錢曉琳 蘇長明 於培誌 王琳
（中國石化石油勘探開發研究院，北京100083）
摘要 采用反相微乳液聚合方法合成了乳液聚合物，進行了室內性能評價、中試放大試驗與現場試驗。結果表明，乳液聚合物易溶於水，可直接加入正電性鉆井液中使用，能有效地縮短現場水化及配漿時間；乳液聚合物作為鉆井液添加劑，具有良好的增黏、提切和降失水性能，當乳液聚合物加量0.4%時，即可達到鉆井液性能的基本要求；生產路線可靠，產品性能穩定，可擴大生產；將乳液聚合物用於正電性鉆井液中，在大古1井的現場試驗中取得了理想的應用效果。
關鍵詞 微乳液聚合 乳液聚合物 合成 正電性鉆井液
Application of Emulsion Polymer in Positive Electricity Drilling Fluid
QIAN Xiao-lin，SU Chang-ming，YU Pei-zhi，WANG Lin
（Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083）
Abstract An emulsion polymer is synthesized by microemulsion polymerization.Laboratory performance evaluation and pilot synthesis and field application of emulsion polymer are studied.The results show that emulsion polymer can be solved easily in water，so it can be added directly in drilling fluid and can effectively shorten drilling fluid preparing time.The emulsion polymer as a drilling fluid additive has good performances of raising viscosity and strengthening shearing force and reducing filtration.When the concentration of emulsion polymer is0.4%，it can meet the basic requirements of drilling fluid performance.A favorable field application effect in well Dadu-1 has been achieved.
Key words microemulsion polymerization emulsion polymer synthesize positive electricity drilling fluid
目前，我國油田用聚丙烯酰胺的產品形式基本為粉劑，現場應用時需要大型的溶解裝置。而且聚丙烯酰胺生產工藝均為20世紀90年代引入我國的大塊絕熱釜式溶液聚合，聚合溶液質量分數低，產物的相對分子質量較小，在制成幹粉過程中，高溫烘幹和剪切作用又容易使高分子鏈降解和交聯，使粉劑產品的溶解性、絮凝性等變差。
乳液聚合也是工業上廣泛使用的聚合方法，乳液聚合產物的分子量比溶液聚合物的產物高；聚合產物以膠乳形式生成，若產物直接以膠乳形式使用，操作更加容易；乳液聚合還具備其他壹些優點，如聚合熱容易傳遞、聚合速率高和產物分子量易控等。由於這些獨特的優點，乳液聚合技術的開發受到很多研究人員的重視。自從20世紀80年代法國科學家Candau［1］首次采用反相微乳液聚合法得到穩定、相對分子質量高、分布窄的聚丙烯酰胺反相微乳膠以來，國內外學者對丙烯酰胺的反相微乳液聚合做了大量研究［2～4］。目前，只有Cytec公司取得了聚丙烯酰胺反相微乳液聚合方法的專利權，國內研究大都處於實驗室階段，離工業化生產的差距較大。本文采用反相微乳液聚合方法合成了可直接作為鉆井液添加劑使用的聚丙烯酰胺膠乳產品，探討了室內合成方法、乳液聚合物性能以及中試放大試驗，並將以其為主劑配制出的正電性鉆井液，在新疆大澇壩2號構造的大古1井進行了現場試驗。
