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1、1,配浆材料与处理剂,钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分，例如膨润土、水、油和重晶石等。 处理剂是用于改善和稳定钻井液性能而加入的化学添加剂。 处理剂是钻井液的核心组分，很少的加量就会对钻井液性能产生很大影响。 配浆原材料与处理剂之间无严格的界限。,2,钻井液处理剂的分类,第一类分类方法（按组成）： 通常分为钻井液原材料、无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四大类。 无机处理剂可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混层金属氢氧化物（正电胶类）等。 有机处理剂分为天然产品、天然改性产品和有机合成化合物。按其化学组分又可分为下列几类：腐植酸类、纤维素类、木质素类、
2、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。,3,钻井液处理剂的分类,第二类分类方法（按功用）： 我国钻井液标准化委员会将配浆材料和处理剂共分为以下16类： （1）降滤失剂（Filtration Reducer）； （2）增粘剂（Viscosifier）； （3）乳化剂（Emulsifier）使油水乳化产生乳状液； （4）页岩抑制剂（Shale Inhibitor）； （5）堵漏剂（Lost circulation materials）； （6）降粘剂（Thinner）； （7）缓蚀剂（Corrosion Inhibitor）； （8）粘土类（Clay）；（9）润滑剂； （10）加重剂（Weight
3、ing Agent）； （11）杀菌剂（Bactericide）； （12）消泡剂（Defoamer）； （13）泡沫剂（Foaming Agent）； （14）絮凝剂（Flocculant）； （15）解卡剂（Pipe-Freeing Agent）； （16）其它类（Others）等。,4,钻井液处理剂的分类,在配制和使用钻井液时，并不要求同时使用这16类处理剂。 某些处理剂在钻井液中同时具有几种作用。例如，有的降失水剂同时兼有增粘或降粘作用，絮凝剂同时兼有增粘剂作用等。,5,国外处理剂的分类情况,国外处理剂的分类情况与我国基本相同。据世界石油（Oil World）钻井、完井和修井液指南，国
4、外钻井液处理剂分类统计结果（见下表）可以看出，化学处理剂的商品名称数近3000种，而实际种类只有100多种。,6,国外处理剂的分类情况,7,第一节 钻井液配浆原材料,膨润土（坂土）是水基钻井液的重要配浆材料。有的文献将膨润土定义为具有蒙脱石的物理化学性质，含蒙脱石不少于85%的粘土矿物。 一般要求1吨膨润土至少能够配制出粘度为15 mPas的钻井液 16 m3。钠膨润土的造浆率一般较高，而钙膨润土则需要通过加入纯碱使之转化为钠膨润土后方可使用。 目前我国将配制钻井液所用的膨润土分为三个等级：一级为符合API标准的钠膨润土；二级为改性土，经过改性符合 OCMA标准要求；三级为较次的配浆土，仅用于
5、性能要求不高的钻井液。 无机盐对膨润土的水化分散具有一定的抑制作用，因此膨润土在淡水和盐水中的造浆率不同，盐水造浆率一般要低一些。将膨润土先在淡水中预水化，然后再加入盐水中，可以提高其在盐水中的造浆率。,8,膨润土在钻井液中的作用,（1）增加粘度和切力，提高井眼净化能力； （2）形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量； （3）对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性； （4）防止井漏。,9,蒙脱石的两种基本构造单元,1.硅氧四面体 硅氧四面体中有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子（或氢氧原子团）在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等。 2.铝氧八面体 铝氧八面体的六个顶点为
6、氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央。,10,蒙脱石晶体构造示意图,11,粘土矿物的晶体构造分类,12,几种主要粘土矿物的化学组成,13,Kaolinite (高岭石),A TWO-LAYER CLAY (一种两层粘土矿物) Generally non-expandable (一般不膨胀) Contributes to migration of fines (引起微粒运移),14,Kaolinite Clay (高岭石粘土),15,Smectite（蒙脱石）,A THREE-LAYER CLAY（一种三层粘土矿物） Great hydrating capability in fresh w
7、ater （在淡水中有很强水化能力）,16,Smectite Clay （蒙皂石）,17,Illite（伊利石）,A THREE-LAYER CLAY（一种三层粘土矿物） Compensated with K+ ion （K+作为补偿离子） Non-swelling characteristic contributes to migration of fines（非膨胀性，易发生微粒运移）,18,Illite Clay（伊利石粘土）,19,Chlorite（绿泥石）,A FOUR-LAYER CLAY（一种4层的粘土矿物） Magnesium hydroxide between the mon
8、tmorillonite-type unit layers 在蒙脱石晶层中含Mg(OH)2 Damages formation by precipitation of iron if acidizing 酸化时生成Fe(OH)3,20,粘土的阳离子交换容量,粘土一般都带负电荷。 为了保持电中性，粘土必然从分散介质中吸附等电量的阳离子。 这些被粘土吸附的阳离子，可以被分散介质中的其它阳离子所交换，因此，称为粘土的交换性阳离子。,21,粘土的阳离子交换容量,在pH值为7条件下，粘土所能交换的阳离子总量； 阳离子交换容量以100克粘土所能交换下来的阳离子毫克当量来表示，符号为CEC（Cation E
9、xchange Capacity）。 蒙脱石的阳离子交换容量一般为70130毫克当量/100克粘土。,22,各种粘土矿物的阳离子交换容量,23,粘土颗粒的连接方式,24,粘土的造浆率,膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，在添加主要处理剂之前的预水化膨润土浆常称作原浆或基浆。 由于蒙脱石含量和阳离子交换容量各不相同，来自不同产地的膨润土，其造浆效果往往有很大差别。,25,粘土的造浆率,各类粘土的造浆曲线有一共同点，即表观粘度增至15 mPas之前，其值随粘土含量的增加增长缓慢；当达到15 mPas左右时，其值才随粘土含量的增加而明显上升。 每吨粘土能配出表观粘度为1
