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    技術知識

    聚丙烯酰胺對泥漿的作用

    時間:2021-05-28 08:48:42

    聚丙烯酰胺對泥漿性能的調整作用,隨其自身的規格或品種(分子量、水解度等)的不同而各不相同,其基本作用是:

    (一)絮凝作用

    泥漿的絮凝作用指的是泥漿分散系中固體顆粒聚結的作用。能夠導致泥漿絮凝的藥劑很多,大致可分兩類:無機絮凝劑和高分子絮凝劑。相比之下,高分子絮凝劑比無機絮凝劑的絮凝作用要強一些。作用機理也有區別,高分子絮凝劑是通過分子鏈上的許多吸附基(酰胺基)對固相顆粒的較強吸附作用,將若干固相顆粒吸附在一個或幾個高分子鏈上,高分子鏈則在固相顆粒之間形成聯接橋梁,依靠長鏈分子自身的內聚力使分散的固相顆粒聚結起來,如圖6。

    分子量、水解度不同的聚丙烯酰胺,對泥漿的絮凝能力各有不同。例如,非水解PAM(水解度2%左右) 是一種完全絮凝劑,它可使泥漿中的水和固相顆粒完全分離。所以它不能用于低固相泥漿,而只能用PAM無固相洗井液。

    (二)選擇性絮凝作用

    所謂選擇性絮凝作用,是指能使絮凝作用和分散作用這對相互矛盾的兩種作用,在一定條件下相互平衡的作用。具備這種作用的藥劑可使造漿能力差的劣質土和巖屑絮凝,使造漿能力強的粘土(如搬土)懸浮造漿。這種泥漿既能及時清除巖屑,又具備懸浮巖屑的能力和護壁防塌的作用。選擇性絮凝作用是高分子聚合物所具有的性能。

    關于選擇性絮凝作用的機理,目前尚不十分清楚。一般認為是由于不同固相顆粒表面的電性差異引起的。劣質固相顆粒表面帶負電荷甚少,幾乎接近中性。而搬土顆粒表面卻帶有很強的負電荷。為此,高分子的架橋內聚作用很容易使前者聚結,卻無法使表面帶有強負電荷的固相顆粒聚結在一起。實際上,調整高分子的內聚力,對泥漿實現選擇性絮凝作用的同時,也可以使搬土增效。

    影響高聚物選擇性絮凝作用的因素很多:

    1、粘土的種類

    電性越強的粘上制備的泥漿,越容易顯示其選擇性絮凝作用。例如,用優良鈉搬土可以制備出比較理想的不分散低固相泥漿。而鈣搬土需要經堿處理方能使用。

    2、高分子的水解度

    水解度不同的高分子,它們的形態、水化能力、吸附能力和絮凝能力都不相同,對泥漿的各種作用也有明顯的差別。如表3。

    表3

    水解度 分子形態 水化能力 吸附能力 絮凝能力 作用 介質條件pH值
    基本不水解 卷曲 絮凝 7-8.5
    低于20% 稍曲 一般 絮凝 7-8.5
    30%左右 稍舒展 較強 較強 較強 選擇性絮凝 7-8.5
    高于50% 舒展 較強 提粘 降失水 7-8.5

    水解度在30%左右的HPAM絮凝能力較強,水化能力也較強,選擇性絮凝作用較好。非水解PAM的水化能力較弱,只能用作完全絮凝劑。

    3、分子量

    高聚物的分子量是影響其架橋作用的主要因素之一。只有分子量在百萬以上的長鏈分子才能在固相顆粒之間產生吸附架橋作用。而且分子量越大,這種作用越強。

    4、濃度

    溶液中的HPAM加入量對其絮凝作用有著明顯的影響,加入量太少,就無法形成架橋作用,如圖7a;加入量太多,固相顆粒表面被吸附的高分子所包裹,形成一層保護膠層,反而促使固相顆粒產生再分散作用,同樣不能顯示絮凝作用,如圖7c。為此。只有適當控制HPAM的加入量,才能獲得理想的選擇性絮凝作用。

    5、pH值

    溶液的pH值對絮凝作用有兩方面影響:一方面,增高PH值可促使HPAM水解度增加??墒骨淼母叻肿由熘闭归_,便于架橋。另一方面,增高pH值,可使陽離子的交換容量增加,粘土表面水化膜增厚,促進粘土水化,加大優良粘土與劣質土的分散水化作用的差距,增強絮凝作用的選擇性。但是,過高的pH值,可以助長劣質土的分散作用,縮小搬土和劣質土顆粒表面的電位差,反而會降低其選擇性。為此,泥漿的、pH值不可太高,一般不應超過8-9。

    (三)降失水作用與護壁作用

    水解聚丙烯酰胺對泥漿有降失水作用。它是通過分子鏈上的-CONH2吸附于粘土表面上,而分子鏈上的羧鈉基電離生成的-COO-水化形成一層水化膜,使粘土顆粒表面形成一層保護膠層。由-COO-水化形成的這些水化基團,不僅使一部分自由水牢固地包裹在基團外面難以失散,而且由于泥漿濾液粘度的提高,阻礙了剩余自由水的滲透。從而使泥漿的失水量得到控制。

