聚丙烯酰胺泥浆护孔机理

所属栏目:聚丙烯酰胺行业知识   发布时间:2021-04-27   浏览次数:  次   文章来源:https://www.pam315.com

  本文就不同浓度的聚丙烯酰胺及其护壁作用、聚丙烯酰胺泥浆中添加润滑剂的作用以及水解对聚丙烯酰胺护孔作用的影响进行了探讨,以供参考。
 
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  1.不同浓度的聚丙烯酰胺及其护壁功能
 
  根据相关数据,聚丙烯酰胺的用量一般为2/10000-10/10000(即浓度为200-1000ppm)。我们的实践也证明,聚丙烯酰胺在低浓度下,如(70-120ppm),具有一定的防塌护孔能力。浓度越高,防塌护孔效果越好,泥浆本身的稳定性和润滑性也越好。
 
  聚丙烯酰胺是一种高分子有机聚合物,在冶金选矿中被称为3号絮凝剂,主要利用聚丙烯酰胺的絮凝特性。石油地质勘探部门的介绍和应用往往只强调其絮凝性。我们认为,当具有一定水解度的HPAM处于较低浓度(低于400ppm)时,絮凝是主要因素,同时在一定条件下可以稳定地添加该性质和孔壁。当HPAM浓度大于500ppm时,稳定化是主要因素,絮凝是辅助因素。
 
  在朱砂红矿区,我们将HPAM浓度控制在70-100ppm,观察到乐平制浆粘土中以絮凝为主,少量制浆粘土残留在泥浆中,但仍取得了良好的护壁效果。比如ZK855孔,由于断层破碎带的影响,水泥灌注已经失败4次,塌渣严重,无法钻进。使用低浓度HPAM泥浆后,在上部和中部严重超径的情况下,处理了下部烧钻、掉测斜仪街的事故长达20天。虽然钻杆被倒了两次,芯管被频繁淘汰,但孔壁仍然安全完好。由普通粘土(非膨润土)制备的低浓度聚丙烯酰胺泥浆之所以能够保护断层构造引起的破碎带中的井壁,与聚丙烯酰胺的稳定性密不可分。泥浆中的HPAM一部分被粘土和岩屑的絮凝沉降所消耗,另一部分留在泥浆滤液中。虽然浓度较低,但它不仅作用于粘土颗粒表面,而且与粘土颗粒一起形成透水性差的屏障带,从而长期保持孔壁的稳定性。对于低浓度的PAM泥浆,由于滤液中HPAM浓度低,孔壁形成的保护膜强度和耐水性较差。用于有一定胶结但水敏性不是很强的地层,护壁效果更好。对于胶结极其疏松、水敏性极强的地层,如此低的浓度无法有效保护挡土墙。冷水坑CK13204-1*孔,片岩加水敏性破层,应用低浓度HPAM泥浆,但未达到预期效果。这个孔的泥浆中HPAM浓度只有70ppm左右,孔还是塌。在CK13204-2*孔墙施工中,我们注意到了这个问题。室内进行了聚丙烯酰胺泥浆性能及聚丙烯酰胺防塌浸泡试验。分别见表1和表2。
 
  表1泥浆配方及性能指标
 
项目序号 处理剂加量 泥浆性能指标
粘土(%) 纯碱(%) CMC(%) HPAM(ppm) 比重(克/厘米3) 粘度(秒) 失水量(毫升/30分) 泥皮厚(毫米) pH 胶体(%) 含砂量(%)
原浆 10 0.25 / / 1.02 16 54 1.1 8 >96 >1
1 10 0.25 0.2 100 1.04 19 23 0.9 8 >96 <0.5
3 10 0.25 0.2 300 1.04 21 8 0.5 8 100 <0.5
5 10 0.25 0.2 500 1.043 22 6 <0.5 8 100 <0.5
7 10 0.25 0.2 700 1.043 25 6 <0.5 8 100 <0.5

  表2HPAM防塌浸泡试验

HPAM浓度(ppm) 岩矿样 浸泡结果
0 破碎云母、石英、片岩 1-2分钟即膨胀、崩溃、溶液混浊
100 破碎云母、石英、片岩 2分钟膨胀、分散、溶液不分浊
300 破碎云母、石英、片岩 2分钟后分散
500 破碎云母、石英、片岩 10分钟只略微膨胀微裂痕。20分钟裂痕增多、不分散、半小时后逐散、但仍呈组状。

