早在20世纪60年代，聚丙烯酰胺就被作为絮凝剂用于钻井液钻屑和粘土的控制。在 钻井液中加入极少量的PAM可使钻屑絮凝而全部除去。这样钻井速度大大提高，但因其 携带钻屑能力差、滤失量大、影响井壁稳定等缺点，不能广泛应用，只能用于地层特别 稳定的浅层井段。后来，发现了部分水解聚丙烯酰胺，具有选择性絮凝作用。它可絮凝 除掉劣质土和岩屑，而未絮凝优质造浆粘土。同时，对钻屑的分散具有良好的抑制能力， 处理后的钻井液体系中亚微米颗粒含量明显低于其它类型的水基钻井液，这对提高钻速 是十分有利的。为进一步提高聚合物钻井液的防塌能力，70年代后期发展了聚合物与无 机盐（主要是氯化钾）配合的钻井液体系。近20年来，聚合物处理剂的发展很快，除带 阴离子基团的处理剂，近几年又开发了带阳离子基团的阳离子聚合物和分子链中带阴离 子基团、阳离子基团和非离子基团的两性离子聚合物处理剂，使聚合物钻井液技术得到 不断发展和完善。而水分散型两性高分子聚丙烯酰胺是在分子链中带阴离子基团、阳离 子基团和非离子基团的两性离子聚合物中引入了疏水缔合基团，从而使水分散型两性高 分子聚丙烯酰胺赋予了新的性能。这就是在PAM分子链引入阳离子基团、疏水基团和 AMPS (2-丙烯酰胺基一2—甲基丙磺酸），分子中的阳离子中和了粘土颗粒上的负电荷 而减小静电斥力。此时聚合物能在许多位置上与粘土发生桥链，因而对粘土能够起到很 好的保护作用。同时由于分子链中含有疏水基团，使吸附在粘土表面的聚合物表现为憎 水性质，故有利于阻止水分子的进入，从而能有效地抑制页岩的膨胀。而AMPS结构中 的一个重要官能团是磺酸基。磺酸基主要功能是提供一种强亲水和强水化基团，通过平 面氢键吸附，端面静电吸附，在粘土粒子表面形成氢结构的溶剂化膜，具有较高的抗盐 和抗温能力。这样改性后的的PAM即水分散型两性高分子聚丙烯酰胺，不仅具有良好的 水溶性而且具有优良的抑制性、抗盐性及抗温性。

 

2.3.1水分散型两性髙分子聚丙烯酷胺具有良好的页岩抑制能力水分散型两性高分子聚丙烯酰胺具有良好的页岩抑制能力，页岩是通过粘土颗粒胶 结而成的，其强度随颗粒间的引力增大而增加。当页岩、与水接触时，水分子慢慢扩散 到页岩地层中，引起粘土水化膨胀，最终以胶体或固相颗粒分散到液体中。

 

水溶性聚合物具有极性的和能与水分子发生作用的官能团。聚合物加至水中，聚合 物水化基团即与水分子相结合，水化程度影响聚合物分子展开的程度。当页岩与聚合物 水溶液接触时，聚合物靠氢键或静电吸力吸附到粘土颗粒上。若聚合物的相对分子质量 足够高，并具有较强的线型展开能力和合适的分子结构，则它不仅能够吸附在一个粘土 颗粒上，而且还能进一步连接到相邻的粘土颗粒上，将多个粘土颗粒桥接在一起，阻止 页岩分散（常称为包被作用），从而保持页岩的完整性，促使井壁稳定，岩屑保持原状， 在地面有利于被固相控制设备清除。因此可以认为，聚合物稳定页岩主要是靠吸附一包 被作用。聚合物稳定页岩与下述因素有关：(1)聚合物在粘土表面上的吸附量对页岩起稳定作用的聚合物必须能被页岩所吸附，若聚合物通过氢键和静电吸力仅 有少量被页岩所吸附，则仅能形成少量聚合物桥，不足以抑制页岩分散；若页岩吸附聚 合物达到饱和，这种饱和吸附集中在一个或几个粘土颗粒上，从而降低聚合物桥接数量， 也会降低稳定页岩的效果；因而，只有当页岩表面吸附聚合物达到最佳量时，才能有效 地起到稳定页岩的作用。几种不同性质的聚合物在粘土表面的吸附见表2-12。

 

表2-12聚合物在粘土表面上的吸随聚合物类型饱和吸附量（mg/ (g土））吸附自由能（kJ/mol)

 

两性离子聚合物FA367134.8-69.8阴离子聚合物PHPA75.6-12.7两性离子聚合物XY27138.0-81.8部分水解聚丙烯酰胺HPAN45.8-8.9水分散型两性高分子143.6-84.8从上表可以看出，水分散型两性高分子聚丙烯丑胺具有较低的吸附自由能和较高的 吸附量，这是由于吸附方式由单一的氢键吸附转变为氢键吸附和静电吸附的双重吸附。 聚合物以较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电荷，另一方 面依靠聚合物链的多点吸附更为完全地包被粘土颗粒，使粘土颗粒水化分散达到有效控 制。

 

(2)聚合物的相对分子质量聚合物稳定页岩必须在页岩颗粒之间发生桥接。低相对分子质量的聚合物由于其 分子链短，难以在页岩颗粒之间发生桥接。一般来讲，用做页岩稳定剂的聚合物分子 量愈大，分子链愈长，包被的钻屑颗粒愈多，吸附的牢固程度也愈大。不同分子量的 水分散型两性聚丙烯酰胺与粘土作用后，粘土颗粒的变化见表2-13所示。

 