    由此可以看出,HPAM的水解度和加入量對其降失水作用有很大影響,水解度越高,分子鏈上的羧鈉基越多,降失水作用越顯著。如圖8。

    HPAM加入量對泥漿失水量的影響如圖9。

    當HPAM加量較小時,HPAM對泥漿主要顯示絮凝作用,這時泥漿的失水量較大。當加入量上升到某一數值時,絮凝作用可達較佳點,失水量也達較大值。當加入量超過這個數值以后,隨著加入量的增加,泥漿失水量開始下降。較佳絮凝點的加入量大小與粘土品種、HPAM分子量和水解度有關。

    高水解度的聚丙烯酰胺和聚丙烯晴(水解度大于60%)可作降失水劑。它們不僅具有降失水作用,還有一定的絮凝作用,比較適合于不分散低固相泥漿。聚丙烯酸鈉是一種以降失水作用為主的藥劑。

    利用PAM的降失水作用,配合其他輔助措施:添加其他降失水劑、選用優良搬土造漿、預先水化粘土、及時清除巖粉等,可使泥漿的失水量控制在很小的范圍內,以防止井壁膨脹。另外,高分子鏈上已經吸附了大量粘土顆粒的吸附基團,有力的吸附和堵塞在孔壁裂縫里,形成致密的泥皮,使井壁保持完整。近段時間,人們在實踐中還發現,除水敏地層外,通過高聚物等處理劑改變濾液性質,抵制孔壁顆粒分散,是泥漿護壁性能得到改善的主要原因。而且這種作用比控制失水量還顯著。

    同樣,也只有當泥漿中加入足夠數量的HPAM和PAM時,才能獲得較好的護壁防塌作用。

    (四)潤滑減阻作用

    呈鋸齒狀的PAM長鏈分子的C四面體中,C-C-C鍵的夾角為108°29',它們在保持夾角不變的前提下可以自由轉動。所以PAM具有較好的柔曲性和潤滑性。此外PAM線性高分子在流動過程中,有與液流方向取得一致定向排列的特性。在管路中流動時常為層流狀態,所以流動阻力很小。例如,在泥漿中加入500ppm(濃度單位) 的PAM,可使流動阻力降低35%。

    PAM的這種潤滑減阻作用,在現代金剛石高速鉆進工藝中,具有十分重要的現實意義。

    (五)提粘作用

    聚丙烯酰胺在溶液中的濃度超過1%以后,溶液的粘度將急劇上升,如圖10。

    HPAM的分子量大小和水解度對溶液的粘度有較大影響。分子量越大,水解度越高,增粘作用越大。如表4、圖11、表5。

    表4

    類別/粘度(厘泊)/濃度 1% 2% 3%
    分子量600萬PAM 100 2000 30000
    分子量300萬PAM 40 100 400
    高粘度CMC   1000  

    表5

    粘土(克)(黑山 粘土粉) 水(毫升) Na2CO3(克) PAM(克) 粘度(秒) pH值
    700 1000 5 0 18 8-9
    700 1000 5 5 20 8-9
    700 1000 5 6 23 8-9
    700 1000 5 7 25 8-9
    150 1000 6.5 0 22  
    150 1000 6.5 1 33  
    150 1000 6.5 2 45  

    (六)堵漏作用

    流變性好的聚丙烯酰胺泥漿滲入巖石裂隙以后,由于流動速度明顯下降,泥漿的粘度和靜切力顯著上升,加上HPAM吸附大量顆粒像樹枝一樣吸附堵塞在裂隙通道中,增加了漏失阻力。此外,這種泥漿比重小,對井壁壓力小。由于以上原因,這種泥漿在輕微漏失地層的漏失量比其他類型的泥漿要小得多。

    利用聚丙烯酰胺的增粘作用、全絮凝作用和交聯作用,在泥漿中加入一些固相添加劑(如劣質土、蚌殼、石灰和鋸末等),使之絮凝成塊,沉積在巖石裂隙中,可將漏失通道堵塞?;蛘哂脤S霉ぞ呦蚓策m當部位的泥漿中加入諸如CaCl2、FeCl3、AlCl3、Ca(NO3)2、Mg(NO)2、Fe(NO)2等無機交聯劑或甲醛、乙二醛、乙二醇等有機交聯劑,可使聚丙烯酰胺交聯形成不溶的體型絮狀物。堵塞漏失較大的裂隙。

    (七)小結

    從以上分析可以看出,聚丙烯酰胺對泥漿的各種作用,都與其分子量和水解度有關。也就是說不同品種的聚合物,對泥漿具有不同的作用。如表6、圖12。

    表6

    品種/作用 絮凝 降失水 提粘 防塌 潤滑
    PAM +++ + ++ + +
    PAA-Na   +++ ++   +
    HPAM ++ ++ ++ + +
    HPAN   +++ +   +

    (注:表中+號越多,該作用越明顯)

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