鉆井液高分子處理劑的破膠實驗研究

何丕祥，王興偉，劉 璐

（1.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280；2.中國石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280）

隨著水平井應用的逐年增多，水平井的油層保護也越來越受到重視。據報道[1]，水平井效果差的主要原因之一是水平井在鉆井過程中的油層受到了污染。目前國內外水平井鉆井過程中采用的鉆井液體系較多，主要有聚合物鉆井液、油基鉆井液、清潔水/鹽水鉆井液、混合金屬層狀氫氧化物鉆井液、泡沫或充氣鉆井液。其中，聚合物鉆井液由于其優(yōu)越的濾失控制和濾餅易用酸或氧化劑清除的特點，以及有極強的防制地層黏土礦物水化膨脹造成地層損害的能力而被廣泛采用。

大港油田常用的水平井鉆井液體系主要有：甲酸鹽、有機正電膠、硅基防塌、抑制性、聚合物、麥克巴的ULTRODRIL鉆井液體系等。這些體系中都含有不同類型的高分子處理劑，它們一方面大大提高了鉆井液性能，滿足了現代鉆井工程的需要，同時也提高了鉆井過程的油氣層保護效果，但另一方面，鉆完井后如果不及時徹底地加以處理，就會污染油氣層，使油氣井產能得不到最大限度的發(fā)揮。因此，必須研究在鉆井結束后如何高效快速地破壞鉆井液中的高分子處理劑。本文針對大港油田常用的鉆井液高分子處理劑的破膠進行室內實驗研究，并對影響破膠效果的因素進行分析。

1 鉆井液高分子處理劑的特點和作用

為滿足鉆井的需要，各種鉆井液處理劑被不斷的開發(fā)與應用。從20世紀80年代以來，用于鉆井液和完井液的處理劑品種不斷增多，目前國內鉆井液處理劑主要有降濾失劑、增黏劑、降黏劑、包被劑、頁巖抑制劑等18大類。其中，高分子聚合物被越來越多地用于鉆井液處理劑，包括天然聚合物、合成聚合物、生物聚合物等。

目前大港油田常用的鉆井液高分子處理劑主要有：生物聚合物FLOVIS，改性淀粉，流型調節(jié)劑、聚丙烯酰胺鉀鹽、兩性離子聚合物、MCVIS等。這些高分子處理劑共同的特點是均為水溶性高分子聚合物，可以改善鉆井液性能。它們在鉆井過程中起到的主要作用有[2]：（1）流型調節(jié)作用，改變流體的流型，能提高鉆井液懸浮和攜帶巖屑的作用。（2）降濾失作用，能夠降低濾餅的滲透率，提高黏土顆粒的水化程度，對泥餅起堵孔作用，使泥餅致密。（3）抑制與防塌作用，聚合物在鉆井液中能夠吸附在顆粒上，起到包被作用，包被能力越強，對鉆屑分散的抑制作用越強，長鏈聚合物在泥頁巖井壁表面發(fā)生多點吸附，封堵微裂縫，可以阻止泥頁巖剝落，同時對泥頁巖的水化膨脹有一定的抑制作用。（4）潤滑作用，能夠有效改善鉆井液濾餅的性能，降低摩阻。由于它們具有多種性能而被廣泛采用。但為了獲得更好的保護油氣層效果，還必須對其完成鉆井后的破膠效果進行研究。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品及儀器

藥品：過硫酸鹽A、氯酸鹽B、次氯酸鹽C、過氧化物D均為分析純。

聚丙烯酰胺鉀鹽、流型調節(jié)劑、改性淀粉GD10-1、FLOVIS。

儀器：D-8401型多功能攪拌器、恒溫水浴、DV-Ⅲ黏度計（美國）。

2.2 實驗方法

（1）聚合物和破膠劑濃度選擇：根據現場施工要求,大港油田最常用的為以下幾種濃度的聚合物：0.3%FLOVIS、1.425%改性淀粉 GD10-1、0.5%流型調節(jié)劑、0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽。因此選用這幾種濃度的聚合物作為本實驗研究對象。根據資料調查研究[3-5]，破膠劑及濃度的選擇和現場施工條件及成本有關，一般破膠劑的使用濃度范圍在0.5%～5%。為達到較好的破膠效果及考慮成本問題，本實驗中分別配制3%破膠液 A、B、C、D。

（2）用黏度計測聚合物初始黏度，將破膠液與聚合物按一定比例混合在50℃恒溫水浴中反應，測不同時間下溶液的黏度，并計算降黏率，用降黏率來表征破膠效果。

（3）將破膠液A中分別加2% 和5%Na2CO3，重復上述實驗考察pH對破膠效果影響。

3 實驗結果與討論

3.1 單一破膠劑對不同聚合物破膠分析

四種聚合物中初始黏度大小依次為：流型調節(jié)劑、FLOVIS、聚丙烯酰胺鉀鹽、改性淀粉GD10-1。同一種破膠劑對于不同種聚合物破膠效果不同，破膠效果（見圖1）。實驗結果表明，破膠液A對流型調節(jié)劑破膠效果最好且速度最快，30 min后降黏率已達到85.71%，2 h后降黏率為96.71%，其溶液黏度幾乎與水相同。其次為聚丙烯酰胺鉀鹽和FLOVIS。對改性淀粉GD10-1的破膠效果不理想，2 h后降黏率為67.86%，黏度不再隨時間增長而變化。破膠液B、C的趨勢基本相同，對流型調節(jié)劑和聚丙烯酰胺鉀鹽破膠效果較好。破膠液D對四種聚合物破膠效果不理想。

