钻井液高分子处理剂的破胶实验研究

何丕祥，王兴伟，刘 璐

（1.中国石油大港油田分公司采油工艺研究院，天津 300280；2.中国石油大港油田分公司勘探开发研究院，天津 300280）

随着水平井应用的逐年增多，水平井的油层保护也越来越受到重视。据报道[1]，水平井效果差的主要原因之一是水平井在钻井过程中的油层受到了污染。目前国内外水平井钻井过程中采用的钻井液体系较多，主要有聚合物钻井液、油基钻井液、清洁水/盐水钻井液、混合金属层状氢氧化物钻井液、泡沫或充气钻井液。其中，聚合物钻井液由于其优越的滤失控制和滤饼易用酸或氧化剂清除的特点，以及有极强的防制地层黏土矿物水化膨胀造成地层损害的能力而被广泛采用。

大港油田常用的水平井钻井液体系主要有：甲酸盐、有机正电胶、硅基防塌、抑制性、聚合物、麦克巴的ULTRODRIL钻井液体系等。这些体系中都含有不同类型的高分子处理剂，它们一方面大大提高了钻井液性能，满足了现代钻井工程的需要，同时也提高了钻井过程的油气层保护效果，但另一方面，钻完井后如果不及时彻底地加以处理，就会污染油气层，使油气井产能得不到最大限度的发挥。因此，必须研究在钻井结束后如何高效快速地破坏钻井液中的高分子处理剂。本文针对大港油田常用的钻井液高分子处理剂的破胶进行室内实验研究，并对影响破胶效果的因素进行分析。

1 钻井液高分子处理剂的特点和作用

为满足钻井的需要，各种钻井液处理剂被不断的开发与应用。从20世纪80年代以来，用于钻井液和完井液的处理剂品种不断增多，目前国内钻井液处理剂主要有降滤失剂、增黏剂、降黏剂、包被剂、页岩抑制剂等18大类。其中，高分子聚合物被越来越多地用于钻井液处理剂，包括天然聚合物、合成聚合物、生物聚合物等。

目前大港油田常用的钻井液高分子处理剂主要有：生物聚合物FLOVIS，改性淀粉，流型调节剂、聚丙烯酰胺钾盐、两性离子聚合物、MCVIS等。这些高分子处理剂共同的特点是均为水溶性高分子聚合物，可以改善钻井液性能。它们在钻井过程中起到的主要作用有[2]：（1）流型调节作用，改变流体的流型，能提高钻井液悬浮和携带岩屑的作用。（2）降滤失作用，能够降低滤饼的渗透率，提高黏土颗粒的水化程度，对泥饼起堵孔作用，使泥饼致密。（3）抑制与防塌作用，聚合物在钻井液中能够吸附在颗粒上，起到包被作用，包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用越强，长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵微裂缝，可以阻止泥页岩剥落，同时对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。（4）润滑作用，能够有效改善钻井液滤饼的性能，降低摩阻。由于它们具有多种性能而被广泛采用。但为了获得更好的保护油气层效果，还必须对其完成钻井后的破胶效果进行研究。

2 实验部分

2.1 实验药品及仪器

药品：过硫酸盐A、氯酸盐B、次氯酸盐C、过氧化物D均为分析纯。

聚丙烯酰胺钾盐、流型调节剂、改性淀粉GD10-1、FLOVIS。

仪器：D-8401型多功能搅拌器、恒温水浴、DV-Ⅲ黏度计（美国）。

2.2 实验方法

（1）聚合物和破胶剂浓度选择：根据现场施工要求,大港油田最常用的为以下几种浓度的聚合物：0.3%FLOVIS、1.425%改性淀粉 GD10-1、0.5%流型调节剂、0.5%聚丙烯酰胺钾盐。因此选用这几种浓度的聚合物作为本实验研究对象。根据资料调查研究[3-5]，破胶剂及浓度的选择和现场施工条件及成本有关，一般破胶剂的使用浓度范围在0.5%～5%。为达到较好的破胶效果及考虑成本问题，本实验中分别配制3%破胶液 A、B、C、D。

（2）用黏度计测聚合物初始黏度，将破胶液与聚合物按一定比例混合在50℃恒温水浴中反应，测不同时间下溶液的黏度，并计算降黏率，用降黏率来表征破胶效果。

（3）将破胶液A中分别加2% 和5%Na2CO3，重复上述实验考察pH对破胶效果影响。

3 实验结果与讨论

3.1 单一破胶剂对不同聚合物破胶分析

四种聚合物中初始黏度大小依次为：流型调节剂、FLOVIS、聚丙烯酰胺钾盐、改性淀粉GD10-1。同一种破胶剂对于不同种聚合物破胶效果不同，破胶效果（见图1）。实验结果表明，破胶液A对流型调节剂破胶效果最好且速度最快，30 min后降黏率已达到85.71%，2 h后降黏率为96.71%，其溶液黏度几乎与水相同。其次为聚丙烯酰胺钾盐和FLOVIS。对改性淀粉GD10-1的破胶效果不理想，2 h后降黏率为67.86%，黏度不再随时间增长而变化。破胶液B、C的趋势基本相同，对流型调节剂和聚丙烯酰胺钾盐破胶效果较好。破胶液D对四种聚合物破胶效果不理想。

