聚合物鉆井液的發展情況研究

周大宇

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

自20 世紀70 年代開始，經過幾十年的發展，聚合物鉆井液已經成為應用最為廣泛的鉆井液體系之一。一般意義上來說，任何使用水溶性聚合物作為處理劑的鉆井液體系都可以稱為聚合物鉆井液體系。但在實際分類中，聚合物鉆井液體系通常是指以高分子聚合物為主要成分的鉆井液體系。20世紀50年代，聚丙烯酰胺（PAM）作為包被劑開始被應用于鉆井液中。隨著化學工業的進一步發展，科研人員發現，經過改性的部分水解的聚丙烯酰胺（PHP）更適于用作鉆井液處理劑，因為其有選擇性絮凝的作用，能針對性地絮凝包被有害固相（鉆屑和劣質粘土），有害固相的減少使體系中的亞微米顆粒含量明顯減少，機械鉆速也得到了顯著提高[1-2]。聚合物鉆井液的優異性能開始逐步被從業者關注，并陸續被應用在油氣田鉆井、煤層氣開采以及有色金屬開采的鉆孔作業中。但當時以部分水解的聚丙烯酰胺為主的聚合物鉆井液也存在一些問題：①作為一種選擇性絮凝劑，其最優使用范圍窄，特別是鉆遇含有大量的蒙脫石或伊蒙混層的強水敏感的地層時，絮凝效果較差；②形成的鉆井液體系膠凝強度大，靜切力較大，體系的流變性不易控制。由于聚合物在鉆井液領域中具有優異的效果，聚丙烯酸鉀、聚丙烯銨鹽和多元共聚物等處理劑在研究、生產和應用中得到了快速發展。

1 聚合物鉆井液的特性

與其他類型的鉆井液相比，聚合物鉆井液主要具有如下特性：①具有良好的流變性。聚合物鉆井液中存在大量的聚合物分子，這些大分子對鉆井液體系中的微粒起到了橋連作用，表現出較好的剪切稀釋性。其結構強度主要取決于顆粒與聚合物分子之間的橋連作用強度。在井下高剪切應力的情況下，橋接作用被破壞，粘度和剪切應力降低，從而表現出較好的剪切稀釋效果和較好的觸變性，從而對巖屑產生較好的懸浮作用。而在鉆頭噴嘴周圍的高速流體作用下產生高剪切速率和較低的流體阻力有利于提高鉆速和破巖。②具有良好的井壁穩定能力。聚合物鉆井液中的大分子聚合物，能有效吸附在井壁表面的巖石上，進一步降低裸露地層因為被鉆井液濾液浸泡而產生的剝落掉塊問題，有利于維持井壁穩定，減少井眼擴大率和降低井下復雜事故的發生[3-4]。

早期的聚合物鉆井液主要由水解聚丙烯腈銨鹽和聚丙烯酸鉀組成，其中水解聚丙烯腈銨鹽是聚丙烯腈在高溫堿性條件下水解制成的，而且對鉆井液粘度影響小。其中可游離的NH4+可以抑制泥頁巖的水化分散，具有良好的抗高溫降濾失作用。聚丙烯酸鉀是聚丙烯酰胺部分水解的產物，其加量通常在0.1%～0.3%之間，除了可以有效降低失水，還有一定的穩定井壁作用。

2 聚合物鉆井液的作用機理

2.1 井壁穩定機理

聚合物鉆井液中的主要處理劑是具有極性官能團的高分子聚合物，當聚合物與井眼周圍的巖石相接觸時，它們可以通過氫鍵作用或靜電吸附作用粘附在粘土顆粒表面，從而避免水分子的進入[5-6]。由于聚合物具有較高分子量和良好的線性膨脹能力，使其不僅可以吸附在粘土顆粒上，還可以進一步鏈接相鄰的粘土顆粒，進而使多個粘土顆粒連接或橋接在一起，因此，聚合物鉆井液可以防止泥頁巖分散，保持井眼穩定性。

聚合物鉆井液中提供的鉀離子和銨離子的水合鍵能分別為393kJ/mol和364kJ/mol，均低于鋰、鈉、鈣、鎂等離子的水合鍵能，因此可以優先吸附井眼附近的巖石表面。此外，鉀離子和銨離子的原子直徑為2.66?和2.86?，可以更容易地進入粘土分子內部（粘土是由硅氧四面體和鋁氧八面體組成）并將水分子從粘土的層間擠出，進而降低自由水對粘土的水化分散作用。此外，原子半徑較小的鉀離子和銨離子，可以嵌入伊利石層間（伊利石的層間間隙大約為10.6?）。當鉀離子吸附到粘土表面使其失去吸附水后，其離子半徑進一步縮小，硅氧四面體和鋁氧八面體的空間結構進一步被壓縮，彼此相互靠近，使鉀離子進一步靠近相鄰晶體之間的負電荷中心，進一步形成更為致密的連接結構，從而加強了鉀離子的晶格固定效應，使其更難被取代，從而更為穩固。

2.2 降濾失機理

聚合物鉆井液中的聚合物處理劑主要通過橋接作用來與粘土顆粒形成穩定的空間網格結構，防止粘土顆粒之間碰撞聚集，并能在裸露的井壁上形成致密的濾餅。其具有較強水化能力的酰胺基團（-CONH2），可以增加水化膜的厚度，產生以水堵水的作用，泥餅中高粘度的吸附水可以有效地防止鉆井液中的自由水滲入井壁附近地層中。此外，降濾失劑可提高濾液粘度并堵塞井壁附近泥餅和地層中的微裂縫，使泥餅之間更致密，減少濾液的進一步侵入。

3 聚合物鉆井液的性能控制

目前聚合物鉆井液中最常用的處理劑有部分水解聚丙烯酸鉀（KPAM）、聚丙烯腈銨鹽（HPAN）、聚陰離子纖維素（PAC）、黃原膠（XCD）和磺化瀝青。其中KPAM 作為選擇性絮凝劑，主要用于去除體系中的有害固相、抑制泥頁巖的水化分散，其有一定的增粘作用，加量一般為0.2%～0.4%，可以使用在井底溫度不超過180℃的深井中。HPAN主要作為降濾失劑使用，加量一般為1%～3%，實際使用時需要根據鉆井施工設計對失水的要求進行調整。PAC和XCD主要用于調整聚合物鉆井液的流變性，其中PAC的加量一般為0.2%～0.5%，主要用于提高粘度；XCD的加量一般為0.05%～0.1%，主要用于提高體系的切力。隨著鉆井深度的增加，鉆遇不穩定地層的幾率變大，為了避免出現井壁坍塌、剝落等情況，通常會使用一些瀝青類材料來提高泥餅的致密性和降低失水。在鉆遇易漏失地層時還需要適當增加粘度并補充隨鉆防漏材料。

4 結論

（1）聚合物鉆井液具有良好的流變性和井壁穩定能力，現場調整與維護均較為方便，有利于提高鉆井速度。

（2）聚合物鉆井液具有良好的抑制性和較低的固相含量，適用于水敏性地層和煤層氣等易坍塌地層。

（3）與常規鉆井液相比，聚合物鉆井液所需要的處理劑種類少、加量低，可有效降低鉆井液的使用成本。