聚合物钻井液的发展情况研究

周大宇

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

自20 世纪70 年代开始，经过几十年的发展，聚合物钻井液已经成为应用最为广泛的钻井液体系之一。一般意义上来说，任何使用水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系都可以称为聚合物钻井液体系。但在实际分类中，聚合物钻井液体系通常是指以高分子聚合物为主要成分的钻井液体系。20世纪50年代，聚丙烯酰胺（PAM）作为包被剂开始被应用于钻井液中。随着化学工业的进一步发展，科研人员发现，经过改性的部分水解的聚丙烯酰胺（PHP）更适于用作钻井液处理剂，因为其有选择性絮凝的作用，能针对性地絮凝包被有害固相（钻屑和劣质粘土），有害固相的减少使体系中的亚微米颗粒含量明显减少，机械钻速也得到了显著提高[1-2]。聚合物钻井液的优异性能开始逐步被从业者关注，并陆续被应用在油气田钻井、煤层气开采以及有色金属开采的钻孔作业中。但当时以部分水解的聚丙烯酰胺为主的聚合物钻井液也存在一些问题：①作为一种选择性絮凝剂，其最优使用范围窄，特别是钻遇含有大量的蒙脱石或伊蒙混层的强水敏感的地层时，絮凝效果较差；②形成的钻井液体系胶凝强度大，静切力较大，体系的流变性不易控制。由于聚合物在钻井液领域中具有优异的效果，聚丙烯酸钾、聚丙烯铵盐和多元共聚物等处理剂在研究、生产和应用中得到了快速发展。

1 聚合物钻井液的特性

与其他类型的钻井液相比，聚合物钻井液主要具有如下特性：①具有良好的流变性。聚合物钻井液中存在大量的聚合物分子，这些大分子对钻井液体系中的微粒起到了桥连作用，表现出较好的剪切稀释性。其结构强度主要取决于颗粒与聚合物分子之间的桥连作用强度。在井下高剪切应力的情况下，桥接作用被破坏，粘度和剪切应力降低，从而表现出较好的剪切稀释效果和较好的触变性，从而对岩屑产生较好的悬浮作用。而在钻头喷嘴周围的高速流体作用下产生高剪切速率和较低的流体阻力有利于提高钻速和破岩。②具有良好的井壁稳定能力。聚合物钻井液中的大分子聚合物，能有效吸附在井壁表面的岩石上，进一步降低裸露地层因为被钻井液滤液浸泡而产生的剥落掉块问题，有利于维持井壁稳定，减少井眼扩大率和降低井下复杂事故的发生[3-4]。

早期的聚合物钻井液主要由水解聚丙烯腈铵盐和聚丙烯酸钾组成，其中水解聚丙烯腈铵盐是聚丙烯腈在高温碱性条件下水解制成的，而且对钻井液粘度影响小。其中可游离的NH4+可以抑制泥页岩的水化分散，具有良好的抗高温降滤失作用。聚丙烯酸钾是聚丙烯酰胺部分水解的产物，其加量通常在0.1%～0.3%之间，除了可以有效降低失水，还有一定的稳定井壁作用。

2 聚合物钻井液的作用机理

2.1 井壁稳定机理

聚合物钻井液中的主要处理剂是具有极性官能团的高分子聚合物，当聚合物与井眼周围的岩石相接触时，它们可以通过氢键作用或静电吸附作用粘附在粘土颗粒表面，从而避免水分子的进入[5-6]。由于聚合物具有较高分子量和良好的线性膨胀能力，使其不仅可以吸附在粘土颗粒上，还可以进一步链接相邻的粘土颗粒，进而使多个粘土颗粒连接或桥接在一起，因此，聚合物钻井液可以防止泥页岩分散，保持井眼稳定性。

聚合物钻井液中提供的钾离子和铵离子的水合键能分别为393kJ/mol和364kJ/mol，均低于锂、钠、钙、镁等离子的水合键能，因此可以优先吸附井眼附近的岩石表面。此外，钾离子和铵离子的原子直径为2.66Å和2.86Å，可以更容易地进入粘土分子内部（粘土是由硅氧四面体和铝氧八面体组成）并将水分子从粘土的层间挤出，进而降低自由水对粘土的水化分散作用。此外，原子半径较小的钾离子和铵离子，可以嵌入伊利石层间（伊利石的层间间隙大约为10.6Å）。当钾离子吸附到粘土表面使其失去吸附水后，其离子半径进一步缩小，硅氧四面体和铝氧八面体的空间结构进一步被压缩，彼此相互靠近，使钾离子进一步靠近相邻晶体之间的负电荷中心，进一步形成更为致密的连接结构，从而加强了钾离子的晶格固定效应，使其更难被取代，从而更为稳固。

2.2 降滤失机理

聚合物钻井液中的聚合物处理剂主要通过桥接作用来与粘土颗粒形成稳定的空间网格结构，防止粘土颗粒之间碰撞聚集，并能在裸露的井壁上形成致密的滤饼。其具有较强水化能力的酰胺基团（-CONH2），可以增加水化膜的厚度，产生以水堵水的作用，泥饼中高粘度的吸附水可以有效地防止钻井液中的自由水渗入井壁附近地层中。此外，降滤失剂可提高滤液粘度并堵塞井壁附近泥饼和地层中的微裂缝，使泥饼之间更致密，减少滤液的进一步侵入。

3 聚合物钻井液的性能控制

目前聚合物钻井液中最常用的处理剂有部分水解聚丙烯酸钾（KPAM）、聚丙烯腈铵盐（HPAN）、聚阴离子纤维素（PAC）、黄原胶（XCD）和磺化沥青。其中KPAM 作为选择性絮凝剂，主要用于去除体系中的有害固相、抑制泥页岩的水化分散，其有一定的增粘作用，加量一般为0.2%～0.4%，可以使用在井底温度不超过180℃的深井中。HPAN主要作为降滤失剂使用，加量一般为1%～3%，实际使用时需要根据钻井施工设计对失水的要求进行调整。PAC和XCD主要用于调整聚合物钻井液的流变性，其中PAC的加量一般为0.2%～0.5%，主要用于提高粘度；XCD的加量一般为0.05%～0.1%，主要用于提高体系的切力。随着钻井深度的增加，钻遇不稳定地层的几率变大，为了避免出现井壁坍塌、剥落等情况，通常会使用一些沥青类材料来提高泥饼的致密性和降低失水。在钻遇易漏失地层时还需要适当增加粘度并补充随钻防漏材料。

4 结论

（1）聚合物钻井液具有良好的流变性和井壁稳定能力，现场调整与维护均较为方便，有利于提高钻井速度。

（2）聚合物钻井液具有良好的抑制性和较低的固相含量，适用于水敏性地层和煤层气等易坍塌地层。

（3）与常规钻井液相比，聚合物钻井液所需要的处理剂种类少、加量低，可有效降低钻井液的使用成本。