聚丙烯酸鉀在水基鉆井液中的應用

李 成，謝濟瑄，寧 波，王 禹

1.江漢油田 采油氣工程技術服務中心，湖北 潛江 433100；2.長城鉆探工程有限公司 鉆井一公司，遼寧 盤錦 124010

水基鉆井液中的水分主要為自由水、結合水、吸附水。水基鉆井液中以可以自由流動的自由水為主，結合水主要存在于黏土礦物晶體構造中，吸附水主要存在于固相顆粒表面以及溶脹聚合物內[1]。自由水的存在能保證鉆井液具有良好的流動性，但是在鉆井過程中也會形成黏土水化膨脹、儲層污染等不利影響，因此，考慮在鉆井液中加入能降低鉆井液自由水含量的處理劑，以減少這些不利影響。聚丙烯酸鉀是一種適度交聯的聚電解質，在水中能解離出K+和帶負電的聚合物空間網架結構，空間網架結構內外形成的離子濃度差，并產生滲透壓使鉆井液中的水分進入空間網架的內部[2-5]。因此，聚丙烯酸鉀具有一定的自由水束縛性能，能夠降低水基鉆井液中自由水含量。鉆井液自由水含量的減少，可以提高鉆井液的濾失性能、抑制性能、儲層保護性能等。聚丙烯酸鉀也可以應用于對鉆井液抑制性能、濾失性能等要求較高的地層，如泥頁巖地層[6-7]。

1 聚丙烯酸鉀的基本特性

聚丙烯酸鉀是一種適度交聯的聚電解質，易溶于水，在水中解離生成與聚合物鏈相連的陰離子和K+。K+在水中可自由移動，陰離子由于分子鏈的束縛不能向水中擴散，因此聚丙烯酸鉀的主鏈網絡骨架均帶有陰離子。負電的相互排斥作用使網絡結構發生擴張，而在水中移動的K+由于受主鏈上負電的吸引、束縛，使得其只能存在于聚丙烯酸鉀的網絡骨架中，在聚丙烯酸鉀的網絡骨架內外形成K+濃度差，導致聚合物骨架內外形成滲透壓。滲透壓差作用使水分子滲入聚合物網絡骨架內，進而加速聚丙烯酸鉀的解離，最終大量的水分被束縛到聚丙烯酸鉀的網絡骨架內。同時，聚丙烯酸鉀的交聯網絡結構使其具有一定的彈性收縮力，限制聚丙烯酸鉀網絡結構不能無限膨脹，最終達到吸水平衡。滲透壓和彈性收縮力的相反作用使聚丙烯酸鉀具有一定的吸水能力以及吸水后能維持平衡的能力。

1.1 自由水含量測定

通過測定聚丙烯酸鉀水溶液(400 mL清水+0.2%NaOH+聚丙烯酸鉀)中自由水含量來評價聚丙烯酸鉀束縛自由水的能力。將水溶液用API濾失儀做濾失實驗，每隔30 min記錄濾失液體體積，直到30 min內濾失液體沒有增加為止，記錄最終濾失液體體積即為自由水體積，結果如表1所示。

表1 聚丙烯酸鉀加量對自由水含量的影響

由表1可知：隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，聚丙烯酸鉀水溶液自由水含量逐漸減少，說明聚丙烯酸鉀對自由水具有很強的束縛能力；同時體系的黏度也隨之增加，可見聚丙烯酸鉀有一定增黏作用。

1.2 毛細管吸水實驗

采用毛細管吸水實驗(CST)對聚丙烯酸鉀束縛水能力進行了評價，CST時間越長，說明測試液體的毛管阻力越大，自由水被束縛的力越大。室內測定了不同加量的聚丙烯酸鉀清水溶液的CST時間并與包被劑(PLH)、降濾失劑(FA367)等有機溶劑水溶液進行了對比，結果如表2所示。

表2 不同處理劑的CST時間

由表2可知：不同的處理劑束縛自由水的能力是不同的，PLH和FA367對自由水有一定的束縛能力，但效果一般；與其他處理劑相比，聚丙烯酸鉀的自由水束縛性能較好，且隨著加量的增加束縛能力大幅度增加。

2 聚丙烯酸鉀對鉆井液中自由水的影響

2.1 自由水含量

通過測試鉆井液CST時間以及自由水的含量，考察聚丙烯酸鉀對鉆井液中自由水束縛能力的影響，結果如表3和圖1所示。鉆井液基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+1.5%降濾失劑+3%封堵劑+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

