聚合物和膨潤土協同作用對水基鉆井液性能的影響研究*

高明星，王育襲

(延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安 717500)

水基鉆井液主要由黏土、處理劑、鉆屑和水組成，其性能與鉆井液中的黏土、處理劑及其相互作用相關。傳統的水基鉆井液具有較高的固相含量，鉆井液中黏土顆粒之間通常能夠形成較強的結構，黏度的變化受黏土含量的影響較大。聚合物類處理劑在高溫作用下易發生降解、交聯等作用，而黏土礦物易發生聚結、鈍化等作用，另外，高溫還會削弱處理劑在黏土表面的吸附作用，影響處理劑的性能[1-3]。

聚合物對液相黏度或濾液的影響，主要取決于聚合分子的相對質量和分子鏈中吸附基團的水化特性，當聚合物濃度較高時，還會因聚合物大分子之間的交聯作用而提高鉆井液的黏度[4]。高分子聚合物與黏土顆粒之間的吸附和橋聯作用對鉆井液黏度影響較大；尤其是當井深較深時，鉆屑分散時間較長，高溫會促進泥頁巖的分散作用，會進一步加強吸附和橋聯作用，導致鉆井液增稠。傳統降黏劑主要是通過改變黏土礦物顆粒的分散作用而達到降低鉆井液黏度的效果，主要是通過降黏劑使黏土礦物分散從而降低其形成空間網架結構的能力，達到一定的降黏效果，但是大量分散的黏土礦物顆粒又與聚合物發生較強的吸附和橋聯作用，進而增強鉆井液的結構黏度。綜合分析，傳統降黏劑在高溫高壓水基鉆井液流變性的調控方面效果不理想[5-8]。

乙烯基聚合物由于其特殊的結構(沿主鏈只有C—C 鍵)，使其具有較好的耐熱性和降黏性。膨潤土的主要作用是改善鉆井液的流變性，增強其過濾性，進而形成低滲透的濾餅。為評價高溫高壓下鉆井液的性能，對不同鉆井液體系開展了包括黏土膨脹率、流變性和過濾性在內的多項試驗，測量了表觀黏度、凝膠強度、濾液體積、屈服應力和黏土膨脹率等參數。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

低分子量(3.5×104g/mol)和高分子量(5.8×105g/mol)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K90)，河北拓海生物科技有限公司；平均分子量為1.7×106g/mol 的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，濮陽市海之源化工實業有限公司；平均分子量為1.5×105g/mol 的聚陰離子纖維素(PAC)，山東銘江化工有限公司；平均分子量為3.8×105g/mol 的瓜爾膠，廣州天佳生物科技有限公司；膨潤土，湖北興東誠化工有限公司；氧化鎂(MgO)，九江恒通化工有限公司；硫酸鋇(BaSO4)，廊坊藍科化工有限公司；氯化鈉(NaCl)，山東正宇化工科技有限公司。以上試劑均為分析純。

NDJ-1C 型高溫黏度計，重慶英檢達儀器有限公司；StuartRE401 型玻璃蒸發立式冷凝器，廣州市賽拓儀器科技有限公司；HTP-3A 型高溫高壓泥頁巖膨脹儀，青島恒泰達機電設備有限公司；HDF-1 型高溫高壓動態濾失儀，青島海通達專用儀器有限公司。

1.2 鉆井液制備

將一定比例的用于配制鉆井液的化合物在燒杯中溶解，并以8000 r/min 的速率攪拌30 min。攪拌完成后將配制好的鉆井液放入烘箱中，在模擬高溫120 ℃、剪切速率65 s-1條件下恒定溶解16 h，從而得到不同類型的鉆井液。不同配方鉆井液的組成見表1。

表1 鉆井液配方 單位：g/L

1.3 試驗過程

1.3.1 流變性試驗

在室溫(25 ℃)條件下，利用黏度計測量鉆井液流體的流變性參數，測量的主要參數主要包括凝膠強度(Gs)、表觀黏度(ηa)、屈服應力(τo)和塑性黏度(ηp)。

1.3.2 過濾性試驗

在壓力為3.45 MPa、溫度為120 ℃條件下利用濾失儀分別測量鉆井液的過濾性。當溫度為120 ℃時，利用冷凝器獲得濾液，同時為防止濾液揮發，保證入口和出口的壓力分別為4.50 MPa 和0.75 MPa。

1.3.3 熱穩定性試驗

為測試鉆井液在高溫下的熱穩定性，在溫度范圍為70～120 ℃，利用高溫黏度計測量鉆井液的屈服應力和凝膠強度。

1.3.4 膨脹率試驗

將15 g 膨潤土放入液壓缸中，并在69 MPa 的壓力下壓制3 h，制備試樣。為了確保相對濕度在5%以下，將試樣在含有飽和CaCl2溶液的干燥器中保存放置24 h。將試樣浸泡在表2 中所述的聚合物溶液中，并利用膨脹儀測量試樣的膨脹率，利用測厚儀測量試樣前后變化的尺寸。

