本文對聚丙烯酰胺的不同使用濃度及護壁作用，聚丙烯酰胺泥漿中添加潤滑劑的作用，及水解對聚丙烯酰胺護孔的影響等方面作了探討，供參考。

1、聚丙烯酰胺的不同使用濃度及護壁作用

據(jù)有關(guān)資料介紹：聚丙烯酰胺的用量一般為2/10000-10/10000（即濃度為200-1000ppm）。我們的實踐也證明：聚丙烯酰胺在較低濃度時，如（70-120ppm）就具有一定的防塌護孔能力。濃度愈高，防塌護孔效果愈好，泥漿自身穩(wěn)定和潤滑性也愈好。

聚丙烯酰胺這種高分子有機聚合物，冶金選礦上稱其為三號絮凝劑，主要利用PAM產(chǎn)生絮凝的特性。石油和地質(zhì)勘探部門引進運用，往往也只強調(diào)其絮凝作用。我們認(rèn)為具有一定水解度得HPAM在較低濃度（400ppm以下）時，主要以絮凝為主，同時在一定條件下也有穩(wěn)定加進那個性能和孔壁的作用。當(dāng)HPAM濃度在500ppm以上時，主要以穩(wěn)定作用為主，絮凝作用為輔。

在珠砂紅礦區(qū)，我們控制HPAM濃度在70-100ppm，觀察到在使用的樂平造漿粘土中，絮凝部分占多數(shù)，泥漿中保留了較少量的造漿粘土，但仍取得較好的護壁效果。如ZK855孔，受斷層擠壓破碎帶影響，先后灌水泥四次未起作用，垮渣嚴(yán)重，無法鉆進。使用低濃度HPAM泥漿后，在上中部嚴(yán)重超徑情況下，處理下部燒鉆和掉測斜街頭的事故，時間長達(dá)二十天之久，盡管反鉆桿兩次，消滅巖心管起下鉆具頻繁，但孔壁仍安然無恙。這種普通粘土（非膨潤土）配制的低濃度PAM泥漿，在斷層構(gòu)造造成的破碎帶中，之所以能起到護壁作用，是與HPAM能起一定的穩(wěn)定作用分不開的。泥漿中的HPAM，一部分消耗于粘土和巖屑的絮凝聚沉，另一部分則保留在泥漿濾液中。雖然濃度較低，但其不僅作用于粘土顆粒表面，而且和粘土顆粒一起組成了一道透水性差的阻隔區(qū)，從而保持孔壁有較長時間的穩(wěn)定性。低濃度PAM泥漿，由于濾液中HPAM濃度較低，因此在孔壁形成的保護膜強度和隔水性較差。當(dāng)其用于具有一定膠結(jié)性，而水敏性并不很強的地層時，護壁效果較好。對于膠結(jié)較松散、且又具水敏性的地層，這樣低的濃度不能有效的保護護壁。冷水坑CK13204-1*孔，片巖加水敏性破碎地層，應(yīng)用低濃度HPAM泥漿，沒有取得預(yù)期效果就是一個實例。該孔泥漿中HPAM濃度只有70ppm左右，孔內(nèi)仍舊垮塌坍塌。我們在CK13204-2*孔壁施工中，注意研究了這個問題。在室內(nèi)做了普通粘土PAM泥漿性能及HPAM防塌浸泡實驗。分別見表一、表二。

表1泥漿配方及性能指標(biāo)

項目序號	處理劑加量				泥漿性能指標(biāo)
	粘土（%）	純堿（%）	CMC（%）	HPAM（ppm）	比重（克/厘米3）	粘度（秒）	失水量（毫升/30分）	泥皮厚（毫米）	pH	膠體（%）	含砂量（%）
原漿	10	0.25	/	/	1.02	16	54	1.1	8	＞96	＞1
1	10	0.25	0.2	100	1.04	19	23	0.9	8	＞96	＜0.5
3	10	0.25	0.2	300	1.04	21	8	0.5	8	100	＜0.5
5	10	0.25	0.2	500	1.043	22	6	＜0.5	8	100	＜0.5
7	10	0.25	0.2	700	1.043	25	6	＜0.5	8	100	＜0.5

