络合作用对钻井泥浆液性能影响的分析:钻井泥浆处理

　　摘 要:通过研究聚乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯比咯烷酮等聚合物的反应,发现这些聚合物可以有效的降低聚丙烯酰胺、80A51等聚合物的粘度。原因是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。
　　关键词:络合 钻井液 聚合物 粘度 试验
　　中图分类号:TE254.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0111-01
　　1 聚合物钻井液的粘度及降粘机理
　　聚合物钻井液的粘度主要受3个因素影响,即,粘土的含量(包括粘土的类型、含量及其分散程度)、聚合物的桥联结构(提高体系的结构强度)和聚合物的浓度(提高液体粘度)。聚合物均是一些线形水溶性高分子化合物,对钻井液都有提粘作用。因此,凡是大量使用聚合物的钻井液体系,其粘土固相含量都不是很高。
　　聚合物对滤液粘度的影响取决于大分子的尺寸和水化膜中固定水的个数,在聚合物浓度很高的情况下,还会因大分子之间的胶联作用而提粘。凡是能收缩大分子尺寸和解脱溶剂化水的行为都会有降粘的效果。聚合物对钻井液体系结构的影响主要取决于大分子与粘土颗粒之间的吸附和桥联作用。聚合物钻井液体系在深井阶段使用时,也会因钻屑含量改变等原因而发生稠化,采用传统的降粘剂处理,又会因其兼有的分散作用而改变体系的不分散性。
　　凡是能与聚合物泥浆中的聚合物形成络合物的降粘剂,对聚合物泥浆产生的降粘机理可以从3个方面进行分析[1]。
　　(1)由于降粘剂与聚合物形成了络合物,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。与此同时,还降低了大分子的特性粘度。因此,这类降粘剂不仅适用于不分散低固相聚合物降粘剂,也适用于无固相聚合物降粘剂。(2)由于大分子络合物的形成,拆散了粘土颗粒之间的桥联结构。因此,这类降粘剂对聚合物泥浆要比普通泥浆具有更强的降粘能力。(3)类似于SSMA的一类物质,他们对聚合物的降粘机理主要有两个方面。第一,SSMA可以在粘土颗粒上吸附,增加粘土的ξ电位,使体系无法形成网状结构,从而达到降粘的效果;第二就是SSMA可以与聚合物形成络合物,从而降低聚合物泥浆的粘度[2]。
　　2 聚合物钻井液3种降粘剂及其作用机理
　　20世纪80年代以来,聚合物钻井液在我国得到了迅速的发展,获得了明显的经济效益和社会效益。
　　第1种: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。这类降粘剂以降低粘土本身产生的结构粘度为主,而基本上没有消除聚合物的提粘效应。它们在使用pH范围内,基本不能或很少同聚合物产生络合物。
　　第2种: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。这类降粘剂能消除聚合物的大部分提粘效果,不过它们最多只能把聚合物泥浆的粘度降低到粘土泥浆的水平。
　　第3种:都是共聚物型的降粘剂:VAMA,SSMA,XB-40、XT-501,XW-74等。这类降粘剂加入很少量时都有一个提粘的过程,但是对聚合物钻井液不明显。说明它们本身也产生一定的桥联作用。但是这种提粘效应很快消失而产生很强的降粘作用,不仅能够完全消除聚合物的提粘效应,而且使聚合物泥浆比粘土泥浆得到更大的降低。
　　在聚合物泥浆里面,聚合物降粘剂能同聚合物相互作用,一定程度上遮盖它的吸附基因,削弱聚合物同粘土的桥联结构,使其收缩就可能使体系降粘。
　　这种降粘剂可以同聚合物发生作用,尽量减少同粘土颗粒发生作用。不同聚合物分子之间,可以通过库仑力、氢键力、范德华力和电荷转移作用力的形式,形成大分子络合物。这种大分子络合物,有可能会影响到大分子对粘土的吸附,影响到大分子的形态和亲水性,最终影响到体系粘度。据此,新的降粘剂应该是一种聚合物,它能与钻井液体系中的主体聚合物形成络合物,从而达到降粘的效果。
　　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。
　　3 络合反应对钻井液性能的影响[3]
　　3.1 络合反应的降粘作用
　　为了探讨了PVP/HEC分子间的缔合机理,杨延莲、栾玉霞等人做了以下试验。在纯水介质中,将浓度为0.4g/L的PVP和HEC以体积比100∶1、91∶1、82∶1、73∶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;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。
　　3.2 络合反应的提粘作用
　　络合反应不仅具有降低钻井液粘度的作用,同样具有增加钻井液粘度的作用。
　　杨延莲等人通过测定混合体系粘度、紫外、红外及DSC谱图,研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与水解聚丙烯酰胺(HPAM)之间的相互作用。结果表明,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。
　　4 结语
　　聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮在加入很少量时,就可以大幅度降低聚丙烯酰胺溶液的粘度,原因是他们可以与聚丙烯酰胺通过氢键形成高分子络合物。形成络合物后,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,从而可以降低聚合物溶液的粘度。
　　参考文献
　　[1] 路福绥,张春光,王果庭．SSMA对HPAM蒙脱土泥浆稀释机理研究[J]．油田化学,1988,5(2):88～92．
　　[2] 张春光,侯万国,王果庭．SSMA对海泡石-HPAM体系的稀释作用[J]．油田化学,1988,5(1):1～5．
　　[3] 丁阿曼.络合作用对钻井液性能影响研究[J]．科技创新导报,2011,4,21.