水溶性高分子聚合物在钻井工程中的应用

2 0 1 1年 1月第 27卷第 1期� 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal o f Shenyang Jianzhu Un iv ersity ( N atura l Sc ience) � Jan. � 201 1Vo l. 27, N o. 1 � � 收稿日期: 2010- 09- 25 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 30318006);国家 863项目子课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ( 2006AA06A109- 3) 作者简介: 代璐 ( 1988� ), 女,硕士研究生, 主要从事材料科学与工程研究. 文章编号: 1671- 2021( 2011) 01- 0095- 05 水溶性高分子聚合物在钻井工程中的应用 代 � 璐,赵安莎,黄 � 楠 (西南交通大学材料科学与工程学院, 四川 成都 610031) 摘 � 要:目的 选用固壁性能好的高聚物类无固相钻井液,以确保复杂地层孔壁稳定性和钻孔 工程质量,提高钻进效率. 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在分析聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等水溶性高分子聚合物吸附成膜 机理的基础上,通过正交实验优选出水溶性高分子聚合物无固相钻井液主剂与交联剂组分,测 试该钻井液的漏斗黏度、API失水量、旋转黏度和胶结砂样的能力, 并分析各影响因素的相关 性,判断钻井液的流变性. 结果 该钻井液 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观黏度 5�0 10- 3 ~ 8�0 10- 3 Pa! s, API失水量 6~ 20m l/30m in,属于假塑性幂律流体,具有良好的剪切稀释作用;在岩石表面吸附速度快,对 松散砂及风化碎石层的胶结能力强, 能起到 ∀下套管 #的固壁作用;具有良好的絮凝钻屑聚沉 的能力,维持体系无固相, 显著提高破碎地层的岩矿心采取率.结论 实验优选出的水溶性高分 子聚合物无固相钻井液配方组成简单, 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 现场配置方便, 钻井液性能指标优良, 确保复杂地 层钻进工作的顺利进行. 关键词:高聚物; 吸附膜;无固相;钻井液 中图分类号: P634�6� � � 文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码: A � � � Application and Research ofW ater � Soluble Polymers i n Drilli ng Project DAI Lu, ZHAO Ansha, HUANG Nan ( Schoo l o f M a teria ls Sc ience and Eng ineer ing, Southw est Jiao tong U niver sity, C hengdu, Ch ina, 610031) Abstract: Th is paper fo cuses on se lecting n ice�featured so lid�free drilling f luid of po lymer in o rder to guar� antee the stab ility o f com plica ted stra tum �ho le w a ll and the qua lity o f drilling pro jec.t B ased on them echa� n ism of adso rpt ionm embrane form ed by po lyv iny l a lcoho ,l po lyacry lam ide and o therw a ter�so lub le po lymer, the componen ts o f m ain reagent and cro ss�linking reagent on so lid�free drilling f luid o f w ater�so luble po