不同聚合物協(xié)同作用對鉆井液流變性能影響研究

孔慶勝，呂 鵬，陳 強(qiáng)

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300452；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津300452）

流型調(diào)節(jié)劑通過增粘提切作用改善鉆井液的流變性能，使鉆井液保持較好的懸浮、攜帶、穩(wěn)定井壁的能力[1]。近年來，國內(nèi)油田勘探開發(fā)力度不斷加大，適用于大位移、大斜度定向及深水、超深水等高難度井的鉆井液需求越來越大，對鉆井液流變性提出更高的要求[2]。典型鉆井液用流型調(diào)節(jié)劑主要包括有機(jī)土和聚合物兩大類。有機(jī)土高溫下容易稠化、易污染儲(chǔ)層的缺點(diǎn)制約了它在現(xiàn)場的推廣應(yīng)用[3]。聚合物類流型調(diào)節(jié)劑主要包括天然聚合物和人工合成聚合物[4,5]，這兩類流型調(diào)節(jié)劑混合使用可以滿足技術(shù)上和成本上的雙重考量。淀粉、黃原膠是典型的天然聚合物[6]，而丙烯酰胺及其衍生物是典型的人工合成流型調(diào)節(jié)劑[5]。

本文以典型水基鉆井液配方為基礎(chǔ)，通過不同類型流型調(diào)節(jié)劑的優(yōu)化及組合使用，研究了不同流型調(diào)節(jié)劑對鉆井液流變性能的影響。從膠體與界面化學(xué)角度分析了不同流型調(diào)節(jié)劑的作用機(jī)理及其協(xié)同作用，為水基鉆井液的現(xiàn)場使用提供理論支持與指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：NaOH（≥99.5%）,Na2CO3（≥99.5%）,NaCl（＞99.5%），KCl（＞99.5%）,MgSO4（≥99%），Mg－Cl2（＞99.5%），CaCl2（＞99.5%），NaHCO3（＞99.5%），NaBr（＞99.5%），均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；檸檬酸（工業(yè)級）、聚胺（UHIB）、防泥包劑（HLUB）、小分子包被劑（UCAP）、改性淀粉（FLOTROL）均由天津中海油服化學(xué)公司提供。

聚合物A：天然生物類聚合物，由黃原菌類作用于碳水化合物而生成的高分子鏈狀多糖聚合物，屬于聚陰離子型線型高聚物；聚合物B：人工合成的聚丙烯酰胺類化合物，粘均分子量約為300～400萬，具有線性結(jié)構(gòu)；聚合物C：天然聚合物A經(jīng)過化學(xué)結(jié)構(gòu)改性而得到的聚合物復(fù)合產(chǎn)品，均由天津中海油服化學(xué)公司提供。

人工海水（26.518g·L-1NaCl，3.305·L-1MgSO4，22.227g·L-1MgCl2，10.725g·L-1CaCl2，0.202g·L-1NaHCO3，0.725g·L-1KCl，0.083g·L-1NaBr）

漢密爾頓三軸攪拌器（美國OFITE公司）；八速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（美國OFITE公司）；五軸滾子爐（美國OFITE公司）;OFITE老化罐（美國OFITE公司）；分析天平（精度0.001g）；藥匙，配漿杯，量筒，量杯（1000ML）。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物A對HEM鉆井液流變影響研究

按照基礎(chǔ)漿配方 海水+0.1% NaOH+0.2%Na2CO3+2% FLOTROL+0.5% UCAP+0.17%檸檬酸+3% UHIB+2% HLUB+9% NaCl+5% KCl，用量筒量取人工海水350mL倒入配漿杯中，用藥匙取各組分在天平上精確稱量，聚合物A的加量分別為：0.1%、0.2%、0.3%、4%，在低速攪拌狀態(tài)下加入配漿杯中，得到4種水基鉆井液配方，分別記為配方1、2、3、4。將配漿杯置于高速攪拌器上，在10000r·min-1狀態(tài)下高速攪拌5min，停轉(zhuǎn)后取下配漿杯，用刮刀刮下粘在杯壁上的藥品并加入鉆井液中；繼續(xù)攪拌15min，其中每隔5min取下配漿杯用刮刀刮下藥品加入鉆井液中。

分別取配置好的各鉆井液350mL，倒入老化罐中，擰緊固定螺絲，置于滾子爐中，100℃熱滾老化16h，取出并冷卻至室溫，倒入配漿杯中，在10000r·min-1轉(zhuǎn)速高速攪拌10min后，取下配漿杯后將鉆井液倒入測量杯中，在粘度計(jì)上讀取Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、Φ3的穩(wěn)定讀數(shù)，將鉆井液樣品在600r·min-1攪拌10s，靜止10s后開動(dòng)儀器使轉(zhuǎn)筒以3r·min-1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄此時(shí)的最大讀值，記為初切力Gel 10"（單位為Pa）；再將鉆井液樣品在600r·min-1重新攪拌10s，靜止10min后開動(dòng)儀器使轉(zhuǎn)筒以3r·min-1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄此時(shí)的最大讀值，記為終切力Gel 10′（單位為Pa）。通過流變公式[7]（1）、（2）、（3），計(jì)算樣品的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力。

式中AV：表觀粘度，mPa·s；PV：塑性粘度，mPa·s；YP：動(dòng)切力，Pa。

聚合物A不同加量下鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 聚合物A加量對體系流變性的影響Tab.1 Effect of polymer A on the rheological property of the system

