聚丙烯酰胺對泥漿的作用

聚丙烯酰胺對泥漿性能的調(diào)整作用，隨其自身的規(guī)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(jié)的作用。能夠?qū)е履酀{絮凝的藥劑很多，大致可分兩類：無機(jī)絮凝劑和高分子絮凝劑。相比之下，高分子絮凝劑比無機(jī)絮凝劑的絮凝作用要強(qiáng)一些。作用機(jī)理也有區(qū)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(qiáng)吸附作用，將若干固相顆粒吸附在一個(gè)或幾個(gè)高分子鏈上，高分子鏈則在固相顆粒之間形成聯(lián)接橋梁，依靠長鏈分子自身的內(nèi)聚力使分散的固相顆粒聚結(jié)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(zhì)土和巖屑絮凝，使造漿能力強(qiáng)的粘土（如搬土）懸浮造漿。這種泥漿既能及時(shí)清除巖屑，又具備懸浮巖屑的能力和護(hù)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(guān)于選擇性絮凝作用的機(jī)理，目前尚不十分清楚。一般認(rèn)為是由于不同固相顆粒表面的電性差異引起的。劣質(zhì)固相顆粒表面帶負(fù)電荷甚少，幾乎接近中性。而搬土顆粒表面卻帶有很強(qiáng)的負(fù)電荷。為此，高分子的架橋內(nèi)聚作用很容易使前者聚結(jié)，卻無法使表面帶有強(qiáng)負(fù)電荷的固相顆粒聚結(jié)在一起。實(shí)際上，調(diào)整高分子的內(nèi)聚力，對泥漿實(shí)現(xiàn)選擇性絮凝作用的同時(shí)，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(qiáng)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(yōu)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(jīng)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(tài)、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(tài)	水化能力	吸附能力	絮凝能力	作用	介質(zhì)條件pH值
基本不水解	卷曲	弱	強(qiáng)	強(qiáng)	絮凝	7-8.5
低于20%	稍曲	一般	強(qiáng)	強(qiáng)	絮凝	7-8.5
30%左右	稍舒展	較強(qiáng)	較強(qiáng)	較強(qiáng)	選擇性絮凝	7-8.5
高于50%	舒展	強(qiáng)	弱	較強(qiáng)	提粘 降失水	7-8.5

水解度在30%左右的HPAM絮凝能力較強(qiáng)，水化能力也較強(qiáng)，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(chǎn)生吸附架橋作用。而且分子量越大，這種作用越強(qiáng)。

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(hù)膠層，反而促使固相顆粒產(chǎn)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(dāng)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。可使曲卷的高分子伸直展開，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(jìn)粘土水化，加大優(yōu)良粘土與劣質(zhì)土的分散水化作用的差距，增強(qiáng)絮凝作用的選擇性。但是，過高的pH值，可以助長劣質(zhì)土的分散作用，縮小搬土和劣質(zhì)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(yīng)超過8-9。

（三）降失水作用與護(hù)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(hù)膠層。由-COO^-水化形成的這些水化基團(tuán)，不僅使一部分自由水牢固地包裹在基團(tuán)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(dāng)HPAM加量較小時(shí)，HPAM對泥漿主要顯示絮凝作用，這時(shí)泥漿的失水量較大。當(dāng)加入量上升到某一數(shù)值時(shí)，絮凝作用可達(dá)較佳點(diǎn)，失水量也達(dá)較大值。當(dāng)加入量超過這個(gè)數(shù)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(diǎn)的加入量大小與粘土品種、HPAM分子量和水解度有關(guān)。

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(yōu)良搬土造漿、預(yù)先水化粘土、及時(shí)清除巖粉等，可使泥漿的失水量控制在很小的范圍內(nèi)，以防止井壁膨脹。另外，高分子鏈上已經(jīng)吸附了大量粘土顆粒的吸附基團(tuán)，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(shí)間，人們在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，除水敏地層外，通過高聚物等處理劑改變?yōu)V液性質(zhì)，抵制孔壁顆粒分散，是泥漿護(hù)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(dāng)泥漿中加入足夠數(shù)量的HPAM和PAM時(shí)，才能獲得較好的護(hù)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(zhuǎn)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(shí)常為層流狀態(tài)，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(xiàn)代金剛石高速鉆進(jìn)工藝中，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)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(lián)作用，在泥漿中加入一些固相添加劑（如劣質(zhì)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。或者用專用工具向井筒適當(dāng)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(jī)交聯(lián)劑或甲醛、乙二醛、乙二醇等有機(jī)交聯(lián)劑，可使聚丙烯酰胺交聯(lián)形成不溶的體型絮狀物。堵塞漏失較大的裂隙。

（七）小結(jié)

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(guān)。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）