表2HPAM防塌浸泡試驗

HPAM濃度（ppm）	巖礦樣	浸泡結(jié)果
0	破碎云母、石英、片巖	1-2分鐘即膨脹、崩潰、溶液混濁
100	破碎云母、石英、片巖	2分鐘膨脹、分散、溶液不分濁
300	破碎云母、石英、片巖	2分鐘后分散
500	破碎云母、石英、片巖	10分鐘只略微膨脹微裂痕。20分鐘裂痕增多、不分散、半小時后逐散、但仍呈組狀。

注：試驗巖礦樣，經(jīng)粉碎過80目篩，壓制成φ10 、15毫米巖柱，烘干備用。

根據(jù)室內(nèi)試驗，在現(xiàn)場施工中，在其它處理劑基本不變的情況下，我們針對地層及孔內(nèi)情況對泥漿中HPAM的濃度作了三次調(diào)整。

在泥漿中，水解聚丙烯酰胺（HPAM）長分子鏈上的吸附基（-CONH₂）以氫鍵吸附的方式吸附于粘土顆粒上。

當(dāng)PAM濃度一定時，增加粘土用量，發(fā)現(xiàn)粘土絮凝和聚沉現(xiàn)象很明顯。這是由于過多的粘土被高聚物吸附-橋聯(lián)所致。普通粘土配漿時，在加大粘土用量的情況下，往往出現(xiàn)粘土用量和泥漿比重不成比例現(xiàn)象。有時，雖然攪拌機中新漿在攪拌時保持了較多粘土，但經(jīng)一段時同的循環(huán)后，泥漿中粘土量便顯著下降。泥漿中的粘土顆粒絕大部分呈絮凝態(tài)聚沉或半懸浮于循環(huán)槽或沉淀箱內(nèi)。和一般鐵鉻鹽處理的細(xì)分散泥漿不同，這種泥漿中粘土含量有一種自然下降的趨勢。PAM泥漿實際上有保持低固相的趨勢。至于在粘土質(zhì)地層鉆進時，這種情況是否也一樣，尚未實踐。因此，當(dāng)PAM濃度一定時，增加粘土用量，并不能提高PAM泥漿的護孔效果，而只有提高PAM濃度，其護孔作用才能增強。

2、聚丙烯酰胺泥漿中添加潤滑劑的作用

聚丙烯酰胺與皂化油類潤滑劑共同處理泥漿，不僅可以增加泥漿的潤滑性、減少流動摩擦阻力，而且有利于穩(wěn)定孔壁。

現(xiàn)場將皂化油加量由0.3%提高到0.5%時，鉆具轉(zhuǎn)速可由4提高到6速。有人曾擔(dān)心，在泥漿中加入皂化油會引起孔壁不穩(wěn)定。我們試驗和分析了這種情況。泥漿中添加皂化油后，實測泥漿失水量有所下降。如HPAM加量為20ppm的PAM泥漿，粘土4-5%，純堿0.3%時，泥漿主要性能指標(biāo)：粘度為26秒，比重為1.04克/厘米2，失水量為8.5毫升/30分鐘；當(dāng)添加0.3%皂化油后，失水量則降至5-6毫升/30分鐘。試驗中，不論皂化油加量多少（從0.3%-3%），孔內(nèi)均未出現(xiàn)坍塌掉塊和垮渣現(xiàn)象。皂化油在泥漿中，不僅參加了孔壁泥皮的組成，泥并中的粘土、巖粉與皂化油中油類及表面活性物質(zhì)的增水基和礦物油類分子，一且吸附在孔壁上便相當(dāng)于一層隔水套管，阻止水份向孔壁滲透。因而能提高護壁效果。隨皂化油類潤滑劑加量増多，這種效果也愈明顯。

