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聚丙烯酰胺泥浆护孔机理

发布时间:2019-12-03 10:41:05     作者:波涛净水

本文对聚丙烯酰胺的不同使用浓度及护壁作用,聚丙烯酰胺泥浆中添加润滑剂的作用,及水解对聚丙烯酰胺护孔的影响等方面作了探讨,供参考。

1、聚丙烯酰胺的不同使用浓度及护壁作用

据有关资料介绍: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:聚丙烯酰胺在较低浓度时,如(70-120ppm)就具有一定的防塌护孔能力。浓度愈高,防塌护孔效果愈好,泥浆自身稳定和润滑性也愈好。

聚丙烯酰胺这种高分子有机聚合物,冶金选矿上称其为三号絮凝剂,主要利用PAM产生絮凝的特性。石油和地质勘探部门引进运用,往往也只强调其絮凝作用。我们认为具有一定水解度得HPAM在较低浓度(400ppm以下)时,主要以絮凝为主,同时在一定条件下也有稳定加进那个性能和孔壁的作用。当HPAM浓度在500ppm以上时,主要以稳定作用为主,絮凝作用为辅。

在珠砂红矿区,我们控制HPAM浓度在70-100ppm,观察到在使用的乐平造浆粘土中,絮凝部分占多数,泥浆中保留了较少量的造浆粘土,但仍取得较好的护壁效果。如ZK855孔,受断层挤压破碎带影响,先后灌水泥四次未起作用,垮渣严重,无法钻进。使用低浓度HPAM泥浆后,在上中部严重超径情况下,处理下部烧钻和掉测斜街头的事故,时间长达二十天之久,尽管反钻杆两次,消灭岩心管起下钻具频繁,但孔壁仍安然无恙。这种普通粘土(非膨润土)配制的低浓度PAM泥浆,在断层构造造成的破碎带中,之所以能起到护壁作用,是与HPAM能起一定的稳定作用分不开的。泥浆中的HPAM,一部分消耗于粘土和岩屑的絮凝聚沉,另一部分则保留在泥浆滤液中。虽然浓度较低,但其不仅作用于粘土颗粒表面,而且和粘土颗粒一起组成了一道透水性差的阻隔区,从而保持孔壁有较长时间的稳定性。低浓度PAM泥浆,由于滤液中HPAM浓度较低,因此在孔壁形成的保护膜强度和隔水性较差。当其用于具有一定胶结性,而水敏性并不很强的地层时,护壁效果较好。对于胶结极松散、且又具水敏性的地层,这样低的浓度不能有效的保护护壁。冷水坑CK13204-1*孔,片岩加水敏性破碎地层,应用低浓度HPAM泥浆,没有取得预期效果就是一个实例。该孔泥浆中HPAM浓度只有70ppm左右,孔内仍旧垮塌坍塌。我们在CK13204-2*孔壁施工中,注意研究了这个问题。在室内做了普通粘土PAM泥浆性能及HPAM防塌浸泡实验。分别见表一、表二。

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:试验岩矿样,经粉碎过80目筛,压制成φ10 、15毫米岩柱,烘干备用。

根据室内试验,在现场施工中,在其它处理剂基本不变的情况下,我们针对地层及孔内情况对泥浆中HPAM的浓度作了三次调整。

在泥浆中,水解聚丙烯酰胺(HPAM)长分子链上的吸附基(-CONH2)以氢键吸附的方式吸附于粘土颗粒上。

当PAM浓度一定时,增加粘土用量,发现粘土絮凝和聚沉现象很明显。这是由于过多的粘土被高聚物吸附-桥联所致。普通粘土配浆时,在加大粘土用量的情况下,往往出现粘土用量和泥浆比重不成比例现象。有时,虽然搅拌机中新浆在搅拌时保持了较多粘土,但经一段时同的循环后,泥浆中粘土量便显著下降。泥浆中的粘土颗粒绝大部分呈絮凝态聚沉或半悬浮于循环槽或沉淀箱内。和一般铁铬盐处理的细分散泥浆不同,这种泥浆中粘土含量有一种自然下降的趋势。PAM泥浆实际上有保持低固相的趋势。至于在粘土质地层钻进时,这种情况是否也一样,尚未实践。因此,当PAM浓度一定时,增加粘土用量,并不能提高PAM泥浆的护孔效果,而只有提高PAM浓度,其护孔作用才能增强。