10、5 mPas的钻井液体积称作造浆率（Yield of Clay），通常配浆土的质量以造浆率来衡量。 配制1 m3 15 mPas的钻井液需57 kg怀俄明优质膨润土，如使用低造浆率粘土，则需570 kg，两者的用量为110。经换算，用1 吨优质膨润土可配制出表观粘度为15 mPas的泥浆约16 m3，而1吨低造浆率粘土只能造浆约1.6 m3，相差亦近10倍。 使用优质钻井液配浆，泥浆密度仅为1.031.04 g/cm3时，表观粘度即可达到1015 mPas；而如果使用低造浆率粘土配浆，泥浆密度必须增至1.351.40 g/cm3时，其表观粘度才能达到同样的数值。 尽量选用优质膨润土配浆，对减少
11、体系中的固相含量，提高钻速有十分重要的意义。,26,典型粘土的造浆率曲线,27,配制一定密度原浆所需 膨润土及水量计算,W c = rc Vm (rm 1) / (rc 1) Vw = Vm rm W c 式中， W c 所需膨润土的重量，吨； rc 膨润土密度，g/cm3； Vm 所配制原浆的体积，m3； rm 原浆密度，g/cm3； Vw所需水量，m3。,28,抗盐粘土矿物,海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是典型的抗盐、耐高温的粘土矿物，用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液。 用抗盐粘土配制的钻井液一般形成的泥饼质量不好，滤失量较大，必须配合使用降滤失剂。 海泡石有很强的造浆能力，用它配制的钻井液
12、具有较高的热稳定性和一定的酸溶性（在酸中可溶解60%左右）。 国内这几种抗盐粘土的矿源较少，因此在钻井液中的应用不够普遍。 在国外应用相对较多。,29,有机土,由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土。 有机土可以在油中分散，形成结构，用于油基钻井液作为增粘剂和降滤失剂。,30,加重材料（加重剂）,加重材料又称加重剂，由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。为了对付高压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液里以提高钻井液的密度。 加重材料应具备的条件：自身密度大，磨损性小，易粉碎。 应属于惰性物质，既不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。,31,加重材料的主要类型,1
13、、重晶石粉 以BaSO4为主要成分的天然矿石，经过机械加工后而制成的灰白色粉末状产品。密度应达到4.2 g/cm3，粉末细度通过200目筛网时的筛余量3.0%（质量）。用于加重密度不超过2.30 g/cm3的水基和油基钻井液，是应用最广泛的钻井液加重剂。 2、石灰石粉 主要成分为CaCO3，密度为2.72.9 g/cm3。易与酸类发生反应，适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻储层损害。用于配制密度1.34 g/cm3的钻井液。 3、铁矿粉和钛铁矿粉 前者主要成分为Fe2O3，密度4.95.3 g/cm3；后者主要成分为TiO2 Fe2O3，密度4.55.1 g/cm3。其密度均
14、大于重晶石，可用于配制密度更高的钻井液。铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，可应用于需进行酸化的产层。 这两种加重材料的硬度约为重晶石的两倍，因此耐研磨，在使用中颗粒尺寸保持较好，损耗率较低。但对钻具、钻头和泵的磨损较为严重。在我国，铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。 4、方铅矿粉 主要成分为PbS的黑褐色天然矿石粉末，其密度高达7.47.7 g/cm3，可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现的异常高压。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方铅矿，配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液。,32,重晶石用量的计算方法,若加重后钻井液体积无限制，重晶石用量可用下式计算：,式中，V1
15、，V2分别表示加重前、后的钻井液的体积， mB，rB分别为重晶石的质量和密度。 r1 ，r2分别为加重前、后的钻井液密度。,33,重晶石用量的计算方法,若现场泥浆池容积受限制，加重前需排除一部分泥浆，则应根据加重后可以容纳的体积，用下式求出应保留旧浆的体积：,34,常用的无机处理剂,1、纯碱 碳酸钠（Sodium Carbonate），又称苏打粉（Soda Ash），分子式为Na2CO3。白色粉末，易溶于水，水溶液呈碱性，pH值为11.5，纯碱在水中容易电离和水解。溶液中主要存在Na+ 、CO32、HCO3 和OH 离子，其反应式为： Na2CO3 = 2Na+ + CO32 CO32 + H
16、2O = HCO3 + OH 纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土： Ca-粘土Na2CO3Na-粘土CaCO3 从而改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆的滤失量下降，粘度、切力增大。但过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚结，使钻井液性能受到破坏。其合适加量需通过实验确定。 在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时，加入适量纯碱使Ca2+ 沉淀成CaCO3，从而使钻井液性能变好。 Na2CO3 + Ca2+ = CaCO3+ 2Na+,35,常用的无机处理剂,2、烧碱 (NaOH) 烧碱（Caustic Soda）即氢氧化钠（Sodium Hydroxide）。其外观为乳白色晶体，密度为22.2 g/cm3，易溶于水，溶解时放出大量热。溶解度随温度升高而增大，水溶液呈强碱性。烧碱容易吸收空气中的水分和二氧化碳，并与二氧化碳作用生成碳酸钠，存放时应注意防潮加盖。 主要用于调节钻井液的pH值；与丹宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用，使之分别