由表1可以看出，隨著聚合物A加量的不斷增加，體系表觀粘度從15.5mPa·s增至30.5mPa·s，增幅近1倍，而動(dòng)切力從4.5Pa增至14Pa，增漲3倍。同時(shí)，體系的初、終切隨著聚合物A加量的增加而顯著增大，加量為0.3%的體系的初、終切比加量為0.2%的有了較大增長。聚合物A為聚陰離子線型高聚物，一方面聚合物A在水中溶脹、溶解過程中自身粘度不斷增大，導(dǎo)致體系表觀粘度增加；另一方面其雙螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、陰離子基團(tuán)等結(jié)構(gòu)特性，使其分子間容易發(fā)生相互作用，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣導(dǎo)致了少量的加入即可使動(dòng)切力和初、終切明顯的變化。聚合物A有利于提高體系的切力，增強(qiáng)體系的懸浮能力。但值得注意的是，實(shí)際使用過程中初、終切過高，在重新建立鉆井液循環(huán)時(shí)泵壓會(huì)過高。聚合物A在加量0.4%時(shí)，動(dòng)切力已經(jīng)是一個(gè)較高的值，而初、終切之間的差值進(jìn)一步縮小，這就需要通過其他聚合物的協(xié)同使用，以保證增加表觀粘度及動(dòng)切力的同時(shí)保證初、終切符合使用要求。從體系性能及經(jīng)濟(jì)角度考慮，選取聚合物A為0.3%的加量。

2.2 確定聚合物A用量，協(xié)同聚合物B對HEM鉆井液流變影響研究

在加入0.3%聚合物A基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上改變聚合物B的加量，將聚合物B加量為0.3%、0.5%得到兩種鉆井液分別記為配方5、6。參考2.1部分鉆井液的配制、老化及參數(shù)測定、計(jì)算方法，考察聚合物B與聚合物A協(xié)同作用下對鉆井液體系流變性的影響。

由表2可以看出，聚合物A加量為0.3%時(shí)，高濃度聚合物B下的鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力均較高。增加聚合物B的加量可以提高該體系的流變性和動(dòng)切力。

聚合物B在金屬離子作用下可發(fā)生一定程度的交聯(lián)反應(yīng)，部分結(jié)構(gòu)可由線型轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，一定程度增加了鉆井液內(nèi)的摩擦，使鉆井液表觀粘度、塑性粘度增大，體型結(jié)構(gòu)的形成也增加了體系的動(dòng)切力。同時(shí)應(yīng)該注意聚合物B的加量對體系的初、終切并無顯著影響。這兩種聚合物的協(xié)同使用，有效的解決了聚合物A單獨(dú)使用時(shí)初、終切力不足的問題。但終切力和動(dòng)切力還沒有達(dá)到預(yù)期要求，動(dòng)切力相對較高，而初、終切的數(shù)值不夠理想。

表2 聚合物B加量對體系流變性的影響Tab.2 Influence of the polymer B on the rheology of the system

2.3 確定聚合物A、B用量，協(xié)同聚合物C對HEM鉆井液流變影響研究

在2.2的6號配方的基礎(chǔ)上改變聚合C加量，將聚合物C加量為0.1%、0.2%、0.3%得到的鉆井液記為配方7、8、9。參考2.1部分鉆井液的配制、老化及參數(shù)測定與計(jì)算方法，考察聚合物A、聚合物B和聚合物C對體系流變性的協(xié)同影響。

表3 聚合物C加量對體系流變性的影響Tab.3 Influence of the polymer C on the rheology of the system

由表3可以看出，隨著聚合物C加量的增加，體系表觀粘度和動(dòng)切力不斷增加。當(dāng)聚合物C加量為0.2%時(shí)，初切力終切力就達(dá)到6.5Pa和12Pa，遠(yuǎn)大于只加聚合物A和B的切力，符合現(xiàn)場作業(yè)要求。當(dāng)加量為0.3%時(shí)，終切力就會(huì)達(dá)到16Pa，這對于現(xiàn)場應(yīng)用切力結(jié)構(gòu)過強(qiáng)，易導(dǎo)致開泵壓力激動(dòng)大，造成復(fù)雜情況。

聚合物C在溫度和剪切作用下，分子鏈逐漸伸展，所形成的游離態(tài)聚合物分子與聚合物A、B分子相互作用，相互纏繞。這種協(xié)同作用提高了聚合物A分子的穩(wěn)定性，使分子與分子之間的鏈接交聯(lián)強(qiáng)度增大，密切程度增加，進(jìn)一步強(qiáng)化聚合物A的增粘性構(gòu)象和側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞的結(jié)構(gòu)，建立更好的氫鍵維系的棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合體。在聚合物A、B、C的協(xié)同作用下達(dá)到了理想的效果；聚合物C加量0.2%時(shí)即可達(dá)到理想的要求，實(shí)際使用時(shí)經(jīng)濟(jì)性也較高。

3 結(jié)論

（1）聚合物A有利于提高鉆井液體系的切力，增強(qiáng)體系的懸浮能力。但單獨(dú)使用時(shí)難以同時(shí)滿足現(xiàn)場作業(yè)對鉆井液表觀粘度、動(dòng)切力及初、終切等各項(xiàng)要求。綜合考慮技術(shù)及成本，聚合物A的最佳加量為0.3%。

（2）聚合物B和聚合物A協(xié)同使用時(shí)，可以緩解聚合物A單獨(dú)使用時(shí)初、終切力不足的問題。但終切力和動(dòng)切力仍未達(dá)到作業(yè)需求。

（3）聚合物C和聚合物A、B協(xié)同使用，聚合物C加量為0.2%時(shí)初、終切力達(dá)到6.5Pa和12Pa，遠(yuǎn)大于只加聚合物A和B的切力，符合現(xiàn)場作業(yè)要求。

（4）優(yōu)化后的各聚合物使用濃度為：聚合物A：0.3%；聚合物B：0.5%；聚合物C：0.2%。