钻井化学

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1、钻井液化学l 钻井液是指在旋转钻井工程中用作洗 井的流体的总称，原称钻井泥浆 。 l钻井液是由不同液体、固体以及化学 处理剂混合而成的多相分散体系。 l钻井液化学主要研究钻井液的组成、 性能、及其控制与调整，目的在于实现 优质、快速、安全、经济地钻井。l钻井液性能的好坏直接关系到钻井的成败， 人们常以钻井液是钻井的血液来比喻其重要 性。充分显示了泥浆在钻井工作中的重要性 。有条件要上，没有条件 创造条件也要上!第一节 钻井液 一、钻井液的功能v 携带和悬浮钻屑泥浆的一个基本功用，就是要把钻 头破碎的岩屑从井底带出井眼。当接钻 杆换钻头或临时停止循环时，泥浆又把 井眼内的钻屑悬浮住，不致很快下沉

2、， 防止沉砂卡钻的危险。 稳定井壁 井壁稳定、井眼规则是优质快速钻井 也是调制泥浆的基本立足点。泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形 成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。泥浆的组成必须对钻遇的泥页岩的水 化膨胀和分散具有较强的抑制作用。v 冷却和冲洗钻头、润滑钻头钻井过程中，钻头、钻柱与地层摩 擦产生大量的热，必须用循环的钻井液 带至地面散发掉，从而起到冷却钻头和 钻杆的作用。v 平衡地层压力调节钻井液密度建立与地层压力相 适应的液柱压力p=gh，防止发生井喷 、井长、井漏的井下复杂问题。 井口防喷器组合 井口安装 2003年12月23日22时15分，重庆开县高 桥镇小阳村黄泥垭口附近，正在施工的中国 石

3、油西南油气田分公司川东北气矿罗家16H 矿井发生井喷事故。混有剧毒硫化氢毒气的 天然气顿时冲天而起，冲高30米左右，并迅 速向高桥镇、正坝镇、麻柳镇等附近乡镇蔓 延。截至25日18时40分，事故已造成191人 死亡、数百人不同程度受伤。事故发生后， 重庆市委、市政府，开县各部门展开了紧急 抢救，10万群众被连夜紧急疏散 。家住高桥镇的周永祥告诉记者，23 日晚10时20分左右，他正在家里看电视 ，忽然闻到一股刺鼻的煤气味道，他还 以为是家里的煤气罐泄漏，就跑到厨房 去检查，没发现什么问题。后来，味道 越来越浓，他预感不妙，赶紧到街上看 情况。结果让他大吃一惊：街上几个八 九岁的小孩走路都走不稳

4、了，“歪歪倒 倒，像喝醉了酒一样”！ 二、钻井液的组成和分类1、钻井液的组成 l固体（如粘土）l液体（如水、油）l化学处理剂（如丹宁）混合而成的多相分 散体系胶体悬浮体。 2、钻井液的分类 l 水基钻井液连续相是水，水可以是淡水、海水 、硬水、软水等，内相包括固体、液体 和气体。l油基钻井液 连续相是油，内相是水，水含量5-50% ，含水10%以上的称为油包水乳化泥浆，低 于10%的称为油基泥浆。 特点是：对油层损害小，抗可溶性盐浸的能力强（1）油包水泥浆 以柴油或原油作分散介质，水及有 机膨润土或其它的亲油粉末物质作分散 相，加乳化剂等处理剂配制而成。特点是：热稳定性高，有较好的防塌、 润滑

5、效果，对油气层的损害小，常用于超深 井的高温地段，钻进易塌地段。（2）油基泥浆 由柴油或原油和氧化沥青或有机膨润土 及有关处理剂配成。 大部分地区使用水基钻井液。油基钻井 液由于成本高一般用于钻高温、复杂的水敏 地层，钻大斜度的定向井和水平井，或者水 基钻井液会使油层严重破坏的地层。第二节 钻井液性能要求与调整 一、钻井液密度 l作用主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地 层压力，防止发生井喷、井塌。 p=gh 式中g=9.8N/kg, h的单位是m , 的单位是 kg/m3。压强的单位是帕斯卡,即牛顿平方米。 l调整提高密度采用合格的加重剂如石灰石、重晶石 ；降低密度可采用加水稀释，或是气

