聚合物钻井完井液.

聚合物钻井完井液刘俊章•聚合物钻井液是指以乙烯基共聚物为主要处理剂所组成的水基钻井液体系。由于聚合物的桥接作用，使钻井液中的粘土颗粒保持在较粗的状态，同时由于聚合物的吸附作用，使钻屑的表面受到吸附层的保护而不分散成更细的颗粒，因此用聚合物钻井液钻井，可以有更高的钻井速度。聚合物具有絮凝劣土、调节粘度，切力，降低滤失量、稳定地层等特性。聚合物主要有：部分水解聚丙烯酰胺及其衍生物、乙酸乙烯酯与马来酸酐的共聚物等。聚合物钻井液中由于用水溶性聚合物作处理剂，因而具有剪切降粘特性好、携砂能力较强、稳定井眼、减少油气层损害、抗高温等特点。根据所用的聚合物，聚合物钻井液体系又可分为：阴离子型聚合物钻井液、阳离子型聚合物钻井液、两性离子聚合物聚合物钻井液、非离子型聚合物钻井液。•一、聚合物钻井完井液•(一)、聚合物钻井液的特点•1．固相含量低，且亚微米粒子所占比例也低。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，对提高钻井速度是极为有利的。对不使用加重材料的钻井液，密度和固相含量大约成正比的。研究表明，纯蒙脱土钻井液中亚微米粒子含量为13％左右，用分散剂木质素磺酸盐处理后，亚微米粒子含量上升为约80％，而用聚合物处理后的体系亚微米粒子的含量降为约6％。大量室内实验和钻井实践均证明，固相含量和固相颗粒的分散度是影响钻井速度的重要因素。•2．具有良好的流变性，主要表现为较强的剪切降粘性和适宜的流型。聚合物钻井液体系中形成的结构由颗粒之间的相互作用、聚合物分子与颗粒之间的桥联作用以及聚合物分子之间的相互作用所构成。结构强度以聚合物分子与颗粒之间桥联作用的贡献为主。在高剪切作用下，桥联作用被破坏，因而粘度和切力降低，所以聚合物钻井液具有较高的剪切降粘作用。由于这种桥联作用赋予聚合物钻井液具有比其它类型钻井液高的结构强度，因而聚合物钻井液具有较高的动切力。同时，与其它类型钻井液相比，聚合物钻井液具有较低的固相含量，粒子之间的相互摩擦作用相对较弱，因而聚合物钻井液具有较低的塑性粘度。由于聚合物水溶液为典型的非牛顿流体，所以聚合物钻井液一般具有较低的n值。当然，在实际钻井过程中，各流变参数需控制在适宜的范围内，过高和过低对钻井工程都不利。•为获取平板型层流，一般应控制塑性粘度和动切力。如。在0.36～0.48范围内。YP/PV太小，会导致尖峰型层流；若YP/PV太大，则YP增高，导致泵压升高，动力消耗增大。•另外，聚合物钻井液具有较强的触变性。触变性对环形空间内钻屑和加重材料在钻井液停止循环后的悬浮问题非常重要，适当的触变性对钻井有利。钻井液流动时，部分结构被破坏，停止循环时能迅速形成适当的结构，均匀悬浮住固相颗粒，这样不易卡钻，下钻也可一次到底。如果触变性太大，形成的结构强度太高，则开泵困难，易导致压力激动，对易漏地层可能憋漏。聚合物钻井液的固相含量较低，结构主要是聚合物与颗粒间的桥联作用，既具有一定结构强度，又不会太高，一般情况下，若触变性适宜，不会造成开泵困难。但遇到固相含量过高时，则应注意开泵要慢，泵的阀门要由少到多逐渐加压，避免造成压力激动。正是由于聚合物钻井液具有较高的动塑比，剪切降粘性好，还具有较强的触变性，以及在环形空间形成平板型层流等优良性能，因此它悬浮和携带钻屑的效果好，可有效地减少钻屑的重复破碎，使钻头进尺明显提高。•3．钻井速度高。如前所述，聚合物钻井液固相含量低，亚微米粒子比例小，剪切降粘性好，卡森极限粘度低，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。在相同钻井液密度的条件下，使用聚丙烯酰胺钻井时的机械钻速明显高于使用钙处理钻井液时的机械钻速。•4．稳定井壁的能力较强，井径比较规则。只要钻井过程中始终加足聚合物处理剂，使滤液中保持一定的含量，聚合物可有效地抑制岩石的吸水分散作用。合理地控制钻井液的流型，可减少对井壁的冲刷。这些都有稳定井壁的作用。在易坍塌地层，通过适当提高钻井液的密度和固相含量，可取得良好的防塌效果。•5．对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。