2、聚丙烯酰胺泥浆中添加润滑剂的作用

聚丙烯酰胺与皂化油类润滑剂共同处理泥浆,不仅可以增加泥浆的润滑性、减少流动摩擦阻力,而且有利于稳定孔壁。

现场将皂化油加量由0.3%提高到0.5%时,钻具转速可由4提高到6速。有人曾担心,在泥浆中加入皂化油会引起孔壁不稳定。我们试验和分析了这种情况。泥浆中添加皂化油后,实测泥浆失水量有所下降。如HPAM加量为20ppm的PAM泥浆,粘土4-5%,纯碱0.3%时,泥浆主要性能指标:粘度为26秒,比重为1.04克/厘米2,失水量为8.5毫升/30分钟;当添加0.3%皂化油后,失水量则降至5-6毫升/30分钟。试验中,不论皂化油加量多少(从0.3%-3%),孔内均未出现坍塌掉块和垮渣现象。皂化油在泥浆中,不仅参加了孔壁泥皮的组成,泥并中的粘土、岩粉与皂化油中油类及表面活性物质的增水基和矿物油类分子,一且吸附在孔壁上便相当于一层隔水套管,阻止水份向孔壁渗透。因而能提高护壁效果。随皂化油类润滑剂加量増多,这种效果也愈明显。

使用聚丙烯酰胺低固相泥浆,当其HPAM加量在200ppm以上时,即使不加皂化油类润滑剂,孔深600米左右仍可开高转数(870-1090转/分)。这除了与粘土的性质与加量、PAM的使用浓度等有关外,主要还取决于PAM本身的润滑性。实测PAM的相对摩擦系数,当皂化油为5-6时,PAM为7-8,这主要与其水解后生成的羧基有关。有的资料介绍PAM碳链间有一个108°29'的夹角,每个链可以自由转动,具有柔顺性。而且加入聚合物PAM后的流体,由于PAM大分子在流动过程中的取向作用,使其长链顺流动方向伸展,可以降低流动阻力,因而也使PAM具有一定的润滑性。

研究泥浆的润滑性,减小钻具与孔壁的摩擦系数,不仅是一个润滑问题,实际上关系到孔壁的稳定性。当着钻具和孔壁之间存在着一层具有缓冲性的润滑膜时,钻具与孔壁之间摩擦阻力降低的同时,钻具的振动和对孔壁的冲击减小;加上PAM大分子的取向作用和流动特性,改善了冲洗液流型,减小了液流对孔壁的冲刷破坏作用。这些都有利于孔壁的稳定。

3、PAM泥浆中护胶剂的作用

虽然PAM在泥浆中具有一定的稳定泥浆性能的作用,但在配制泥浆时,若不加入一定量的稳定剂(泥浆术语中又常称护胶剂。如CMC、HPAN等),泥浆还具有絮凝和聚结的趋势,这是由PAM的絮凝特性所决定。PAM浓度在絮凝浓度范围时,这方面比较突出。我们作过一些小型试验:在配制PAM泥浆时,先加水后加土(非膨润土或膨润土)再加纯碱,搅匀后加入水解度35%的聚丙烯酰胺,皆会出现絮凝现象。此后再补加CMC等稳定剂或增加纯碱等分散剂,均不易使絮凝物再分散。

倘若改变添加顺序,即在粘土水化分散后,便加入护胶剂CMC等,以稳定泥浆胶体,之后再加HPAM进一步改善和稳定泥浆性能,则可提高PAM泥浆的护孔效果。

配制PAM泥浆的过程,可分为下述三步:

第一步是粘土的子水化处理。此时,较大的粘土颗粒加入到开动搅拌机中,不断地被机械打散。纯碱的加入,一方面加速这个过程,另一方面由于Na+(钠离子)与Ca++(钙离子)的交换吸附,使造浆粘土颗粒高度分散,形成稳定的双电层。

