聚合物钻井液粘度影响因素分析
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作者: 侯泱志
摘要:通过测试分析,特定的聚合物共聚或加聚后能够有效的改善钻井液功能,从而有效的降低聚合物溶液的粘度。
关键词:钻井液 聚合物 粘度
Abstract:through the test and analysis,specific polymer copolymer or polymer can effectively improve the drilling fluid,thus effectively reducing the viscosity of polymer solution.
Key words:drilling fluid viscosity of polymer
近年来,随着石油勘探开发技术的不断发展,特别是深井、超深井及特殊工艺井钻探越来越多,对钻井液提出了更高的要求。安全、健康、高效的钻井液技术,标志着钻井液技术研究和应用进入了一个全新的发展阶段。依据测试数据和分子结构理论,分析了改性钻井液助剂对钻井液粘度的影响机理,即由于与某些聚合物共聚或加聚后,改性的分子结构和平均分子童分布的改变,使钻井液的粘度功能得到了改善;另外还发现特定的聚合物可以有效的降低聚合物的粘度。原因是他们可以通过以氢键为主的几种作用力与聚合物形成高分子络合物,降低了大分子之间的交联作用,阻碍了空间网状结构的形成,同时,也降低了大分子的特性粘度,从而可以有效的降低聚合物溶液的粘度。
1、KHm对钻井液粘度的影响
钻井液的粘度决定泥饼质量和滤液粘度,泥饼的渗透率是影响钻井液粘度的主要因素,粘度的大小直接影响井壁的防塌能力。[1]
在钻井液中加入的粘土是安丘土,是一种天然胶凝材料.它在溶液中分散成小于1μm的微粒,多为层状结构的硅酸盐.加人一定量的水后,发生水解,使层状结构断裂而生成不饱和键.这些不饱和键分别吸附着溶液中的H十和OH一离子,使粘土微粒带有电荷.溶液中的水分子以一定的取向分布在粘土微粒的周围形成双电层.由于在双电层之间挤人了水分子,双电层之间的距离为9.6～28.4nm[1].当改性的共聚或加聚KHm加人钻井液后,将钻井液溶液中原本吸附着溶液中的H+和OH一离子发生了变化,它们使溶液中的K十和HA一存在的形式发生了质的变化.这是由于在制备改性KHm加人的磺化或磺甲基化、丙烯睛、酚醛、丙烯酸等物质,在形成高分子物质时它们在分子中占据了一定的位置,影响了K+和HA一的吸附能力;至于在制备时加人的一些单体在共聚或加聚时的条件可能是在腐植酸分子的某些双键上引发的聚合反应,或是单体在聚合时,在一定的情况下又与腐植酸分子的某些双键发生聚合.这些加人的基团在腐植酸分子中占据一定的位置,改变了其分子结构,同时由于其不均匀分布的分子量,两者都可能对钻井液中的K十和HA一的自身能力带来明显影响.HA一是含有强亲电基团的聚阴离子,可以吸附在粘土颗粒的表面层而形成较厚的吸附水化层,使钻井液中的自由水明显减少,因而改变其粘度性能,并提高了粘土颗粒的聚集稳定性,使分散度小的颗粒所形成的空穴有足够量的颗粒加以充塞,这种颗粒是K十离子.尤其是经过加聚或共聚的KHm大分子,已经改变了与K十和HA一相互间的结合力,在高温状态时这种力表现的比较突出,因此在实验测试中表现出不同的粘度能力。
2、聚合物钻井液3种降粘剂及其作用机理
在我国通常可以把降粘剂分为3类:
(1)都是共聚物型的降粘剂:VAMA,SSMA,XB-40、XT-501,XW-74等。
共聚物型稀释剂对聚合物钻井液的降粘机理的要点主要有3个,与高聚物形成大分子络合物, 拆散了与粘土形成的桥联结构; 使高聚物分子收缩、脱水; 削弱了高聚物分子之间的交联结构。
(2)铁铬木质素磺酸盐,磺甲基栲胶,磺甲基褐煤。磺甲基单宁。主要是一些改性的天然有机化合物。[2]
(3)焦磷酸钠。三聚磷酸钠,六偏磷酸钠,有机硅稀释剂。主要是一些低分子量的无机物和有机硅醇类。
2.1 络合反应的降粘作用
在纯水介质中,将浓度为0.4g/L的PVP和HEC以体积比100∶1、90∶1、81∶1、72∶1比例混合。试验结果表明,以不同比例混合的PVP/HEC复合体系的相对粘度低于理论的稀释曲线,即在试验浓度范围内,二者的相互作用对粘度产生了负协同效应。此现象与HPAM/PVP混合体系的结果相反。其原因是HPAM是既含有负电基团又含有酰胺基团的柔性大分子,PVP在水溶液中带有微弱正电荷,微弱的静电吸引使二者相互接近形成大分子复合物,此复合物具有良好的亲水性,在水中大分子链伸展,并相互缠结,从而具有较大的水动力学体积,故使体系粘度升高;[3]而HEC是刚性大分子,其分子主链及侧链上含有多个羟基,易与水形成氢键,使HEC分子具有较大的水动力学体积,故单一HEC溶液粘度较高。PVP的存在破坏了HEC与水间的氢键网络结构,HEC与PVP形成的复合物结构比较紧凑,复合物的水动力学体积比单一组分的小,所以PVP/HEC复合体系的粘度降低。
2.2 络合反应的提粘作用
PVP/HPAM混合体系的增比粘度比单一体系增比粘度的简单加和大得多。光谱结果显示,在溶液中二者通过静电力可形成超分子复合物。可以增加聚合物泥浆的粘度,以达到提高原油采收率的目的。
3、总结与探讨
根据以上分析和讨论可以看出,聚合物在共聚和加聚的条件下,可以很好的改善聚合物钻井液功能,有效的降低钻井液粘度,为更好的改善和提高钻井工程的质量提供有力的保证。
参考文献
[l] 甄捷.改性KHm结构对钻井液粘度变化的机理.哈尔滨理工大学学报,2001.
[2]丁阿曼.络合作用对钻井液性能影响研究.科技创新导报,2001.
[3] 华东石油学院.钻井泥浆[M].北京:燃料化学工业出版社,1985.
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