两性离子聚合物在钻井液中的应用

廖 辉，唐善法，田 磊，王晓杰，雷小洋

(长江大学石油工程学院，武汉 430100)

石油勘探开发技术不断发展，钻遇地层日趋复杂，深井、超深井［1］、多分支井等特殊工艺井增多，这对钻井液的性能也提出了更高要求。普通聚合物钻井液在现场应用中出现了许多问题，耐温抗盐性能差，造壁性差，对泥页岩抑制能力差，静结构力强，井壁稳定性差。而两性离子聚合物用作钻井液处理剂既降低水眼能耗，抑制泥页岩水化膨胀，又可提高机械钻速。大量钻井实践表明，钻井液性能对保证深井和超深井的安全、快速钻进起着重要作用。两性离子聚合物钻井液是以两性离子聚合物为主处理剂配制的钻井液。两性离子聚合物泥浆密度低、对泥页岩抑制性强、水眼黏度低，高温下性能稳定，且能显著提高机械钻速降低综合钻井成本［2］。

目前，两性离子聚合物钻井液在全国各大油田得到了推广与应用，并形成了两性离子无固相聚合物钻井液、两性离子低固相聚合物钻井液、两性离子聚磺体系钻井液及两性离子聚合物完井液体系［3］。

钻井液处理剂的研发推动了两性离子聚合物钻井液体系的发展。普通聚合物处理剂不耐高温，易交联［4］，而两性离子聚合物处理剂高温下性能稳定。两性离子聚合物分子链上因含阳离子和阴离子基团而与阴离子聚合物和阳离子聚合物的配伍性较好［5］，受到各大油田的青睐。两性离子聚合物在钻井液中主要用作包被抑制剂、降滤失剂、增黏剂和降黏剂。目前研究较多的是两性离子聚合物处理剂的耐温抗盐和防坍塌性能。

1 包被抑制剂

两性离子聚合物的分子链中含阳离子和阴离子基团，阳离子基团以静电吸附方式快速地吸附于黏土粒子表面，中和黏土表面部分负电荷，并形成致密包被，有效地抑制黏土水化分散［6］。阴离子基团水化形成水化基团，大量水化基团又形成致密水化膜，使包被膜增厚，减弱了黏土颗粒的絮凝能力，增强了体系的稳定性。

彭刚［7］在对两性离子聚合物抑制黏土水化膨胀作用机理的研究基础上，以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)和2－丙烯酰胺基－2－甲基－丙磺酸(AMPS)为聚合单体，合成了一种性能优良的耐高温黏土稳定剂。该聚合物分子中引入一定量的阴离子基团—SO3－，增强了聚合物的耐温性能和抗二价离子性能(Ca2+，Mg2+)，在黏土表面形成致密的水化层，防止黏土水化膨胀。邵定波等［8］以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、丙烯酸为单体，合成了三元两性离子共聚物PADA，钻井液中加入500 mg/L的PADA，显著降低黏土水化膨胀，膨胀率在42.7%以下，与清水中24 h的膨胀率78.3%相比，下降显著。

朱清泉等［9］以含阴离子、阳离子和非离子基团的乙烯基或丙烯基单体为原料，采用水溶液聚合法，合成多元共聚物BY－1，现场试验表明对泥页岩的水化分散具有较强的抑制性，与钻井液中其他处理剂调配具有良好的配伍性和较强的抗盐抗钙污染能力。

杨小华等［10］以2－丙烯酰氧－2－甲基丙磺酸(MAOPS)、丙烯酰胺、丙烯酸为单体，共聚合成了两性离子磺酸盐共聚物CPS－2000，其具有较强的耐温抗盐和抗钙能力，热稳定性好，对泥页岩具有较强的抑制性，有效地控制膨润土及固相含量，其抑制黏土水化膨胀、防止地层坍塌的能力明显优于乙烯基磺酸盐聚合物PAMS601。