表2 用于膨脹率試驗的聚合物溶液

2 結果和討論

2.1 流變性和過濾性試驗

鉆井液流變參數中的表觀黏度和塑性黏度是考察鉆井液懸浮鉆屑能力的重要參數，屈服應力與懸浮液中黏土顆粒的排列有關，黏土的膨脹性取決于蒙脫土的含量和平衡離子的分布。0#水基鉆井液的流變參數見表3。

表3 0#水基鉆井液的流變參數

由表3 可見：0#水基鉆井液表觀黏度值較低，說明該鉆井液的保水性較差，主要與鉆井液中二價陽離子(鈣、鎂離子)的存在有關。二價陽離子的存在還阻礙了黏土在水中的分散，因此濾液量也較高。

在高溫高壓下，對含天然聚合物(PAC 和瓜爾膠)的0#基準鉆井液進行了流變性和過濾性試驗，傳統水基鉆井液在120 ℃和3.45 MPa 下濾液體積超過40 mL，證明了傳統水基鉆井液在高溫高壓下的不穩定性。

流體的流變性和過濾性與鉆井液中黏土礦物和聚合物的相互作用直接相關。在高溫(120 ℃)下，考察了加入不同配比黏土礦物和聚合物的鉆井液的流變性能，結果見表4。

表4 高溫下不同鉆井液的流變性能

由表4 可見：與0#基準鉆井液相比，僅添加不同含量HPAM 的1#和2#鉆井液黏度有所增加，但濾液量變化不大。為考察聚合物和膨潤土之間的協同效應，將PVP 添加到鉆井液中，目的是縮短過濾時間，減少濾液的體積。其中，含有高分子量PVP 的鉆井液(3#、4#、5#和6#)的流變性得到顯著改善，主要是由于高分子量聚合物和黏土礦物之間的締合相互作用以及黏土顆粒之間的相互結合有利于黏土絮凝；在加入低分子量PVP 的鉆井液(7#、8#、9#和10#)中，黏度和濾液量均降低，主要原因是加入低分子量PVP 后，黏土的分散性得到增強。由此可見，鉆井液的黏度和黏土膨脹度之間存在直接的相關性，9#和10#鉆井液的濾液量最小，僅為23 mL 左右。鉆井液的濾液量小表明溶液中的游離水較少，同時形成的低厚度濾餅也導致濾液量減少。

優化后不同鉆井液的黏度曲線見圖1。

圖1 不同鉆井液流體的黏度隨剪切速率的變化曲線

由圖1 可見：鉆井液的黏度均隨剪切速率的下降而下降，表現出假塑性行為。與使用低分子量PVP(9#和10#)和常規天然聚合物(0#)的鉆井液相比，使用高分子量PVP 的鉆井液(5#和6#)具有更高的黏度。9#和10#鉆井液的黏度均低于0#基準鉆井液，表明低分子量PVP 具有分散作用。盡管PVP 溶于水后的分子結構中不帶電荷，但黏土表面上的離子與PVP 結構中的酰胺基團之間可能會發生特定的相互作用，有利于內部空間的穩定及其在溶液中的分散。5#高分子量PVP 鉆井液具有最佳的流變性和過濾性。

2.2 熱穩定性試驗

分別對含有0#基準鉆井液、5#高分子量PVP鉆井液和10#低分子量PVP 鉆井液進行了熱穩定性試驗，試驗溫度70～120 ℃，評價了不同鉆井液的屈服應力和凝膠強度隨溫度升高的變化趨勢，結果見圖2 和圖3。

圖2 溫度對鉆井液屈服應力的影響

由圖2 和圖3 可見：溫度升高有利于鉆井液中黏土的絮凝，因此在試驗完成后需要使用分散劑來控制鉆井液的漸進凝膠。屈服應力和凝膠強度等參數與黏土中的顆粒排列相關。5#鉆井液的屈服應力最高，說明該鉆井液體系為絮凝體系。然而，10#鉆井液的屈服應力最低，主要是因為低分子量PVP有助于黏土分散，從而形成的鉆井液體系為分散體系。0#鉆井液的屈服應力處于兩者之間，主要原因是天然聚合物中的多糖有利于黏土絮凝。

造成這些現象的原因主要與粒子間的相互作用及粒子與聚合物間的表面接觸有關。10#鉆井液中懸浮顆粒與水之間的相互作用更強，接觸面積更大，加劇了體系中的分散作用，降低了顆粒間的摩擦力，導致溶液的屈服應力降低。而高分子量PVP 會加劇粒子間的相互作用，導致損耗較大，屈服應力下降程度較大。