ly� m ers are selected through the orthogonal experim en.t Funne l v isco sity o f the drilling f luid, APIw ater lo ss, ro� tation v isco sity and the ab ility o f cem ented sand samp le are tested to ana ly ze the relevance o f each facto r and to determ ine the rheo logy o f drilling f luid. The drilling f luid performance is as fo llow s, o f apparent v isco sity, 6~ 20m l/30m in o f API lo stw ater, be long ing to fa lse plastic pow er�law f luid, w h ich goesw ith good shearing and d ilute ef fec;t high adsorption rate on the surface o f rock and strong cem ent ing ability to loo se sand and w eathering ro ck layers, w h ich plays an af f irm ative ro le o f∀ casing the so lid w all#; good capability tow ard f loccu lat ing drilling cuttings tog ether so as to m a inta in no so lid�phase in slurry sy stem, sign if icantly impro� v ing on tak ing rate o f the rock co re in f ragm entary layers. The so lid�free drilling f lu id o f w ater�so lub le po ly� mers selected through orthogona l test is com posed of a simple fo rmu la, also easy to confect in construction site. The excellent perfo rm ance o f drilling f lu id ensures the succe ssfulw o rk o f drilling in comp licated stratum. 96��� 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 27卷 Key words: h igh po lym er; adso rptionm embrane; no so lid�phase; drilling f lu id � � 水溶性高分子聚合物 (简称高聚物 )按来源 和生成可分为天然、半合成和合成的 3种;按其亲 水基类型可分为阴离子型、非离子型、阳离子型和 阴离子 -非离子复合型等 4种; 按分子结构和特 征可分为线型、支链、交联和体型 4种 [ 1] . 其中,部 分水解聚丙烯酰胺 (相对分子量 M = 300 ~ 700 万,水解度 H = 30%左右 )和聚乙烯醇 ( 1788型, 聚合度 1 700, 醇解度 88% )等高聚物在交联剂作 用下, 在岩石表面形成致密的吸附膜结构,对松散 破碎岩石具有较强的胶结能力, 可用于配制高效 无固相钻井液, 用于钻井工程复杂地层护壁堵 漏 [ 2] . 在矿产资源勘探及石油探采钻井工程中, 经 常遇到风化、松散、破碎、节理裂隙发育、矿层蚀变 带、遇水膨胀 (水敏性 )等复杂地层, 该类岩土层 孔壁极不稳定,容易发生坍塌、漏失、掉块、取心困 难等钻孔事故. 如何确保复杂地层孔壁稳定性是 钻井工程需要解决的主要技术难题之一 [ 3- 6] . 实 践证明,选用固壁性能好的高聚物类无固相钻井 液是确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程质 量、提高钻进效率、降低生产成本的最有效途径之 一 [ 7- 8] .