由于聚合物钻井液的密度低，可实现近平衡压力钻井；由于固相含量少，可减轻固相的侵入，因而减小了损害程度。•6．可防止井漏的发生。对于不十分严重的渗透性漏失地层，采用聚合物钻井液可使漏失程度减轻甚至完全停止。一方面，这是由于聚合物钻井液一般比其它类型钻井液的固相含量低，在不使用加重材料的情况下，钻井液的液柱压力就低得多，从而降低了产生漏失的压力。另一方面，聚合物钻井液在环形空间的返速较低，钻井液本身又具有较强的剪切降粘性和触变性，因此钻井液在环形空间具有一定的结构，一般处于层流或改型层流的状态，使钻井液不容易入地层孔隙，即使进入孔隙，渗透速度也很慢，钻井液在孔隙内易逐渐形成凝胶而产生堵塞。另外，聚合物分子在漏失孔隙中可吸附在孔壁上，连同分子链上吸附的其它粘土颗粒一起产生堵塞；当水流过时，这些吸附在孔壁上的亲水性大分子有伸向空隙中心的趋势，形成很大的流动阻力。因此，综合以上因素，聚合物钻井液具有良好的防漏作用。•当遇到较大的裂缝时，可向钻井液中加入水解度较高(50％～70％)的PHPA来提高钻井液的粘度，并适当提高钻井液的pH值，可使漏失停止。这种堵漏措施不影响钻进，因而常形象地称为“边钻边堵。当遇到严重漏层时，可同时将泥沙混杂的粗钻井液与聚合物强絮凝剂溶液混合挤入漏层，利用聚合物的强絮凝作用使粗钻井液完全絮凝，被分离出的清水很快漏走，絮凝物则可留下来堵塞漏层。这种方法称为聚合物絮凝堵漏。絮凝堵漏的缺点是絮凝物强度较低，有时堵漏效果不理想。这时可配合加入一些无机物或有机物交联剂，与聚合物产生交联形成不溶物，再与粘土结合可产生强度很高的堵塞物质，提高堵漏效果，称之为聚合物交联堵漏。•7．钻井成本低。由于聚合物钻井液的处理利用量较少，钻井速度高，缩短了完井周期，因此可大幅度降低钻井总成本。•以上所综述的聚合物钻井液的特点，只是相对于其它常规钻井液而言的。聚合物钻井液的性能也不是尽善尽美的，在现场应用中也遇到一些问题，还需要进一步研究解决。例如，当钻速太快时，无用固相不能及时清除，难以维持低固相，在强造浆井段尤其如此；对一些强分散地层，有时抑制能力也显得不足，这时钻井液的流变性变得难以控制，比如切力太高，导致钻屑更不容易清除，产生恶性循环，不得不加入分散剂降低钻井液结构强度，以改善流动性。这将以部分损害聚合物钻井液的优良性能为代价。近几年发展的两性复合离子聚合物钻井液和阳离子聚合物钻井液在抑制性和流型调节方面得到了进一步改善。(二)、不分散低固相聚合物钻井液的性能指标•所谓不分散具有两个含义：其一是指组成钻井液的粘土颗粒尽量维持在1-30μm范围内，不要向小于0.5μm的方向发展；其二是指混入这种钻井液体系的钻屑不容易分散变细。所谓低固相是指低密度固相(主要指粘土矿物类)的体积分数要在钻井工程允许的范围内维持到最低。通过大量现场实践和深入研究，目前国内外对不分散低固相聚合物钻井液的性能指标要求已有了明确的界定。只有遵循这些指标，才能充分显示出这种钻井液体系的优越性。这些性能指标也基本上反映出这种钻井液的重要特性。•(1)固相含量(主要指低密度的粘土和钻屑，不包括重晶石)应维持在4％(体积分数)或更小，大约相当于密度小于1．06g／cm3。这是核心指标，是提高钻速的关键，应尽力做到。•(2)钻屑与膨润土的比例不超过2:1。实践证明，虽然钻井液中的固相越少越好，但如果完全不要膨润土，则不能建立钻井液所必需的各项性能，特别是不能保证净化井眼所必需的流变性能，以及保护井壁和减轻储层污染所必需的造壁性能。所以，应含有一定量的膨润土，其加量在保证建立上述各项钻井液所必需性能的前提下越低越好。一般认为不能少于1％，1.3％～1.5％比较合适。•(3)动切力(Pa)与塑性粘度(mPa·s)之比控制在0．48左右。这是为了满足低返速(如0．6m／s)携砂的要求，保证钻井液在环形空间实现平板型层流而规定的。•(4)非加重钻井液的动切力应维持在1.5～3Pa。动切力是钻井液携带钻屑的关键参数，为保证良好的携带能力，首先必须满足动切力的要求。对加重钻井液应注意保证重晶石的悬浮。•(5)滤失量控制应视具体情况而定。在稳定井壁的前提下，可适当放宽，以利提高钻速。在易坍塌地层，应当从严。进入储层后，为减轻污染也应控制得低些。•(6)优化流变参数，若采用卡森模式，要求η∞＝3～6mPa·s，τC＝0.5～3Pa，Im(剪切降粘指数)＝300～600。