6、体或加稀的 处理剂。 二、钻井液的固含量 （一）定义泥浆中所含固相物质的多少称为泥 浆的固相含量，一般用体积百分数来表 示。 （二）分类根据钻井液中固体的性质可将其分 为活性固体和惰性固体两类： l 活性固体这些固体在水中水化分散，它们的物理 化学性质受水中离子和钻井液处理剂的影响 ，如粘土。活性固体受化学剂处理以后 可以控制钻井液的性质。 l 惰性固体这些固体不溶于水，它在水中也不水化 分散，如重晶石、石灰石等。 （三）钻井液固含量对钻速的影 响 l 水是钻速最快的液体，当水中加入 固体物质以后将导致钻速下降。固含量 越高，钻井速度越慢。 l 空气和天然气是钻速最快的流体。 l 固相含量是影

7、响钻速最主要的因素 ，因而现代钻井工艺中特别强调控制固 相含量。三、钻井液的酸碱度一般钻井液的PH值控制在8.511.5之 间。一些钻井液的最佳控制是基于PH 值。四、可溶性盐类含量 v 总矿化度：是指钻井液中水溶性无 机盐的总浓度v 含盐量：指钻井液中NaCl的含量 v 含钙量：指钻井液中游离的Ca2+含量v 游离石灰含量：指在钻井液中未溶 解Ca(OH)2的含量 五、钻井液的滤失性和造壁性 1、滤失性 在钻井过程中，在液柱压力与地层压力差以及 浓度的作用下，钻井液的水向地层渗透的现象。 2、造壁性 钻井液在滤失水的同时，其中固体颗粒在井壁 上形成一层滤饼，称为造壁性。3、滤失量 钻井液在一

8、定的压差下和温度下， 通过45.80.6cm2过滤面积的滤纸，经过 30min后滤液的数量称为滤失量，单位 是（ml）。4、滤失量大造成的危害v泥浆的失水量过大造成滤饼过厚进而 下钻遇阻，甚至遇卡；妨碍套管的顺利 下入。v水敏性泥页岩的垮塌；v损害油、气产层；5、滤饼的质量 好的泥浆的滤饼一定要薄、致密、韧性 好能经受泥浆流循环时的冲刷，滤失量低 。 6、影响钻井液滤失量和滤饼质量的因素 经数学推导和物理模型简化，钻井泥浆 的滤失量可用达西公式表示：A：滤饼面积（cm2）； K：滤饼的渗透率（达西）； ：钻井液滤液粘度（厘泊）； P：压差（Pa）；T：时间（s）； Cc：滤饼中固相的体积分数；

9、 Cm：钻井液中固相体积分数；v其中 固相含量系数 、K主要由钻 井液固相含量、固相类型、颗粒分布以及 水化分散程度有关，具体来讲：v钻井液中优质活性固体膨润土含量增 加一般滤失量下降。然而钻井液中固相含 量增加会使钻井液粘度升高，为了使钻井 液有好的流动性，不采用提高钻井液固相 含量的方法来降低滤失量。v降滤失剂如CMC、磺甲基褐煤、酚醛树 酯等能堵塞滤饼的孔，降低K。六、钻井液体系简介1、自然钻井液体系（19041921）开始于1904年1921年间，使用清 水钻井，不加任何处理剂。使用时经常 出现复杂井下问题。2、细分散钻井液体系（1921） l又称Na基泥浆，特点是粘土颗粒高度分散 。

10、在本阶段中，人为地加入粘土来配制钻井 液，并加入一些化学分散剂如纯碱、烧碱、 丹宁等，使粘土充分分散，大大改善了钻井 液性能。随着井的加深，井温的升高，此种钻井 液对地层的盐类和粘土特别敏感，性能不稳 定，粘度和切力变化比较大。3、粗分散钻井液 （1946）l其特点是采用了多种无机盐作粘土分 散抑制剂如CaCl2等，配合以耐盐的稀 释剂、降滤失剂而配制成粗分散体系， 从而大大提高了其耐温和抗各种侵污能 力。l有粗分散的钙处理泥浆、饱和盐水泥 浆 。4、不分散低固相聚合物钻井液体系（1966）其特点是使用了有选择 性絮凝剂，如聚丙烯酰胺、醋酸乙烯酯 与顺丁烯二酸酐的共聚物。它们可以对 岩屑起包被

11、作用，控制分散。配制时保 持低固相含量（小于4%），因而大大 提高了钻速。概括来讲，泥浆类型从细分散的钠 基泥浆发展到粗分散的钙处理泥浆、盐 水泥浆；从水基泥浆发展到油基泥浆、油包 水乳化泥浆；从无机处理剂、一般有机处理剂发 展到高分子化合物和表面活性剂。第三节 粘土v 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝 酸盐）组成，呈颗粒状，其颗粒大多数 小于2m。v 它在水中具有水化性、分散性、带 电性、离子交换性。这些性能对于处理 与配制钻井液都具有重要作用，是主要 的配浆用原料。一、粘土矿物的结构 （一）硅氧四面体与硅氧四面体晶片 其最基本的结构单元是SiO4四面体，多 个SiO4四面体通过共用顶角上的一

