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技术知识

聚丙烯酰胺对泥浆的作用

时间:2021-05-28 08:48:42点击:0

聚丙烯酰胺对泥浆性能的调整作用,随其自身的规格或品种(分子量、水解度等)的不同而各不相同,其基本作用是:

(一)絮凝作用

泥浆的絮凝作用指的是泥浆分散系中固体颗粒聚结的作用。能够导致泥浆絮凝的药剂很多,大致可分两类:无机絮凝剂和高分子絮凝剂。相比之下,高分子絮凝剂比无机絮凝剂的絮凝作用要强一些。作用机理也有区别,高分子絮凝剂是通过分子链上的许多吸附基(酰胺基)对固相颗粒的较强吸附作用,将若干固相颗粒吸附在一个或几个高分子链上,高分子链则在固相颗粒之间形成联接桥梁,依靠长链分子自身的内聚力使分散的固相颗粒聚结起来,如图6。

分子量、水解度不同的聚丙烯酰胺,对泥浆的絮凝能力各有不同。例如,非水解PAM(水解度2%左右) 是一种完全絮凝剂,它可使泥浆中的水和固相颗粒完全分离。所以它不能用于低固相泥浆,而只能用PAM无固相洗井液。

(二)选择性絮凝作用

所谓选择性絮凝作用,是指能使絮凝作用和分散作用这对相互矛盾的两种作用,在一定条件下相互平衡的作用。具备这种作用的药剂可使造浆能力差的劣质土和岩屑絮凝,使造浆能力强的粘土(如搬土)悬浮造浆。这种泥浆既能及时清除岩屑,又具备悬浮岩屑的能力和护壁防塌的作用。选择性絮凝作用是高分子聚合物所具有的性能。

关于选择性絮凝作用的机理,目前尚不十分清楚。一般认为是由于不同固相颗粒表面的电性差异引起的。劣质固相颗粒表面带负电荷甚少,几乎接近中性。而搬土颗粒表面却带有很强的负电荷。为此,高分子的架桥内聚作用很容易使前者聚结,却无法使表面带有强负电荷的固相颗粒聚结在一起。实际上,调整高分子的内聚力,对泥浆实现选择性絮凝作用的同时,也可以使搬土增效。

影响高聚物选择性絮凝作用的因素很多:

1、粘土的种类

电性越强的粘上制备的泥浆,越容易显示其选择性絮凝作用。例如,用优良钠搬土可以制备出比较理想的不分散低固相泥浆。而钙搬土需要经碱处理方能使用。

2、高分子的水解度

水解度不同的高分子,它们的形态、水化能力、吸附能力和絮凝能力都不相同,对泥浆的各种作用也有明显的差别。如表3。

表3

水解度 分子形态 水化能力 吸附能力 絮凝能力 作用 介质条件pH值
基本不水解 卷曲 絮凝 7-8.5
低于20% 稍曲 一般 絮凝 7-8.5
30%左右 稍舒展 较强 较强 较强 选择性絮凝 7-8.5
高于50% 舒展 较强 提粘 降失水 7-8.5

水解度在30%左右的HPAM絮凝能力较强,水化能力也较强,选择性絮凝作用较好。非水解PAM的水化能力较弱,只能用作完全絮凝剂。

3、分子量

高聚物的分子量是影响其架桥作用的主要因素之一。只有分子量在百万以上的长链分子才能在固相颗粒之间产生吸附架桥作用。而且分子量越大,这种作用越强。

4、浓度

溶液中的HPAM加入量对其絮凝作用有着明显的影响,加入量太少,就无法形成架桥作用,如图7a;加入量太多,固相颗粒表面被吸附的高分子所包裹,形成一层保护胶层,反而促使固相颗粒产生再分散作用,同样不能显示絮凝作用,如图7c。为此。只有适当控制HPAM的加入量,才能获得理想的选择性絮凝作用。

5、pH值

溶液的pH值对絮凝作用有两方面影响:一方面,增高PH值可促使HPAM水解度增加。可使曲卷的高分子伸直展开,便于架桥。另一方面,增高pH值,可使阳离子的交换容量增加,粘土表面水化膜增厚,促进粘土水化,加大优良粘土与劣质土的分散水化作用的差距,增强絮凝作用的选择性。但是,过高的pH值,可以助长劣质土的分散作用,缩小搬土和劣质土颗粒表面的电位差,反而会降低其选择性。为此,泥浆的、pH值不可太高,一般不应超过8-9。

(三)降失水作用与护壁作用

水解聚丙烯酰胺对泥浆有降失水作用。它是通过分子链上的-CONH2吸附于粘土表面上,而分子链上的羧钠基电离生成的-COO-水化形成一层水化膜,使粘土颗粒表面形成一层保护胶层。由-COO-水化形成的这些水化基团,不仅使一部分自由水牢固地包裹在基团外面难以失散,而且由于泥浆滤液粘度的提高,阻碍了剩余自由水的渗透。从而使泥浆的失水量得到控制。