凝膠強度的試驗結果證明了先前的結果，10#鉆井液在整個試驗溫度范圍內凝膠強度均保持恒定，證明加入低分子量PVP 的鉆井液所形成的體系比較分散，即使在較高的溫度下也保持流變參數的穩定，鉆井液具有良好的流變性和過濾性能。同時，5#鉆井液形成了漸進凝膠體系，凝膠體系的機械強度隨著溫度的升高而增大，表明鉆井液在逐漸凝固，該現象會影響鉆井作業的正常開展，需要在靜態周期后重新啟動循環，可能會導致壓力泵過載和巖石破裂。

在含有天然聚合物的0#鉆井液中，凝膠強度隨溫度的升高而下降，證明多糖對溫度比較敏感。當溫度升高至100 ℃左右時，0#鉆井液的凝膠強度會降至0 左右，證明該鉆井液中的粒子無法與固體顆粒相互作用形成凝膠結構。當鉆井作業中斷時，無法形成凝膠結構的鉆井液不會使巖屑處于懸浮狀態，從而影響巖屑的上返，影響鉆井性能。

高溫高壓下的流變性和過濾性變化可以通過聚合物和黏土礦物之間發生的相互作用來解釋。乙烯基聚合物表現出良好的熱穩定性，因為除了其主鏈由C—C 鍵組成之外，PVP 中的酰胺基團會導致聚合物結構中的部分電荷，可以與黏土中的電荷相互作用。聚合物與膨潤土之間的協同作用導致鉆井液處于分散狀態，同時有助于膠體填充形成低滲透性濾餅，改善了鉆井液的過濾性能。

2.3 膨脹率試驗

膨脹率試驗結果見圖4。

圖4 膨潤土在不同溶液中的膨脹率變化

由圖4 可見：膨潤土在蒸餾水中的膨脹率最高，表明膨潤土在蒸餾水中具有良好的分散性。當溶液為低分子量PVP 時，膨脹率有所降低；當溶液為高分子量聚合物(高分子量PVP 和HPAM)時，膨潤土的膨脹率進一步降低，聚合物的分子量越高，該現象越明顯。其中高分子量PVP 溶液對應的膨脹率最低，主要原因是膨潤土巖心會形成纖維結構，PVP中的酰胺基和膨潤土表面上的羥基間相互作用抑制了與水的相互作用，使顆粒表面的親水性減弱，造成膨潤土絮凝，膨脹率降低。

2.4 使用橋接劑的中試試驗

為進一步評價該鉆井液在鉆井現場的適用性，在10#鉆井液的基礎上加入了橋接劑重晶石(硫酸鋇)得到11#鉆井液，以進一步優化鉆井液的流變性、過濾性和熱力學參數，重晶石的加入有助于形成分散的黏土-水體系。加入重晶石前后鉆井液的黏度隨剪切速率變化的曲線見圖5。

圖5 加入重晶石前后鉆井液的黏度曲線

由圖5 可見：由于重晶石不溶于水，在溶液中保持懸浮狀態，因此兩種溶液的流變性能基本保持一致，但是懸浮固體和聚合物之間的相互作用會改善濾餅的特性。11#鉆井液在高溫高壓下的濾液體積僅為12.0 mL，相比10#鉆井液的濾液體積降低了近50%。

使用橋接劑(如硫酸鋇和碳酸鈣)，更有利于濾餅的形成。鉆井液中的水會滲透巖層，懸浮在鉆井液中的固體顆粒會侵入到巖石孔隙區域，堵塞巖石孔隙，造成地層傷害。鉆井液具有良好的過濾性能可以最大限度地減少地層巖石與鉆井液之間的相互作用，提高體系的化學穩定性，減少對油層敏感區域的損害。與目前鉆井現場作業中使用的水基鉆井液相比，11#鉆井液具有較好的低濾失性。

3 結論

為確定是否可以采用水溶性乙烯基聚合物和膨潤土制備適用于高溫高壓下的水基鉆井液，對不同的鉆井液分別進行了流變性、過濾性、熱穩定性和膨脹率試驗。由試驗結果可知，膨潤土與不同分子量聚合物間的作用方式不同。當鉆井液礦物水化程度較低時，高分子量PVP 有利于促進絮凝體系的形成；另一方面，低分子量PVP 通過穩定效應有利于黏土顆粒的個體化，形成具有較低屈服應力的高度水化和分散體系，并在試驗溫度范圍內保持凝膠強度穩定，證實了該體系在高溫高壓條件下的可行性。同時該鉆井液的膨脹率與蒸餾水相似，有利于黏土在溶液中的分散，加入橋接劑后鉆井液的濾液體積僅為12.0 mL，證明可以成為水基鉆井液的替代品。