耙-13不同分子量的水分散型两性聚丙烯舰粘土颗粒变化水分散型两性聚丙烯杂岩样粒径中值/nm分子量/万加量/%2500.116.43800.125.56400.128.78500.137.8(3)聚合物的结构特性聚合物稳定页岩的效果与其结构特性有关。例如，聚丙烯酰胺实验表明，和高质 量分数改性淀粉具有良好的稳定页岩的作用，优于聚阴离子纤维素、生物聚合物等。 聚合物在页岩表面桥接粘土颗粒的数目与其链的伸展情况、吸附基团所占的比例（包 括阳离子基团）、水化基团所占的比例、疏水基团所占的比例有关，表2-14为不同水 分散型两性高分子聚丙烯酰胺中页岩的粒径。

 

表2-14不同水分散型两性高分子聚丙烯廉胺页岩的粒径水分散型两性聚丙烯総岩样粒径中值—阳离子基团/%疏水基团/%.2.02.023.14.04.038.78.06.027.4从上表可以看出，不同比例的阳离子基团和疏水基团岩样粒径中值不同，这是由 于聚合物靠阳离子基团以较快的速度牢固地吸附在粘土表面，中和了部分粘土表面电 荷，此时聚合物能在许多位置上与粘土发生桥链，因而对粘土能够起到很好的保护作 用。同时由于分子链中含有疏水基团，使吸附在粘土表面的聚合物表现为憎水性质， 故有利于阻止水分子的进入，从而能有效地抑制页岩的膨胀。

 

(4)不同聚合物对页岩抑制能力对比①用页岩回收率方法评价FA367、80A51、HPAM、分散型两性高分子聚丙烯酰 胺的页岩回收率结果见表2-15。

 

表2-15不同聚合物的页岩回收率聚合物页岩回收率/%类型加量/%一次页岩回收率/%二次页岩回收率/%清水/4.24/FA3670,446.8938.8480A510.439.5827.20HPAM0.433.3619.80分散型两性高分子0,459.9657.62②用页岩膨胀实验评价FA367、80A51、HPAM、分散型两性高分子聚丙烯酰胺 的抑制性，结果见表2-16和图2-6。

 

表2-16FA367、80AS1、HPAM、分散型两性高分子聚丙烯丑胺页岩膨胀高度实验评价内容膨胀时间（h)

 

123456780.2% HPAM1.782.522.833.954.004.134.264.370.2%分散型两性聚合物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图2-6FA367、80A51、HPAM、分散型两性髙分子聚丙烯酸胺页岩膨胀髙度实验③用粒度测定方法评价FA367、80A51、HPAM、分散型两性高分子聚丙烯酰胺的 抑制性，分别配制0.2%FA367、80A51、HPAM、分散型两性高分子聚丙烯酰胺水溶液， 分别加入6.0%的钙土、6.0%的泥岩粉水化24h,测定粒径中值和比表面，结果见表2-17。

 

表2-17泥岩粉在各种聚合物水溶液粒径中值和比表面实验液6.0%的钙土6.0%的泥岩粉粒径中值/pm比表面/m2/g粒径中值，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%分散型两性高分子32,512.3534.710.122.4水分散型两性髙分子聚丙烯酰胺的钻井液性能 2.4.1水分散型两性髙分子聚丙烯酰胺在淡水钻井液中的性能水分散型两性高分子聚丙烯酰胺在淡水钻井液中的性能见表2-1晰示。

 

表2-18水分散型两性髙分子聚丙烯酸胺在淡水钻井液中的性能钻井液组成-进井液性能AV(mpa*s)PV(mpa.s)YP(pa)API(mL)pH基浆12.04.58.030.010.0基衆+0.1 %水分散聚合物32.015.017.011.010.0基浆+0.2%水分散聚合物39.016.023.010.010.0基衆+0.3%水分散聚合物54.521.033.59.510.02.4.2水分散型两性高分子聚丙烯酰胺在盐水钻井液中的性能在含有15%的膨润土的盐水钻井液中（盐水组成氯化钠45g/L、氯化钙5g/L及含有 6个结晶水的氯化镁13g/L),加入不同量水分散聚合物，测定的钻井液性能见表2-19所/J、0表2-19水分散型两性髙分子聚丙烯酰胺在盐水钻井液中的性能钻井液性能钻井液组成AVPVYPAPIpH(mPa-s)(mPa*s)(pa)(mL)

 

基浆6.04.02.065.09.0基装+0.3%水分散聚合物23.021.02.012.09.0基浆+0.5%水分散聚合物3624.012.010.09.02.4.3水分散型两性髙分子聚丙烯酰胺的抑制性用JL-9100粒度分析仪测定了各种基浆加入共聚物前后的体积分布，表2-20是不 同类型钻井液在加共聚物前后比表面积和粒度中值对比。

 

表2-20不同类型钻井液在加共聚物前后比表面积和粒度中值配方共聚物加量比表面积Sv粒度中值D50(%)(cm2/cm3)(fim)

 

0161183.76%钠土1.0524972.56% 钠土+4%NaCl0169963.32.0421263.76% 钠土+36%NaCI0_3.72.51491704%抗盐土+10%NaCl+4%CaCi20113006.41.5302549_15%±+4.5%NaCl+0.5%CaCl2+1.3%MgCi20138874.72.0482667.3从表2-20可以看出共聚物具有较强的的抑制包被性，不同类型基浆加入共聚物后 比表面积大大降低，粒度中值大大增大，表明共聚物大分子能把小粒径的粘土颗粒的包 被起来，从而大大降低整个固相颗粒的比表面积，使钻井液体系中大粒径的颗粒含量大 大増加，表明共聚物具有较强的抑制包被性，能够有效的抑制地层粘土造浆，有利于保 护油气层。

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