苗鈺琦，張 婷，鄭繼龍

(1.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 南陽 473000;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

鉆井液用聚丙烯酰胺分子鏈上含酰胺基易與水形成氫鍵，親水性強(qiáng)。在引入離子基—COO－的部分水解聚合物中，—COO－之間存在靜電排斥，使分子鏈拉伸，提高了聚丙烯酰胺溶液的黏度［1］。鉆井液中加入的聚丙烯酰胺具有增黏、防塌防漏、降濾失等作用，能提高泥漿的懸浮力和稠度，從而使泥漿控制濾失量、增強(qiáng)穩(wěn)定性、降低摩阻、提高固井速度等［2］。因此研究鉆井液用聚丙烯酰胺的性能及其性能評(píng)價(jià)具有重大意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

梳形聚合物HJ－1，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司;陰離子聚丙烯酰胺(XR－2)，深圳興瑞環(huán)?？萍加邢薰?反向乳液DY－3、聚丙烯酰胺，東營(yíng)勝利油田聚合物有限公司;NaOH，KCl，NaCl，Na2CO3，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

TC－502P恒溫水浴;賽多利斯電子天平BSA223S－CW，德國(guó);JJ－6型六連電動(dòng)攪拌器，轉(zhuǎn)速:0～3000 r/min，深圳市鼎鑫宜實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;DV－Ⅲ Brookfield黏度儀，美國(guó)Brookfield公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱 WGL－45(B)型，天津泰斯特儀器有限公司;ZNS－D6六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、HGDS－1失水測(cè)量?jī)x、GRL高溫滾子爐、BGJ－1變頻高速攪拌機(jī)，青島得順電子機(jī)械有限公司。

1.2 聚合物特性黏度測(cè)定

愛因斯坦理論表明，溶液中的大分子特性黏度是影響溶液黏度的主要因素［3］。特性黏度能反映單位質(zhì)量的聚丙烯酰胺分子在其溶液中所占體積大小。因此，測(cè)定聚丙烯酰胺特性黏度對(duì)評(píng)價(jià)其增黏性至關(guān)重要。

1.2.1 溶劑流出時(shí)間測(cè)定［4］

將烏氏黏度計(jì)安裝在鐵架臺(tái)上，放入25℃恒溫水槽，如圖1所示，液面應(yīng)高過a線上方的球2 cm，用移液管取10 mL待測(cè)溶劑從A口注入，恒溫10 min;然后堵住B口，用洗耳球在C口將待測(cè)溶劑吸至a線上方半球處，去掉洗耳球，松開B口，測(cè)定待測(cè)溶劑上液面從a處流經(jīng)b處所用的時(shí)間，重復(fù)3次，取其平均值為t0。

圖1 烏氏黏度計(jì)示意圖

1.2.2 溶液流出時(shí)間測(cè)定［5］

依照1.2.1，用移液管取10 mL待測(cè)溶液，測(cè)定待測(cè)溶液上液面從a處流經(jīng)b處所用的時(shí)間，重復(fù)3次，取其平均值為t1;然后再用移液管移入5 mL溶劑，使其混合均勻，恒溫10 min，測(cè)定待測(cè)溶液上液面從a處流經(jīng)b處所用的時(shí)間，重復(fù)3次，取其平均值為t2;再用移液管取5 mL溶劑測(cè)t3;清洗烏氏黏度計(jì)，用移液管取5 mL已知濃度的溶液和10 mL溶劑，測(cè)其混合液從a處流經(jīng)b處所用的時(shí)間t4，再用移液管取5 mL溶劑測(cè)t5。

1.3 聚合物抗鹽性測(cè)定［6］

分別用蒸餾水與HJ－1、XR－2和DY－3按一定質(zhì)量比配制0.1%的聚合物溶液，再分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl，利用Brookfield DV－Ⅲ黏度儀測(cè)其黏度。

1.4 聚合物在鉆井液中性能的測(cè)定［7］

稱取5.00 L蒸餾水，加熱至60℃，緩慢加入500.00 g坂土，用BGJ－1變頻高速攪拌機(jī)攪拌20 min，稱取 25.00 g Na2CO3加入其中，并攪拌2 h，靜置 24 h。取 500.00 g 海水，加入 0.50 g NaOH和1.25 g Na2CO3，攪拌均勻。用以上2種溶液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%海水坂土漿400.00 g，攪拌20 min;再向其中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯酰胺乳液，攪拌20 min;適量加入降濾失劑AM、抑制劑KCl和潤(rùn)滑劑ABSN，攪拌20 min;在室溫條件下，用ZNS－D6六速旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)其流變性;利用GRL高溫滾子爐在130℃條件下，將鉆井液熱滾16 h后放至室溫，攪拌5 min，測(cè)其動(dòng)切力、塑性黏度、表觀黏度及FLAPI等。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯酰胺相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算

