聚合物钻井液是20世纪60年代以来发展起来的一种新型钻井液体系。广义地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。按活性固相含量高低，大体上可分为两种类型：清水或盐水；低固相聚合物钻井液(包括加重和非加重的低固相聚合物钻井液)。按照聚合物品种不同，可粗略地划分为四种类型：单一丙烯酰胺类聚合物钻井液；多种大分子金属盐复配聚合物钻井液，阳离子聚合物钻井液；两性复合离子聚合物钻井液。

聚合物钻井液体系是在深入研究钻井液组成与性能对钻速的影响之后发展起来的，是喷射钻井和优化钻井技术的重要组成部份。随着研究的逐渐深入认识到，钻井液的类型、组成和性能是直接影响钻井速度和成本的重要因素。尤其是泥浆中的固相(特别是亚微米胶体粒子)是影响钻井速度和成本的关键因素。实验证明：小于1微米的亚微米颗粒对钻速的影响为大于1微米的较粗颗粒的13倍。所以泥浆中细颗粒越多，钻速降低得越严重。聚合物钻井液的关键就是利用高分子聚合物对钻屑的抑制作用，尽量减少细颗粒的数量，即保证钻屑不分散实现低固相，再结合特殊的流变特性，实现快速钻进。

1.4.3.1聚合物钻井液的配浆原理

聚合物钻井液的关键是通过钻屑的不分散实现低固相，抑制钻屑不分散有两种途径：其一是加入无机盐(如KCl、CaCl₂等)；第二种途径是加入分子结构适当的高分子化合物—选择性絮凝剂。

所谓选择性絮凝剂是指具有选择性絮凝作用的处理剂。选择性絮凝作用是指该处理剂对非膨润类粘土矿物(如一般泥页岩中常见的伊利石、高岭石等统称劣土)具有较强的抑制作用，能有效地防止其水化分散；对已经分散变细的劣土粒子，有较强的絮凝作用，能使之聚沉；而对膨润土造浆率和配浆性能则无不良影响。有的还能提高膨润土的造浆率。

在絮凝劣土的同时，能提高膨润土造浆率的称为增效型选择性絮凝剂；不能提高膨润土造浆率的称为非增效型选择性絮凝剂。对膨润土和劣土同时絮凝的称为全絮凝剂，对膨润土和劣土全不絮凝的称为护胶或降滤失剂。

聚合物钻井液正是利用这种聚合物特有的选择性絮凝作用，在钻进过程中，一方面抑制尚未分散的钻屑进一步分散；另一方面又可使已经分散的钻屑絮凝成较大的团块，以便固控系统清除，从而使钻井液中固相含量一直维持很低。由此可见，聚合物钻井液的配制原理是：(1)采用预水化优质膨润土配浆，用量在1.5~2.0%就足以维持所需要的钻井液性能。(2)使用选择性絮凝剂。一方面形成聚合物—粘土空间网架结构，帮助膨润土建立钻井液必需的泥浆性能；另一方面抑制钻屑分散并使已分散的钻屑絮凝。图1-16为钻井液絮凝作用示意图。

图1-16絮凝作用示意图

1.4.3.2高聚物的主要作用

(1)絮凝作用及选择性絮凝作用

长链高聚物分子中的—CONH₂或—OH能与粘土表面的氧开成氢键而发生多点吸附，高聚物分子链很长，可以同时吸附在几个粘土颗粒上使它们桥联在一起，吸附了几个粘土颗粒的长链分子，相互间还可通过共同吸附粘土颗粒或互相缠绕而彼此桥联在一起，形成絮凝团块(或团粒)。如果土粒分散度越低，土粒表面和长链分子的电荷密度较小，水化较弱，彼此间吸附较强，则形成的絮凝团块容易脱水收缩且其密度较高，这种絮凝团块的动力稳定性差，容易下沉或离心沉降。总之，吸附是桥联的基础，不吸附就无从桥联，但是只吸附不桥联也不能絮凝。因此，絮凝过程是吸附-桥联同时发生的结果。

