非稠化型雜聚糖苷鉆井液體系研究

張 潔 張 黎 陳 剛 楊乃旺 郭 鋼 程 升

1.西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065；

2.西安市環保局，陜西 西安 710068；

3.中國石油長慶油田公司，陜西 西安 710021；

4.揚州潤達油田化學劑有限公司，江蘇 揚州 225261

0 前言

低固相鉆井液有利于油層保護，施工中能提高鉆井速度，節約鉆井成本［1-4］。 雜聚糖苷（KD-03）是適用于低固相鉆井液的多功能處理劑， 它屬于天然雜聚糖衍生物，數均分子量為30～120 萬，其中分子量﹤80 萬的組分能溶于水中形成半透明溶膠液，分子量﹥80 萬的組分不溶于水但能均勻懸浮于水中［5］。 KD-03 作為鉆井液處理劑已經在江蘇油田工業化生產并應用，實踐證明KD-03在鉆井液中具有以下作用：a）能有效避免或減少黏土礦物的水化膨脹和分散， 表現出較強的抑制性；b）分子的聚集成膜性產生了良好的造壁性和降濾失效果，能有效地控制由于固相微粒和濾液侵入地層而引起的儲層損害；c）在水和巖石礦物顆粒之間的低表面張力和低界面張力能有效降低因濾液滯留效應而引起的儲層損害，并給泥餅表面帶來一定的潤滑作用；d）環狀多羥基分子結構單元使其具有良好的抑制水合物結垢作用，表現出一定的抗凍性；e）大分子主鏈呈線型，使KD-03 在水基鉆井液中表現出一定的增黏性。 上述c）、d）兩項同時存在使KD-03 在水基鉆井液中表現出一定的極壓潤滑性。此外，KD-03 在地面條件下易于生物降解， 所組配的鉆井液是理想的環保型鉆井液［5-7］。

目前國內外聚合糖類鉆井液通常黏度較高，主要通過聚合糖用量控制濾失量， 泥餅質量偏厚且潤滑性不佳。 與目前聚合糖類鉆井液處理劑的性能類似，KD-03需要靠提高用量來增大黏度、降低濾失量，在應用中也存在缺點，如：在用量較少時濾失量偏大，而增加用量雖能降低濾失量，但同時會引起體系黏度過度增大。 要應用KD-03，應調整聚合糖鉆井液的組成，擴展聚合糖鉆井液應用范圍，使之滿足不同地層現場生產要求，本文研究了KD-03—水解聚丙烯腈鹽低固相鉆井液的各項性能，測試了不同用量的三種水解聚丙烯腈鹽與KD-03組配鉆井液的密度、黏度、電導率、濾失量等性能參數，開發了一種非稠化型鉆井液體系，為進一步優化KD-03—水解聚丙烯腈鹽低固相鉆井液現場應用工藝提供實驗依據。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

ZNN-D6型六速旋轉黏度計、ZNS 型鉆井液失水測定儀、PHS-3 C 型酸度計、DDS-11 A 型電導率儀；雜聚糖苷（KD-03）、水解聚丙烯腈鹽為工業級產品，其余試劑均為分析純。

1.2 實驗內容

1.2.1 鉆井液配制

鉆井液基漿配方為2 000 mL 水+ 80 g 膨潤土+ 4 g無水Na2CO3；取預水化基漿，添加4%KD-03 和一定量的水解聚丙烯腈鹽，室溫下充分混合均勻，陳化。

1.2.2 鉆井液性能評價

參照API 標準，對添加了KD-03 的水解聚丙烯腈鹽鉆井液的相對密度、表觀黏度、塑性黏度、動切力、API 濾失量、pH 值、電導率等性能參數進行測試。

2 實驗結果與討論

2.1 水解聚丙烯腈鈉的影響

首先考察了不同用量的水解聚丙烯腈鈉對KD-03鉆井液性能的影響，結果見表1。

表1 不同用量水解聚丙烯腈鈉對KD-03 鉆井液性能影響

從表1 可見，水解聚丙烯腈鈉在KD-03 鉆井液中的添加量為0.05%～1.50%時，3#～6#水解聚丙烯腈鈉處理的KD-03 鉆井液電導率相對于2# KD-03 鉆井液電導率（0.105 s/m）大幅增加。 水解聚丙烯腈鈉加量從1.05%增至1.50%時，水解聚丙烯腈鈉處理的KD-03 鉆井液電導率增加幅度明顯降低，說明水解聚丙烯腈鈉處理的KD-03 鉆井液中水解聚丙烯腈鈉的含量已趨于飽和。 3#～6#水解聚丙烯腈鈉處理的KD-03 鉆井液黏度相對于2#KD-03 鉆井液有較大幅度下降，表明得到非稠化型KD-03 鉆井液，水解聚丙烯腈鈉添加量為0.05%即可使KD-03 鉆井液黏度顯著降低，隨著水解聚丙烯腈鈉添加量提高，KD-03 鉆井液黏度略有上升。