  注:试验岩样粉碎过80目筛,压成直径10、15mm的岩柱,烘干备用。
 
  根据室内试验,在现场施工中,在其他处理剂基本不变的情况下,我们根据地层和井眼情况,对泥浆中HPAM的浓度进行了三次调整。
 
  在泥浆中,水解聚丙烯酰胺(HPAM)长分子链上的吸附基团(-CONH2)通过氢键吸附作用吸附在粘土颗粒上。
 
  当聚丙烯酰胺浓度不变,粘土用量增加时,发现粘土絮凝聚集明显。这是因为太多的粘土被聚合物吸附和桥接。将泥浆与普通粘土混合时,当粘土量增加时,往往会出现粘土量与泥浆比重不成正比的现象。有时,虽然混合器中的新浆料在混合过程中保留了更多的粘土,但在一段时间的恒定循环后,浆料中的粘土量显著减少。泥浆中的大部分粘土颗粒在循环罐或沉淀池中絮凝沉淀或半悬浮。与普通铬铁盐处理的细分散泥浆不同,这种泥浆中的粘土含量有自然下降的趋势。PAM泥浆实际上倾向于保持低固相。在粘土层钻进时这种情况是否也一样,还没有实践过。因此,在PAM浓度不变的情况下,增加粘土用量并不能提高PAM泥浆的护孔效果,只有增加PAM浓度才能增强其护孔效果。
 
  2.聚丙烯酰胺泥浆中添加润滑剂的作用
 
  用聚丙烯酰胺和皂化油润滑剂处理泥浆,不仅可以增加泥浆的润滑性,降低流动摩擦阻力,而且有助于稳定井壁。
 
  当皂化油的量从0.3%增加到0.5%时,钻具的转速可以从4提高到6。有人担心在泥浆中加入皂化油会导致井壁不稳定。我们测试分析了这种情况。向泥浆中加入皂化油后,泥浆的实测失水减少。如当HPAM用量为20ppm  PAM泥浆、4-5%粘土、0.3%纯碱时,泥浆主要性能指标为:粘度26秒,比重1.04 g/cm2,失水8.5 ml  /30分钟;当加入0.3%皂化油时,失水减少到5-6毫升/30分钟。试验中,无论加入多少皂化油(从0.3%到3%),孔内都没有坍塌和断渣现象。泥浆中的皂化油不仅参与孔壁泥皮的组成,而且泥浆和油中粘土和石粉的增水基和矿物油分子以及皂化油中的表面活性物质,一旦吸附在孔壁上,就相当于一层套管,阻止水渗入孔壁。因此,可以提高墙壁保护效果。随着皂化油润滑剂用量的增加,这种作用越来越明显。
 
  当使用聚丙烯酰胺低固相泥浆时,当HPAM用量在200ppm以上时,即使不添加皂化油润滑剂,当井深在600米左右时,仍可驱动高速(870-1090转/分)。这不仅与粘土的性质和用量、PAM的浓度有关,还取决于PAM本身的润滑性。测定的聚丙烯酰胺相对摩擦系数表明,皂化油为5-6时,聚丙烯酰胺为7-8,主要与水解后生成的羧基有关。有数据表明,PAM碳链之间存在108 29的夹角,每条链可以自由旋转,具有柔性。而且由于流动过程中PAM大分子的取向,加入聚合物PAM的流体的长链沿着流动方向延伸,可以降低流动阻力,从而使PAM具有一定的润滑性。研究泥浆的润滑性,降低钻具与孔壁之间的摩擦系数,不仅是一个润滑问题,实际上还关系到孔壁的稳定性。当钻具与孔壁之间存在缓冲润滑膜时,钻具与孔壁之间的摩擦阻力减小,钻具的振动及其对孔壁的冲击减小。结合聚丙烯酰胺大分子的取向和流动特性,改善了冲洗液的流态,降低了流体流动对孔壁的冲刷破坏作用。这些都有利于孔壁的稳定。
 
  3.凝胶保护剂在聚丙烯酰胺泥浆中的作用
 
  虽然PAM在泥浆中起到一定的稳定泥浆性能的作用,但在配制泥浆时,如果不加入一定量的稳定剂(泥浆术语中常称为护胶剂)。例如CMC、HPAN等。),泥浆也有絮凝聚结的倾向,这是由PAM的絮凝特性决定的。当PAM浓度在絮凝浓度范围内时,这一方面更加突出。我们做了一些小规模的实验:配制PAM泥浆时,先加水,然后是土(不是膨润土或膨润土),然后是纯碱,再加入水解度35%的聚丙烯酰胺,会发生絮凝。之后加入稳定剂如CMC或分散剂如纯碱几乎不能再分散絮体。
 
  如果改变加入顺序,即粘土水化分散后,加入CMC稳定泥浆胶体,再加入HPAM进一步改善和稳定泥浆性能,可以提高PAM泥浆的护孔效果。
 
  制备聚丙烯酰胺泥浆的过程可分为以下三个步骤:
 