图1 单一破胶液对四种聚合物的破胶效果图

3.2 不同破胶剂对同一聚合物的破胶分析

对于同一种聚合物，不同破胶剂的破胶效果不同。实验结果表明对于FLOVIS：四种破胶剂中过硫酸盐A的破胶效果最好，4 h后降黏率可达到80.52%。对于改性淀粉GD10-1破胶：四种破胶剂效果均不是很理想，2 h最高降黏率仅为67.86%，且降黏率不再随时间增长。对流型调节剂破胶：除破胶液D外，其余三种破胶液均有良好的破胶作用，2 h降黏率均在95%以上，且破胶时间和破胶速度基本相同。对聚丙烯酰胺钾盐的破胶：从降黏率随时间变化柱状中可以看出（见图2），四种破胶剂对聚丙烯酰胺钾盐都有较好的破胶效果。

图2 四种破胶液对单一聚合物的破胶效果图

然而在对聚丙烯酰胺钾盐的破胶过程中，A、B、C三种破胶液均会产生白色絮状物，但加入A和C破胶液产生的絮状物会随时间增长或搅拌速度加快而消失。分析其原因有两种[6]：（1）聚丙烯酰胺钾盐是阴离子型聚合物，在破胶剂的作用下使分子链断裂，黏度降低，同时酸性条件下聚丙烯酰胺易发生絮凝。（2）高速搅拌可使聚丙烯酰胺钾盐分子链断裂，这属于机械方法。因此破胶液在高速搅拌的情况下通入井壁，会使聚合物滤饼的清除效果更好。同时从图2中还可看出，四种破胶液基本在2 h内破胶结束，4 h后降黏率变化很小。

3.3 pH值的影响

四种破胶剂均属于强破胶剂。过硫酸盐A具有强氧化性和腐蚀性，易水解，溶液呈酸性。氯酸盐B和次氯酸盐C在酸性条件下易水解生成氯酸根和次氯酸根都具有强氧化性，但氯酸根水解电离浓度大于次氯酸根。D溶液呈中性。实验过程中pH变化（见表1）。

破胶液 A、B、C的 pH＝1，溶液呈酸性。破胶液D的pH=6，呈中性。四种聚合物中只有聚丙烯酰胺钾盐呈碱性，pH＝8，其他三种呈中性。从表中可以看出破胶液与聚合物混合后pH发生很大变化。改性淀粉GD10-1和FLOVIS的pH值变为酸性。但随着反应时间增长，pH值几乎保持不变。

表1 反应过程中溶液pH值变化

表2 pH值对聚合物破胶的影响

图3 pH值与聚合物降黏率的曲线图

从3.1和3.2分析中可知聚合物FLOVIS和改性淀粉在酸性条件下破胶效果不佳，其中破胶液A对这两种聚合物的破胶率最高。因此将破胶液A中分别加2%和5%Na2CO3，pH值分别为9和10，溶液呈碱性，考察pH值对破胶效果的影响，实验结果（见表2）。

pH值与聚合物降黏率的曲线图（见图3）。

实验结果表明破胶剂在碱性条件下更有利于FLOVIS和改性淀粉的破胶。在碱性条件下，FLOVIS的破胶率可提高20%左右，改性淀粉的破胶率也可提高15%。对于流型调节剂和聚丙烯酰胺钾盐这两种聚合物，无论在酸性条件下还是在碱性条件下均有较高的破胶率。但在碱性条件下这两种聚合物不会产生沉淀。

4 结论及建议

（1）四种破胶剂中过硫酸盐A的综合破胶效果最好，其次是氯酸盐B和次氯酸盐C，过氧化物D的破胶效果不理想。

（2）四种聚合物中流型调节剂最容易破胶。破胶剂在酸性条件下与聚丙烯酰胺钾盐的破胶过程中会产生白色絮状物。除破胶剂B外，其余几种破胶剂产生的悬浮物会随时间增长或搅拌速度增快而消失。但在碱性条件下，不会产生悬浮物。且白色絮状悬浮物可在加入过量碱后降解。

（3）pH值对破胶剂破胶有影响：破胶剂在碱性条件下有利于FLOVIS和改性淀粉的破胶。过硫酸盐A在碱性条件下对FLOVIS的破胶率可达98.51%，比在酸性条件下破胶率提高二十个百分点。

（4）对不同的聚合物滤饼清除应针对性的选择破胶液，并根据现场要求选择合适的破胶液。本文中四种破胶剂均可在2 h内完成破胶任务，能够满足现场施工解除滤饼的时间要求。