聚丙烯酸钾在水基钻井液中的应用

李 成，谢济瑄，宁 波，王 禹

1.江汉油田 采油气工程技术服务中心，湖北 潜江 433100；2.长城钻探工程有限公司 钻井一公司，辽宁 盘锦 124010

水基钻井液中的水分主要为自由水、结合水、吸附水。水基钻井液中以可以自由流动的自由水为主，结合水主要存在于黏土矿物晶体构造中，吸附水主要存在于固相颗粒表面以及溶胀聚合物内[1]。自由水的存在能保证钻井液具有良好的流动性，但是在钻井过程中也会形成黏土水化膨胀、储层污染等不利影响，因此，考虑在钻井液中加入能降低钻井液自由水含量的处理剂，以减少这些不利影响。聚丙烯酸钾是一种适度交联的聚电解质，在水中能解离出K+和带负电的聚合物空间网架结构，空间网架结构内外形成的离子浓度差，并产生渗透压使钻井液中的水分进入空间网架的内部[2-5]。因此，聚丙烯酸钾具有一定的自由水束缚性能，能够降低水基钻井液中自由水含量。钻井液自由水含量的减少，可以提高钻井液的滤失性能、抑制性能、储层保护性能等。聚丙烯酸钾也可以应用于对钻井液抑制性能、滤失性能等要求较高的地层，如泥页岩地层[6-7]。

1 聚丙烯酸钾的基本特性

聚丙烯酸钾是一种适度交联的聚电解质，易溶于水，在水中解离生成与聚合物链相连的阴离子和K+。K+在水中可自由移动，阴离子由于分子链的束缚不能向水中扩散，因此聚丙烯酸钾的主链网络骨架均带有阴离子。负电的相互排斥作用使网络结构发生扩张，而在水中移动的K+由于受主链上负电的吸引、束缚，使得其只能存在于聚丙烯酸钾的网络骨架中，在聚丙烯酸钾的网络骨架内外形成K+浓度差，导致聚合物骨架内外形成渗透压。渗透压差作用使水分子渗入聚合物网络骨架内，进而加速聚丙烯酸钾的解离，最终大量的水分被束缚到聚丙烯酸钾的网络骨架内。同时，聚丙烯酸钾的交联网络结构使其具有一定的弹性收缩力，限制聚丙烯酸钾网络结构不能无限膨胀，最终达到吸水平衡。渗透压和弹性收缩力的相反作用使聚丙烯酸钾具有一定的吸水能力以及吸水后能维持平衡的能力。

1.1 自由水含量测定

通过测定聚丙烯酸钾水溶液(400 mL清水+0.2%NaOH+聚丙烯酸钾)中自由水含量来评价聚丙烯酸钾束缚自由水的能力。将水溶液用API滤失仪做滤失实验，每隔30 min记录滤失液体体积，直到30 min内滤失液体没有增加为止，记录最终滤失液体体积即为自由水体积，结果如表1所示。

表1 聚丙烯酸钾加量对自由水含量的影响

由表1可知：随着聚丙烯酸钾加量的增加，聚丙烯酸钾水溶液自由水含量逐渐减少，说明聚丙烯酸钾对自由水具有很强的束缚能力；同时体系的黏度也随之增加，可见聚丙烯酸钾有一定增黏作用。

1.2 毛细管吸水实验

采用毛细管吸水实验(CST)对聚丙烯酸钾束缚水能力进行了评价，CST时间越长，说明测试液体的毛管阻力越大，自由水被束缚的力越大。室内测定了不同加量的聚丙烯酸钾清水溶液的CST时间并与包被剂(PLH)、降滤失剂(FA367)等有机溶剂水溶液进行了对比，结果如表2所示。

表2 不同处理剂的CST时间

由表2可知：不同的处理剂束缚自由水的能力是不同的，PLH和FA367对自由水有一定的束缚能力，但效果一般；与其他处理剂相比，聚丙烯酸钾的自由水束缚性能较好，且随着加量的增加束缚能力大幅度增加。

2 聚丙烯酸钾对钻井液中自由水的影响

2.1 自由水含量

通过测试钻井液CST时间以及自由水的含量，考察聚丙烯酸钾对钻井液中自由水束缚能力的影响，结果如表3和图1所示。钻井液基本配方为3%膨润土浆+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸钾+1.5%降滤失剂+3%封堵剂+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