使用聚丙烯酰胺低固相泥漿，當(dāng)其HPAM加量在200ppm以上時，即使不加皂化油類潤滑劑，孔深600米左右仍可開高轉(zhuǎn)數(shù)（870-1090轉(zhuǎn)/分）。這除了與粘土的性質(zhì)與加量、PAM的使用濃度等有關(guān)外，主要還取決于PAM本身的潤滑性。實測PAM的相對摩擦系數(shù)，當(dāng)皂化油為5-6時，PAM為7-8，這主要與其水解后生成的羧基有關(guān)。有的資料介紹PAM碳鏈間有一個108°29'的夾角，每個鏈可以自由轉(zhuǎn)動，具有柔順性。而且加入聚合物PAM后的流體，由于PAM大分子在流動過程中的取向作用，使其長鏈順流動方向伸展，可以降低流動阻力，因而也使PAM具有一定的潤滑性。

研究泥漿的潤滑性，減小鉆具與孔壁的摩擦系數(shù)，不僅是一個潤滑問題，實際上關(guān)系到孔壁的穩(wěn)定性。當(dāng)著鉆具和孔壁之間存在著一層具有緩沖性的潤滑膜時，鉆具與孔壁之間摩擦阻力降低的同時，鉆具的振動和對孔壁的沖擊減??；加上PAM大分子的取向作用和流動特性，改善了沖洗液流型，減小了液流對孔壁的沖刷破壞作用。這些都有利于孔壁的穩(wěn)定。

3、PAM泥漿中護膠劑的作用

雖然PAM在泥漿中具有一定的穩(wěn)定泥漿性能的作用，但在配制泥漿時，若不加入一定量的穩(wěn)定劑（泥漿術(shù)語中又常稱護膠劑。如CMC、HPAN等），泥漿還具有絮凝和聚結(jié)的趨勢，這是由PAM的絮凝特性所決定。PAM濃度在絮凝濃度范圍時，這方面比較突出。我們作過一些小型試驗：在配制PAM泥漿時，先加水后加土（非膨潤土或膨潤土）再加純堿，攪勻后加入水解度35%的聚丙烯酰胺，皆會出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。此后再補加CMC等穩(wěn)定劑或增加純堿等分散劑，均不易使絮凝物再分散。

倘若改變添加順序，即在粘土水化分散后，便加入護膠劑CMC等，以穩(wěn)定泥漿膠體，之后再加HPAM進一步改善和穩(wěn)定泥漿性能，則可提高PAM泥漿的護孔效果。

配制PAM泥漿的過程，可分為下述三步：

一步是粘土的子水化處理。此時，較大的粘土顆粒加入到開動攪拌機中，不斷地被機械打散。純堿的加入，一方面加速這個過程，另一方面由于Na+（鈉離子）與Ca++（鈣離子）的交換吸附，使造漿粘土顆粒高度分散，形成穩(wěn)定的雙電層。

二步，當(dāng)粘土顆粒被分散到溶膠-懸浮體的程度時，加入護膠劑CMC等，粘土膠粒吸附CMC等降失水劑（或護膠劑）使之包圍粘土膠粒，既保持適當(dāng)大小的顆粒分布，而又不易聚結(jié)沉降。

三步則是加入絮凝劑HPAM。HPAM的加入，使非膠粒、即顆粒粗重的部分被吸附-架橋而絮沉；而被護膠劑保護的造漿粘土則仍處于分散狀態(tài)，并被絮凝劑吸附繞結(jié)但不橋聯(lián)，而穩(wěn)定的懸浮在泥漿中，成為一種粘度較高的溶膠-懸浮體，表現(xiàn)為不絮凝聚沉。

