低固相聚合物鉆井液低溫流變特性實驗

張衛國　劉學軍

摘 要：研究低溫條件對鉆井液流變性的影響，對保證在凍土地區天然氣水合物鉆探安全順利的開展有著重要的意義。通過對實驗室研制出的無固相聚合物鉆井液與低固相聚合物鉆井液流變性進行對比研究，分析兩種不同類型的鉆井液低溫流 變性的變化規律。采用赫-巴模式中的參數對無固相與低固相聚合物鉆井液的流變性能進行分析比較。對無固相聚合物鉆井液與低固相聚合物鉆井液建立了預測黏度與溫度關系的數學模型。實測數據驗證表明，數學模型擬合度高，可在現場根據不同類型的鉆井液采用不同的模型進行分析研究。

關鍵詞：凍土天然氣水合物鉆探;無固相/低固相聚合物鉆井液;低溫流變性能;數學模型

1、引言

凍土是天然氣水合物主要賦存地帶之一?？碧?表明，我國的青藏高原也分布有大量的天然氣水合 物。在凍土鉆探過程中首先要避免和減少凍土的融 化，這是確保凍土鉆探質量的技術關鍵。凍土 鉆井內的溫度是選擇鉆井液品種、性能和數量的重 要依據，也是確定合理的鉆進規程、保證正常鉆進、避免事故的一個重要因素，而鉆井液是保證井內的 溫度規程正常的關鍵。黏度是天然氣水合物地層鉆井時鉆井液的重要參數，低溫條件下黏度的升高導致鉆井液流變性變差的問題是凍土天然氣水合物地層鉆井鉆井液的關鍵技術問題，而對適于凍土天然氣水合物地層鉆進的無固相和低固相聚合物鉆井液的低溫黏度之間關系的研究很少。通過對比兩個無固相與低固相聚合物鉆井液配方，探索低溫條件下無固相與低固相鉆井液相互之間的聯系與區別，在不同的地層條件下，選擇合適類型的鉆井液，為凍土天然氣水合物地層鉆井安全、快速、順利進行提供參考和科學依據。

2、材料與方法

JB50—D 增力電動攪拌機;ZNN—D6 型六速旋轉黏度計;MLN-1A 型漏斗黏度計;FYL-YS-128L 低溫數控保存箱，精度可達 ± 1 ℃ 溫度穩定性較好，控溫范圍為 15 ～ 30 ℃，Inspect F50 掃描電子顯微鏡，儀器分辨率為 1.0 nm 在 30 kV，3.0 nm 在 1 kV。低溫聚合物鉆井液體系包括無固相與低固相聚 合物鉆井液。低固相聚合物鉆井液配方為：5% 鈉基 膨潤土 + 20% NaCl + 0.1% NaOH + 3% 降濾失劑 + 4% 增黏劑 + 0.3% 流型改進劑;無固相鉆井液配方為：水 + 15% NaCl + 0.5% NaOH + 0.8% 流型改進劑+ 0.6% 兩性離子聚合物抗鹽處理劑。

2.2試驗方法

（1）流變參數測定方法

使用低溫數控保存箱，對鉆井液進行低溫冷凍 處理，使鉆井液達到試驗所需溫度。從室溫到 - 15 ℃，每降低 3 ℃確定一個溫度值。根據各個轉速時 黏度計的讀數，繪制無固相與低固相聚合物鉆井液 的流變曲線。根據 600 r/min 和 300 r/min 時的讀數，計算兩種鉆井液相應的表觀黏度、動切力等試驗參數。

（2）流變模型評價方法

不同的流變模式所表征的流變性能也不盡相同，所采用的流變參數也不一樣。采用線性回歸的數學方法，分別對無固相與低固相聚合物鉆井 液在不同溫度下的流變曲線進行回歸擬合，通過比較擬合度確定兩個鉆井液合適的流變模型。

3、理論研究

3.1 流變性能比較

在常溫下，無固相聚合物鉆井液表觀黏度要比低固相鉆井液高，但隨著溫度的降低，無固相與低固相鉆井液的表觀黏度都非常接近。這說明在低溫條件下，不管是無固相還是低固相聚合物鉆井液，其流動性都比較接近。

從整體上來說，無固相鉆井液動切力明顯高于低固相鉆井液。考慮試驗誤差，隨著溫度的降低，不管是無固相還是低固相鉆井液，動切力的變化都不大。這說明黏土顆粒與高分子或是高分子與高分子化合物之間的相互作用力隨著溫度降低變化很小。

鉆井液的稠度系數表示液體的可泵性和直觀流動性，即反映鉆井液的稀稠程度。K 值越大，鉆井液越稠，開泵時泵壓越大;K 值越小，鉆井液越稀，對攜帶巖屑不利，有利于提高鉆速。低固相鉆井液總體上隨著溫度降低變化不大，而無固相鉆井液則隨著溫度降低而降低，并且 K值也明顯大于低固相鉆井液。

3.2 流變模型比較

無固相聚合物鉆井液對于溫度的敏感程度相比于低固相聚合物鉆井液要小;但低固相聚合物鉆井液在低剪切速率下使鉆井液流動的靜切力要比無固相鉆井液小得多。由于無固相聚合物鉆井液由高分子聚合物組成，因此鉆井液內部凝膠強度大，需要破壞絮凝形成的網架結構的力也更大，從而使得在低剪切速率下需要比低固相鉆井液更大的剪切應力才能使無固相聚合物鉆井液流動。

不管是加入了黏土顆粒的低固相聚合物鉆井液還是無固相聚合物鉆井液，都可以用赫-巴模式進 行 表 征，其線性相關系數 R2 均大于 0.999。因為在鉆井液中加入了高分子聚合物，所以使鉆井液具有一定的假塑性，鉆井液中的低固相黏土顆粒對流體的流變模式影響很小。

3.3 低溫流變性響應機理

通過把兩個配方的典型泥皮放在掃描電鏡下進行觀察，對兩個配方微觀下的形態進行對比分析。無固相聚合物鉆井液微觀形態表現為簇狀，粒度分布較均勻，微粒互相纏繞卷曲。由于無固相聚合物鉆井液中沒有黏土顆粒，都是由高分子聚合物組成，因此無固相鉆井液內通過高分子之間互相吸附、纏繞聯結而使鉆井液黏度發生變化。加入兩性離子抗鹽處理劑之后，與流型改進劑相互吸附橋架，協同作用改變鉆井液流變性能。低固相聚合物鉆井液泥皮表現的較為致密，不存在裂隙。由于低固相中加入了流型改進劑，對鉆井液體系中的降濾失劑與黏土顆粒的聚集體進行適當纏繞，適當的增加鉆井液黏度和切力，從而降低了鉆井液的濾失量。

4、結論

通過對固相鉆井液與低固相鉆井液從不同角度進行分析，可以發現兩者變化趨勢相似，但無固相比低固相鉆井液大;低固相鉆井液的流性指數比無固相鉆井液大。說明無固相比低固相鉆井液剪切稀釋性好，攜帶巖屑有利，但低溫流變性較差，可能造成開泵困難。

參考文獻

[1]張凌，蔣國盛，蔡記華，等.低溫地層鉆進特點及其鉆井液技術現狀綜述 .鉆井液與完井液，2006;23（4）：69—72

[2]湯鳳林，張生德，蔣國盛，等.天然氣水合物地層鉆井時井內溫度特征的分析研究 .煤田地質與勘探，2003;31（2）：58—60.