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1、泥浆处理剂及其作用原理为了保证钻井泥浆的稳定性和调整泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻井要求，泥浆中使用着各种各样的化学处理剂(泥浆添加剂)。随着钻井工艺向高速优质、超深井、海洋和复杂地层发展，泥浆体系不断发展，泥浆处理剂的种类也在不断的增加和更新。目前，美国的泥浆处理剂已经超过3000种。按处理剂在泥浆中所起作用不同，可将泥浆处理剂分为以下十六类：(1)碱度和pH控制剂；(2)杀菌剂；(3)除钙剂；(4)腐蚀抑制剂；(5)消泡剂；(6)乳化剂；(7)降失水剂；(8)絮凝剂；(9)起泡剂；(10)堵漏材料；(11)润滑剂；(12)页岩稳定剂；(13)表面活性剂；(14)降粘剂和分散剂；(
2、15)增粘剂；(16)加重剂。按处理剂的化学组成，可将其分为无机处理剂、有机高分子处理剂和表面活性剂三大类。1.1无机处理剂1.1.1纯碱纯碱就是碳酸钠(Na2CO3)，又叫苏打。无水碳酸钠为白色粉末，密度2.5，水溶液呈碱性(pH值 约为11.5)，在空气中易结成硬块(晶体)，存放时要注意防潮。纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙质粘土变为钠质粘土：Ca-粘土Na2CO3Na-粘土CaCO3从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆的失水下降，粘度、切力增大。但过量的纯碱要产生压缩双电层的聚结作用，反而使失水增大。其合适加量要通过造浆实验来确定。此外，由于CaCO3的溶解度很小，
3、在钻水泥塞或泥浆受到钙侵时，加入适量纯碱使Ca沉淀成CaCO3，从而使泥浆性能变好。含羧基钠官能团(COONa)的有机处理剂因钙侵(或Ca+浓度过高)而降低其处理效果时，一般可以用加入适量纯碱的办法恢复其作用。1.1.2烧碱烧碱即氢氧化钠(NaOH)，是乳白色晶体，比重为22.2，易溶于水，溶解时放热，溶解度随温度升高而增大，水溶液呈强碱性(pH值为14)，能腐蚀皮肤和衣服。烧碱是强碱，用于控制泥浆的pH值，与丹宁、褐煤等酸性处理剂配制成碱液，使其有效成分溶解，还可控制Ca+浓度，因为1.1.3石灰生石灰是CaO，吸水后变成熟石灰Ca(OH)2，在水中的溶解度不大(常温下约为0.16%)且随温
4、度升高而降低。石灰可提供Ca+，控制粘土的水化分散能力使之保持适度的粗分散，配合降粘剂和降失水剂进行钙化处理，可得性能比较稳定、对可溶盐侵污不敏感、对泥页岩防塌性能较好的钙处理泥浆。但石灰泥浆在高温情况下可能产生固化，因此超深井慎用。石灰还可配制石灰乳堵漏剂封堵漏层。1.1.4石膏石膏(CaSO4)有生石膏和熟石膏两种。熟石膏是白色粉未，比重2.5，常温下溶解度较小(约为0.2%)，40以前，溶解度随温度增高而增大，40以后，溶解度随温度增高而降低，其溶解度大于石灰。吸湿后结成硬块，存放时应注意防潮。在处理泥浆上，石膏与石灰的作用大致相同，都是钙处理的原材料，其差别在于阴离子的影响不同，石膏提
5、供的钙离子浓度比石灰高一些，石膏处理会引起泥浆pH值降低。1.1.5氯化钙氯化钙(CaCl2)能大量溶于水中(常温下约为75%)且其溶解度随温度增高而增大，它比石灰、石膏的溶解度大得多，故可用来配制防塌性能较好的高钙泥浆。由于，用CaCl2处理时常常引起泥浆pH值降低，同时CaCl2泥浆的pH值不宜过高，才能保证较高的Ca+浓度。1.1.6食盐食盐(NaCl)为白色晶体，常温密度约为2.17g/cm3。纯品不潮解，含MgCl2、CaCl2、等杂质的食盐容易吸潮。在水中的溶解度较大(20时为36.0克/100克水)，且其溶解度随温度增高略有增大(80时为38.4克/100克水)。食盐主要用来配制