实验证明，部分水解聚丙烯酰胺PHP具有只絮凝劣土不絮凝膨润土的选择性絮凝作用。如何理解这种现象呢?首先，由于般土和劣土的晶体结构不同，它们的表面性质表现较大的差异，这就为PHP的选择性絮凝提供了可能。膨润土颗粒带的负电荷较多，水化分散作用较强，水化膜较厚，而劣土颗粒带的负电荷较少，分散度较低，水化膜较薄。带负电的PHP大分子链与劣土粒子间的斥力小，与膨润土粒子间的斥力大，因而PHP对劣土一般表现为絮凝，而对膨润土不絮凝；另一方面，PHP的水解度不同，大分子链上—COO^-的数量、带负电荷的多少和大分子链的水化膜厚薄也不相同。水解度高，意味着大分子链上的负电荷多和水化膜较厚，与粘土颗粒之间的斥力小。就是说，改变PHP的水解度亦可改变PHP与土粒之间相互作用力的强弱，从而达到絮凝劣土不絮凝膨润土的选择性。

    同样，为什么水解度很低的基本非水解的PAM是既絮凝劣土又絮凝般土的完全絮凝剂；为什么水解度较低的高聚物增大般土原浆的屈服值效果较好而降失水效果较差；为什么水解度较高的高聚物提高屈服值的效果较差而降失水效果较好；为什么高聚物水解度过高时既不絮凝也不絮凝劣土，变成降失水剂等实验结果也能用上述观点进行说明。这里值得注意的是，要使PHP成为增效型选择性絮凝剂，水解度应适当偏低。

    (2)包被作用

包被作用是指高聚物在钻屑表面吸附，把整个钻屑包围起来，防止其水化分散。包被作用是20世纪80年代提出的新概念，用来代替絮凝作用和选择性絮凝作用。这不仅是名词术语上的变化，而且是思路和机理上的一种进步，因为用聚合物对钻屑的包被作用来解释其对钻屑水化分散的抑制作用，可以摆脱抑制性和配浆性的矛盾。由于包被作用的机理与絮凝机理不同，聚合物包被作用增强，其絮凝作用不一定增加，因此，提高聚合物对钻屑水化分散的抑制性，不一定要以牺牲体系必要的性能为代价。就是说，可以在提高抑制性的同时，改善钻井液的其它性能。

(3)防塌作用

聚合物的一个重要作用就是能够防止井壁垮塌。试验结果表明，PHP分子量在50万~1100万，水解度10%~45%范围内，水解度以30%左右时防塌性能为最佳；而分子量愈高，则防塌效果愈佳。

关于聚合物防塌的作用机理，可能有两方面的途径：(1)长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，防止泥页岩剥落；(2)聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁形成较为致密的吸附膜，可以阻止或减缓水进入泥页岩，因而对泥页岩水化膨胀表现出一定程度的抑制作用。如果复配一定的无机盐，由于提高了钻井液中K⁺、NH₄⁺、Na⁺等阳离子的浓度，也就削弱了泥页岩水化膨胀的趋势。当KCl浓度超过2%时，可以增大聚合物在页岩上的吸附量，这些都有利于增强聚合物的防塌作用。

1.4.3.3不分散低固相聚合物钻井液

不分散低固相泥浆由淡水、膨润土和高聚物组成，聚合物可以是聚丙烯酰胺及其衍生物，如80A系列、SK系列、PAC系列，也可以是两性离子聚合物如FA367等。

通过大量现场实践和深入研究，目前国内外钻井液界对不分散低固相钻井液的性能指标要求已经有了明确的认识，以下几项主要指标，基本上可以反映出这种钻井液的主要特性。

(1)固相含量(主要指低密度固体-膨润土和钻屑)，一般不超过5%(体积比)，大约相当于原浆密度小于1.06g/cm³。这是不分散低固相的核心目标，是提高钻速的关键。