從濾失量來看，4#～6# 水解聚丙烯腈鈉處理的KD-03 鉆井液濾失量分別較2#KD-03 鉆井液的濾失量均有降低， 隨著聚丙烯腈鈉加入量的增大其濾失量逐漸降低。綜上，聚丙烯腈鈉與KD-03 具有良好的配伍性，可以使原體系的黏度和濾失量降低，適宜添加量為1.50%。

2.2 水解聚丙烯腈鉀的影響

室內實驗考察不同用量水解聚丙烯腈鉀對KD-03鉆井液性能的影響，結果見表2。

表2 不同用量水解聚丙烯腈鉀對KD-03 鉆井液性能影響

從表2 可見，水解聚丙烯腈鉀在KD-03 鉆井液中添加量為0.05%～1.50%時，7#～10# 水解聚丙烯腈鉀處理的KD-03 鉆井液電導率相對于KD-03 鉆井液電導率大幅增加。水解聚丙烯腈鉀的加入可以顯著降低KD-03 鉆井液的黏度，隨著加量的提高黏度略有上升。 從濾失量來看， 隨著聚丙烯腈鉀加入量的增大其濾失量逐漸降低，加量為1.50%時濾失量僅為8.0 mL。綜上，水解聚丙烯腈鉀在KD-03 鉆井液中的適宜添加量為1.50%。

2.3 水解聚丙烯腈銨的影響

進一步實驗考察不同用量水解聚丙烯腈銨對KD-03 鉆井液性能的影響，結果見表3。

從表3 可見， 加入水解聚丙烯腈銨可提高KD-03鉆井液電導率，但隨加量提高電導率有所下降；水解聚丙烯腈銨的加入可以降低KD-03 鉆井液黏度，0.05% 加量即可使黏度顯著降低， 隨著加量提高黏度略有上升；KD-03 鉆井液濾失量隨水解聚丙烯腈銨加入而降低，至添加量為1.05% 和1.50% 時的濾失量基本相同。 綜上， 水解聚丙烯腈銨在KD-03 鉆井液中的適宜添加量為1.05%。

表3 不同用量水解聚丙烯腈銨對KD-03 鉆井液性能影響

2.4 作用機理探討

雜聚糖苷與水解聚丙烯腈鹽形成非稠化型鉆井液的原因是： 聚丙烯腈鹽離子的存在降低了水分活度，影響雜聚糖苷分子與游離水分子之間的相互作用［8］；Na+、K+、NH4+離子可以與KD-03 中的羥基發生作用， 導致自由電荷下降，斥力減少，使鉆井液黏度降低［8］；水解聚丙烯腈鹽陰離子在黏土顆粒端面吸附， 拆散了黏土顆粒之間的空間網架結構； 聚丙烯腈鹽分子上的水化基團（-COO-）中的羰基氧和吸附基團中的（-CONH2）可以與KD-03 分子上的羥基形成多元氫鍵絡合物， 占據了聚丙烯腈鹽和KD-03 分子上部分可與黏土顆粒吸附的位點，拆散了黏土與KD-03 間形成的網絡結構；此外，水解聚丙烯腈鹽的加入使KD-03 雜聚糖苷分子鏈的伸展受到限制，減弱了KD-03 分子之間的相互作用，使鉆井液黏度下降。

3 結論

a） 室內試驗條件下， 在KD-03 鉆井液中加入一定量水解聚丙烯腈鹽能夠形成非稠化鉆井液。

b）KD-03 鉆井液的電導率隨水解聚丙烯腈鈉、水解聚丙烯腈鉀添加量的增加而上升，而水解聚丙烯腈銨的加入會使鉆井液的電導率先上升后降低。

c） 水解聚丙烯腈鈉、水解聚丙烯腈鉀、水解聚丙烯腈銨和KD-03 鉆井液配伍性良好，組配后鉆井液的黏度和濾失量都有所降低，三種水解聚丙烯腈鹽的降黏作用差別不大， 其中添加1.50%水解聚丙烯腈鉀具有較強的降黏和降濾失效果。

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