摘要：非開(kāi)挖鉆井液發(fā)展很大程度上依賴于油田化學(xué)的發(fā)展，而鉆井液處理劑，大部份是高分子聚合物。因此，研究高分子聚合物在鉆井液中的應(yīng)用十分重要，本文從高分子聚合物結(jié)構(gòu)特征上說(shuō)明了其在鉆井液中的應(yīng)用，并從機(jī)理上分析了它作為降濾失劑、稀釋劑、提粘劑、頁(yè)巖抑制劑的作用，結(jié)合國(guó)內(nèi)外近年來(lái)研發(fā)的鉆井液處理劑的情況，將鉆井液處理劑應(yīng)用在水平定向鉆穿越施工中，最后筆者指出了鉆井液處理劑的發(fā)展趨勢(shì)。
　　關(guān)鍵詞：非開(kāi)挖鉆井液，高分子聚合物，鉆井液處理劑
　　1前言
　　非開(kāi)挖技術(shù)的不斷提高，以大噸位發(fā)展，使得所鉆孔徑和孔長(zhǎng)都在不斷增大增長(zhǎng)，對(duì)鉆井液要求越來(lái)越高。鉆井液性能的好壞很大程度上決定了穿越鉆井和回拖管道的成敗。因此，人們常用“鉆井液是鉆井的血液”來(lái)形象地比喻其在鉆井作業(yè)中的重要作用。而鉆井液性能的好壞是靠處理劑來(lái)調(diào)節(jié)的。最早使用的鉆井液處理劑是天然高分子化合物，例如丹寧、栲膠和無(wú)機(jī)物來(lái)處理鉆井液。后來(lái)引進(jìn)聚丙烯酰胺鉆井液。現(xiàn)在又使用了陽(yáng)離子、兩性離子和正電膠鉆井液等，這些都借用了化學(xué)學(xué)科特別是高分子化學(xué)的發(fā)展。鉆井液處理劑材料更是和高分子化學(xué)密不可分。
　　當(dāng)今非開(kāi)挖大部分使用的鉆井液處理劑的高分子聚合物。例如，增粘劑，使用羧甲基纖維素鈉鹽HV—CMC，乙烯基單體多元共聚物，為了降低濾失量，要用降濾失劑Na-CMC（羧甲基纖維素）、SMP（磺甲基酚醛樹(shù)脂）、SLSP（磺化木質(zhì)素磺甲基酚醛樹(shù)脂縮合物），為了防止井塌，使用磺化瀝青、鉀褐煤、KCl-PHP；發(fā)展了耐溫抗鹽的正電膠PAC，國(guó)外鉆液寶LiquidDrispacPolymer系列鉆井液處理劑等。
　　顯然，高分子聚合物在鉆井液中的地位是重要的，在調(diào)整鉆井液性能方面有著多方面的重要作用，因此，配制優(yōu)質(zhì)的鉆井液必須要研究高分子聚合物。
　　2高分子聚合物作為鉆井液處理劑特點(diǎn)
　　高分子鉆井液處理劑主要包括三大類：天然高分子，半合成高分子和合成高分子。
　　天然高分子主要來(lái)源于植物或動(dòng)物的提取物，半合成高分子材料由天然物質(zhì)經(jīng)化學(xué)改性而得。合成類高分子有聚合類和縮合類兩種。高分子聚合物作為鉆井液處理劑具有以下幾個(gè)特點(diǎn)
　　（1）不同結(jié)構(gòu)的聚合物在鉆井液中起著不同的作用。作為鉆井液處理劑的高分子化合物大都是線型的，如羧甲基纖維素，水解聚丙烯腈；也有稍帶支鏈的，如含聚氧乙烯鏈較長(zhǎng)的羥乙基纖維素。而體形高分子主要用作鉆井液的堵漏材料。
　　當(dāng)前鉆井液體系主要采用水為連續(xù)相，因此所用的處理劑大部分是親水性的高分子材料，在水中能溶解或溶脹而形成溶液或分散液。聚合物的親水性，來(lái)自于其分子中含有的親水基團(tuán)。最常見(jiàn)的親水基團(tuán)是羧基、羥基、酰胺基、胺基、醚基等。這些基團(tuán)不但使高分子具有親水性從而很好的溶解或溶脹，便于配成優(yōu)質(zhì)的鉆井液。而且這些基團(tuán)的存在還使它具有許多寶貴的性能，如在鉆井液中的提粘性、潤(rùn)滑性、分散性、絮凝性、降低失水性等。