(2)岩屑膨润土含量之比(以亚甲蓝法测定数值为准)，即D/B值，不超过2：1。虽然钻井液中的固相是越少越好，但是完全不要膨润土，则不能建立钻井液所必须的各种性能，特别是不能保证净化井眼所必需要的流变性能，以及保护井壁和减轻油层污染所必需的造壁性能。因此，必须有一定量的膨润土。其用量以保证建立上述各项钻井液所必需的性能为准，不能少于1%，1.3~1.5%比较合适。钻屑的量当然最好为零，在钻井过程中要做到钻屑绝对不分散，全部被清除，实际上并不现实。钻屑量不超过膨润土的2倍是实际上可以接受的范围。

(3)动切力(Pa)与塑性粘度(mPa.s)的比值为0.48。这是为了满足低返速(如0.6m/s)带砂的要求。保证钻井液在环空中实现平板型层流而规定的

(4)对非加重钻井液来说，动切力应维持在1.5~3Pa。动切力是钻井液携带岩屑的关键因素，为保证钻井液具有较强的携带能力，仅仅控制动塑比是不够的，首先必须满足动切力的要求才有意义。

(5)滤失控制应具体情况具体分析。在稳定地层，应适当放宽，以利提高钻速。在坍塌地层应当从严，进入油层后，为减轻污染应控制得尽量低些。

1.4.3.4两性复合离子聚合物钻井液

(1)主要处理剂及特点

在造浆井段，聚合物钻井液的粘切上升很快(常比分散钻井液快)，加入常规的降粘剂虽能有效地降低结构粘度，但其非结构粘度(特别是 )反而上升，同时使钻井液抑制钻屑分散的能力削弱，土粒分散变细，结果钻屑进一步造浆，导致粘切迅速上升，为了降低粘切，又被近追加降粘剂。体系不分散本质逐步丧失，自动转化为分散体系，流变参数优选成为空谈。

解决这个问题的关键，是研制一种新型聚合物钻井液降粘剂，它在降低结构粘度的同时，不但不增加 ，反而促使 下降，而且还能增强体系的抑制能力，使降粘和抑制性相统一，新型两性复合离子聚合物(降粘剂XY27和包被剂FA367)就具有这样的功能。

降粘剂XY-27的分子结构具有以下特点：分子量较小(<10000)；分子链中同时具有阳离子基团(10~40%)、阴离子基团(20~60%)和非离子基团(0~40%)；是线性两性复合离子聚合物。XY有如下特点：①抑制效果好，根据CST值、粒度分析、滚动回收率和页岩膨胀试验结果看，XY-27对泥岩石水化分散有一定抑制作用。②降粘效果突出，XY27分子中含有阳离子基团，能与粘土发生离子型吸附。尽管其吸附基团比例较小，但却能有效吸附于粘土表面。因此，这类处理剂有更好的降粘效果，同时兼有降滤失作用。。

表1-21将XY27与典型的分散钻井液稀释剂FCLS作了全面对比。XY27降粘切力较FCLS强，用量少而效能较高，可以同时大幅度地降低结构粘度和非结构粘度。特别是 很低，有利于流变参数优选，是一种比较理想的不分散钻井液稀释剂。

表1-21 XY27与FCLS降粘效果的对比

基浆：4%膨润土预水化浆+0.5%GDF+0.1%PAC141+25%N_1t岩粉(100目)；

A浆：基浆+0.1%XY27;B浆：基浆+0.3�LS+0.5%(1/5)NaOH

强包被剂FA367分子中也引入了阳离子基团，是具有线性的大分子聚合物，FA367作为主聚物，用来抑制岩屑分散和增加钻井液粘度。选择的主要标准是其抑制能力强。

从试验结果看，FA367的包被抑制能力比PAC141强，因而抗岩粉污染的能力也强；FA367和XY27复配能提高抗岩粉污染能力；两性复合离子型聚合物钻井液体系抗岩粉污染的能力较强，污染后也容易接受处理。 岩粉污染量超过20%时，钻井液性能明显变坏，因此钻进中必须高度重视净化工作。

