聚阴离子纤维素(PAC)在钻井液中起着以下重要作用:
一、流变性能调节
1. 增稠作用
PAC能显著提高钻井液的粘度。在钻井过程中,适当的粘度非常关键,例如在深井、斜井或水平井钻井作业中,较高的粘度可以使钻井液更好地携带岩屑。它通过钻井液中分子链的拉伸和缠结,增加了流体内部的摩擦力,从而降低了钻井液的流动性,达到增稠作用。
与其他增稠剂相比,PAC具有更稳定的增稠效果。它能在很宽的温度范围内和不同的矿化条件下保持良好的增稠性能。这是因为其分子结构中的阴离子基团可以与钻井液中的阳离子相互作用,形成相对稳定的结构,即使在复杂的井下环境中也能保持钻井液的粘度。
2. 改善流变性
--PAC可以调节钻井液的流变性,使其具有良好的剪切稀化性能。钻井液在循环过程中,当处于高剪切速率时,如在钻头处,钻井液的粘度会下降,流动性会提高,有利于将岩屑从井底携带到地面;而在低剪切速率区域如环空,粘度会增加,有利于悬浮岩屑,防止其下沉和堆积。这种剪切稀化特性是通过PAC分子链在不同剪切力作用下的取向变化来实现的。在高剪切力作用下,分子链取向,流体阻力减小,粘度降低;在低剪切力作用下,分子链又回到缠结状态,粘度增加。
二、降低滤失量
1. 形成滤饼
PAC可以在井壁上形成致密的滤饼。当钻井液与井壁岩石接触时,PAC分子会吸附在岩石表面,通过分子间的相互作用形成滤饼。这种滤饼可以有效阻止钻井液中的液体渗透到地层中,减少滤失。例如在渗透性较好的地层中,良好的滤饼可以明显减少钻井液的滤失,避免过多的滤液进入地层而引起的地层损害,如粘土膨胀、渗透性降低等问题。
其形成的滤饼质量高,韧性和弹性好。与一些传统的降滤失剂相比,PAC形成的滤饼不易破碎。这是因为其分子链间相互作用强,能承受一定的压力和冲刷,从而更好地隔离钻井液与地层,保持井壁的稳定性。
2. 增加滤液粘度
PAC还可以增加钻井液滤液的粘度。当钻井液中的液体试图通过滤饼渗透到地层中时,滤液较高的粘度会增加渗透阻力,进一步降低滤失量。它在滤液中形成网络结构,阻碍液体分子的流动,从而达到降低滤失量的目的。这种效果在高温高压环境下也更加明显,可以适应复杂的井下条件,有效控制钻井液的滤失性能。
三、井壁稳定
1. 抑制粘土水化膨胀
在含有粘土的地层中,PAC可以抑制粘土水化膨胀。它通过吸附在粘土颗粒表面,改变粘土颗粒的表面性质,减少水分子与粘土颗粒的接触机会。例如在水敏性地层中,PAC的阴离子基团可以与粘土颗粒表面的阳离子进行交换吸附,在粘土颗粒周围形成一层保护膜,阻止水分子的进入,从而降低粘土吸水膨胀的程度,避免井壁坍塌。
其对粘土水化膨胀的抑制作用可以提高井壁的稳定性。稳定的井壁对于钻井作业的安全和效率至关重要。特别是在钻井地层结构复杂,如软泥岩地层、页岩地层时,PAC的这种作用可以有效防止井壁失稳,减少井下事故的发生。
2. 增强井壁岩的胶结
PAC能与某些复合物发生反应。