6、盐水泥浆和饱和盐水泥浆，以防岩盐井段溶解成“大肚子”。还可用来提高泥浆的矿化度，抑制井壁泥岩水化膨胀或坍塌。有时用于提高泥浆的切力和粘度。1.1.7水玻璃水玻璃一般为粘稠的半透明液体，随所含杂质不同可以呈无色，棕黄色或青绿色等，井场采用的水玻璃比重约为1.51.6，pH为11.512，能溶于水和碱性溶液，能与盐水混溶，可用饱和盐水调节水玻璃的粘度。水玻璃的化学式常用Na2SiO3表示，但实际结构常以Si-O-Si键连成低聚合度的聚合物，故用Na2OXSiO2表示水玻璃的组成较好。水玻璃加入泥浆，可以部分水解生成胶态沉淀：可使部分粘土颗粒(或粉砂等)聚沉，从而保持较低的固相含量和比重。此外，水玻
7、璃泥浆对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，故有较好的防塌性能。当水玻璃溶液的pH降至9以下时，整个溶液会变成不流动的凝胶。这是由于水玻璃发生缩合作用生成较长的带支链的-Si-O-Si-链，这种长链能形成网状结构而包住溶液中全部水。从调匀pH到胶凝所需的时间，随pH而有很大的变化(可以从几秒到几十小时)，利用这个特点，可以将混入水玻璃的泥浆打入预定井段进行胶凝堵漏。1.1.8重铬酸钠重铬酸钠(Na2Cr2O72H2O)又叫红矾钠，红色针状晶体，常温比重约为2.35，易潮解，有强氧化性，易溶于水(25时溶解度为190克/100克水)，水溶液因水解作用呈现酸性：加碱时平衡右移，故在碱溶液中主要以形式
8、存在。在泥浆中能与有机处理剂起复杂的氧化还原反应，生成的又能与多官能团的有机处理剂形成络合物(如木质素磺酸铬，铬腐植酸)，少量铬酸盐能提高铁铬盐泥浆和煤碱剂泥浆的热稳定性，有时也用作防腐剂。1.1.9六偏磷酸钠六偏磷酸钠(NaPO3)6为无色玻璃状固体，常温比重约为2.5，有较强的吸湿性，潮解后会逐渐变质，能溶于水，在温水中溶解较快，溶解度随温度增高而增大，水溶液呈弱酸性(pH6.06.8)。六偏磷酸钠主要用作粘土泥浆的分散剂。1.1.10碱式碳酸锌碱式碳酸锌Zn2(OH)2CO3能与H2S反应生成稳定的不溶性ZnS，加入泥浆中后不会影响泥浆性能，且能有效地消除H2S的污染和腐蚀，是较好的H2
9、S清除剂。此外，石墨粉可用来改善泥浆的润滑性；石棉粉可用于提高清水钻进的带砂能力，磷酸氢二铵(NH4)2HPO4可用作盐水泥浆的腐蚀抑制剂；亚硫酸钠可用作低pH值泥浆的除氧剂，减少或消除泥浆中溶解的氧对金属管材的腐蚀；胶态氧化镁或氢氧化镁可用来代替粘上配制无粘上钻井液，因其比重低，热稳定性好，用它配制的无粘土钻井液可以提高钻速，也适用于超深井。总括起来，无机处理剂的作用原理主要有以下三个方面：(1)离子交换吸附。主要是粘土颗粒表面的交换。这一过程在改善粘土的造浆性能，泥浆的钙侵及其处理，钙处理泥浆以及防塌等方面都很重要，对泥浆性能的影响也较大。(2)通过沉淀、中和、水解、络合等化学反应，除去有
10、害离子，控制pH值，使有机处理剂变成能起作用的溶解态，形成螫合物等。(3)压缩双电层的聚结作用。这在盐水泥浆、盐侵及其处理中较重要，还可用来使泥浆保持适度粗分散调整泥浆的流动性能。1.2有机降粘剂1.2.1丹宁丹宁又称鞣质，广泛存在于植物的根、茎、皮、叶、果壳或果实它中，是一大类多元酚的衍生物，由各种植物得来的丹宁，其化学组成颇不一致。根据化学结构可将丹宁分为两类：(1)水解类丹宁：具有酯键或配糖键，在酸和酶的作用下容易水解产生没食子酸、双棓酸、鞣花酸(俗称黄粉)。例如，粟木、橡椀、五棓子、漆叶等所含的丹宁；(2)缩合类丹宁：所有芳香核以碳键相连，在强酸和强氧化剂作用下分子间可以缩合，甚至产生
