關鍵詞:絡合 鉆井液 聚合物 粘度 試驗
中圖分類號:TE254.1 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0111-01
1 聚合物鉆井液的粘度及降粘機理
聚合物鉆井液的粘度主要受3個因素影響,即,粘土的含量(包括粘土的類型、含量及其分散程度)、聚合物的橋聯結構(提高體系的結構強度)和聚合物的濃度(提高液體粘度)。聚合物均是壹些線形水溶性高分子化合物,對鉆井液都有提粘作用。因此,凡是大量使用聚合物的鉆井液體系,其粘土固相含量都不是很高。
聚合物對濾液粘度的影響取決於大分子的尺寸和水化膜中固定水的個數,在聚合物濃度很高的情況下,還會因大分子之間的膠聯作用而提粘。凡是能收縮大分子尺寸和解脫溶劑化水的行為都會有降粘的效果。聚合物對鉆井液體系結構的影響主要取決於大分子與粘土顆粒之間的吸附和橋聯作用。聚合物鉆井液體系在深井階段使用時,也會因鉆屑含量改變等原因而發生稠化,采用傳統的降粘劑處理,又會因其兼有的分散作用而改變體系的不分散性。
凡是能與聚合物泥漿中的聚合物形成絡合物的降粘劑,對聚合物泥漿產生的降粘機理可以從3個方面進行分析[1]。
(1)由於降粘劑與聚合物形成了絡合物,降低了大分子之間的交聯作用,阻礙了空間網狀結構的形成。與此同時,還降低了大分子的特性粘度。因此,這類降粘劑不僅適用於不分散低固相聚合物降粘劑,也適用於無固相聚合物降粘劑。(2)由於大分子絡合物的形成,拆散了粘土顆粒之間的橋聯結構。因此,這類降粘劑對聚合物泥漿要比普通泥漿具有更強的降粘能力。(3)類似於SSMA的壹類物質,他們對聚合物的降粘機理主要有兩個方面。第壹,SSMA可以在粘土顆粒上吸附,增加粘土的ξ電位,使體系無法形成網狀結構,從而達到降粘的效果;第二就是SSMA可以與聚合物形成絡合物,從而降低聚合物泥漿的粘度[2]。
2 聚合物鉆井液3種降粘劑及其作用機理
20世紀80年代以來,聚合物鉆井液在我國得到了迅速的發展,獲得了明顯的經濟效益和社會效益。
第1種:鐵鉻木質素磺酸鹽,磺甲基栲膠,磺甲基褐煤。磺甲基單寧。主要是壹些改性的天然有機化合物。這類降粘劑以降低粘土本身產生的結構粘度為主,而基本上沒有消除聚合物的提粘效應。它們在使用pH範圍內,基本不能或很少同聚合物產生絡合物。
第2種:焦磷酸鈉。三聚磷酸鈉,六偏磷酸鈉,有機矽稀釋劑。主要是壹些低分子量的無機物和有機矽醇類。這類降粘劑能消除聚合物的大部分提粘效果,不過它們最多只能把聚合物泥漿的粘度降低到粘土泥漿的水平。
第3種:都是***聚物型的降粘劑:VAMA,SSMA,XB-40、XT-501,XW-74等。這類降粘劑加入很少量時都有壹個提粘的過程,但是對聚合物鉆井液不明顯。說明它們本身也產生壹定的橋聯作用。但是這種提粘效應很快消失而產生很強的降粘作用,不僅能夠完全消除聚合物的提粘效應,而且使聚合物泥漿比粘土泥漿得到更大的降低。
在聚合物泥漿裏面,聚合物降粘劑能同聚合物相互作用,壹定程度上遮蓋它的吸附基因,削弱聚合物同粘土的橋聯結構,使其收縮就可能使體系降粘。
這種降粘劑可以同聚合物發生作用,盡量減少同粘土顆粒發生作用。不同聚合物分子之間,可以通過庫侖力、氫鍵力、範德華力和電荷轉移作用力的形式,形成大分子絡合物。這種大分子絡合物,有可能會影響到大分子對粘土的吸附,影響到大分子的形態和親水性,最終影響到體系粘度。據此,新的降粘劑應該是壹種聚合物,它能與鉆井液體系中的主體聚合物形成絡合物,從而達到降粘的效果。
***聚物型稀釋劑對聚合物鉆井液的降粘機理的要點主要有3個,與高聚物形成大分子絡合物,拆散了與粘土形成的橋聯結構;使高聚物分子收縮、脫水;削弱了高聚物分子之間的交聯結構。
3 絡合反應對鉆井液性能的影響[3]
3.1 絡合反應的降粘作用
為了探討了PVP/HEC分子間的締合機理,楊延蓮、欒玉霞等人做了以下試驗。在純水介質中,將濃度為0.4g/L的PVP和HEC以體積比100∶1、91∶1、82∶1、73∶1比例混合。試驗結果表明,以不同比例混合的PVP/HEC復合體系的相對粘度低於理論的稀釋曲線,即在試驗濃度範圍內,二者的相互作用對粘度產生了負協同效應。此現象與HPAM/PVP混合體系的結果相反。其原因是HPAM是既含有負電基團又含有酰胺基團的柔性大分子,PVP在水溶液中帶有微弱正電荷,微弱的靜電吸引使二者相互接近形成大分子復合物,此復合物具有良好的親水性,在水中大分子鏈伸展,並相互纏結,從而具有較大的水動力學體積,故使體系粘度升高;而HEC是剛性大分子,其分子主鏈及側鏈上含有多個羥基,易與水形成氫鍵,使HEC分子具有較大的水動力學體積,故單壹HEC溶液粘度較高。PVP的存在破壞了HEC與水間的氫鍵網絡結構,HEC與PVP形成的復合物結構比較緊湊,復合物的水動力學體積比單壹組分的小,所以PVP/HEC復合體系的粘度降低。
3.2 絡合反應的提粘作用
絡合反應不僅具有降低鉆井液粘度的作用,同樣具有增加鉆井液粘度的作用。
楊延蓮等人通過測定混合體系粘度、紫外、紅外及DSC譜圖,研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與水解聚丙烯酰胺(HPAM)之間的相互作用。結果表明,PVP/HPAM混合體系的增比粘度比單壹體系增比粘度的簡單加和大得多。光譜結果顯示,在溶液中二者通過靜電力可形成超分子復合物。可以增加聚合物泥漿的粘度,以達到提高原油采收率的目的。
4 結語
聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮在加入很少量時,就可以大幅度降低聚丙烯酰胺溶液的粘度,原因是他們可以與聚丙烯酰胺通過氫鍵形成高分子絡合物。形成絡合物後,降低了大分子之間的交聯作用,阻礙了空間網狀結構的形成,同時,也降低了大分子的特性粘度,從而可以降低聚合物溶液的粘度。
參考文獻
[1] 路福綏,張春光,王果庭．SSMA對HPAM蒙脫土泥漿稀釋機理研究[J]．油田化學,1988,5(2):88～92．
[2] 張春光,侯萬國,王果庭．SSMA對海泡石-HPAM體系的稀釋作用[J]．油田化學,1988,5(1):1～5．
[3] 丁阿曼.絡合作用對鉆井液性能影響研究[J]．科技創新導報,2011,4,21.