2 降滤失剂

两性离子聚合物含阴阳两种离子基团，与阴离子或非离子聚合物比较，其用作降滤失剂可增强泥浆体系的抑制性和耐温抗盐性［11］，还可改善钻井液中处理剂间的配伍性和实现聚合物钻井液的不分散和低固相。如两性离子无固相聚合物钻井液和两性离子低固相聚合物钻井液。表1为近3年国内文献报道的两性离子聚合物降滤失剂。

3 增黏剂

表2 在不同温度和矿化度条件下1.0%NV2P/MAPTAC/AMPS两性共聚物溶液的黏度［18］

国外对钻井液增黏剂的研究较多，1987年，Peiffer等［17］首次对 N－乙烯基 －2－吡咯烷酮(NV2P)用于两性离子聚合物钻井液增黏剂进行了报道。此三元聚合物由NV2P、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)、SSS或AMPS共聚合成。此三元共聚物分子链上含季铵盐型阳离子基团和磺酸根阴离子基团，因此，其具有较好的pH稳定性。此类聚合物属强碱强酸型，与常用的阴离子或非离子型聚合物降黏剂比较，其增黏、耐高温和抗盐性能好，可用于高温，高矿化度水基钻井液的增稠剂。表2为此类三元共聚物中NV2P/MAPTAC/AMPS在不同温度和矿化度条件下的黏度。

4 降黏剂

阴离子型降黏剂降黏效果好，但对黏土的抑制作用差，阳离子型降黏剂虽满足泥浆对泥页岩的抑制性，利于井壁稳定，但耐温性能差。而含阴阳离子基团的两性离子聚合物降黏剂兼具有两种降黏剂的特性，既降低泥浆的黏度和切力，控制泥浆的流变性，提高机械钻速，又增强泥浆体系的抑制性，且耐温抗盐。

王中华［19］以丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵AODAC、AA、烯丙基磺酸钠AS为原料采用水溶液聚合法，共聚制得了两性离子共聚物降黏剂，其耐温抗盐抗钙污染能力强，且对泥页岩水化分散具有一定的抑制作用。

高长虹［20］以烯类单体为主要原料，采用水溶液聚合方法合成了一种新型的两性离子聚合物钻井液降黏剂GCH－11，其在膨润土钻井液、聚合物钻井液及高密度聚合物钻井液中的降黏效果优于GD－18和XY－27，是高密度聚合物钻井液的理想降黏剂。

杨小华［21］以2－羟基－3－甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、丙烯酸、烯丙基磺酸钠为原料，采用水溶液聚合，用氧化还原体系引发，合成了一种两性离子型共聚物钻井液降黏剂，其在淡水泥浆、盐水泥浆、饱和盐水泥浆中均具有较好的降黏和耐温能力，同时还具有较强的抗盐和抗钙镁离子污染的能力，对泥页岩也具有较强的抑制性。

张翔宇［22］从分子设计的角度，以 AMPS、马来酸、阳离子单体为原料，在38℃下反应0.5～2.0 h，制得两性离子共聚物降黏剂VRA。VRA在淡水、盐水和含钙钻井液中均具有较强的耐温抗盐和降黏作用，且防止地层坍塌的能力明显优于乙烯基磺酸盐聚合物PAMS－601，对泥页岩有较好的抑制作用。

5 结论

两性离子聚合物钻井液在油田钻井中发挥了重要的作用，其性能好坏及能否推广应用，关键是研制出耐高温抗盐的两性离子聚合物处理剂。

(1)新型两性离子聚合物处理剂要求保证该钻井液体系在超深井的高温、高压、高矿化度等复杂情况下的稳定性及良好性能，并快速钻进从而降低钻井综合成本。

(2)两性离子聚合物钻井液处理剂的研究仍应着重于耐高温、抗盐、防坍塌等，并向超高温发展，以充分发挥两性离子聚合物钻井液的性能。

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