钻井液用聚丙烯酰胺研制报告

钻井用聚丙烯酰胺

研制报告

东营华兴公司

一、钻井用聚丙烯酰胺技术指标

理化性能：

钻井液性能：

二、产品概述

石油开采领域, 聚丙烯酰胺广泛应用于采油、钻井泥浆、废泥浆处理。钻井液用聚丙烯酰胺是一种有机高分子聚合物，其外观为白色或淡黄色自由流动粉末，无毒无腐蚀，不易产生粉尘，易溶于水，能防止水窜, 降低摩阻, 并提高采收率；润滑钻头、钻具，降低泥饼摩擦

系数，减少井下事故；吸附在井壁上堵塞地层空隙，阻止钻井液的漏失。除此以外, 钻井液用聚丙烯酰胺还可用作钻井泥浆的增稠剂、稳定剂和沉降絮凝剂、水油比控制剂、压裂液添加剂、润滑剂等。钻井液用聚丙烯酰胺不但可适用于低固相不分散聚合物钻井液体系，也可用于分散型钻井液体系，并可与多种处理剂复配使用，适用于各种泥浆体系。

在石油勘探开发领域中，PAM 类产品分子量分布很宽，从十几万到上千万。从理论上来讲，钻井液中使用的聚合物分子量太高没什么必要。因为在高压喷射钻井条件下，钻头水眼处的高剪切应力会使聚合物发生降解，分子量趋于一个定值，也就是说，喷射钻井条件下钻井液中的聚合物分子量最高只能保持在3.2×106。

东营市华兴公司生产的STQY —Ⅴ钻井用聚丙烯酰胺产品，在优质原料、精良设备、和严格有效管理的保障下，华兴公司生产的聚丙烯酰胺钾得到了油田和其他用户的认可。

我们选用丙烯酰胺、丙烯酸、氢氧化钾等作为基础原料。通过多次实验，摸索出最佳反应条件为：

1） 用0.5—1% 的复合引发体系；

2） 反应引发温度8—12℃；

3） 反应时间控制在3—4小时。

华兴公司生产的STQY —Ⅴ钻井用聚丙烯酰胺采用的引发体系与我们的其他驱油用聚丙烯酰胺产品同样为低温引发体系，采用氧化还原引发体系配合水溶性有机引发剂作为主要引发体系。引发温度控制在12—14℃，加入少量助剂作为辅助引发体系进一步提高了产品质量。

聚丙烯酰胺通常是由丙烯腈为起始原料，先合成丙烯酰胺，然后再经引发聚合而成。

华兴公司有9000吨/年丙烯酰胺和4000吨/高分子量具丙烯酰胺的生产能力，采用以丙烯腈为原料催化水合法生产丙烯酰胺，水合工段生产出的30%的粗丙烯酰胺溶液经过闪蒸除去原料丙烯腈中的轻组分杂质和少量未反应的丙烯腈。我们的闪蒸塔设计了丙烯酰胺的循环流程，保证闪蒸的效果，也保证了最终产品的质量。

闪蒸工段来的35%粗丙烯酰胺溶液经泵送至活性碳过滤器，再依次进入阴离子交换柱和阳离子交换柱，除去杂质和金属离子，经冷却后进入精丙烯酰胺储罐，再由泵送至聚合装置。

聚合工艺采用前加碱低温引发均聚共水解工艺，工艺流程如下： 配料工段按浓度和温度配好丙烯酰胺和纯碱的混合液泵送至聚合釜。

丙烯酰胺混合液进入聚合釜后，立刻从底部通入99.999%高纯氮，20分钟后从釜底加料口用氮气压入各种助剂和引发剂，继续通氮气20分钟后开始聚合反应，反应时间约3—4小时，终温约75—85℃。

聚合完成后在釜的夹套内通入蒸气，保持釜内85℃左右进行水解，水解时间4小时。水解完成后从釜顶通入空气，釜内压力升至0.5MPa 左右开始压料，胶板依次经过预造粒机和造粒机得到粒径均匀的胶粒，胶粒经振动流化床干燥后，经研磨机粉碎筛分得到满足三次采油要求粒径的产品，产品编号STQY —Ⅴ

图1.1 聚丙烯酰胺聚合反应方程式

1. 聚丙烯酰胺的性能与应用

该产品在钻井液中可以和粘土颗粒形成空间网架结构，有效粘度随剪切稀释速率的增加而降低，具有良好的剪切稀释作用。

本产品可以直接加入各种水基钻井液体系中，作为包被抑制剂。与多种钻井液处理剂配伍性好。一般加量0.2～0.5%。

1.1水溶性

聚丙烯酰胺的水溶性可通过以下方法改善：（1）在分子中引入足够的亲水（极性）基团；（2）利用聚电解质的反离子相互作用或氢键作用等促进溶解；（3）加入助溶剂；（4）改变外界条件如升高温度或搅拌等。