1 乳液聚合物的合成
主要原料：丙烯酰胺、丙烯酸、氫氧化鉀、非離子表面活性劑、去離子水、白油均為工業級，引發劑、乙醇、庚烷均為分析純試劑，高純氮，轉相劑。
合成過程：在裝有恒壓加料器、攪拌器、溫度計和通氣排氣管（250mL）的4口燒瓶中，加入乳化劑和白油，加熱溶解，同時在加料器內加入丙烯酰胺、丙烯酸鉀溶液。乳化前加入引發劑，攪拌乳化並通氮氣20min。控制壹定反應溫度至反應轉化完全。
聚合反應式：
油氣成藏理論與勘探開發技術
用乙醇對乳液聚合物進行分級處理，幹燥所得白色粉末研細後在庚烷中攪拌24h，濾餅真空幹燥後用於分子量的測定。利用特性黏數法測得乳液聚合物的黏均分子量為7.7×106。
2 乳液聚合物的性能
2.1 乳液聚合物的水溶性
向200mL水中邊攪拌邊加入乳液聚合物1.0g，實驗中乳液聚合物分散迅速，完全溶解時間均小於2min。由此可見，乳液聚合物鉆井液添加劑易溶於水，可直接加入鉆井液中使用，縮短現場水化及配漿時間，在極短的時間內達到預期的效果。
2.2 乳液聚合物對鉆井液性能的影響
用4%膨潤土漿作為基漿，在基漿中分別加入乳液聚合物，高速攪拌10min，采用旋轉黏度計測試鉆井液的流變性。按照石油行業標準SY/T5621-93，采用ZNS-1型中壓泥漿濾失測定儀測定API濾失量。
乳液聚合物對鉆井液性能的影響見表1。結果顯示，乳液聚合物的加入可使鉆井液的表觀黏度、動切力增大，失水量減少。當乳液聚合物加量為0.4%時，可達到鉆井液性能的基本要求，滿足上部鉆井工程的需要。
表1 乳液聚合物對鉆井液性能的影響
2.3 乳液聚合物的抗鹽能力
在不同加量的氯化鈉的基漿中加入1.2%的乳液聚合物，測試鉆井液性能，結果見表2。可以看出，乳液聚合物具有較強的抗鈉鹽的能力，在加量較少時就顯示出好的增黏和降失水效果。適合含高礦化度水的地層鉆井及驅油。
表2 乳液聚合物的抗鹽能力
3 乳液聚合物中試放大試驗
由於反相乳液聚合的影響因素很多，在優化合成工藝的基礎上，采用國產工業品為原料，考察了合成工藝的穩定性，探索了聚合物合成的工業化，合成了8個批次的樣品，並測試了所有產品的性能。表3是乳液聚合物的特性黏數和黏均分子量。所有產品的黏均分子量穩定，且保持在4.1×106～1.5×107。
表3 乳液聚合物的特性黏數和黏均分子量
在鉆井液基漿中加入乳液聚合物，高速攪拌10min，采用旋轉黏度計測試鉆井液的流變性。按照石油行業標準SY/T5621-93，采用ZNS-1型中壓泥漿濾失測定儀測定API濾失量。表4是乳液聚合物對鉆井液性能的影響，可以看出，在20%氯化鈉鹽水鉆井液中，所有乳液聚合物均有效降低鉆井液濾失量，顯著提高鉆井液塑性黏度。由此可見，工藝路線成熟穩定，可以進行擴大生產，為現場先導試驗打下了良好的基礎。
表4 乳液聚合物對鉆井液性能的影響
註：1.基漿成分：5%高造漿率膨潤土+0.3%碳酸鈉+20%氯化鈉；2.0.4%為乳液聚合物的有效含量。
4 現場試驗
4.1 大古1井概況
大古1井是2006年中國石化西北分公司部署在天山南古生界碳酸鹽巖天然氣勘探領域的第壹口高難度重點預探井，設計井深6400m，目的層位為奧陶系、寒武系。這壹區塊鉆井難度大，不但會鉆遇高壓鹽水層，而且目的層地質情況也比較復雜。
試驗層位為新近系吉迪克組、古近系蘇維依組、庫姆格列木群及白堊系。試驗井段：4450～5900m。鉆遇地層膏質泥巖、砂泥巖發育，易造成坍塌、阻卡等事故，特別是吉迪克組存在高壓鹽水層，對鉆井液的性能維護提出了更高的要求。
大古1井主要處理劑：KPAM，NH4PAN，WFT-666，SMP-2，SPNH，CXP-2，GMP-3。正電性添加劑：乳化石蠟（RHJ-1）和乳液聚合物（DS-301）。
4.2 室內試驗
為了觀察乳液聚合物DS-301 對現場鉆井液性能的影響，進行了乳液聚合物對井漿性能的影響評價實驗（表5）。結果表明，在室內溫度下，井漿中加入0.3%DS-301後對原鉆井液塑性黏度和動切力有微弱增大的趨勢，瞬時失水增大但對API失水量幾乎沒有影響，可以入井試驗。