  第一步是粘土的亚水化。此时,较大的粘土颗粒被添加到起始混合器中,并被机器连续破碎。一方面,苏打的加入可以加速这一过程;另一方面,由于钠离子和钙离子的交换和吸附,泥粘土颗粒高度分散,形成稳定的双电层。
 
  第二步,当粘土颗粒分散到溶胶-悬浮液的程度时,加入羧甲基纤维素等。粘土颗粒吸收CMC等降滤失剂(或凝胶保护剂)包裹粘土颗粒,既保持了合适尺寸的颗粒分布,又不易团聚沉降。
 
  第三步,添加絮凝剂HPAM。随着HPAM的加入,非胶体粒子,即粒子的重部被吸附-桥联和絮凝;而被护胶剂保护的造泥粘土仍处于分散状态,被絮凝剂吸附,缠绕但不架桥,而是稳定悬浮在泥浆中,成为高粘度的溶胶-悬浮液,不出现絮凝、凝聚和沉降现象。
 
  在生产试验中,不加护胶引起的泥浆性能变化相当明显。如果用膨润土粉配制PAM泥浆,虽然是预水化的,但当先加入HPAM(水解度30%左右)时,仍会出现胶状絮状物。在没有胶水保护剂的情况下,用普通粘土制浆的现场,很明显会出现塌孔现象。加入经过护胶剂处理的泥浆后,泥浆的护壁性能得到改善。初步试验表明,使用水解聚丙烯酰胺的效果优于羧甲基纤维素。
 
  4.水解对聚丙烯酰胺孔保护的影响
 
  在碱性环境下,聚丙烯酰胺可以在高温(90/100)和常温下水解,成为具有絮凝作用的水解聚丙烯酰胺。这两种方法都是在室内和野外进行的。水解比是:
 
  高温水解(7%)聚丙烯酰胺:氢氧化钠:H2O=10: 0.13: 60(千克)
 
  室温水解(7%)聚丙烯酰胺:氢氧化钠:碳酸氢钠:H2O=10: 1: 1: 60(千克)
 
  当高温水解时间超过1个半小时,常温水解时间约为2个半小时时,用标准盐酸滴定,水解度可达30%以上。但由于碱的用量、水解温度和搅拌时间的不同,对水解液孔隙的保护效果也不同。高温水解的聚丙烯酰胺液相粘度低,现场搅拌不足,用量大,护孔效果差。常温水解,我们还做了只用烧碱水解和烧碱加纯碱水解的对比试验。观察到常温水解时水解液的粘度较高,烧碱和纯碱并用的HPAM效果较好。为了避免搅拌料浆过程中,由于加碱量过大,造成双层挤压造成料浆不稳定,我们经常将常温水解所用碱的比例降低到原来用量的60%左右,即
 
  (7%)聚丙烯酰胺:氢氧化钠:氯化钠:H2O=50: 3: 2: 300(千克)
 
  聚丙烯酰胺干量与碱的比例接近11。水解聚丙烯酰胺作为泥浆处理剂时,可以用较少的用量制备出润滑性、稳定性和护壁性较好的泥浆。
 
  PAM水解时,在水中发生水化,形成粘度很大的胶体。碱性环境可以加速这一过程。PAM属于胶凝剂,所以它也有胶凝剂的两个作用:一是将各组分粘结成一体,二是形成胶凝剂与水分离的保护膜。在泥浆护壁施工过程中,PAM使粘附的颗粒相互粘附,用吸附基吸附在孔壁岩石表面,形成胶凝剂保护膜,结合成一个完整的保护层,具有防水功能,防止泥浆中的游离水接触孔壁。聚丙烯酰胺浓度越高,胶凝剂的成膜性越好,堵水效果越强。在这种作用下,孔壁岩石表面与水接触的机会大大减少,并且由于泥浆液相粘度的增加,不仅阻止了粘土胶体颗粒的聚结,水分子向孔壁岩石表面的运动无疑是一个障碍。这样可以防止和抑制水敏岩层的水化膨胀和分散,防止掉块和塌渣。所以泥浆趋于稳定,对孔壁也有很好的保护作用。
 
  5.聚丙烯酰胺泥浆护孔机理综述
 
  综上所述,我认为聚丙烯酰胺泥浆的护壁作用是与聚丙烯酰胺的用量、聚丙烯酰胺本身的性质以及其他添加剂相辅相成的。它是聚丙烯酰胺、粘土和胶水保护剂共同作用的结果。当PAM浓度在400ppm以上时,护孔效果明显。对于一般水敏造浆地层,建议使用高浓度PAM泥浆。此时再分散稳定为主,絮凝次之。分散稳定有利于抑制井壁岩层的坍塌和塌渣。
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