1、钻井液用聚合物包被剂现场应用存在问题探讨摘 要：聚合物包被剂是水基钻井液中不可缺少的组成部分，随着石油勘探开发向深井、复杂井及页岩油气等非常规能源开发的发展，聚合物包被剂现场应用过程中就表现出溶解浓度有限、抗盐能力、抗剪切能力不足，室内评价效果好，但是现场应用效果差等问题，笔者从现场的角度分析了原因，并提出了解决建议。 关键词：聚合物 包被剂 钻井液 钻井液聚合物包被剂自上世纪 70 年代就被应用于钻井液体系中，在国内已经使用了 40 多年了1。随着我们对地层物性认识的不断清晰，明白了以前乃至当前不少区块的某些地层，钻进过程中出现钻屑包被不好，流变性及固相难以控制；缩径、垮塌、反复划眼、粘卡甚
2、至卡钻等钻井液处理维护难题和钻井复杂事故，大多是由于聚合物包被效果不理想引起的，因此，选择和使用良好的聚合物包被剂是钻井液成功的关键之一。 1 作用机理与分类 高分子聚合物抑制泥页岩水化分散作用机理2，普遍认为是聚合物大分子吸附在钻屑颗粒和井壁粘土矿物表面，形成包被（包裹粘土颗粒） ，阻止和减弱自由水分子与钻屑和井壁周围的粘土矿物相接触，这在一定程度上减弱了粘土的水化膨胀，而且这种包被膜又能减缓钻屑颗粒由于机械碰撞而发生的破碎，促使粘土颗粒不再分散成更细小颗粒。 笔者认为微观上讲，聚合物包被剂的作用是聚合物水解后溶液在钻屑表面铺展开，形成“包裹” ，在钻屑表面形成一层薄膜：隔离钻井液中液相；堵
3、塞钻屑表面孔隙，降低钻屑孔隙渗透率，阻止滤液进入钻屑；类似如“网兜” ，束缚钻屑颗粒，减少钻井液入侵导致的抗压强度降低，增加钻屑颗粒表层束缚能力。 2 现有常见聚合物包被剂 常见粉状聚合物包被剂主要有 PMHA-2、MAN104、FA367、KPAM、DBF-2、80A51、PAC141、IND10（30）等，乳液型或水溶液型聚合物包被剂当然见报道的有 COATER、HP600、JMP800 等。简要情况见表 1。 当前国内主要使用粉状，两性离子聚合物包被剂，乳液聚合物包被剂是本世纪初在引入国外 IDBOND 氯化钾钻井液体系中聚合物乳液包被剂的基础上开始试验应用的，但是存在存放不稳定，易凝结
4、等缺点，目前未全面推广。 3 当前聚合物包被剂存在的问题与建议 3.1 粉状聚合物包被剂分子量偏小，包被效果有限 从表 1 可以看出，当前粉状包被剂相对分子量基本上都小于 300 万，现场应用过程中配制成胶液分子量大于 200 万的聚合物溶解就较为困难，容易形成“鱼眼” ，被振动筛清除，从而白白浪费掉。对于强水敏性储层，例如准噶尔盆地安集海河组，常规的粉状聚合物包被剂包被效果有限（见图 1、图 2） 。 3.2 粉状聚合物包被剂溶解度有限 当前粉状聚合物包被剂现场主要以两种方式加入，一种是干粉通过加重漏斗直接加入，另外一种是配制成胶液加入。 以干粉直接加入的方式，一般要求在加重泵剪切的情况下，
5、缓慢以循环周加入，但是无论加入的速度多慢，当聚合物包被剂从井底返出至振动筛上时，均可见突然出现“跑浆”或聚合物“糊筛”现象，表明聚合物包被剂没有很好的溶解，相当部分含量被筛除后浪费掉了。 以胶液形式加入，当前产品 1%含量，即使搅拌 24h 也能看见没有完全溶解的“疙瘩物”漂浮在罐面，如果加入过快，还有较大块沉在罐底。现场有采用与碱液一起配制的方法，增加胶液中聚合物含量，因为聚合物包被剂在弱碱性条件下，溶解状态比酸性条件下好。但是碱加入量难以确定，过高的 PH 值，会导致聚合物包被剂分子链断开，此时的聚合物包被剂已经遭到严重破坏（见表 2） ，根本起不到包被效果，结果只能白白浪费且问题得不到解
6、决。 3.3 抗盐能力差 为进一步提高钻井液的抑制性，当前大多采用无机盐如 KCI、NaCL，形成了经典的抑制性盐水钻井液。但在研究中发现，由于钻井液中加入电解质后，尤其在高电解质浓度下，显著地影响了聚合物分子线团尺寸、分子构象和聚合物粘土表面的吸附形态，而且电解质对聚合物水化特征也存在很大影响，这势必影响聚合物抑制能力。有资料研究3着重确定不同分子结构两性离子聚合物在盐水环境下的抑制性特征及其分子尺寸变化同其抑制性的关系。研究显示聚合物分子量尽管很高，若在电解质的存在下，分子链发生严重卷曲，则依靠聚合物包被来获得的抑制性将显著下降。 3.4 分子量过大，抗剪切能力差 为了寻求聚合物包被剂经钻