第二步,当粘土颗粒被分散到溶胶-悬浮体的程度时,加入护胶剂CMC等,粘土胶粒吸附CMC等降失水剂(或护胶剂)使之包围粘土胶粒,既保持适当大小的颗粒分布,而又不易聚结沉降。

第三步则是加入絮凝剂HPAM。HPAM的加入,使非胶粒、即颗粒粗重的部分被吸附-架桥而絮沉;而被护胶剂保护的造浆粘土则仍处于分散状态,并被絮凝剂吸附绕结但不桥联,而稳定的悬浮在泥浆中,成为一种粘度较高的溶胶-悬浮体,表现为不絮凝聚沉。

在生产试验中,不加护胶剂所引起的泥浆性能变化是相当明显的。如用膨润土粉配制PAM泥浆,虽经予水化处理,当先加入HPAM(水解度30%左右)时,仍会出现肉冻似的絮凝物。在用普通粘土造浆而缺乏护胶剂的现场,孔内随之出现的坍塌掉块很明显。补加护胶剂处理的泥浆后,泥浆的护壁性能即有好转。初步试验使用水解聚丙烯酰胺(HPAM)效果要比CMC好。

4、水解对聚丙烯酰胺护孔的影响

聚丙烯酰胺在碱性环境下,可在高温(90/100°C)和常温下水解,以成为具有絮凝作用的水解聚丙烯酰胺,这两种方法们在室内和现场都进行过。水解配比是:

高温水解(7%)PAM:NaOH:H2O=10:0.13:60(公斤)

常温水解(7%)PAM: NaOH: NaCO3:H2O=10:1:1:60(公斤)

高温水解时间在一个半小时以上、常温水解在二个半小时左右时,其水解度经用标准盐酸滴定均可达30%以上。但因其加碱量不同、水解温度和搅拌时间不同,水解产物在护孔效果上有差异。高温水解的PAM,其液相粘度较低,现场搅拌又不充分,因而用量较多,护孔作用较差。常温水解,我们也做过只用烧碱和既用烧碱又用纯碱水解的对比试用,观察到常温水解时,水解物粘度较高,其中又以既加烧碱而又加纯碱的HPAM处理泥浆效果为好。为避免搅浆时因加碱量过多而引起双电层挤压导致泥浆不稳定的现象,我们在现场常将常温水解时用碱量得配比降低到原用量的60%左右,即

(7%)PAM: NaoH: NaCO3:H2O=50:3:2:300(公斤)

使PAM干量与碱的比例近于1:1。这样水解后的HPAM作泥浆处理剂时,用量较少就能配制出润滑性、稳定性、护壁性较好的泥浆。

PAM水解时,在水中发生水化作用而形成具有很大粘性的胶体。碱性环境可以加速这种过程。PAM属于胶凝剂类,因而也具备胶凝剂的两个作用:一是使组分粘合形成整体,二是形成一层胶凝剂保护膜与水隔开。PAM在泥浆的造壁过程中,使粘上颗粒互相粘合,其本身又以吸附基吸附于孔壁岩层表面形成一层胶凝剂保护膜,组合成一个保护层的整体,这个整体具有隔水作用,阻止泥浆中的自由水与孔壁接触。PAM浓度越高,胶凝剂成膜性越好,隔水效果就越强。在这种作用下,孔壁岩层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,不仅阻止了粘土胶粒聚结,就是对水分子来讲对其向孔壁岩层移动无疑也是一个障碍。这就阻止和抑制了水敏性岩层水化膨胀与分散,防止掉块和垮渣。因此,泥浆趋于稳定,而且对孔壁亦有较好的保护作用。

5、聚丙烯酰胺泥浆护孔机理总结

综上所述,我认为聚丙烯酰胺泥浆的护壁作用,与PAM用量、PAM本身的性质及其它添加剂相辅相成。是PAM、粘土和护胶剂等“多为一体”共同作用的结果。当PAM浓度在400ppm以上时,护孔作用较明显。

对一般水敏性造浆地层,提倡用高浓度PAM泥浆。此时再分散稳定作用是主要的,而絮凝作用则为次要的。分散稳定作用对抑制孔壁岩层坍塌和垮渣有利。

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