钻井液完井液化学

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1、第五章、钻井液原材料和处理剂本章要求掌握主要内容：1. 钻井液处理剂的分类。2. 降粘剂、降失水剂、絮凝剂的作用原理。3. 常见降粘剂、降失水剂、絮凝剂、加重剂。4. 降粘剂、降失水剂、絮凝剂的选择方法。钻井液处理剂-调配、 维护和恢复钻井液工艺性能的添加剂 。 发展概况： 五十年代仅几种：纯碱、烧碱、褐 煤、栲胶等。 现有几百种商品牌号，分十六大类 ，国内产值超过二十亿，有大量专业公司、 厂家。 发展方向：抗温、抗盐 钙、无毒、多功能、可生物降解。第一节、钻井液处理剂的分类按照处理剂组成分类:钻井液原材料 无机处理剂 有机处理剂 表面活性剂 2. 有机处理剂按来源分类:天然产品 天然改性产品

2、 人工合成产品 有机处理剂按化学组成分 类:腐植酸类、纤维素类、木质 素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类、聚合物类等4. 按照处理剂的功能分类(我国钻井液标委会分类)降粘剂 Thinner 增粘剂 Viscosifier降失水剂 Filtration Reducer 絮凝剂 Flocculant加重剂 Weighting Agent 解卡 剂 Pipe-Freeing Agent堵漏剂 Lost Circulation Material 乳化剂 Emulsifier消泡剂 Defoamer 润滑剂 Lubricant缓蚀剂 Corrosion Inhibitor 页岩抑制剂 Shale Inhib

3、itor 粘土类 Clay 杀菌剂 Bactericide起泡剂 Foaming Agent 其它类 Others处理剂作用机理研究 内容和方法提出功能要求 处理剂分子结构分析与设 计 处理剂在粘土颗粒上的吸 附规律研究 所处理的钻井液性能的变 化 处理剂抗温、抗盐钙能力 评价，毒性、生物降解性测试。 方法：分子量、基团及结 构的化学和仪器分析、钻井液性能测试等 。第二节 无机处理剂常用产品 纯碱 烧碱 石灰 石膏 氯化钙 氯化钠 氯化钾 硅酸钠及硅酸钾 重铬酸钾和重铬酸钠 六偏磷酸钠 混合金属层状氢氧化物无机处理剂作用原理离子交换吸附 调控钻井液的pH值沉淀作用 络合作用 与有机处理剂生成可

4、溶性 盐 抑制溶解的作用加重剂 用于提高钻井液密度的物质材料。要求：密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。常见固体加重材料的物化 性质材料名称 化学成分 密度 g/cm3 硬度 酸溶性重晶石 BaSO4 4.0 4.5 2.5 3.5 难溶铁矿粉 Fe2O3 4.9 5.3 5.5 6.5 溶方铅矿 PbS 7.4 7.7 2.5 2.7 溶菱铁矿 FeCO3 3.7 3.9 3.5 4.0 溶钛铁矿 TiO2Fe2O3 4.5 5.1 5.0 6.0 溶石灰石粉 CaCO3 2.7 2.9 3 溶磁铁矿 Fe3O4 5.0 5.2 5.5 6.5 溶提高液相密度的加重材料可溶性无机盐及有机盐NaC

5、LKCLCaCL2CaBr2ZnBr2KCOOHNaCOOHCsCOOHKAc等第三节、钻井液处理剂的作用原理一、降粘剂（又称解絮凝剂 、 稀释剂）1.钻井液稠化原因由于粘土颗粒表面与端面性质不同：带电情况不同 表面带负电，端面带正电。水化程度不同 表面水化膜厚，端面水化膜薄。Al +Si +钻井液稠化原因：当钻井液中固相含量高和外 界污染改变粘土表面性质时，极易形成：端-端、 端 面联结的空间片架结构，从而造成： 钻井液结构粘度增加； 片架结构包住大量自由水 ，流动阻力增加。2. 降粘剂作用机理降粘剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散片架结构，从而降低钻

6、井液结构粘度。具体方法为： （1） 使端面反号由带正电性端面转变为负电性端面 。即：正负相吸 负负相斥+- - - - - - -（2） 增强端面水化膜厚度 吸附基吸附在粘土颗粒端面上， 水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱端-端、端 -面连接，拆散了片架结构，同时放出自由水，使粘度降低。降粘剂作用特点 主要作用于端面 用量少、效果显著（因为端面少）。 降失水与降粘作用有时相一致，有时不同。 主要降低 0、 c、，不降 s。3. 常见降粘剂单宁酸钠（NaT） 磺甲基单宁（SMT） 铁铬木质素磺酸盐 (FCLS)两性离子聚合物降粘剂（XY -27）SSMA(磺化聚苯乙烯顺丁烯二酸酐钠盐） 铁铬木质

7、素磺酸盐 (FCLS)的使用 通常配制成碱液使用。 FCLS碱液的配制FCLS : NaOH = 3 5 :1（FCLS + NaOH）/（FCLS + NaOH）混合碱液 = 1/5或1/10例题40ml FCLS碱液（3：1， 1/5）中，含固体FCLS多少克？NaOH多少克？解：FCLS+NaOH总重为：1/5 40 = 8 (g)FCLS重量为： 3/(1+3) 8 = 6(g)NaOH重量为：1/(1+3) = 2 (g)答：含FCLS重量为 6 g， NaOH重量为 2 g。4. 降粘剂选择方法仪 器: 漏斗粘度计、旋转粘度计。评价指标： s 、 0 、漏 、 方 法：钻井液 +