　　（2）高分子的分子量可以控制，高到數(shù)千萬(wàn)，低到幾百。分子量不同的聚合物在鉆井液中性能相差很大，例如低分子量聚丙烯酰胺在鉆井液中起分散作用，而高分子量聚丙烯酰胺卻起提粘作用。
　　3高分子聚合物在鉆井液中的分類
　　按照高分子聚合物在鉆井液中所起的作用，通常分為降濾失劑、稀釋劑、提粘劑、頁(yè)巖抑制劑等
　　（1）降濾失劑
　　主要包括腐植酸類、纖維素類、淀粉類、樹(shù)脂類天然高分子化合物及其衍生物、水解聚丙烯腈類、聚稀酸鹽類合成高分子化合物及其改性產(chǎn)品等。
　　高分子降濾失劑在鉆井液中通過(guò)吸附基吸附于粘土顆粒表面上；通過(guò)其水化基團(tuán)使粘土顆粒表面上形成吸附溶劑化水膜，同時(shí)，提高了粘土顆粒的ζ電位，因而不僅增加了粘粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，而且使鉆井液中的粘土細(xì)顆粒含量增加，以致形成致密的泥餅，使濾失量降低。
　　（2）稀釋劑
　　粘土的分散和其它各種因素造成的污染往往引起鉆井液的稠化，使鉆井液的粘度和切力增高。高分子稀釋劑的作用首先是通過(guò)吸附基如羥基吸附在粘土顆粒的邊緣斷鍵處，同時(shí)，其水化基團(tuán)給粘土顆粒邊緣帶來(lái)吸附溶劑化水膜，使其邊緣的水化膜增厚，ζ電位提高，斥力增大，從而削弱了粘粒間的邊-面、邊-邊結(jié)合，削弱和拆散了粘土顆粒的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并放出大量自由水，致使鉆井液的粘度和切力下降，達(dá)到稀釋的目的。
　　（3）高分子提粘劑
　　高分子處理劑由于分子量高，分子鏈具有一定的柔順性等原因，可以顯著地提高溶液的粘度。，高分子處理劑上帶有許多親水基團(tuán)，這些親水基上會(huì)吸附許多水分子，形成吸附水化膜，與高分子一起流動(dòng)，從而使高分子流動(dòng)時(shí)能量耗散增加，粘度升高。
　　高分子處理劑上的吸附基可以吸附在粘土顆粒上。一個(gè)高分子鏈上可以同時(shí)吸附多個(gè)粘土顆粒，一個(gè)粘土顆粒也可以吸附多個(gè)高分子鏈，這樣就會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的形成不僅使粘度提高，而且使切力上升。
　　（5）高分子頁(yè)巖抑制劑
　　高分子頁(yè)巖抑制劑主要包括瀝青類、腐植酸鉀類、最近發(fā)展起來(lái)的陽(yáng)離子聚合物類以及兩性離子聚合物類處理劑等。
　　高分子抑制劑是通過(guò)吸附在頁(yè)巖表面上起到抑制作用的。聚合物吸附在頁(yè)巖表面上后，會(huì)產(chǎn)生一種固結(jié)作用和疏水作用，從而降低了頁(yè)巖的表面水化作用。
　　除了上面介紹的四大類，鉆井液處理劑還包括用于特殊用途的處理劑包括乳化劑、堵漏劑、緩蝕劑、潤(rùn)滑劑、絮凝、殺菌劑、泡沫劑、消泡劑等。
　　由于高分子聚合物的結(jié)構(gòu)特征，一種處理劑在鉆井液中可能同時(shí)具有幾種劑的作用。比如說(shuō)：有的降失水劑同時(shí)兼有增粘或降粘作用，絮凝劑同時(shí)兼有增粘劑作用等等。
　　4地層特征及實(shí)例應(yīng)用
　　非開(kāi)挖水平定向穿越井相對(duì)于深水井和油氣井來(lái)主說(shuō)，存在著地層淺，過(guò)路，過(guò)橋，過(guò)江，過(guò)河，地層松軟，砂質(zhì)粘土和流砂層多的特點(diǎn)。由于地層淺，成巖差，所以就存在孔壁不穩(wěn)定，易坍塌，使得泥漿不能很好地將孔內(nèi)鉆屑攜帶出來(lái)，造成擴(kuò)孔及管線回拖困難。
