水和含鈣鉆井液中均具有較強的耐溫抗鹽和降黏作用，且防止地層坍塌的能力明顯優于乙烯基磺酸鹽聚合物PAMS－601，對泥頁巖有較好的抑制作用。

5 結論

兩性離子聚合物鉆井液在油田鉆井中發揮了重要的作用，其性能好壞及能否推廣應用，關鍵是研制出耐高溫抗鹽的兩性離子聚合物處理劑。

(1)新型兩性離子聚合物處理劑要求保證該鉆井液體系在超深井的高溫、高壓、高礦化度等復雜情況下的穩定性及良好性能，并快速鉆進從而降低鉆井綜合成本。

(2)兩性離子聚合物鉆井液處理劑的研究仍應著重于耐高溫、抗鹽、防坍塌等，并向超高溫發展，以充分發揮兩性離子聚合物鉆井液的性能。

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