8、降粘剂（%） 测定性能评价标准： s 、 0 漏 、 二、降失水剂分析：降失水途径：提高泥饼质量（ 降低K）增加滤液粘度降低压差改变固相含量、级配和表面性质等要求： 胶体粒子浓度充足 保持体系聚结稳定性 有一定量的桥塞粒子 （护胶） 泥饼形成过程钻井液流动 桥塞粒子 在孔喉 架桥的粒子填充粒子 在桥塞 粒子间隙填充的粒子降失水剂作用机理1. 水化膜护胶 降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳定性的作用 。机理：水化膜增厚， 聚结阻力 增大， 胶粒稳定性增强 ， Vf 降低。特点： 分子量较低、水溶性好。 用量较大（表面）。2. 静电稳定 降失水剂吸附在粘土表面 上，增加表面电荷

9、以降低颗粒之间吸引力的作用 。结果：负电荷增加， 电势增 加， 胶粒稳定性增强，失 水降低。3. 高分子保护敏化作用 高分子保护1 高分子保护2大分子浓度低时， 吸附粘土粒子的高 分子 许多高分子吸附不足以形成混合网 链之间形成网架结 构, 在胶粒表面，形成架结构，颗粒失去 粒子被隔离开不易 包蔽层，阻止胶粒重力稳定性。 聚结，保证体系中 聚结。胶粒含量。4. 几种常见的降失水剂钠羧甲基纤维素（Na - CMC）煤碱剂（NaC） 磺甲基褐煤(SMC) 磺甲基酚醛树脂（SMP）磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩 合物（SLSP）水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐(Na-、NH4-、Ca-HPAN ) 褐煤与树脂共

10、聚产品（如PSC SPNH ） 淀粉类煤碱剂（NaC）的使用 通常配制成碱液使用。 主要成分：腐植酸钠 （利用NaOH提取出来）。 NaC碱液的配制褐煤：烧碱：煤碱液（水） = 10 15 ：2 ：50 100例题：欲配制15：1：100的煤碱液2米3，问需要褐煤和烧碱各多少吨？解： 褐煤：烧碱：煤碱液（体积）=15：1：100 褐煤量 = 2 15/100 = 0.3 (t)烧碱量 = 2 1/100 =0.02 （t）答：需要褐煤 0.3 t，烧碱0.02t。5. 降失水剂选择方法仪 器: API静失水仪、HTHP静失水仪。评价性能：静失水量、泥饼厚度。方 法：钻井液 + 降失水剂（%）

11、测定性能评价标准： API静失水 d2 d31 2 3分散 聚结 沉降 (E-E) (F-F)(E-F)钙污染处理处理原则：除钙、护胶、拆结构。 除钙：加纯碱。CO3-+Ca+ CaCO3 护胶：加降失水剂（NaC、CMC） 拆结构：加入稀释剂（NaT、FCLS）水泥侵的处理特点：PH 增加，失水增大，粘切先升后降。 处理： 加低碱比的护胶混合液NaC : NaOH : NaT : Na2CO3 : H2O5 : 12 : 1 : 2 : 50 清水钻水泥塞，钻完放掉。石膏侵的处理 特点：PH 降低，失水增大 ，粘切先升后降。 处理： 对于薄层石膏层 纯碱 + 烧碱 （除钙）（提pH） 对于大

12、段石膏层 使用高碱比的混合液 预处理 预先配成钙处理钻井液， 抑制石膏溶解。盐污染及其处理 污染曲线VfNaCL g/100ml失水粘度3污染规律随NaCL增加：pH 降低、 Vf 增大 、先升后降。 3%为分界线 3%前，Vf增加小，升高 3%后，Vf 增加多， 降低。 盐侵污处理原则：抗盐、护胶、拆结构、换土。抗盐、护胶：加入抗盐能力强的有机护胶剂。如：CMC拆 结 构：加入抗盐稀释剂。如：FCLS换 土：换抗盐土。如：海泡石、凹 凸棒石。（二）钻井液性能调节 提、降密度 提、降粘度 提、降切力 降低失水 提高泥饼质量 提、降pH值1. 定体积低密度钻井液加 重时所需加重材料W加重剂 =

13、W重泥浆 - W轻泥浆V重泥浆 = V轻泥浆 + V加重剂 ( W加重剂 / 加重剂） 由上式得：式中， 加重剂 加重 材料密度；重泥浆 加重后 钻井液密度；轻泥浆 加重前 钻井液密度；V轻泥浆 加重 前钻井液体积。例题某井打开油层前共有 钻井液450米3，其密度为1.20g/cm3,现根据 地层压力须加重到1.40g/cm3，问需用重晶 石（密度4.00）多少？解：2. 配制定体积高密度钻 井液所需加重材料式中，V重泥浆 欲配高 密度钻井液体积。例题：有密度为1.20的钻井液 ，欲配成密度为1.60的钻井液150米3，需 用重晶石（密度4.00g/cm3）多少？解：答：需用重晶石85.7吨。3. 降低钻井液密度所需的加水量计算公式：式中，V水 所需加水 量；V重泥浆 原重泥 浆体积；重泥浆 原重泥 浆密度；稀释浆 稀释后 泥浆密度；例题有300米3密度为1.35的 钻井液，欲加淡水降低密度到1.15g/cm3，需加水多少？解：答：需加水400米3。水基分散型钻井液的优缺点本质：尽量提高粘土粒子的分散度来建立钻井液的性能。方法： 分散介质