12、个、二个 或三个、四个氧原子连成链状、环状、片状 或三维网状结构。在空间重复形成硅氧四面 体晶片。硅氧四面体的六方网格结构 内切圆直径0.288nm,硅氧四面体片的厚度0.5nm（二）铝氧八面体与铝氧八面体晶片 铝氧八面体的六个顶点为氧或氢氧原子 团，Al3+置于八面体的中央。铝氧八面体铝氧八面体晶片这个单个的铝氧八面体通过共用顶角的原子或者原子团 在空间重复形成晶片。 （三） 晶层的结构硅氧四面体晶片与铝氧八面体晶片 通过共价键以适当的方法结合，构成晶 层。1：1型晶层 由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体 晶片构成。硅氧四面体晶片铝 氧八面体 晶片高岭石的晶体结构 （1：1层型，层间距0

13、.72nm）分子间力常见的粘土矿物-高岭石 （最早发现于中国景德镇高岭林而得名）v 2：1型晶层由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。蒙脱石的晶体结构（2：1层型）可交换阳离子 nH2O结晶水常见的粘土矿物-蒙脱石v单元晶层面与面堆积在一起形成晶体v一个单元晶层到相邻的单元晶层之间 的垂直距离称为晶层间距； v层间物：层间水、层间阳离子；v晶层与晶层之间主要靠分子间力堆积 在一起 。(四）晶格取代在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。如Si 4+被Al 3+取代如伊利石；Al 3+为Fe 2+ 、Mg 2+ 取代如蒙脱石（一）粘土的带电性 1、永久性电

14、荷永久性电荷是由于粘土在自然界形成时 发生晶格取代作用产生的 。晶格取代是粘 土带电荷的主要来源。v 粘土颗粒通常带有负电荷。v 特点是电荷量不受PH值、介质的影响！ 二、粘土的性质2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的PH值改变而改 变。 铝氧八面体中Al-OH是两性的：v 在碱性介质中电出H+，使粘土带负电荷 ；v 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带 正电荷；v 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带 负电荷。3、可变性（端面 ）正电荷v粘土晶层在外力作用下发生断裂，则 在断裂的边缘处可能带负电，可能带正 电荷。v在酸性介质中则电离出OH-，使 粘土带正电荷；4、净电荷数v 粘土的正

15、电荷与负电荷的代数和称 为粘土晶体颗粒的净电荷数。v粘土的负电荷数一般多于正电荷，所 以粘土颗粒总起来讲是带负电荷。（二）粘土的可交换阳离子及阳离子 交换容量 1、可交换阳离子 为了保持粘土的电中性，粘土必然从 分散介质中吸附等电量的阳离子。这些 阳离子可以被分散介质中的其它阳离子 所交换，因而称粘土的交换性阳离子。 2、阳离子交换容量 粘土的阳离子交换容量是指分散介质 PH为7的情况下，粘土所能交换下的阳 离子总量，记为CEC（cation exchange capacity），单位是mmol/kg。u 它反映了粘土晶体的晶格取代度。3、粘土矿物阳离子交换容量粘土带电量通常用CEC表示， C

16、EC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。矿矿物名称带电带电 原因 （主）电电荷分布CEC mmol/100g土高岭石解离边缘边缘3-15蒙脱石晶格取代Al-O八面体70-130伊利石晶格取代Si-O四面体20-40（三）粘土-水界面的离子交换吸 附 1、离子交换吸附：v 就是一种离子被吸附的同时从吸 附剂表面顶替出等电量的带相同电 荷的另一种离子的过程。 例如泥浆中2Na+ 与 Ca 2+的交换吸附 ；饱含盐水泥浆PH下降，Na+ 与 H+的 交换吸附。2、离子交换吸附的特点 v同性离子交换吸附 阳离子 阳离子v等电量交换吸附 2Na+ Ca 2+v离子交换吸附是可逆的 3、离子交换吸附强弱的规律 v溶液中浓度相差不大时，离子价数越 高，与粘土表面的吸附能力越强，也越 难从粘土表面上被交换下来，所以 Ca2+ 的吸附能力比Na+ 强。 vH+水化半径小。H+与水形成H3O+，它 们在粘土中表面的吸附特别强。这也是 泥浆性能的研究中格外重视PH值