由此可以看出,HPAM的水解度和加入量对其降失水作用有很大影响,水解度越高,分子链上的羧钠基越多,降失水作用越显著。如图8。

HPAM加入量对泥浆失水量的影响如图9。

当HPAM加量较小时,HPAM对泥浆主要显示絮凝作用,这时泥浆的失水量较大。当加入量上升到某一数值时,絮凝作用可达较佳点,失水量也达较大值。当加入量超过这个数值以后,随着加入量的增加,泥浆失水量开始下降。较佳絮凝点的加入量大小与粘土品种、HPAM分子量和水解度有关。

高水解度的聚丙烯酰胺和聚丙烯晴(水解度大于60%)可作降失水剂。它们不仅具有降失水作用,还有一定的絮凝作用,比较适合于不分散低固相泥浆。聚丙烯酸钠是一种以降失水作用为主的药剂。

利用PAM的降失水作用,配合其他辅助措施:添加其他降失水剂、选用优良搬土造浆、预先水化粘土、及时清除岩粉等,可使泥浆的失水量控制在很小的范围内,以防止井壁膨胀。另外,高分子链上已经吸附了大量粘土颗粒的吸附基团,有力的吸附和堵塞在孔壁裂缝里,形成致密的泥皮,使井壁保持完整。最近人们在实践中还发现,除水敏地层外,通过高聚物等处理剂改变滤液性质,抑制孔壁颗粒分散,是泥浆护壁性能得到改善的主要原因。而且这种作用比控制失水量还显著。

同样,也只有当泥浆中加入足够数量的HPAM和PAM时,才能获得较好的护壁防塌作用。

(四)润滑减阻作用

呈锯齿状的PAM长链分子的C四面体中,C-C-C键的夹角为108°29',它们在保持夹角不变的前提下可以自由转动。所以PAM具有较好的柔曲性和润滑性。此外PAM线性高分子在流动过程中,有与液流方向取得一致定向排列的特性。在管路中流动时常为层流状态,所以流动阻力很小。例如,在泥浆中加入500ppm(浓度单位) 的PAM,可使流动阻力降低35%。

PAM的这种润滑减阻作用,在现代金刚石高速钻进工艺中,具有十分重要的现实意义。

(五)提粘作用

聚丙烯酰胺在溶液中的浓度超过1%以后,溶液的粘度将急剧上升,如图10。

HPAM的分子量大小和水解度对溶液的粘度有较大影响。分子量越大,水解度越高,增粘作用越大。如表4、图11、表5。

表4

类别/粘度(厘泊)/浓度 1% 2% 3%
分子量600万PAM 100 2000 30000
分子量300万PAM 40 100 400
高粘度CMC   1000  

表5

粘土(克)(黑山 粘土粉) 水(毫升) Na2CO3(克) PAM(克) 粘度(秒) pH值
700 1000 5 0 18 8-9
700 1000 5 5 20 8-9
700 1000 5 6 23 8-9
700 1000 5 7 25 8-9
150 1000 6.5 0 22  
150 1000 6.5 1 33  
150 1000 6.5 2 45  

(六)堵漏作用

流变性好的聚丙烯酰胺泥浆渗入岩石裂隙以后,由于流动速度明显下降,泥浆的粘度和静切力显著上升,加上HPAM吸附大量颗粒像树枝一样吸附堵塞在裂隙通道中,增加了漏失阻力。此外,这种泥浆比重小,对井壁压力小。由于以上原因,这种泥浆在轻微漏失地层的漏失量比其他类型的泥浆要小得多。

利用聚丙烯酰胺的增粘作用、全絮凝作用和交联作用,在泥浆中加入一些固相添加剂(如劣质土、蚌壳、石灰和锯末等),使之絮凝成块,沉积在岩石裂隙中,可将漏失通道堵塞。或者用专用工具向井筒适当部位的泥浆中加入诸如CaCl2、FeCl3、AlCl3、Ca(NO3)2、Mg(NO)2、Fe(NO)2等无机交联剂或甲醛、乙二醛、乙二醇等有机交联剂,可使聚丙烯酰胺交联形成不溶的体型絮状物。堵塞漏失较大的裂隙。

(七)小结

从以上分析可以看出,聚丙烯酰胺对泥浆的各种作用,都与其分子量和水解度有关。也就是说不同品种的聚合物,对泥浆具有不同的作用。如表6、图12。

表6

品种/作用 絮凝 降失水 提粘 防塌 润滑
PAM +++ + ++ + +
PAA-Na   +++ ++   +
HPAM ++ ++ ++ + +
HPAN   +++ +   +

(注:表中+号越多,该作用越明显)