Question

石油钻井（聚合物钻井液）

Answer 1

概念：

      凡是使用线型水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液，但通常是将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系称为聚合物钻井液。

1．聚合物钻井液的特点

（1）固相含量低，且亚微米颗粒所占比例低。这是聚合物钻井液的基本特征，是聚合物处理剂选择性絮凝和抑制岩屑分散的结果，对提高钻井速度十分有利。

（2）具有良好的流变性，主要表现为较强的剪切稀释性和适宜的流变类型。

（3）钻井速度高。聚合物钻井液固相含量低，亚微米粒子含量小，剪切稀释性好，卡森极限黏度低，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好，这些优良性能都有利于提高机械钻速。

（4）稳定井壁的能力较强，井径较规则。

（5）对油气层的损害小，有利于发现和保护油气层。由于聚合物钻井液的密度低，可实现近平衡压力钻井。同时由于固相含量少，可以减轻固相的侵入，因而减小了损害程度。

（6）可防止井漏的发生。

（7）钻井成本低。

2．聚合物处理剂的主要作用机理

1）桥联与包被作用

      桥联作用易导致絮凝和增黏等，而包被作用对抑制钻屑分散有利。

2）絮凝作用

      当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂

（1）全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙皂土，如非离子型聚合物PAM；

（2）选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙皂土，如离子型聚合物PHPA、VAMA，当絮凝剂能提高钻井液黏度时，称为增效型选择性絮凝剂，而对黏度影响不大时称为非增效型选择性絮凝剂。

选择性絮凝的机理是：钻屑和劣土负电性较弱，蒙皂土负电性较强。选择性絮凝剂带负电，由于静电作用易在负电性弱的钻屑和劣质土上产生吸附，通过桥联包被作用将颗粒絮凝成团块易于清除，而在负电性较强的蒙皂土颗粒上吸附量较少，同时由于蒙皂土颗粒间的静电排斥作用较大而不能形成密实团块，桥联作用所形成的空间网架结构还能提高蒙皂土的稳定性。

3）增黏作用

增黏剂多用于低固相和无固相水基钻井液体系中，以提高悬浮力和携带力。

4）降滤失作用

钻井液滤失量的大小主要决定于泥饼的质量（渗透率）和滤液的黏度。

聚合物降滤失剂的作用机理主要有以下几个方面：

（1）保持钻井液中的粒子具有合理的粒度分布，使泥饼致密。有时为了使体系中固体颗粒具有合理的粒度分布范围，可加入超细的惰性物质如CaCO3来改善泥饼质量。另外，网络结构可包裹大量自由水，使其不能自由流动，有利于降低滤失量。

（2）提高黏土颗粒的水化程度。

（3）聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，本身可对泥饼起堵孔作用，使泥饼致密。

（4）降滤失剂可提高滤液黏度，从而降低了滤失量。

5）抑制与防塌作用

聚合物在钻屑表面的包被吸附是阻止钻屑分散的主要原因。包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用越强。

聚合物有良好的防塌作用，其原因有以下两个方面：

（1）长链聚合物在泥页岩井壁表面会发生多点吸附，封堵了地层微裂缝，可阻止泥页岩水化剥落；

（2）聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁上形成较致密的吸附膜，可阻止或减缓水进入泥页岩，对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。

6）降黏作用

聚合物钻井液的结构主要由黏土颗粒与黏土颗粒、黏土颗粒与聚合物和聚合物与聚合物之间的相互作用形成的，降黏剂就是拆散这些结构中的部分结构而起到降黏作用的。降黏作用的机理主要有以下几个方面：

（1）降黏剂可吸附在黏土颗粒带正电荷的边缘上，使其带负电荷，同时形成厚的水化层，从而拆散黏土颗粒间以“端—面”、“端—端”连接形成的结构，释放包裹着的自由水，降低体系黏度。

（2）近期研究发现，当相对分子质量较低的聚合物降黏剂（如SSMA、VAMA等）与钻井液的主体聚合物（PHP）形成氢键络合物时，因与黏土争夺吸附基团，可有效地拆散黏土与聚合物间的结构，同时能使聚合物形态产生收缩，减弱聚合物分子间的相互作用，从而具有明显的降黏作用。