表3 聚丙烯酸鉀加量對鉆井液性能的影響

由表3可知：聚丙烯酸鉀具有很好的自由水束縛能力，而且隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，鉆井液的CST儀毛細管吸水時間逐漸增加，鉆井液的自由水含量隨之降低；隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，鉆井液的黏切力有所增加，而且自由水含量過低，勢必會影響鉆井液的過篩能力，因此現場應用時應需優選合適的加量。

將鉆井液滴在濾紙上，觀察鉆井液在濾紙上的擴散速度(圖1)。由于濾紙上存在大量微小孔隙，類似多維的毛細管網絡。將鉆井液滴在濾紙上，如果對自由水的束縛能力不強，自由水便會在毛管作用下迅速擴散。

圖1 聚丙烯酸鉀對鉆井液析水性能的影響(7 min)

由圖1可知：隨著聚丙烯酸鉀的增加，鉆井液濾液在濾紙上的擴散范圍越小。由此可知，聚丙烯酸鉀有一定自由水束縛能力，隨著它的用量增大進而增大了鉆井液中自由水進入毛管的阻力。

2.2 濾失性能

通過測定不同加量聚丙烯酸鉀鉆井液的API濾失量和高溫高壓濾失量，考察聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能的影響，結果如表4所示。

表4 聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能的影響

由表4可知：隨著聚丙烯酸鉀的增加，鉆井液API濾失量和高溫高壓濾失量均大幅降低。由此可知，聚丙烯酸鉀對鉆井液的濾失性能具有很好的改善作用。

2.3 抑制性能

聚丙烯酸鉀能夠減少鉆井液中自由水的含量，增大鉆井液中水分進入黏土礦物的毛管阻力，進而降低黏土礦物的水化膨脹作用。同時，聚丙烯酸鉀可解離出K+，K+可以進入黏土礦物的間層，能將間層中水化半徑較大的Ca2+與Na+交換出來，從而抑制了黏土礦物的水化膨脹。測定50 g巖屑(2.5～4.2 mm)在不同加量聚丙烯酸鉀的鉆井液的熱滾回收率(100 ℃，16 h)，評價聚丙烯酸甲的抑制性能，結果見圖2。鉆井液基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+3%封堵劑+1%HAS，重晶石加重至1.20 g/cm3。

圖2 聚丙烯酸鉀對巖屑熱滾回收率的影響

由圖2可知：聚丙烯酸鉀具有一定的抑制性能，但是一般情況下要求巖屑的熱滾回收率達到90%以上，因此，不能將聚丙烯酸鉀作為純粹的抑制劑。

用相似物理特性的泥巖巖心在鉆井液中浸泡24 h，通過YE-300型液壓式壓力試驗機做巖心單軸抗壓實驗，結果見圖3。

圖3 聚丙烯酸鉀對泥巖巖心單軸抗壓能力的影響

由圖3可知，隨著聚丙烯酸鉀加量的增加，泥巖巖心的單軸抗壓能力明顯增強；利用聚丙烯酸鉀對自由水的束縛性能，能夠增大鉆井液自由水進入巖心的毛管阻力，加上K+的抑制作用，能夠明顯降低巖心黏土礦物的水化膨脹。因此，聚丙烯酸鉀能夠增強泥頁巖地層的井壁穩定性。

2.4 儲層保護性能

用鉆井液在100 ℃和3.5 MPa壓差下通過巖心流動儀驅替巖心做巖心污染實驗，結果見圖4。實驗基本配方為3%膨潤土漿+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸鉀+1.5%降濾失劑+3%封堵劑+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

圖4 巖心污染實驗

由圖4可知：未加聚丙烯酸鉀的鉆井液對巖心污染程度較大，幾乎整個巖心都被污染，而加有1%聚丙烯酸鉀的鉆井液對巖心污染程度不大。可知，聚丙烯酸鉀能夠增大自由水進入巖心孔隙的阻力，降低鉆井液對儲層的損害。

3 結論

1)聚丙烯酸鉀有一定的自由水束縛性能，能夠降低水基鉆井液中的自由水含量。

2)聚丙烯酸鉀具有提高鉆井液的抑制性、濾失性、儲層保護性等的性能。

3)聚丙烯酸鉀能夠對鉆井液的黏度產生一定影響，應在保證鉆井液具有良好流動性的前提下加入適量聚丙烯酸鉀。