早在20世紀(jì)60年代，聚丙烯酰胺就被作為絮凝劑用于鉆井液鉆屑和粘土的控制。在 鉆井液中加入極少量的PAM可使鉆屑絮凝而全部除去。這樣鉆井速度大大提高，但因其 攜帶鉆屑能力差、濾失量大、影響井壁穩(wěn)定等缺點，不能廣泛應(yīng)用，只能用于地層特別 穩(wěn)定的淺層井段。后來，發(fā)現(xiàn)了部分水解聚丙烯酰胺，具有選擇性絮凝作用。它可絮凝 除掉劣質(zhì)土和巖屑，而未絮凝優(yōu)質(zhì)造漿粘土。同時，對鉆屑的分散具有良好的抑制能力， 處理后的鉆井液體系中亞微米顆粒含量明顯低于其它類型的水基鉆井液，這對提高鉆速 是十分有利的。為進(jìn)一步提高聚合物鉆井液的防塌能力，70年代后期發(fā)展了聚合物與無 機鹽（主要是氯化鉀）配合的鉆井液體系。近20年來，聚合物處理劑的發(fā)展很快，除帶 陰離子基團的處理劑，近幾年又開發(fā)了帶陽離子基團的陽離子聚合物和分子鏈中帶陰離 子基團、陽離子基團和非離子基團的兩性離子聚合物處理劑，使聚合物鉆井液技術(shù)得到 不斷發(fā)展和完善。而水分散型兩性高分子聚丙烯酰胺是在分子鏈中帶陰離子基團、陽離 子基團和非離子基團的兩性離子聚合物中引入了疏水締合基團，從而使水分散型兩性高 分子聚丙烯酰胺賦予了新的性能。這就是在PAM分子鏈引入陽離子基團、疏水基團和 AMPS (2-丙烯酰胺基一2—甲基丙磺酸），分子中的陽離子中和了粘土顆粒上的負(fù)電荷 而減小靜電斥力。此時聚合物能在許多位置上與粘土發(fā)生橋鏈，因而對粘土能夠起到很 好的保護(hù)作用。同時由于分子鏈中含有疏水基團，使吸附在粘土表面的聚合物表現(xiàn)為憎 水性質(zhì)，故有利于阻止水分子的進(jìn)入，從而能有效地抑制頁巖的膨脹。而AMPS結(jié)構(gòu)中 的一個重要官能團是磺酸基。磺酸基主要功能是提供一種強親水和強水化基團，通過平 面氫鍵吸附，端面靜電吸附，在粘土粒子表面形成氫結(jié)構(gòu)的溶劑化膜，具有較高的抗鹽 和抗溫能力。這樣改性后的的PAM即水分散型兩性高分子聚丙烯酰胺，不僅具有良好的 水溶性而且具有優(yōu)良的抑制性、抗鹽性及抗溫性。

 

2.3.1水分散型兩性髙分子聚丙烯酷胺具有良好的頁巖抑制能力水分散型兩性高分子聚丙烯酰胺具有良好的頁巖抑制能力，頁巖是通過粘土顆粒膠 結(jié)而成的，其強度隨顆粒間的引力增大而增加。當(dāng)頁巖、與水接觸時，水分子慢慢擴散 到頁巖地層中，引起粘土水化膨脹，最終以膠體或固相顆粒分散到液體中。

 

水溶性聚合物具有極性的和能與水分子發(fā)生作用的官能團。聚合物加至水中，聚合 物水化基團即與水分子相結(jié)合，水化程度影響聚合物分子展開的程度。當(dāng)頁巖與聚合物 水溶液接觸時，聚合物靠氫鍵或靜電吸力吸附到粘土顆粒上。若聚合物的相對分子質(zhì)量 足夠高，并具有較強的線型展開能力和合適的分子結(jié)構(gòu)，則它不僅能夠吸附在一個粘土 顆粒上，而且還能進(jìn)一步連接到相鄰的粘土顆粒上，將多個粘土顆粒橋接在一起，阻止 頁巖分散（常稱為包被作用），從而保持頁巖的完整性，促使井壁穩(wěn)定，巖屑保持原狀， 在地面有利于被固相控制設(shè)備清除。因此可以認(rèn)為，聚合物穩(wěn)定頁巖主要是靠吸附一包 被作用。聚合物穩(wěn)定頁巖與下述因素有關(guān)：(1)聚合物在粘土表面上的吸附量對頁巖起穩(wěn)定作用的聚合物必須能被頁巖所吸附，若聚合物通過氫鍵和靜電吸力僅 有少量被頁巖所吸附，則僅能形成少量聚合物橋，不足以抑制頁巖分散；若頁巖吸附聚 合物達(dá)到飽和，這種飽和吸附集中在一個或幾個粘土顆粒上，從而降低聚合物橋接數(shù)量， 也會降低穩(wěn)定頁巖的效果；因而，只有當(dāng)頁巖表面吸附聚合物達(dá)到最佳量時，才能有效 地起到穩(wěn)定頁巖的作用。幾種不同性質(zhì)的聚合物在粘土表面的吸附見表2-12。