在生產(chǎn)試驗中，不加護膠劑所引起的泥漿性能變化是相當(dāng)明顯的。如用膨潤土粉配制PAM泥漿，雖經(jīng)予水化處理，當(dāng)先加入HPAM（水解度30%左右）時，仍會出現(xiàn)肉凍似的絮凝物。在用普通粘土造漿而缺乏護膠劑的現(xiàn)場，孔內(nèi)隨之出現(xiàn)的坍塌掉塊很明顯。補加護膠劑處理的泥漿后，泥漿的護壁性能即有好轉(zhuǎn)。初步試驗使用水解聚丙烯酰胺（HPAM）效果要比CMC好。

4、水解對聚丙烯酰胺護孔的影響

聚丙烯酰胺在堿性環(huán)境下，可在高溫（90/100°C）和常溫下水解，以成為具有絮凝作用的水解聚丙烯酰胺，這兩種方法們在室內(nèi)和現(xiàn)場都進行過。水解配比是：

高溫水解（7%）PAM：NaOH：H2O=10：0.13：60（公斤）

常溫水解（7%）PAM： NaOH： NaCO3：H2O=10：1：1：60（公斤）

高溫水解時間在一個半小時以上、常溫水解在二個半小時左右時，其水解度經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定均可達(dá)30%以上。但因其加堿量不同、水解溫度和攪拌時間不同，水解產(chǎn)物在護孔效果上有差異。高溫水解的PAM，其液相粘度較低，現(xiàn)場攪拌又不充分，因而用量較多，護孔作用較差。常溫水解，我們也做過只用燒堿和既用燒堿又用純堿水解的對比試用，觀察到常溫水解時，水解物粘度較高，其中又以既加燒堿而又加純堿的HPAM處理泥漿效果為好。為避免攪漿時因加堿量過多而引起雙電層擠壓導(dǎo)致泥漿不穩(wěn)定的現(xiàn)象，我們在現(xiàn)場常將常溫水解時用堿量得配比降低到原用量的60%左右，即

（7%）PAM： NaoH： NaCO3：H2O=50：3：2：300（公斤）

使PAM干量與堿的比例近于1：1。這樣水解后的HPAM作泥漿處理劑時，用量較少就能配制出潤滑性、穩(wěn)定性、護壁性較好的泥漿。

PAM水解時，在水中發(fā)生水化作用而形成具有很大粘性的膠體。堿性環(huán)境可以加速這種過程。PAM屬于膠凝劑類，因而也具備膠凝劑的兩個作用：一是使組分粘合形成整體，二是形成一層膠凝劑保護膜與水隔開。PAM在泥漿的造壁過程中，使粘上顆?；ハ嗾澈希浔旧碛忠晕交接诳妆趲r層表面形成一層膠凝劑保護膜，組合成一個保護層的整體，這個整體具有隔水作用，阻止泥漿中的自由水與孔壁接觸。PAM濃度越高，膠凝劑成膜性越好，隔水效果就越強。在這種作用下，孔壁巖層表面與水接觸的機會大大減少，并且由于泥漿液相粘度的增加，不僅阻止了粘土膠粒聚結(jié)，就是對水分子來講對其向孔壁巖層移動無疑也是一個障礙。這就阻止和抵制了水敏性巖層水化膨脹與分散，防止掉塊和垮渣。因此，泥漿趨于穩(wěn)定，而且對孔壁亦有較好的保護作用。

5、聚丙烯酰胺泥漿護孔機理總結(jié)

綜上所述，我認(rèn)為聚丙烯酰胺泥漿的護壁作用，與PAM用量、PAM本身的性質(zhì)及其它添加劑相輔相成。是PAM、粘土和護膠劑等“多為一體”共同作用的結(jié)果。當(dāng)PAM濃度在400ppm以上時，護孔作用較明顯。

對一般水敏性造漿地層，提倡用高濃度PAM泥漿。此時再分散穩(wěn)定作用是主要的，而絮凝作用則為次要的。分散穩(wěn)定作用對抵制孔壁巖層坍塌和垮渣有利。