7、头水眼剪切后粘度损失与相对分子量的关系，在聚合物包被剂浓度相同的条件下，相同的孔隙大小与剪切速率下，测定其特性粘度降低率，测量结果见表 3： 由表 4 可以看出，在相同的浓度、相同的孔隙大小、剪切速率和剪切时间条件下，分子量 600-1000 万的聚合物包被剂特性粘度降低率最大，尽管分子量 500-800 万与分子量 150-250 万聚合物包被剂特性粘度降低率差不多，但是剪切后分子量大的特性粘度残余仍高一些，由此可见，聚合物包被剂分子量不是越大越好。 3.5 室内评价效果好，现场应用效果差 目前国内没有钻井液聚合物包被剂的国家统一标准，大多参照中国石油天然气总公司颁布的行业标准 SY/T56
8、96-1995钻井液用两性离子聚合物包被剂 FA367 ，该标准确定了理化指标、钻井液性能指标和抑制膨润土分散性能指标。其中理化指标主要包括水分9%、0.9mm 筛余量15%、1%水溶液表观粘度30mPa.s、PH 值 7.59；钻井液性能指标要求测量 4%膨润土淡水浆和 15%复合盐水浆中分别加入 0.2%和 0.7%的样品的表观粘度、塑性粘度和滤失量；抑制膨润土分散性能指标测量基浆加入 20g 膨润土 160热滚后加入样品和不加入样品表观粘度上升率分别为450-700%和250%。 各企业在参照行业标准的同时，为了体现自己产品的特性，也引入了一些新的产品指标要求，如特性粘度、岩心相对膨胀降
9、低率、相对抑制性降低率、MBT 降低值等。 当前室内常用的聚合物包被剂评价方法有热滚回收和泥岩膨胀评价等数值方法，也有钻屑侵泡、电镜扫描、粒径分布等相对评价方法。当时由于各种产品指标设定与产品现场应用效果没有直接关系，也没有考虑现场应用条件及影响，就出现了很多产品室内评价效果良好，现场应用效果差的原因。 3.6 建议措施 1）从产品设计入手，优化的分子链基团结构。 在强化抑制的同时更能体现出良好的包被作用，设计碳-碳健结构提高分子链的热稳定性，选用碳链高分子和在分子中引人可增加分子链刚性的环状结构，可使聚合物的热稳定性抗剪切能力明显提高；引入大或刚性侧基提高分子链运动阻力，引人了大侧基的阳离子
10、单体，进一步提高了产物的抗温和抗盐能力；采用对盐不敏感基团提高杭盐性能，如 2 一丙烯酞氨基一 2 一甲基丙磺酸钠/丙烯酞胺/丙烯酸钠三元共聚物等。 2）粉状与乳液聚合物包被剂配合使用 单独的粉状聚合物包被剂难以满足的情况下，可以利用乳液聚合物包被剂分子量大，有效含量高，溶解状态好、且容易复配体现出抗盐、抗温、抗剪切能力好等优点，以实现强化抑制包被能力的效果。 3）控制适当的盐和 PH 值 除饱和盐水及欠饱和盐水钻井液体系外，常用的盐+聚合物的强抑制钻井液，盐的含量高有利于抑制泥岩水化膨胀，但是也同时阻碍聚合物的链伸展，及水眼下的高速剪切。同样，钻井液各处理剂都是在碱性条件下作用，但是在配制聚
11、合物包被剂时，PH 值最佳推荐 7-10。 4、结论 1）钻井液体系不能片面强调抑制性而不注重包被能力，钻井液是一个多种矛盾单体组成的一个复合平衡体，破坏其中任何一个平衡，都会影响整体的应用效果。 2）对聚合物包被剂认识有两个常见误区：聚合物包被剂的分子量越大越好；聚合物包被剂室内评价效果好，现场应用效果就好。 3）聚合物包被剂分子量建议不要超过 800 万。 4）建议聚合物包被剂粉状与乳液配合使用，比单一使用效果好。 参考文献 1陈乐亮，完善聚合物包被抑制性的途径，天然气工业，1990， ，11（2） ，27-29； 2鄢捷年主编，钻井液工艺学M，北京：中国石油大学出版社，2001； 3潘祖仁主编，高分子化学M，北京：化学工业出版社，2011.
