钻井液处理剂作用机理1

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1、钻井液配浆材料与处理剂一般来讲，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。处理剂则是指用于改善和稳定钻井液性能，或为满足钻 井液某种性能需要而加人的化学添加剂。 处理剂是钻井液的核心组分，往往很少 的加量就会对钻井液性能产生极大的影响。但配浆原材料与处理剂之间并无严格 的界限，有的文献将配浆原材料也归类在处理剂中。钻井液原材料和处理剂的种类品种繁多。为了使用和研究方便，有必要将它 们进行分类。目前主要有以下两种分类方法。第一类分类方法是按其组成分类。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。其中无机处理剂又可分为氯化物、硫酸盐、碱

2、类、 碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混合金属层状氢氧化物(即正电胶)类等。有 机处理剂通常可分为天然产品、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、丹宁酸类、沥青类、淀粉 类和聚合物类等。第二类分类方法是按其在钻井液中 所起的作用或功能分类 。我国钻井液标 准化委员会根据国际上的分类法，并结合我国的具体情况，将钻井液配浆材料和 处理剂共分为以下“类，艮心)降滤失剂(Filtration Reducer)； (2)增粘剂(Viscosifier)； 乳化剂(Emulsifier)使油水乳化产生乳状液；(4)页岩抑制剂(Shale inhibi

3、tor)； 堵漏剂(lost Circulation Material) ； (6)降粘剂(Thinner) ； (7)缓蚀剂(Corrosion inhibitor)； (8)粘土类(Clay)； (9)润滑剂(Lubricant)； (10)加重剂(Weighting 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。这16类处理剂所起的作用各不相同，但在配制和

4、使用钻井液时，并不同时使 用这些处理剂，而仅仅根据需要使用其中的几种。有时， 一种处理剂在钻井液中 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 兼有增粘剂的作用等。本章将以上两种分类方法结合起来，除介绍常用的配浆原 材料和无机处理剂外，重点介绍几类重要的有机处理剂，即 降粘剂、降滤失剂、 页岩抑制剂、絮凝剂和堵漏剂等。钻井液配浆原材料一、粘土类 膨润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。 评价膨润土好坏的标准是造 浆率，即每吨膨润土可以配制粘度为15mpas的钻井液的体积数，m3。一般要求

5、 1 t膨润土至少能够配制出粘度为15mpa s的钻井液16m3。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，仅用于性 能要求不高的钻井液。由于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。膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：(1)增加粘度和切力，提高井眼净化能 力；(2)形成低

6、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。海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是较典型的抗盐、耐高温的粘土矿物 ，主要用 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。因此，必须配合使用降滤失剂。海泡石有很强的造浆 能力，用它配制的钻井液具有较高的热稳定性。此外，海泡石还具有一定的酸溶 性(在酸中可溶解 60左右)，因此，在保护油气层的钻井液中，还可用做酸溶性暂 堵剂。在我国，由于目前这几种抗盐粘土的矿源相对较少，因此在钻井液中的应 用尚不普遍。有机土是由 膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲

7、油膨润 土。有机土可以在油中分散，形成结构，其作用与水基钻井液中的膨润土类似。 关于有机土的性能及应用将结合油基钻井液再进行讨论。二、加重材料1常用的钻井液加重材料加重材料(Weighting Material)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中以提高钻井液 的密度。加重材料应具备的条件是自身的密度大，磨损性小，易粉碎；并且应属 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。钻井液的常用加重材料有以下几种：(1) 重晶石粉(Barite)重晶石粉是一种以 BaSO4 为主要成分的天然矿石，经过机械加工后而制

8、成的 灰白色粉末状产品。按照API标准，其密度应达到4.2g/cm3，粉末细度要求通过 200目筛网时的筛余量3.0%。重晶石粉一般用于加重密度不超过2.30 g/cm3的水 基和油基钻井液，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。(2) 石灰石粉(Limestone)石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为2.72.9 g/cm3。易与盐酸等无机酸类 发生反应，生成 CO2、H2O 和可溶性盐，因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作 业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低，一般只能用 于配制密度不超过1. 68 g/cm3 (14ppg)的钻井液和完井液。(3) 铁矿粉(Hema

9、tite)和钛铁矿粉(Il menite)前者的主要成分为Fe2O3,密度4.95.3 g/cm3；后者的主要成分为TiO2Fe2O3, 密度 4.55.1 g/cm3。 均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均大于重晶石，故可用 于配制密度更高的钻井液。如果将某种钻井液加重至某一给定的密度，当选用铁矿粉时，加重后钻井液中的固相含量（常用体积分数表示）显然要比选用重晶石时低 一些。例如，用密度为4.2 g/cm3的重晶石将某种钻井液加重到2.28 g/cm3,其固相 含量为39.5% ；而使用密度为5.2 g/cm3的铁矿粉将该钻井液加至同样密度时，固 相含量仅为 30.0。加重后固相含量低有利于