笔者进行了聚乙烯醇高聚物吸附膜及膜 的致密性分析, 通过正交实验优选出水溶性高分 子聚合物无固相钻井液主剂与交联剂组分, 测试 了钻井液漏斗黏度、A PI失水量、和旋转黏度等指 标,分析了影响钻井液性能的主要因素,并通过工 程应用优化了高聚物钻井液的配方及性能参数. 1� 高聚物吸附成膜机理 1�1� 高聚物的吸附作用力 水溶性高分子聚合物在岩石表面吸附的作用 力,主要有憎水效应、范德华力、氢键力、静电引力 和化学键力等. 高聚物分子每一个链节与岩石表 面吸附力很小, 但由于高聚物分子的链节数目非 常大, 总的吸引力是很大的.高聚物一旦吸附到固 体表面就成为不可逆的,即很难脱附,这一吸附特 性非常有利于胶结破碎岩石 [ 9- 10] . 一般情况下,高聚物初始吸附速度越快,其胶 结岩石的性能就越好.高聚物质量分数越大,初始 吸附速度越快; 憎水效应强 (亲水性弱 ) , 受水的 排斥作用强,则初始吸附速度越快;高聚物分子链 节所带离子基团的电性与固体表面电性相异时, 则初始吸附速度越快 [ 11- 12 ] . 1�2� 高聚物吸附膜及膜的致密性 高聚物线型大分子在岩石表面吸附时, 首先 形成大分子吸附网,当高聚物质量分数足够大时, 吸附量加大,使吸附网逐渐加密,便形成高分子吸 附膜. 聚合物的吸附行为可根据壁面吸附强度划 分为弱吸附和强吸附两个区间, 聚合物分子链在 强吸附条件下,能够形成吸附层 [ 13] . 将水溶性高分子聚合物线性大分子用交联剂 交联成适度网状结构,将有助于提高成膜速度和 膜的致密性.交联剂交联作用如图 1所示.对于聚 乙烯醇 ( PVA )等带羟基的非离子型聚合物,选用 硼砂作交联剂较好; 对于水解聚丙烯酰胺 (HPAM )等带阴离子基与非离子基混合型水溶性 高分子聚合物,选用含、等高价阳离子的无机盐作 交联剂较好 [ 14 ] .高聚物的吸附能够形成一定厚度 的膜, 发生多分子层吸附, 是因为高聚物分子之间 能以众多链节相互吸引, 产生很大的分子间作用 力 (也称次价键力 )而聚集在一起. 从胶结岩石的 需要考虑,高聚物能否形成致密的吸附膜很重要. 膜的致密性主要与聚合物结晶性、分子吸附构型、 聚合物与岩石表面间的电性作用等有关. 图 1� 聚合物的交联作用示意图 Fig�1� Schem a tic diagram o f the po lym er cro ss�linking � � 对于聚乙烯醇等结晶性高聚物,其吸附构型 为平卧状,所形成的吸附膜结构致密,对岩石的胶 结作用强.通过砂样浸泡实验观察到,见水即散的 碎石砂样放入以聚乙烯醇 ( PVA )高聚物为主剂 的无固相钻井液中久泡不散, 将该砂样放入钻井 液中浸泡 1s后再放入水中仍然久泡不散. 这是因 为钻井液主剂 PVA分子链节在岩土颗粒表面上 第 27卷 代 � 璐等:水溶性高分子聚合物在钻井工程的中应用 97��� 有很快的吸附成膜性, 对岩土颗粒具有很强的胶 结性, 交联剂有助于形成致密、坚韧、柔性好的网 状结构,在井壁表面或随钻井液深入井壁形成比 较坚韧的吸附薄膜或吸附圈, 增强了护壁性 能 [ 15- 16 ] . 2� 钻井液的配方优选 2�1� 正交实验方法 从聚乙烯醇 ( PVA )、水解聚丙烯腈 ( HPAN )、 聚丙烯酰胺 ( PAM )、部分水解聚丙烯酰胺 (HPAM )等高聚物中优选钻井液主剂,从 A lC l3、 FeC l3、A l2 ( SO 4 ) 3、N a2B4O 7 ! 10H2O (硼砂 )中优 选钻井液交联剂.采用正交试验方法,并通过对各 组试验试样的黏度、失水量、静切力、流变性、吸附 胶结性等性能指标测定, 合理确定水溶性高分子 聚合物无固相钻井液的配方比例, 使该类钻井液 各项性能指标达到最佳 [ 17] . 采用 L 9 ( 34 )三水平四因素正交试验表,优选 钻井液的主剂与交联剂的加入比例,试验因素及 水平见表 1,实验数据及试验结果见表 2. 表 1� L 9 ( 34 )三水平四因素正交实验表 Tab le 1� The or thogona l te st tab le o f four fac to rs and three leve ls about L9 ( 3 4 ) % 水平 因素 A (主剂 1) B (主剂 2 ) C (交联剂 1 ) D (交联剂 2) 1 0. 2 0. 05 0. 06 0. 01 2 0. 4 0. 10 0. 08 0. 02 3 0. 6 0. 15 0. 10 0. 03 � � 注:各因素的影响水平指与水的质量百分比. 