測(cè)定聚合物特性黏度，得其不同濃度聚合物溶液的相對(duì)黏度和增比黏度，結(jié)果見表1。

表1 聚合物的相對(duì)黏度和增比黏度

根據(jù)聚合物的相對(duì)黏度和增比黏度，繪制對(duì)應(yīng)的ηsp/Cr和 ηr/Cr與Cr關(guān)系圖，求得截距 H，計(jì)算其特性黏度和黏均相對(duì)分子質(zhì)量，結(jié)果見表2。HJ－1和XR－2黏均相對(duì)分子質(zhì)量遠(yuǎn)高于DY－3。在相同濃度下，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量與黏度成正比，相對(duì)分子質(zhì)量越大，黏度越大。作為增黏劑的聚丙烯酰胺須選用以溶液聚合法制備的高相對(duì)分子質(zhì)量的聚丙烯酰胺。

表2 聚合物的特性黏度和黏均相對(duì)分子質(zhì)量

2.2 聚丙烯酰胺的抗鹽性

進(jìn)入地層的鉆井液，其黏度會(huì)受到地層水礦化度的影響。因此，為了保證鉆井液的增黏效果，考察增黏劑的抗鹽性，結(jié)果見圖2。

圖2 NaCl含量對(duì)聚合物溶液黏度的影響

從圖2看出，HJ－1和XR－2溶液的黏度隨NaCl含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增加而下降，NaCl含量小于0.2%時(shí)，HJ－1和 XR－2溶液黏度隨NaCl含量增大下降快，NaCl含量大于0.2%時(shí)，其下降緩慢。比較3種聚合物的，HJ－1抗鹽性最好，且在NaCl含量于0.2%時(shí)，黏度基本保持穩(wěn)定;聚合物XR－2和HJ－1均具有抗鹽性，但XR－2的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不足HJ－1。當(dāng)NaCl含量大于0.7%時(shí)，聚合物DY－3黏度基本為0。

通過聚丙烯酰胺的抗鹽性實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的抗鹽性優(yōu)于低相對(duì)分子質(zhì)量的;由于HJ－1側(cè)鏈帶親水和親油基團(tuán)，基團(tuán)間存在排斥力，使分子卷曲、纏繞減少，高分子鏈在水溶液中成梳狀，具有較好的抗鹽能力和剪切穩(wěn)定性。DY－3相對(duì)分子質(zhì)量小，其水溶液黏度較低，當(dāng)加入NaCl后，體系的羧基負(fù)離子與Na+結(jié)合，使高分子線團(tuán)間靜電斥力減弱，線團(tuán)收縮，黏度降低。綜合考慮，梳形聚合物HJ－1是較適合的增黏劑，具有較好的抗剪切性和抗鹽性。

2.3 聚合物對(duì)鉆井液性能的影響［8］

為提高鉆井液攜帶巖屑和減少井壁沖刷的能力，需向鉆井液中加入適量的高分子添加劑，改變鉆井液流變性。聚合物溶液的流變性用溶液表觀黏度隨剪切速率的變化關(guān)系表征［9］。

配制2種鉆井液基漿各400.00 g，其中A體系:4.0%海水坂土漿+0.3%聚丙烯酰胺;B體系:4.0%海水坂土漿 +5.0%DY－3。配制2種鉆井液體系各400.00 g，其中C體系:4.0%海水坂土漿 +0.3%聚丙烯酰胺 +2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN;D體系:4.0%海水坂土漿+5.0%DY － 3+2.0%AM+3.0%KCl+3.0%ABSN?？疾炀郾０穼?duì)基漿性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 不同聚合物對(duì)鉆井液體系性能的影響

由表3可知，在鉆井液基漿和鉆井液體系中，加入DY－3后，經(jīng)高溫滾子爐16 h，其表觀黏度增大，說明其具有很好的耐溫抗鹽性。在鉆井液基漿中HJ－1在經(jīng)過高溫滾子爐前后其黏度均小于XR－2，在鉆井液體系中其黏度高于XR-2，主要是由于聚合物HJ－1與體系中AM、KCl和ABSN發(fā)生了作用，使其黏度增加。

聚合物DY－3的 FLAPI明顯小于 XR－2和HJ－1，體系中加入 AM、KCl和 ABSN，其 FLAPI降低，其中HJ－1降低幅度最大，主要是由于其與體系中AM、KCl和ABSN發(fā)生協(xié)同作用，使鉆井液體系黏度增大、濾失量減小。

作為鉆井液流變性調(diào)節(jié)劑，DY－3具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其耐溫抗鹽性、降濾失性使鉆井液性能更穩(wěn)定;而HJ－1和XR－2需在熱穩(wěn)定性及降濾失性能上加以改進(jìn)。

3 結(jié)論

1)水溶液聚合法制備的聚合物相對(duì)分子質(zhì)量較高，反相乳液法制備的聚合物盡管具有一定的黏度，但相對(duì)分子質(zhì)量較低，可從合成單體及反應(yīng)條件等方面改進(jìn)。

2)HJ－1具有較好的抗鹽能力和剪切穩(wěn)定性。

3)DY－3具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其耐溫抗鹽性、降濾失性使鉆井液性能更穩(wěn)定;而HJ－1和XR－2需在熱穩(wěn)定性及降濾失性能上加以改進(jìn)。

［1］趙秀太，王增寶，邱光敏，等.部分水解聚丙烯酰胺水溶液初始粘度的影響因素［J］.石油與天然氣化工，2009，38(3):231－234.

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