10、流变性能的调控和提高钻速。此外 由于铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，因此可应用于需进行酸化的产层。由于这两种加重材料的 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。但另一方面，对钻具、钻头和泥浆泵的磨损也较为 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。方铅矿粉（Galena）方铅矿粉是一种主要成分为 PbS 的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密 度高达7.47.7 g/cm3,因而可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现异常高 压。由于该加重剂的成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情 况下使用。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使

11、用方铅矿，配制出密度为3.0g/cm3 的超高密度钻井液。三、配浆水和油水是配制各种钻井液都不可缺少的基本组分 。在水基钻井液中，水是分散介 质，大多数处理剂均通过溶解于水而发挥作用；在泡沫钻井液中水也是作为连续 相，空气在起泡剂和稳泡剂的作用下分散在水中；在油包水乳化钻井液中，水是 分散相，往往水中又含有一定量的无机盐，如氯化钠和氯化钙等。在雾流体中， 是作为分散相，成小颗粒状分散于气中。实践证明， 钻井液性能与配浆水的性质密切相关。多数情况下，为节约成本 都是就地取材，但是地区不同水质相差很大，水中的各种杂质、无机盐类、细菌 和气体等对钻井液的性能有很大影响。例如：无机盐：会导致膨润土的造

12、浆率降低，以及钻井液的滤失量增大； 细菌：淀粉类处理剂发酵 ， 聚合物处理剂容易降解， 细菌的大量繁殖 还会对油气层造成损害； 气体的存在则会加剧钻具的腐蚀等。二氧化碳，气蚀、碳酸 因此，配制钻井液时必须预先了解配浆水的水质，不合格的水需经过适当处 理后才能使用。自然界的水分类1、按来源分：地面水和地下水；2、按其酸碱性分：酸性水、中性水和碱性水3、按所含无机盐的类别分NaHCO3型水等。NaCl 型、CaCl2 型、MgCl2 型、 Na2SO4 型和在钻井液工艺中，根据水中可溶性无机盐含量的多少，一般将配浆水分为以下三类：含盐量较少（总盐度低于10 OOOmg/1）的淡水，钻井液称做淡水钻

13、井液含盐量较多的盐水，与之对应钻井液称作盐水钻井液含盐量达饱和的饱和盐水，与之对应钻井液饱和盐水钻井液。此外，常将含Ca2+、Mg2+较多的水称为硬水。原油、柴油和低毒矿物油也是配制钻井液时常用的原材料。在油基钻井液中 常选用柴油和矿物油作为连续相。在水基钻井液中，也常混入一定量的原油或柴 油，以提高其润滑性能，并起降低滤失量的作 用。在使用过程中，应注意油品的 粘度不宜过高，否则钻井液的流变性不易调控。此外，还应考虑油晶的价格和对 环境可能造成的影响。对于探井，应考虑其荧光度对油气显示的影响。在选用原 油时，应考虑其凝固点以及石蜡、沥青质含量等，以免对油气层造成不良的影响无机处理剂按钻井液标

14、准委员会制订的分类方法，无机处理剂被划分在其它类。无机处 理剂的数量较多，本节仅介绍较常用的几种。一、常用的无机处理剂1纯碱学名碳酸钠(Sodium Carbonate),又称苏打粉(Soda Ash)，分子式为 Na2CO3。白色粉末，密度为2.5g / cm3,易溶于水。易吸潮结块，注意防潮水溶液呈碱性(pH值为11.5),在水中容易电离和水解 。其中电离和一级水解较强，所以纯碱水溶液中主要存在Na+、C032-、HCO3-和0H-离子，其反应式为：Na2CO3=Na+CO32-CO32+H2O=HCO3-+0H-纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，即Ca粘土+Na2CO3Na

15、粘土+CaCO3作用： A. 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。B. 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。C. 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，即含羧钠基官能团(一COONa)的有机处理剂在遇 到钙侵(或Ca2+浓度过高)而降低其溶解性时，一般可采用加人适量纯碱的办法恢复 其效能。2烧碱烧碱(Caustic Soda)即氢氧化钠(Sodium Hydroxide)，分子式为 NaOH。特性：外观乳白色晶体，密度2.02.2g/cm3,易溶于水，溶解时放出大量的 热。 水

16、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。作用：a.主要用于调节钻井液的pH值；b.与丹宁、褐煤等酸性处理剂一 起配合使用，使之分别转化为丹宁酸钠、腐植酸钠等有效成分 c. 还可用于控制 钙处理钻井液中Ca2+的浓度等。3石灰生石灰即氧化钙(Calcium Oxide),分子式为CaO。吸水后变成熟石灰，即氢氧 化钙 Ca(OH)2 (Calcium Hydroxide)。特性：在水中的溶解度较低，常温下为 0.16，其水溶液呈碱性。并且随温 度升高溶解度降低。作用：a.在钙处理钻井液中，石灰用于提供Ca2+，以控制粘土的水化分散能 力，使之保持在适度絮凝的状态；b.在油包水乳化钻井液中，CaO用于使烷基苯