聚合醇处理剂的作用机理及 聚合醇钻井液的应用向兴金 肖稳发岳前声王昌军 (江汉石油学院化学工程系，荆州434102) 李自立莫成孝刘自明余志杰 (中海石油技术服务泥浆公司，北京101601)会议地点：江西省南昌市 会议时随：1999年6月29日至7月3日目录一聚合醇处理剂的浊点效应二聚合醇儿x在枯土上的吸附特性 三聚合醇JLX界面活陛四聚合醇与有机大分子处理剂相互作用五聚合醇对钻井液性能的改善六聚合醇钻井液(PEM)现场应用 七 结论与认识摘要聚合醇JLX是一种新型的泥浆处理剂，是协调钻井工程技术和环境保护 之间矛盾的产物。现场应用表明：聚台醇具有优异的防塌、润滑和保护油气层等特 性；本文通过实验对聚台醇的作用机理进行了研究：(1)聚合醇处理剂的浊点效应 聚合醇为一非离子型低分子聚合物，具有浊点效应。考察了聚合醇浓度、无机处理 剂、有机高分子处理剂、体系等对聚合醇浊点的影响，结果表明，这些因素均能导 致聚合醇浊点的下降。(2)聚合醇JLX在粘土上的吸附特性利用分光光度法研 究了聚合醇在粘土上的吸附特性。从吸附平衡时间、吸附等温线的形状、无机盐的 种类及加量、温度等对聚合醇吸附量的影响等方面的研究，获得了一些有规律的认 识，其中温度对吸附量的影响最为显著，随温度升高，吸附量增加，当温度超过其 浊点温度时，聚合醇发生相分离作用，在粘土表面形成一层憎水的油膜，利于防塌 润滑。(3)聚合醇JLX界面活性测定了聚合醇泥浆滤液与煤油的界面张力，聚 合醇的加入能降低油水界面张力，对保护油气层非常有利。(4)聚合醇与有机大分 子处理剂相互作用聚台酵与聚合物存在着相互作用，其结果导致聚合物在粘土上 的吸附量减少，控制了聚合物与粘土的桥联作用。(5)聚合醇能改善钻井液的性能 A能提高聚合物泥浆的防塌润滑性性；其效果与聚合醇浊点有关。B对聚合物泥浆 有一定的稀释降粘作用，并能提高聚合物泥浆的高温高压稳定性：C超过其浊点温 度时，能降低泥浆的高温高压失水，并使泥饼光滑致密；D聚合醇低的荧光性满 足地质录井的需要：低的生物毒性能满足环境保护的需要。E聚合酵处理剂能提高 聚合物泥浆的抗海水污染、抗劣质土固相侵污、抗钙、抗镁能力，使泥浆性能易于 维护。最后阐述了聚台醇钻井镀(PEM)在油田现场中的应用情况。关键词 聚合醇；钻井液处理剂；钻井液性能；机理研究；现场应用聚合醇处理剂研究是在现有聚合物钻井液的基础上，如何进一步提 高其防塌抑制性能：如何进一步改善润滑性能、避免使用对环境有不良 影响的油基润滑剂；如何提高地质录井对油气层的识别能力和钻井过程 中的储层护护；如何改善环保特性，在环境敏感地区替代油基钻井液的 应用的背景下开展的。国外于本世纪80年代开始研究，90年代初投入 应用。在国内，江汉石油学院于90年代初开始研究，95年投入现场应 用，聚合醇钻井液室内研究和现场应用证实，其具有优良的防塌抑制性、 润滑、储层保护特性，提高钻井液的抗温性，维护使用简单方便等优点， 但在聚合醇作用机理的研究和认识上国内外文献报道甚少，这对如何使 用好聚合醇处理剂十分不利。因此文章对聚合醇的浊点效应、吸附量、 界面活性、同有机处理剂之间的相互作用，以及这些特性与钻井液工程 性能之间的关系进行研究和论述，并简要介绍了聚合醇钻井液的现场应 用情况。一聚合醇处理剂的浊点效应聚合醇JLX为非离子型低分子嵌段共聚物，其性能显著受各链段长 度的影响，聚合醇既具有一般聚合物的特性，同时也具有非离子表面活 性剂的一般特征。非离予表面活性剂性能受温度影响较大。为了认识温 度对聚合醇性能的影响，研究了钻井液处理剂及体系对聚合醇浊点的影 响这部分内容。所谓浊点，又称雾点，是指非离子型表面活性剂水溶液受热而变浑 浊或冷却又变澄清时所对应的温度。影响浊点的因素很多，重点研究了 聚合醇本身和钻井液体系中常见的处理剂对聚合醇浊点的影响规律。实验结果见图11图1-6。对聚合醇处理剂的浊点效应的认识：1 聚合醇处理剂本身确实存在浊点行为，浓度升高浊点降低。一方 面原因是分子量分布有一定范围，另一方面是更易形成胶束和胶束聚集 数变大所致，浊点的严格测定是指1O的处理剂水溶液。2聚合醇的浊点随无：帆盐加量增加而逐渐降低，5的NaCl、KCl使 聚合醇浊点降低10-15左右，5000ppm的ca2+、M矿+离子使聚合醇的浊点降低5lO左右。