阳离子聚合物钻井液是一款钻井液。

由含有众多正离子的有机聚合物钻井液

学科：钻探工程

词目：阳离子聚合物钻井液

英文：cationic polymer drilling fluid

释文：由含有众多正离子的有机聚合物钻井液。常使用的阳离子聚合物主要是有机聚季铵盐类,如聚胺甲基丙烯酰胺(代号cPAM)、阳离子淀粉等。它既具有高价阳离子的强聚结效应；又具有高聚物对膨胀性粘土表面的吸附成膜作用,是较理想的抑制剂。其稳定粘土的能力远远超过无机盐类(如钙盐、钾盐等),也远远超过广为应用的有机聚合物(如聚丙烯酸盐类)。这种阳离子聚合物在淡水、硬水、盐水中均可使用；并适用于水敏性地层(高岭土、蒙脱土),用量小(仅千分之几),效能高,配制简单,成本低等优点。随着阳离子钻井液体系的发展,呵以预期在钻井液技术方面将有一个较大的突破,对钻井工程也会有较深远的影响。

(1) 固相含量低，且亚微米粒子所占比例也低。这是聚合物钻井液的基本特征，是聚合物处理剂选择性絮凝和抑制岩屑分散的结果，对提高钻井速度是极为有利的。对不使用加重材料的钻井液，密度和固相含量大约成正比的。研究表明，纯蒙脱土钻井液中亚微米粒子含量为13%左右，用分散剂木质素磺酸盐处理后，亚微米粒子含量上升为约80%，而用聚合物处理后的体系亚微米粒子的含量降为约6%。大量室内实验和钻井实践均证明，固相含量和固相颗粒的分散度是影响钻井速度的重要因素。

(2) 具有良好的流变性，主要表现为较强的剪切稀释性和适宜的流型。聚合物钻井液体系中形成的结构由颗粒之间的相互作用、聚合物分子与颗粒之间的桥联作用以及聚合物分子之间的相互作用所构成。结构强度以聚合物分子与颗粒之间桥联作用的贡献为主。在高剪切作用下，桥联作用被破坏，因而粘度和切力降低，所以聚合物钻井液具有较高的剪切稀释作用。由于这种桥联作用赋予聚合物钻井液具有比其它类型钻井液高的结构强度，因而聚合物钻井液具有较高的动切力。同时，与其它类型钻井液相比，聚合物钻井液具有较低的固相含量，粒子之间的相互摩擦作用相对较弱，因而聚合物钻井液具有较低的塑性浓度。由于聚合物水溶液为典型的非牛顿流体，所以聚合物钻井液一般具有较低的n值。当然，在实际钻井过程中，各流变参数需控制在适宜的范围内，过高和过低对钻井工程都不利。

(3) 钻井速度高。如前所述，聚合物钻井液固相含量低，亚微米粒子比例小，剪切稀释性好，卡森极限粘度低，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好，这些优良性能都有利于提高机械钻速。在相同钻井液密度的条件下，使用聚丙烯酰胺钻井时的机械钻速明显高于使用钙处理钻井液时的机械钻速。

(4) 稳定井壁的能力较强，井径比较规则。只要钻井过程中始终加足聚合物处理剂，使滤液中保持一定的含量，聚合物可有效地抑制岩石的吸水分散作用。合理地控制钻井液的流型，可减少对井壁的冲刷。这些都有稳定井壁的作用。在易坍塌地层，通过适当提高钻井液的密度和固相含量，可取得良好的防塌效果。

(5) 对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。由于聚合物钻井液的密度低，可实现近平衡压力钻井；由于固相含量少，可减轻固相的侵入，因而减小了损害程度。

(1)桥联与包被作用

聚合物在钻井液中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提。当一个高分子同时吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。桥联和包被是聚合物在钻井液中的两种不同的吸附状态。实际体系中，这两种吸附状态不可能严格分开，一般会同时存在，只是以其中一种状态为主而已。吸附状态不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，而包被作用对抑制钻屑分散有利。

(2)絮凝作用

当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。所以，絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键。

根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂又可分为两类：一是全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土，如非离子型聚合物PAM就属于此类；二是选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土，如离子型聚合物PHPA、VAMA就属于此类。当絮凝剂能提高钻井液粘度时，称为增效型选择性絮凝剂，而对粘度影响不大时称为非增效型选择性絮凝剂。

(3)增粘作用

增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，以提高悬浮力和携带力。增粘作用的机理，一是游离(未被吸附)聚合物分子能增加水相的粘度，二是聚合物的桥联作用形成的网络结构能增强钻井液的结构粘度。常用的增粘剂有相对分子质量较高的PHPA和高粘度型羧甲基纤维素(CMC)等。

阳离子聚合物钻井液体系是以高相对分子质量阳离子聚合物（简称大阳离子）作包被絮凝剂，以小相对分子质量有机阳离子（简称小阳离子）作泥岩抑制剂，并配合降滤失剂、增粘剂、降粘剂、CaO等处理剂配制而成的，它是一种新型的聚合物钻井液体系。

⑴、大阳离子：颗粒状固体，较易溶解，其胶液PH值7-8之间。具有包被钻屑，抑制钻屑造浆的作用，还有一定的增粘作用。在钻井液中的最佳含量是0.2-0.4%。

⑵、小阳离子：液体或粉末状固体，其胶液PH值5-7之间。具有抑制粘土水化分散的作用，还有一定的增粘增失水的负作用。在钻井液中的最佳含量是0.3-0.5%。

⑶、降滤失剂：SAS、钠盐、CMC、SPNH（磺化褐煤树脂）

⑷、增粘剂：HV-CMC

⑸、降粘剂：SMC（磺化褐煤）、PSC（磺化酚腐植酸铬）、FCls

⑹、加重剂：铁矿石粉、石灰石粉 ⑺、Ca0：提供Ca2+，减弱地层粘土水化分散，稳定钻井液性能。

聚合物钻井液转化为阳离子钻井液

⑴、钻表层水泥塞时，根据水泥塞的长度加入适量的纯碱，沉除Ca2+，确保钻井液具有良好的流动性。

⑵、钻完表层水泥塞，测量全套钻井液性能，排放适量的聚合物钻井液，补充清水，循环均匀后，测量钻井液性能，若粘度≤45s，搬土含量≤45g/l，固相含量≤10%，改型前的准备工作完毕。

⑶、将小阳离子、FCLS、NaOH配制成胶液，按照循环周均匀混入聚合物钻井液中，小阳离子的含量控制在0.3-0.5%之间，循环2-3周后，测量钻井液性能，若粘切较高，可再次加入FCLS、NaOH胶液降低粘切，粘度＜50s。

⑷、将大阳离子配制成胶液，按照两个循环周均匀加入，大阳离子含量控制在0.2-0.4%之间。大阳离子加入后，钻井液粘切会会大幅度上升，随着钻井液的循环，钻井液粘切会逐步下降，粘切稳定后会比加入前略有上升，因此大阳离子加入一周后，循环2-3周，再次加入大阳离子。

⑸、加入小阳离子后，钻井液失水会有所上升，可加入CMC、钠盐降低钻井液失水，CMC的降失水效果明显好于钠盐。

⑹、改型完毕后，测量Ca2+浓度，若Ca2+浓度偏低，可加入Ca0乳液，Ca2+浓度控制在400-600mg/l之间。