表3 聚丙烯酸钾加量对钻井液性能的影响

由表3可知：聚丙烯酸钾具有很好的自由水束缚能力，而且随着聚丙烯酸钾加量的增加，钻井液的CST仪毛细管吸水时间逐渐增加，钻井液的自由水含量随之降低；随着聚丙烯酸钾加量的增加，钻井液的黏切力有所增加，而且自由水含量过低，势必会影响钻井液的过筛能力，因此现场应用时应需优选合适的加量。

将钻井液滴在滤纸上，观察钻井液在滤纸上的扩散速度(图1)。由于滤纸上存在大量微小孔隙，类似多维的毛细管网络。将钻井液滴在滤纸上，如果对自由水的束缚能力不强，自由水便会在毛管作用下迅速扩散。

图1 聚丙烯酸钾对钻井液析水性能的影响(7 min)

由图1可知：随着聚丙烯酸钾的增加，钻井液滤液在滤纸上的扩散范围越小。由此可知，聚丙烯酸钾有一定自由水束缚能力，随着它的用量增大进而增大了钻井液中自由水进入毛管的阻力。

2.2 滤失性能

通过测定不同加量聚丙烯酸钾钻井液的API滤失量和高温高压滤失量，考察聚丙烯酸钾对钻井液的滤失性能的影响，结果如表4所示。

表4 聚丙烯酸钾对钻井液的滤失性能的影响

由表4可知：随着聚丙烯酸钾的增加，钻井液API滤失量和高温高压滤失量均大幅降低。由此可知，聚丙烯酸钾对钻井液的滤失性能具有很好的改善作用。

2.3 抑制性能

聚丙烯酸钾能够减少钻井液中自由水的含量，增大钻井液中水分进入黏土矿物的毛管阻力，进而降低黏土矿物的水化膨胀作用。同时，聚丙烯酸钾可解离出K+，K+可以进入黏土矿物的间层，能将间层中水化半径较大的Ca2+与Na+交换出来，从而抑制了黏土矿物的水化膨胀。测定50 g岩屑(2.5～4.2 mm)在不同加量聚丙烯酸钾的钻井液的热滚回收率(100 ℃，16 h)，评价聚丙烯酸甲的抑制性能，结果见图2。钻井液基本配方为3%膨润土浆+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸钾+3%封堵剂+1%HAS，重晶石加重至1.20 g/cm3。

图2 聚丙烯酸钾对岩屑热滚回收率的影响

由图2可知：聚丙烯酸钾具有一定的抑制性能，但是一般情况下要求岩屑的热滚回收率达到90%以上，因此，不能将聚丙烯酸钾作为纯粹的抑制剂。

用相似物理特性的泥岩岩心在钻井液中浸泡24 h，通过YE-300型液压式压力试验机做岩心单轴抗压实验，结果见图3。

图3 聚丙烯酸钾对泥岩岩心单轴抗压能力的影响

由图3可知，随着聚丙烯酸钾加量的增加，泥岩岩心的单轴抗压能力明显增强；利用聚丙烯酸钾对自由水的束缚性能，能够增大钻井液自由水进入岩心的毛管阻力，加上K+的抑制作用，能够明显降低岩心黏土矿物的水化膨胀。因此，聚丙烯酸钾能够增强泥页岩地层的井壁稳定性。

2.4 储层保护性能

用钻井液在100 ℃和3.5 MPa压差下通过岩心流动仪驱替岩心做岩心污染实验，结果见图4。实验基本配方为3%膨润土浆+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+聚丙烯酸钾+1.5%降滤失剂+3%封堵剂+1%HAS+3%KCl，重晶石加重至1.20 g/cm3。

图4 岩心污染实验

由图4可知：未加聚丙烯酸钾的钻井液对岩心污染程度较大，几乎整个岩心都被污染，而加有1%聚丙烯酸钾的钻井液对岩心污染程度不大。可知，聚丙烯酸钾能够增大自由水进入岩心孔隙的阻力，降低钻井液对储层的损害。

3 结论

1)聚丙烯酸钾有一定的自由水束缚性能，能够降低水基钻井液中的自由水含量。

2)聚丙烯酸钾具有提高钻井液的抑制性、滤失性、储层保护性等的性能。

3)聚丙烯酸钾能够对钻井液的黏度产生一定影响，应在保证钻井液具有良好流动性的前提下加入适量聚丙烯酸钾。