11、红色沉淀(红粉)。例如，坚木(或百雀木)、荆树皮、拷树皮、几茶等所含的丹宁。国内常用五棓子丹宁，属水解类，分子式为C76H52O46、分子量为1701，是五个双没食子酸与葡萄糖的缩合物，故又称为五双没食子酸葡萄糖。丹宁可溶于水，呈弱酸性，加强酸使pH5时，丹宁酸即沉淀析出。与NaOH作用生成的丹宁酸钠水溶性更大，用作泥浆处理剂时，都配或2:l或6:4或1:1的丹宁碱液。丹宁酸钠(代号NaT)抗盐析的能力较差，泥浆遇大量可溶盐侵时，丹宁会显著减效。五棓子丹宁可在NaOH溶液中水解生成双没食子酸钠和没食子酸钠。温度愈高水解愈烈，水解产物虽有稀释作用，但由于分子量大大降低，其处理效果(特别是抗盐性)
12、也降低。丹宁在泥浆中的稀释作用机理如下：大家知道，泥浆稠化的主要原因是片状粘土颗粒之间通过端-面和端-端粘结形成空间网架结构。而丹宁酸钠则可通过配价键吸附在粘土颗粒断键边缘的A1离子处，同时剩余的ONa基及COONa基的水化，又能给土粒边缘带来负电荷和水化膜，大大削弱了粘土颗粒间的端面和端端粘结，从而大大削弱或拆散泥浆中的空间网架结构，致使泥浆的粘、切显著降低。1.2.2栲胶碱液(代号NaK)栲胶系由橡椀或红柳皮或落叶松树皮等含丹宁的植物加工制成，含丹宁4870%，依栲胶的级别而异。配制栲胶碱液，栲胶与烧碱的比例为1:1、2:1、3:1和4:1，浓度为1/10或1/5。栲胶碱液中起稀释作用的成
13、分仍是丹宁酸钠，其作用原理同前，差别在于栲胶中含糖类较多，故温度高时易发酵，引起泥浆发泡和性能变坏，一般仅用于浅井和中深井。1.2.3磺甲基丹宁(SMT)磺甲基丹宁可在碱性条件下(pH=910)用丹宁酸与甲醛和亚硫酸氢钠进行磺甲基化反应制得。进一步用Na2Cr2O7进行氧化和螯合所得的磺甲基丹宁铬螯合物，处理效果更好。磺甲基丹宁铬是广泛使用的钻井液降粘剂，其主要特点是热稳定性高，在1802000C的高温下能有效控制淡水泥浆的粘度。适用于高温深井。与磺甲基丹宁相类似的是磺甲基栲胶(SMK)。1.2.4铁铬木质素磺酸盐(FCLS)铁铬木质素磺酸盐简称铁铬盐，其代号为FCLS，是由木质素磺酸钙(亚硫
14、酸纸浆废液的主要成分)与重铬酸钾和硫酸亚铁在一定条件下反应制得，其成品为棕黑色粉末，易溶于水，呈弱酸性，大量加入泥浆时应配合烧碱。铁铬盐是一种抗盐、抗钙和抗温能力强的有效降粘剂，能用于淡水、海水和饱和盐水泥浆、各种钙处理泥浆和超深井泥浆。其降粘作用主要是：吸附在粘上颗粒的断键边缘上给端表面带来负电荷和水化膜，从而削弱粘土颗粒间的端面和端端粘结，削弱或拆散空间网架结构，致使泥浆粘、切显著降低。此外，铁铬盐在泥、页岩上的吸附有抑制其水化膨胀和分散的作用，防止泥页岩造浆引起的泥浆粘、切上升，也可抑制泥浆中粘土颗粒的进一步细分散引起的粘、切上升。室内试验和现场使用经验指出：(1)FCLS在130以上发
15、生减效现象时，可加入少量的K2Cr2O7或重铬酸钠恢复其降粘作用，其热稳定性可提高到177，温度超过177铁铬盐产生不可逆降解，还可能产生硫化物脆化腐蚀；(2)pH值在911之间效果最好；(3)铁铬盐泥浆的泥饼摩擦系数较高，深井中使用时要注意混油和添加有效的润滑剂；(4)使用时如果产生泡沫，可加少量硬脂酸铝、甘油聚醚等消除。1.2.5CPD(又名TSD)CPD抗高温、抗电解质的解絮凝剂(降粘剂)，其分子式为：其分子量为1005000。CPD产品为50%浓度的水溶液，抗温极限260，它所处理的泥浆在232仍保持良好流变性；抗钙能力强，当Ca2+达1800ppm时，它所处理的泥浆仍有良好流动性。该
16、处理剂对不同浓度NaCl的褐煤铁铬盐井浆有较好的降粘效果，无分散作用，能很好稳定井壁，控制高温静置老化增稠效果好。该处理剂在美国的路易斯安那近海、木比耳海湾、加里福尼亚等地区的海水泥浆中已广泛应用，使用最高井温204。1.2.6TSPDTSPD是一种抗高温(234)聚合物反絮凝剂。表1-3列入用它处理严重水泥侵的泥浆，性能良好，其最佳加量为4.275kg/m3。1.2.7黑色素衍生物(DMP)DMP是一种天然有机聚合物抗高温(204)降粘剂剂，处理受大量二价阳离子污染的泥浆仍有效。范氏稠度仪测试表明，基浆121开始快速絮凝，177热胶凝。经DMP处理后，常温至149稠度稍降，149177稠度不变，232下泥浆稠度仅为