圖1 單一破膠液對四種聚合物的破膠效果圖

3.2 不同破膠劑對同一聚合物的破膠分析

對于同一種聚合物，不同破膠劑的破膠效果不同。實驗結果表明對于FLOVIS：四種破膠劑中過硫酸鹽A的破膠效果最好，4 h后降黏率可達到80.52%。對于改性淀粉GD10-1破膠：四種破膠劑效果均不是很理想，2 h最高降黏率僅為67.86%，且降黏率不再隨時間增長。對流型調節(jié)劑破膠：除破膠液D外，其余三種破膠液均有良好的破膠作用，2 h降黏率均在95%以上，且破膠時間和破膠速度基本相同。對聚丙烯酰胺鉀鹽的破膠：從降黏率隨時間變化柱狀中可以看出（見圖2），四種破膠劑對聚丙烯酰胺鉀鹽都有較好的破膠效果。

圖2 四種破膠液對單一聚合物的破膠效果圖

然而在對聚丙烯酰胺鉀鹽的破膠過程中，A、B、C三種破膠液均會產生白色絮狀物，但加入A和C破膠液產生的絮狀物會隨時間增長或攪拌速度加快而消失。分析其原因有兩種[6]：（1）聚丙烯酰胺鉀鹽是陰離子型聚合物，在破膠劑的作用下使分子鏈斷裂，黏度降低，同時酸性條件下聚丙烯酰胺易發(fā)生絮凝。（2）高速攪拌可使聚丙烯酰胺鉀鹽分子鏈斷裂，這屬于機械方法。因此破膠液在高速攪拌的情況下通入井壁，會使聚合物濾餅的清除效果更好。同時從圖2中還可看出，四種破膠液基本在2 h內破膠結束，4 h后降黏率變化很小。

3.3 pH值的影響

四種破膠劑均屬于強破膠劑。過硫酸鹽A具有強氧化性和腐蝕性，易水解，溶液呈酸性。氯酸鹽B和次氯酸鹽C在酸性條件下易水解生成氯酸根和次氯酸根都具有強氧化性，但氯酸根水解電離濃度大于次氯酸根。D溶液呈中性。實驗過程中pH變化（見表1）。

破膠液 A、B、C的 pH＝1，溶液呈酸性。破膠液D的pH=6，呈中性。四種聚合物中只有聚丙烯酰胺鉀鹽呈堿性，pH＝8，其他三種呈中性。從表中可以看出破膠液與聚合物混合后pH發(fā)生很大變化。改性淀粉GD10-1和FLOVIS的pH值變?yōu)樗嵝?。但隨著反應時間增長，pH值幾乎保持不變。

表1 反應過程中溶液pH值變化

表2 pH值對聚合物破膠的影響

圖3 pH值與聚合物降黏率的曲線圖

從3.1和3.2分析中可知聚合物FLOVIS和改性淀粉在酸性條件下破膠效果不佳，其中破膠液A對這兩種聚合物的破膠率最高。因此將破膠液A中分別加2%和5%Na2CO3，pH值分別為9和10，溶液呈堿性，考察pH值對破膠效果的影響，實驗結果（見表2）。

pH值與聚合物降黏率的曲線圖（見圖3）。

實驗結果表明破膠劑在堿性條件下更有利于FLOVIS和改性淀粉的破膠。在堿性條件下，FLOVIS的破膠率可提高20%左右，改性淀粉的破膠率也可提高15%。對于流型調節(jié)劑和聚丙烯酰胺鉀鹽這兩種聚合物，無論在酸性條件下還是在堿性條件下均有較高的破膠率。但在堿性條件下這兩種聚合物不會產生沉淀。

4 結論及建議

（1）四種破膠劑中過硫酸鹽A的綜合破膠效果最好，其次是氯酸鹽B和次氯酸鹽C，過氧化物D的破膠效果不理想。

（2）四種聚合物中流型調節(jié)劑最容易破膠。破膠劑在酸性條件下與聚丙烯酰胺鉀鹽的破膠過程中會產生白色絮狀物。除破膠劑B外，其余幾種破膠劑產生的懸浮物會隨時間增長或攪拌速度增快而消失。但在堿性條件下，不會產生懸浮物。且白色絮狀懸浮物可在加入過量堿后降解。

（3）pH值對破膠劑破膠有影響：破膠劑在堿性條件下有利于FLOVIS和改性淀粉的破膠。過硫酸鹽A在堿性條件下對FLOVIS的破膠率可達98.51%，比在酸性條件下破膠率提高二十個百分點。

（4）對不同的聚合物濾餅清除應針對性的選擇破膠液，并根據現場要求選擇合適的破膠液。本文中四種破膠劑均可在2 h內完成破膠任務，能夠滿足現場施工解除濾餅的時間要求。