 

表2-12聚合物在粘土表面上的吸隨聚合物類型飽和吸附量（mg/ (g土））吸附自由能（kJ/mol)

 

兩性離子聚合物FA367134.8-69.8陰離子聚合物PHPA75.6-12.7兩性離子聚合物XY27138.0-81.8部分水解聚丙烯酰胺HPAN45.8-8.9水分散型兩性高分子143.6-84.8從上表可以看出，水分散型兩性高分子聚丙烯丑胺具有較低的吸附自由能和較高的 吸附量，這是由于吸附方式由單一的氫鍵吸附轉(zhuǎn)變?yōu)闅滏I吸附和靜電吸附的雙重吸附。 聚合物以較快的速度牢固地吸附在粘土表面，一方面中和了部分粘土表面電荷，另一方 面依靠聚合物鏈的多點吸附更為完全地包被粘土顆粒，使粘土顆粒水化分散達(dá)到有效控 制。

 

(2)聚合物的相對分子質(zhì)量聚合物穩(wěn)定頁巖必須在頁巖顆粒之間發(fā)生橋接。低相對分子質(zhì)量的聚合物由于其 分子鏈短，難以在頁巖顆粒之間發(fā)生橋接。一般來講，用做頁巖穩(wěn)定劑的聚合物分子 量愈大，分子鏈愈長，包被的鉆屑顆粒愈多，吸附的牢固程度也愈大。不同分子量的 水分散型兩性聚丙烯酰胺與粘土作用后，粘土顆粒的變化見表2-13所示。

 

耙-13不同分子量的水分散型兩性聚丙烯艦粘土顆粒變化水分散型兩性聚丙烯雜巖樣粒徑中值/nm分子量/萬加量/%2500.116.43800.125.56400.128.78500.137.8(3)聚合物的結(jié)構(gòu)特性聚合物穩(wěn)定頁巖的效果與其結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。例如，聚丙烯酰胺實驗表明，和高質(zhì) 量分?jǐn)?shù)改性淀粉具有良好的穩(wěn)定頁巖的作用，優(yōu)于聚陰離子纖維素、生物聚合物等。 聚合物在頁巖表面橋接粘土顆粒的數(shù)目與其鏈的伸展情況、吸附基團所占的比例（包 括陽離子基團）、水化基團所占的比例、疏水基團所占的比例有關(guān)，表2-14為不同水 分散型兩性高分子聚丙烯酰胺中頁巖的粒徑。

 

表2-14不同水分散型兩性高分子聚丙烯廉胺頁巖的粒徑水分散型兩性聚丙烯総巖樣粒徑中值—陽離子基團/%疏水基團/%.2.02.023.14.04.038.78.06.027.4從上表可以看出，不同比例的陽離子基團和疏水基團巖樣粒徑中值不同，這是由 于聚合物靠陽離子基團以較快的速度牢固地吸附在粘土表面，中和了部分粘土表面電 荷，此時聚合物能在許多位置上與粘土發(fā)生橋鏈，因而對粘土能夠起到很好的保護(hù)作 用。同時由于分子鏈中含有疏水基團，使吸附在粘土表面的聚合物表現(xiàn)為憎水性質(zhì)， 故有利于阻止水分子的進(jìn)入，從而能有效地抑制頁巖的膨脹。

 

(4)不同聚合物對頁巖抑制能力對比①用頁巖回收率方法評價FA367、80A51、HPAM、分散型兩性高分子聚丙烯酰 胺的頁巖回收率結(jié)果見表2-15。

 

表2-15不同聚合物的頁巖回收率聚合物頁巖回收率/%類型加量/%一次頁巖回收率/%二次頁巖回收率/%清水/4.24/FA3670,446.8938.8480A510.439.5827.20HPAM0.433.3619.80分散型兩性高分子0,459.9657.62②用頁巖膨脹實驗評價FA367、80A51、HPAM、分散型兩性高分子聚丙烯酰胺 的抑制性，結(jié)果見表2-16和圖2-6。