(2)常用钻井液体系配方

①无固相钻井液 钻井液由清水+FA367 0.1~0.3%+CaCl₂0.1%或石灰0.3%组成。在现场按总用量配制0.1�367溶液，进入易塌井段前将FA367浓度提高至0.2~0.3%。

②低固相不分散体系 主要由FA367、XY27和JT41等组成，此配方具有密度低、防塌能力强、性能参数稳定以及适合于流变参数优选优控等特点。常用配方：6%预水化膨润土浆+FA3670.3%+XY27 0.4%+JT41 0.3%(或再加FT342)，其性能见表1-22。

表1-22低固相不分散钻井液体系的性能参数

注：下行数据为追加3%FT342后的测得结果。

③两性离子聚合物重泥浆

在四川川南地区和贵州赤水地区用FA367和XY27成功配制密度高达2.2g/cm³的聚合物重泥浆，并在重泥浆井段明显提高了机械钻速。其配方及性能见下表：

表1-23两性离子聚合物重泥浆的组成及性能

两性离子聚合物重泥浆中处理剂种类少，加量低，现场配制工艺简单，劳动强度低。但是有些处理剂不能一起配成混合剂，例如FA367、XY-27不能与石灰混在一起配制，    因此在现场配制中必须遵循一定的顺序进行。

1.4.3.5阳离子聚合物钻井液

阳离子聚合物，由于其分子中带有大量的正电荷，能够中和粘土表面的负电荷，降低粘土的水化和运移，从而有效地提高井眼稳定性。同时，大分子阳离子聚合物还能包被岩屑，防止其分散，从而抑制地层造浆。阳离子聚合物钻井液，是以高分子阳离子聚合物作为粘土包被抑制剂，小分子有机阳离子聚合物作为粘土稳定剂，再加增粘剂、降滤失剂、封堵剂等配制而成。

根据CST值、钻屑回收率、粘度分布、粘土矿物层间距和粘土颗粒的ξ电位，评价了小阳离子(NW-1)对粘土的稳定作用。实验数据表明由于小阳离子分子量较小，并带有正电荷，易吸附于粘土表面，并进入到粘土晶层间，取代可交换性阳离子而吸附于其中。而其吸附分子处的表面是含有碳氢基团的憎水性表面，有利于阻止水分子的进入，故能有效地抑制粘土的水化膨胀和分散。还因有机阳离子基团与粘土之间的静电吸附，其吸引力很强，不易被脱附，表现出比钾离子有更强的吸附作用。小阳离子极高的二次回收率，以及用小阳离子处理后粘土的MBC等于零。也证明其稳定的吸附作用和强的抑制性粘土水化膨胀和分散作用。使用小阳离子，不会影响钻井液的矿化度，因而不会影响测井解释。还由于吸附小阳离子的钻屑表面所具有的憎水性，因而不易粘附在亲水性的钻头、钻铤和钻杆表面，有利于防止泥包，可见小阳离子的确具有许多无机盐所没有的优点。

包被絮凝剂(大阳离子)
以季铵盐产品较多，稳定性强，不受pH值的影响，目前常用聚胺甲基丙烯酰胺(简称大阳离子)作为粘土包被抑制性，其结构为：

阳离子聚合物钻井液体系主要有如下两类：

(1)无粘土钻井液  该钻井液主要用于表层钻进，大阳离子用量0.3%，小阳离子用量0.5%，田菁粉0.6%，KCl 0.4%和其它添加剂。

(2)有粘土体系 沈阳地区10号平台是在一个平台上钻17口井的定向丛式井组。根据丛式井的地质和工程需要，在后7口井中使用了有粘土的阳离子聚合物钻井液。