•(7)在整个钻井过程中应尽量不用分散剂。（三）、聚合物处理剂的主要作用机理•1、桥联与包被作用•聚合物在钻井液中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提。当一个高分子同时吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。桥联和包被是聚合物在钻井液中的两种不同的吸附状态。实际体系中，这两种吸附状态不可能严格分开，一般会同时存在，只是以其中一种状态为主而已。吸附状态不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，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。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。所以，絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键。•根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂又可分为两类：一是全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土，如非离子型聚合物PAM就属于此类；二是选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土，如离子型聚合物PHPA、VAMA就属于此类。当絮凝剂能提高钻井液粘度时，称为增效型选择性絮凝剂，而对粘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：钻屑和劣质土颗粒的负电性较弱，蒙脱土的负电性较强。选择性絮凝剂也带负电，由于静电作用易在负电性弱的钻屑和劣质土上吸附，通过桥联作用将颗粒絮凝成团块而易于清除；而在负电性较强的蒙脱土颗粒上吸附量较少，同时由于蒙脱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脱土的稳定性。下图是完全絮凝与选择性絮凝示意图。•目前常用的絮凝剂是PHPA，其相对分子质量和水解度是影响絮凝效果的主要因素。通过试验表明PHPA相对分子质量和水解度对絮凝能力的影响，其中絮凝能力是用沉降实验中1/2沉降高度所对应的时间Tl/2来表征的。Tl/2值越小，絮凝能力越强。相对分子质量越大，分子链的有效链长度越长，絮凝能力越强。其水解度在30％左右时絮凝能力最强，这时吸附基团(－CONH2)和水化基团(－COO-)的比例适当，分子链最伸展。•3.增粘作用•增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，以提高悬浮力和携带力。增粘作用的机理，一是游离(未被吸附)聚合物分子能增加水相的粘度，二是聚合物的桥联作用形成的网络结构能增强钻井液的结构粘度。常用的增粘剂有相对分子质量较高的PHPA和高粘度型羧甲基纤维素(CMC)等。•4.降滤失作用•钻井液滤失量的大小主要决定于滤饼的质量(渗透率)和滤液的粘度。降滤失作用主要是通过降低滤饼的渗透率来实现的。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，使滤饼致密。聚合物降滤失剂通过桥联作用与粘土颗粒形成稳定的空间网架结构，对体系中所存在的一定数量的细颗粒起保护作用，在井壁上可形成致密的滤饼，从而降低滤失量。有时为了使体系中固体颗粒具有合理的粒度分布，可加入超细的惰性物质如CaCO3来改善滤饼质量。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提高粘土颗粒的水化程度。降滤失剂分子中都带有水化能力很强的离子基团，可增厚粘土颗粒表面的水化膜，在滤饼中这些极化水的粘度很高，能有效地阻止水的渗透。•③聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，本身可对滤饼起堵孔作用，使滤饼致密。•④降滤失剂