　　在鉆遇大段砂層時(shí)，由于孔壁不穩(wěn)定，失水量大，泥餅厚，鉆井液中含砂快速增加，鉆井液流動(dòng)性差，攜砂困難，不能全部將鉆屑攜帶出來(lái)，鉆屑沉淀在鉆孔中形成鉆屑床。
　　粘土層或某些粘土質(zhì)頁(yè)巖、泥巖，這類地層遇水易水化膨脹，常常造成泥包擴(kuò)孔鉆頭，使得回拖力和旋轉(zhuǎn)扭矩力增大。
　　從水平定向鉆施工實(shí)際出發(fā)，針對(duì)不同地層高分子處理劑在施工中的應(yīng)用。如武漢長(zhǎng)江左汊定向鉆穿越工程采用雙管同孔穿越工藝，管線定向穿越1705.52m。既：Φ355.6×8.7mm主輸油管與Φ121×8mm光纜管套管同時(shí)穿越。地質(zhì)情況：細(xì)粉砂地層。鉆井液中添加正電膠，F(xiàn)T-1防塌護(hù)壁劑。福建云鹿路穿越工程，穿越管道采用Φ406.4×9.5鋼管，穿越長(zhǎng)度1461米，地質(zhì)情況：含泥中砂、砂質(zhì)粘性土地層。鉆井液中添加鉆液寶，堿，降濾失劑，潤(rùn)滑劑。在定向穿越過(guò)程中，使用高分子處理劑的泥漿，鉆孔穩(wěn)定，回拖阻力小，回拖順利。
　　5高分子鉆井液處理劑的發(fā)展趨勢(shì)
　　當(dāng)前鉆井液技術(shù)蓬勃發(fā)展，處理劑層出不窮，性能也逐步提高，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了日益強(qiáng)勁的非開(kāi)挖施工需要。綜合國(guó)內(nèi)外各種資料，鉆井液處理劑應(yīng)向抗鹽性好、抗污染能力強(qiáng)的方向發(fā)展。同時(shí)由于環(huán)境壓力與日俱增，來(lái)源廣、污染性小的生物聚合物也重新受到人們的青睞。
　　（1）抗鹽能力
　　隨非開(kāi)挖技術(shù)在沿海施工，對(duì)鉆井液處理劑的抗鹽性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。淀粉和纖維素類衍生物結(jié)構(gòu)存在醚鍵，抗鹽能力較差，磺甲基化后的單寧和木質(zhì)素再與二價(jià)或三價(jià)金屬離子結(jié)合，可以提高其抗溫、抗鹽能力。是今后的發(fā)展方向。
　　（2）抗電解質(zhì)污染能力
　　高分子處理劑在鉆井液中起作用的共同途徑是吸附于粘土顆粒上，給粘土顆粒帶來(lái)厚的水化膜，提高ZETA電位，保護(hù)粘土顆粒免于碰撞而聚結(jié)。無(wú)機(jī)電解質(zhì)的污染使有機(jī)處理劑發(fā)生去水化作用而減效或失效。要提高高分子處理劑的抗電解質(zhì)污染的能力，則要求它們有很強(qiáng)的水化基團(tuán)，分子中有高的負(fù)電荷分布密度。
　　同時(shí)鉆井液及其處理劑無(wú)論從生產(chǎn)過(guò)程還是使用上，都不同程度的對(duì)環(huán)境造成破壞。隨著環(huán)境憂患意識(shí)的增強(qiáng)和海洋鉆井發(fā)展，處理劑的環(huán)境可接受能力日益受到人們重視。開(kāi)發(fā)即能滿足安全生產(chǎn)需要，又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的鉆井液處理劑是今后研究方向之一。生物聚合物來(lái)源天然，原料豐富，對(duì)環(huán)境污染小，正逐漸受到油田化學(xué)界的重新重視，如何提高它們的抗鹽能力和穩(wěn)定性是面臨的主要問(wèn)題。
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