表 2� 浆液 L9 ( 34 ) 正交试验安排及其实验结果 Table 2� The o rthogonal experim en t arranges and test results about L eve l 3 and Fac tor 4 fo r drilling f luid 编号 因素 A B C D 性能指标 表观黏度 / ( 10- 3Pa! s) API失水量 / ( mL /30 m in ) 六速旋转黏度计读数 �3 �6 �100 �200 �300 �600 砂样浸泡 1 1 1 1 1 4. 75 12 1. 0 1. 2 2. 0 2. 5 3. 2 5. 5 散开 2 1 2 2 2 8. 25 23 0. 8 1. 0 4. 0 7. 0 7. 0 13. 0 散开 3 1 3 3 3 7. 00 18 1. 0 2. 0 5. 0 8. 0 11. 0 18. 0 不散 4 2 1 2 3 4. 75 16 0. 1 0. 3 1. 1 2. 0 3. 5 5. 8 不散 5 2 2 3 1 8. 00 10 0. 7 1. 6 4. 5 6. 5 8. 0 13. 0 不散 6 2 3 1 2 9. 50 25 0. 9 1. 1 6. 0 12. 0 17. 0 27. 0 散开 7 3 1 3 2 6. 50 7 0. 3 0. 5 3. 0 6. 0 8. 0 14. 0 不散 8 3 2 1 3 7. 00 8 0. 2 0. 5 3. 0 6. 0 10. 0 19. 0 不散 9 3 3 2 1 9. 50 10 0. 3 1. 0 7. 0 15. 0 22. 0 40. 0 不散 � � 注:砂样浸泡实验是指将干砂团放入钻井液中浸泡 1 s后再放入水中浸泡 48 h以上. 2�2� 影响因素分析 对试验数据及各因素的极差值 R进行分析, 可得到各因素水平 (加量比例 )对 API失水量、钻 井液黏度、流变性的影响趋势. ( 1)对钻井液 A PI失水量的影响 主剂 1、交联剂 2对钻井液 API失水量影响 较大.当其他因素不变时,随着主剂 1质量分数增 加,钻井液的 API失水量呈下降趋势, 如图 2所 示;而交联剂 2对 API失水量影响是先增后减,在 质量分数达到 0�03%时, API失水量达到极大值, 如图 3所示. 图 2� 主剂 1对钻井液 API失水量的影响 Fig�2� M ain reagen t 1 e ffect on the AP Iw ater lo ss � � ( 2)对钻井液黏度的影响 经分析主剂 2对钻井液黏度的影响很大. 当 98��� 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 27卷 其他因素相对不变时,随着主剂 2质量分数增加, 钻井液的表观黏度呈上升趋势,如图 4所示. 图 3� 交联剂 2对钻井液 API失水量的影响 F ig� 3� C ro ss�link ing reagent 2 on the e ffect o f AP I w a� te r lo ss 图 4� 主剂 2对钻井液黏度的影响 F ig� 4� M ain reagent 2 on the effec t o f drilling fluid v isco si� ty v isco sity � � ( 3)对钻井液流变性的影响 通过对流形的判断, 水溶性高分子聚合物无 固相钻井液属于幂律流体. 以 L 9 ( 34 )正交试验表 中的第 5号配方为例,其钻井液的流变方程为 �=K n = 0�05 ( 1�7033N ) 0� 70. ( 1) 式中: �为幂律流体的剪切应力, Pa; N 为六速旋 转黏度计的圆筒转速 ( 3, 6, 100, 200, 300, 600) , r / m in; 为剪切速率, s- 1. 因流性指数 n = 0�70< 1, 该类钻井液为假塑 性幂律流体,其流变曲线如图 5所示.假塑性流体 特点是浆液表观黏度随剪切速率增加有降低的趋 势,具有剪切稀释作用 [ 18] . 2�3� 钻井液的配方组成及性能 经多次正交实验优选的水溶性高分子聚合物 无固相钻井液配方组成如下: 主剂 1质量分数为 0�3% ~ 0�6%; 主剂 2质量分数为 0�07% ~ 0�15%; 交联剂 1质量分数为 0�07% ~ 0�12%; 交联剂 2质量分数为 0�03% ~ 0�05% . � � 所配制的钻井液性能指标优良: 表观黏度 5�0 10- 3 ~ 8�0 10- 3 Pa! s; API失水量 ( 0�7 MPa压差 ) 6~ 20 mL /30 m in; 属于假塑性幂律流 体,具有良好的剪切稀释作用; 在岩石表面吸附速 度快, 对松散砂及风化碎石层的胶结能力强,能起 到 ∀下套管#的固壁作用; 具有良好的絮凝钻屑聚 沉的能力. 