 

表2-16FA367、80AS1、HPAM、分散型兩性高分子聚丙烯丑胺頁巖膨脹高度實驗評價內(nèi)容膨脹時間（h)

 

123456780.2% HPAM1.782.522.833.954.004.134.264.370.2%分散型兩性聚合物0.510.770.961.111.251.371.471.580.2%FA3671.452.102.592.983.303.583,824.050.2%80A511.652.352.833.213.513.784.014.22圖2-6FA367、80A51、HPAM、分散型兩性髙分子聚丙烯酸胺頁巖膨脹髙度實驗③用粒度測定方法評價FA367、80A51、HPAM、分散型兩性高分子聚丙烯酰胺的 抑制性，分別配制0.2%FA367、80A51、HPAM、分散型兩性高分子聚丙烯酰胺水溶液， 分別加入6.0%的鈣土、6.0%的泥巖粉水化24h,測定粒徑中值和比表面，結(jié)果見表2-17。

 

表2-17泥巖粉在各種聚合物水溶液粒徑中值和比表面實驗液6.0%的鈣土6.0%的泥巖粉粒徑中值/pm比表面/m2/g粒徑中值，卩m比表面/m2/g清水6.3148.2312.562.140.2%FA36727.413.8228.427.640.2%80A5112.023.4918.840.710.2%HPAM26.814.9329.328.430.2%分散型兩性高分子32,512.3534.710.122.4水分散型兩性髙分子聚丙烯酰胺的鉆井液性能 2.4.1水分散型兩性髙分子聚丙烯酰胺在淡水鉆井液中的性能水分散型兩性高分子聚丙烯酰胺在淡水鉆井液中的性能見表2-1晰示。

 

表2-18水分散型兩性髙分子聚丙烯酸胺在淡水鉆井液中的性能鉆井液組成-進(jìn)井液性能AV(mpa*s)PV(mpa.s)YP(pa)API(mL)pH基漿12.04.58.030.010.0基衆(zhòng)+0.1 %水分散聚合物32.015.017.011.010.0基漿+0.2%水分散聚合物39.016.023.010.010.0基衆(zhòng)+0.3%水分散聚合物54.521.033.59.510.02.4.2水分散型兩性高分子聚丙烯酰胺在鹽水鉆井液中的性能在含有15%的膨潤土的鹽水鉆井液中（鹽水組成氯化鈉45g/L、氯化鈣5g/L及含有 6個結(jié)晶水的氯化鎂13g/L),加入不同量水分散聚合物，測定的鉆井液性能見表2-19所/J、0表2-19水分散型兩性髙分子聚丙烯酰胺在鹽水鉆井液中的性能鉆井液性能鉆井液組成AVPVYPAPIpH(mPa-s)(mPa*s)(pa)(mL)

 

基漿6.04.02.065.09.0基裝+0.3%水分散聚合物23.021.02.012.09.0基漿+0.5%水分散聚合物3624.012.010.09.02.4.3水分散型兩性髙分子聚丙烯酰胺的抑制性用JL-9100粒度分析儀測定了各種基漿加入共聚物前后的體積分布，表2-20是不 同類型鉆井液在加共聚物前后比表面積和粒度中值對比。

 

表2-20不同類型鉆井液在加共聚物前后比表面積和粒度中值配方共聚物加量比表面積Sv粒度中值D50(%)(cm2/cm3)(fim)

 

0161183.76%鈉土1.0524972.56% 鈉土+4%NaCl0169963.32.0421263.76% 鈉土+36%NaCI0_3.72.51491704%抗鹽土+10%NaCl+4%CaCi20113006.41.5302549_15%±+4.5%NaCl+0.5%CaCl2+1.3%MgCi20138874.72.0482667.3從表2-20可以看出共聚物具有較強的的抑制包被性，不同類型基漿加入共聚物后 比表面積大大降低，粒度中值大大增大，表明共聚物大分子能把小粒徑的粘土顆粒的包 被起來，從而大大降低整個固相顆粒的比表面積，使鉆井液體系中大粒徑的顆粒含量大 大増加，表明共聚物具有較強的抑制包被性，能夠有效的抑制地層粘土造漿，有利于保 護(hù)油氣層。

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