1.3 絮凝剂

聚丙烯酰胺中的极性基团吸附分散于水中的固体粒子，使粒子间架桥而形成大的聚集体，沉降而同水体分离，可以絮凝钻井液中岩屑、粘土。

1.4 分散剂

由于聚丙烯酰胺含有亲水基团和疏水骨架，因此具有一定的表面活性（尤其是低分子量聚丙烯酰胺），可以在一定程度上降低水的表面张力，有助于水对固体的润湿。在钻井泥浆处理剂方面，在泥浆中加入聚丙烯酰胺可提高泥浆的润滑性和稳定性，降低钻井泥浆的失水，有效地防止卡钻和解卡钻，提高钻井效率。

1.5堵漏作用

该产品在Al 3+、Fe 3+、Ca 2+等离子作用下可以发生交联，高分子化合物一部分由线性变为胶体型，不溶于水，吸附在井壁上并堵塞地层空隙，阻止钻井液的流失。

1.6 流变性

流变性是指物质在外力作用下流动变形的特性。从表观粘度与剪切速度的关系看，在中等剪切速度条件下，聚丙烯酰胺水溶液常常表现出假塑性，即，其表观粘度随着剪切速度的增大而减少。也有随着剪切速度增大而增大的胀流型流体，一般出现在高固体含量（>50%）的分散液中。有报道表明，水溶液疏水缔合聚合物在高剪切区域也表现出一定的胀流特性。从表观粘度与时间的关系看，聚丙烯酰胺（尤其是疏水缔合聚丙烯酰胺）水溶液的另一个流变学特

性是触变性，即，在剪切力的持续作用下，表观粘度降低，剪切作用力撤除时，随着时间的延长，表观粘度又逐渐恢复。

1.7 悬浮性

聚丙烯酰胺本身或与其它物质所形成的水基流体的悬浮性在石油和天然气的开采及其它行业都具有极其重要的意义。悬浮性是指悬浮离子在外加力场作用下与介质发生相对运动时受到的阻力作用。

1.8润滑作用

该产品吸附在金属或粘土颗粒表面形成液膜，从固体表面的摩擦变为液体摩擦，从而润滑钻头、钻具，降低泥饼摩擦系数，减少井下事故。

1.9降滤失作用

该产品的水解度越高，其分子链子上的水化基团越多，水化越好，他将由絮凝剂变为降滤失剂。

2. 钻井液中聚丙烯酰胺剩余浓度的测定

钻井液中以聚丙烯酰胺和含酰胺基多元共聚物为主的处理剂，在使用过程中其聚合物加量及剩余浓度对钻井液性能影响很大。它直接关系着该体系泥浆的包被抑制性，削弱网状结构的能力。钻井液中聚合物浓度及剩余浓度是否适当，是这类钻井液使用成败的重要因素。为此我们在钻井过程中，特别是在钻遇复杂地层时必须经常测定，认真控制。但目前现场对聚合物钻井液浓度的了解仍局限于按所钻进尺、岩屑量及水限等因素来估算，处理后的浓度往往不

是过量，便是不足。

在此我们介绍一种测试方法：用注射器准确吸取钻井液5ml(如果是滤液取10m1) 于100ml 三角瓶中，加20m120%NaOH溶液和20ml 无氨蒸馏水，加塞。另取2 %H3BO 4溶液25ml 于另一100ml 三角瓶中，加甲基红指示剂2～3滴。将两瓶用导气管相连，摇匀，将试样瓶放在恒温电热板上微沸40min 。将接受瓶取下，用0.02～0.01molHCl 滴定，当指示荆由黄色变红时即为终点。根据所消耗的HCl 溶液体积，在PHPA 工作曲线上查出样品所对应的PHPA 浓度，即为钻井液的PHPA 浓度或滤液中剩余的PHPA 浓度。（该方法测定PHPA 的量程为500～4000mg ／l ，对分子置较小的PMNH 、KPHP 等聚合物，量程上限可达6000mg ／l ）。

其工作曲线的绘制如下：用注射器准确加入不同浓度的PHPA 溶液于100ml 三角瓶中，测定方法同分析步骤。根据所得结果绘出HCI(m1)-PHPA(mg／1) 关系曲线，见图2。

三. 试验方法

（1）、粘度的测定：粘度计为Brookfield

（2）、特性粘数[η]的测定：温度控制在30±0.1℃，NaCl 浓度为1M 的条件下用一点法测定的，分子量计算公式为：

[η]=3.37×10-4M 0.66。

（3）、残余单体、固含量、水解度、不溶物、溶解时间等按GB12005-89测定。

四. 质量保障

华兴公司钻井用聚丙烯酰胺的技术指标是在行业标准基础上制定的，完全符合三次采油的使用要求，华兴公司始终以客户需求为标准，以厚实的生产技术力量生产高质量的产品。严格执行Q/DSX006—2002产品质量标准，确保产品合格率100%，一级品率98%，优等品率达到96%以上。现场操作人员都经过严格培训，考

核合格后才能上岗，而且大部分人员都有丰富的生产经验，确保了现场操作和管理质量。

2003.3 东营华兴公司