聚合物钻井液防塌机理的试验的研究.pdf

2006年钻井液学术研讨会论文集 聚合物钻井液防塌机理的试验研究 张红红徐会文冯哲 (吉林大学建设工程学院吉林长春130026) 摘要：在试验研究的基础上对比了无机聚合物硅酸盐和有机聚合物一聚乙烯醇(PVA)、部分水 解聚丙烯酰胺(PHPA)、非水解聚丙烯酰胺(PAM)和聚丙烯酸钾防塌能力的大小；由试验得出吸附 成膜速度的快慢和保护膜的致密程度是决定钻井液体系防塌能力的关键因素；钻井液体系的防塌能 力是无机聚合物和有机物质协同作用的结果；部分水解聚丙烯酰胺钻井液体系的防塌能力较非水解 聚丙烯酰胺钻井液体系的防塌能力强；Na-CMC和PHP的加入可提高吸附膜的致密性及体系的防塌能 力． 关键词：试验研究无机聚合物有机聚合物防塌能力吸附成膜致密程度协同作用 0引言 在石油天然气的勘探开发、固体矿床勘探和基础工程施工中，经常钻遇泥页岩地层。泥页岩的 主要成分是粘土矿物，由此引起泥页岩的水化和膨胀、颗粒分散和强度下降【lJ。在钻进此类地层时， 要求钻井液体系能很好的抑制地层的水化、膨胀和分散，从而保证孑L壁的稳定。要提高水基钻井液 的孔壁稳定性，一般从两方面考虑：一方面，聚合物能在孔壁形成有效的屏蔽层，降低进入页岩地 层的滤液的速率；另一方面，无机盐可与有机聚合物进行适度交联、调节滤液的矿化度，降低钻井 液中水的活度。 具有防塌能力的聚合物种类较多，但对各种聚合物防塌能力的人小没有明确的认识。通过试验 研究确定聚合物的防塌能力，为今后选择和配制防塌能力强、护壁能力好的聚合物钻井液提供依据。 1硅酸盐钻井液体系的防塌性 硅酸盐钻井液体系冈其较强的抑制性、良好的环境相容性、较低的成本而被广泛应用。硅酸盐 特殊的分子结构和聚合抑制机理，使以其为主的钻井液体系可很好地解决钻进泥页岩地层时冈泥页 岩的水化而引起的孔肇不稳定问题。 1．1硅酸盐的防塌机理 硅酸盐钻井液体系的pH值一般控制在ll～12之间，此时可溶性的硅酸盐以弧稳态的硅酸盐单 体形式存在。在高pⅣ值条件下，硅酸盐单体缩合成由内部硅氧烷(＆一D一＆)和外部的硅烷醇 (研一OHl基团组成的三维带负电荷的低聚物。由于较小的低聚物的相互排斥作用，聚合反应停I}=。 这种低聚合度的硅酸盐可以直接进入页岩的小孔隙中，并被扩散或水力流动运移。由于页岩孔隙中 的流体的pH值接近丁中性，低聚合度的硅酸盐一旦进入到页岩的孔隙网络，立即被稀释到中性， 它们就会克服相互间的斥力而凝聚，发生硅酸盐聚合物的分子内部缩合作用而形成二维的凝胶网状 结构【21。 以三维的凝胶网状结构形式存在的硅酸盐，进一步提供了阻I}：滤液侵入和压力传递的物理屏障， —mailzhh6002@126．com通讯地址：吉林人学建设丁程学；邮编：130026： 第一二作者简介：徐会文，教授，现任吉林火学建设丁程学院勘察技术与T程系主任，多年米一直从事钻井液方面的 研究。 153 2006年钻井液学术研讨会论文集 可提高页岩一钻井液膜的功能，防止了水从钻井液到页岩的渗透流动。由于粘土的主要成分是研a， 而硅酸盐的主要成分亦是研D，硅酸盐在页岩表面吸附形成屏蔽层的速度应是比较快的。 1．2硅酸盐基钻井液防塌性的试验研究 在了解硅酸盐防塌机理的基础上[3114】，采用正交试验的方法进行了一系列的室内试验研究，测试 了钻井液的防塌性。钻井液的防塌性试验是用硅酸盐配制成的钻井液浸泡泥页岩地层的试块来测试 在钻井液中浸泡5d，试块无任何变化。水玻璃吸附于试块的表面，形成一层白色的保护膜。试块表 面无任何变化，说明硅酸盐可在很短时间内快速吸附在试块表面形成保护膜，阻止水分的进一步渗 透。 为确定CMC在水玻璃吸附过程中所起的作用，在上述试验的基础上，将配方中的Ⅳ丑—c埘去 掉后配制成钻弗液，浸泡试块，3d后试块开始有裂纹出现：单纯用水玻璃浸泡试块，试块也在2— 3d有裂纹出现，说明钻井液的防塌性不仅仅取决于水玻璃的吸附，还需要高聚物的包被作用。此试 验说明有机高聚物NaCMC和尸胛对钻井液的防塌能力有促进作用。硅酸盐基钻井液体系良好的 防塌性是无机物和有机高聚物协同作用的结果。 由硅酸盐的防塌机理可知，硅酸盐聚合形成的是三维凝胶网状结构，其结构