表5 乳液聚合物DS-301對井漿性能的影響
註：1.表中T?為中壓失水實驗中失水流出的時間，單位為s；2.實驗井漿的其他性能如下：密度為1.56kg/L，pH值為8.5，Vs為21.8%，Vb為39g/L；3.實驗過程均為6000r/min，高速攪拌20min測量其性能。
4.3 入井試驗
大古1井是中石化的重點預探井，鉆探的目的在於發現和保護油氣層，按新的錄井標準（或規範）全烴含量（基值）必須控制在0.5%以內，超過此值後必須停鉆處理鉆井液。按循環周慢慢加入100 kg DS-301。加入前鉆井液的全烴值為0.15%，1.5個循環周以後鉆井液的全烴值最大達到0.17%；在對比性不太強的情況下，鉆井液的漏鬥黏度增加2s，PV和YP有微增的趨向。從對比實驗中發現：加入DS-301後鉆井液的瞬時失水增大但鉆井液的API失水沒有太大的變化。
4.4 應用效果
（1）鉆井液包被抑制性強、鉆屑成型度好、棱角分明。大古1井二開鉆屑照片如圖1所示。可以看出，鉆井液良好的防塌抑制性使大古1井在整個二開施工過程中返出的錄井巖屑層次極為分明，成型度極好，PDC鉆頭切削的痕跡幾乎沒有任何變化。
圖1 大古1井二開鉆屑照片
（2）短起及起下鉆極為順利，無任何阻卡現象。大古1井二開2300～4964m井段總***短起17次，每次短起都暢通無阻，沒有任何阻卡現象，短起下壹次到底率為100%。充分說明了二開鉆井液攜巖洗井效果好、潤滑性良好。
（3）鉆井液抗汙染能力強，成功穿越多套純石膏層和高壓鹽水層。大古1井4802m巖屑照片圖2所示。根據實鉆資料分析和地質錄井提示：大古1井二開鉆遇了兩層可能的高壓鹽水層，分別是：4746～4748m段和4859～4860m段；鉆遇的3套純度較高的石膏層是：4754～4756m段、4800～4802m段和4820～4822m段，純石膏含量達到50%～70%。尤其是在4514m進入大段的膏質泥巖以後，增加了抗鹽抗鈣處理劑用量，鉆井液性能壹直保持相對穩定。
圖2 大古1井4802m巖屑照片
（4）井徑極為規則，井身質量優秀。大古1井二開電測井徑曲線如圖3所示。圖3顯示出，φ311mm鉆頭井眼最大井徑為353mm，最小井徑為278mm，平均井徑為329mm，平均井徑擴大率為5.76%，整個二開沒有出現“大肚子”井段，充分說明了該井段鉆井液防塌抑制性極強，鉆井液和鉆井工程施工措施到位。大古1井三開井徑曲線如圖4 所示。通過對大古1井三開井徑的統計分析，三開平均井徑擴大率為3.03%。
圖3 大古1井二開井徑曲線
圖4 大古1井三開井徑曲線
① 1 英寸=0.0254m
（5）鉆井液清潔，沒有出現任何鉆頭和扶正器泥包現象。大古1井二開鉆井施工中使用壹只牙輪鉆頭、兩只PDC鉆頭（壹只DBS三次入井、壹只保瑞特鉆頭）總計5趟鉆。從未因鉆井液的問題進行起鉆，每趟鉆起出的鉆頭、扶正器、鉆桿接頭處均無任何泥包現象。這正說明了鉆井液攜巖效果好、鉆井液清潔。
（6）全烴值及熒光級別控制良好。整個二開、三開鉆井施工中，通過對入井處理劑全烴值和熒光級別的密切監測，並對有些處理劑的加量進行調整和控制，使全烴值大多控制在0.25%以下，保證泥漿錄井資料的真實性和準確性。
5 結論
采用反相微乳液聚合方法合成了可作為鉆井液添加劑使用的乳液聚合物，具有良好的水溶性、增黏、提切、降失水和抗鹽性能，當乳液聚合物加量0.4%時，即可達到鉆井液性能的基本要求。乳液聚合物中試放大試驗結果表明，工藝路線成熟穩定，可以進行擴大生產。
乳液聚合物用於正電性鉆井液中，在新疆大澇壩2號構造的大古1井的現場試驗表明，鉆井液包被抑制性強、鉆屑成型度好、棱角分明；短起及起下鉆極為順利、無任何阻卡現象；鉆井液抗汙染能力強、成功穿越多套純石膏層和高壓鹽水層；井徑極為規則、井身質量優秀；鉆井液清潔、沒有出現任何鉆頭和扶正器泥包現象；全烴值及熒光級別控制良好，取得了理想的應用效果。
參考文獻
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