图 5� 钻井液幂律流体流变曲线 F ig� 5� C urve o f pow e r law fluid f low on drilling f lu id 3� 钻井液的工程应用 华东地区某铜矿地质勘探钻孔孔深达 1 000 m,终孔直径为 75 mm, 采用金刚石绳索取心钻 进.该勘探区一般在孔深 300~ 500m段将遇到粉 砂岩、花岗闪长斑岩等风化破碎层, 此段地层坍塌 掉块问题比较严重,透水性强, 属于典型的硬、脆、 碎复杂地层.为此,决定选用经正交实验优选的水 溶性高分子聚合物无固相钻井液进行现场应用实 验. 所采用的水溶性高分子聚合物无固相钻井液 主剂 (聚乙烯醇与聚丙烯酰胺混合物比例为 4∃1) 质量分数为 0�4% ~ 0�6%; 交联剂 1(硼砂 )质量 分数为 0�07% ~ 0�09% ;交联剂 2(一种铝酸盐化 合物 )质量分数为 0�01% ~ 0�02%, 余之为水. 使 用该钻井液较好地解决了孔深 300~ 500m 段风 化破碎层坍塌掉块问题, 实现了在不下护壁套管 情况下的正常钻进. 该高聚物无固相钻井液絮凝钻屑聚沉能力 强,维持体系无固相; 钻井液润滑性较好,适合金 刚石绳索取心高转速钻进;对破碎地层的岩矿心 采取率提高作用明显,由岩矿心采取率不足 60% (用普通不分散低固相泥浆钻进时 )提高到 80%左 右,且对矿心无污染,确保了岩矿心的代表性. 4� 结 � 论 ( 1)选择聚乙烯醇等水溶性高聚物作为无固 第 27卷 代 � 璐等:水溶性高分子聚合物在钻井工程的中应用 99��� 相钻井液的主剂,选择硼砂、含 A l3+、Fe3+等高价 阳离子的无机盐作为主剂的交联剂,将有助于增 加高聚物在岩石表面的成膜速度和膜的致密性. ( 2)实验优选出的水溶性高分子聚合物无固 相钻井液配方组成简单,施工现场配制方便,钻井 液性能指标优良,特别是对松散砂、风化碎石层及 水敏性地层的胶结能力强,能起到 ∀下套管 #的固 壁作用,可避免掉块、坍塌、卡埋钻等事故的发生, 确保复杂地层钻进工作的顺利进行. ( 3)水溶性高分子聚合物无固相钻井液属于 假塑性幂律流体,具有良好的剪切稀释作用和絮 凝钻屑聚沉能力,维持体系无固相;对破碎地层的 岩矿心采取率提高作用明显. 参考文献: [ 1 ] � 靖向党. 钻孔工程 [M ]. 北京: 冶金工业出版社, 1999. � ( Jing X iangdang. D r illing eng ineer ing[ M ]. B e ijing: M e ta llurg y Industry P ress, 1999. ) [ 2 ] � O r ienti I, P ie tra A D, Lupp i B, et a .l C ro sslinked po l� yv iny l�la lcoho l hydro ge ls as v eh icles fo r hydroph ilic drug s[ J]. D epar tm ent Pha rm Sc ,i 2000, 19( 2): 421. [ 3 ] � 鄢捷年. 钻井液工艺学 [ M ]. 东营: 中国石油大学 出版社, 2001. � ( Y an Jienian. D rilling fluids techno lo gy [ M ]. D ongy ing: Ch ina Un iv ersity o f Petro leum Pre ss, 2001. ) [ 4 ] � Jiankang Guo, Jien ian Y an, W e iw ang Fan, et a1. Ap� p lica tion o f strong ly inhibitiv e silica te�based dr illing fluids in troub le som e sha le fo rm a tion in Sudan [ J]. Journa l o f Pe tro leum Sc ience and Eng ineer ing, 2006, 50( 3 /4): 195- 203. 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