3聚合醇的浊点随有机处理剂浓度增加是先升高而后逐渐降低，有 机处理剂浓度在010-020范围，聚合醇的浊点基本稳定在本身浊点值；有机处理剂浓度在025-0 30范围，其浊点下降5左右。4在80A51聚合物钻井液，以及钻井液KCl加量小于3时，聚合醇 的浊点降低10左右，若KCl加量进一步增加，其浊点还会进一步降低， 当KCl加量为8时，其浊点降低20左右。图卜1聚合醇浓度对其浊点的影响图1-2 KCI和haCl及其加量对Ju【浊点的影响图卜3无机盐种类及其加量对JLx浊点的影响6图14有机处理剂对J“一A浊点的影响图卜5有机处理剂对JLXB浊点的影响7图l一6体系对聚合酵控点的影响二聚合醇JLx在粘土上的吸附特性在钻井液配制及其使用过程中，处理剂与粘土、处理剂与井壁之间 会发生各种作用。其中吸附是钻井液处理剂发生作用的基础，为了更好 地认识聚合醇JLX与粘土之间的作用，研究了聚合醇在粘土上的吸附特 性。实验结果见图21图24。对聚合醇JLX吸附特性认识：1聚合醇JLX在浊点温度以下，在粘土上的吸附特性与阴、阳离子 聚合物处理剂类似，其等温吸附线符合Langmuir型。2聚合醇JLX在浊点温度以上时，其在粘土上的吸附量随JLX浓度 增加几乎呈线性规律显著增加，当其浓度为2时，在粘土上的饱和吸附量为1200mgg，这一特点与阴、阳离子聚合物处理剂在粘土上的吸附规 规具有显著的区别。3在浊点温度以上时，聚合醇JLx在粘土上的吸附量随温度的增加不断增加，在超过浊点温度25左右时达到吸附平衡，这与阴、阳离子 聚合物处理剂在粘土上的吸附量随温度增加而降低规律完全不同。聚合 醇的这一特性，是同浊点特性相统一的，证明了聚合醇相分离特性的客 观真实存在。同时在现场应用聚合醇时，其目标井壁的井温应比聚合醇 的浊点高出25。C左右最佳，结合考虑钻井液体系中有机大分子处理剂和 无机盐的影响，那么其巨标井段的井温比聚合醇的浊点高出5IO。C即最佳。4无机盐使聚合醇吸附量增加，二价离子比价离子影响显著，无 机处理剂浓度增加使聚合醇的吸附量逐渐增加。图22浊点上浓度对J L x吸附量的影响图2 2浊点上浓度对J L x吸附量的影响图2-3温度对J Lx吸附量的影响lO图2-4无机盐及其加量对J L X吸附量的影响三聚合醇JLx的界面活性既然聚合醇具有一般表面活性剂的特性，又具有浊点效应，就应该 具有临界胶柬浓度和界面活性即能降低油水界面张力的特性，利用XZD3全量程界面张力接触角测量仪测定了聚合醇的临界胶束浓度(CMC)、 聚合醇钻井液滤液一煤油界面张力，并研究了影响聚合醇这对研究JLX 的储层保护机理很有意义。实验结果见图31一图37。对聚合醇JLX的界面活性的认识：1聚合醇JLX的临界胶束浓度(CMC)为：1510motL，其水 溶液很容易形成缔合胶束。2聚合醇JLX能显著降低o。3温度升高、无机盐浓度增加，使聚合醇降低o。的能力增加，这同 聚合醇的相分离效应相对应。4低浓度的有机高分子处理剂对JLX界面活性有一定的毒害作用， 不利于降低油水界面张力。5聚合醇JLX能降低聚合物钻井液滤液的油水界面张力，利于返排， 有利于保护油气储层。图32 JLXA浓度对油水界面张力的影响图3-3温度对油水界面张力的影响图3-4 KCI加量对油水界面张力的影响图3-5 CaCI：浓度对油水界面张力的影响图3-6有机处理剂对油水界面张力的影响14图37 JLX对滤液一煤油界面张力的影响四聚合醇与有机大分子处理NEl互作用聚合醇钻井液(PEM)就是在聚合物钻井液中引入聚合醇JLX 配制而成的钻井液体系。因此聚合醇就不可避免地与聚合物发生各 种相互作用，从而对聚合物钻井液的各种性能产生影响，如在现场 应用时就发现聚合醇钻井液越打越稀的特点，对聚合物钻井液表现 出一种稀释降粘作用。实验结果见图41一图45。对聚合醇与有机大分子处理剂相互作用的认识：通过对部分水解丙烯酰胺(HtAM)吸附量实验、pH滴定实验和毛细管粘度测定 实验证实，聚合醇同有机大分子处理剂之间确实存在相互使用，能 降低大分子处理剂在般土上的吸附量，控制大分子与粘土粒子的桥 联，对聚合物钻井液略有降粘作用；能局部络合聚合物的吸附基团， 破坏大分子链之间的桥联，对聚合物水溶液略有稀释作用；在无机 盐存在时，其又表现为增加了大分子链的剐性，使聚合物水溶液粘 度略有提高。图4-1 JLX对RAM吸附量的影响图4-2 JLX的滴定曲线图4-4浊点以上JLX-A对聚合物的降粘作用17