常用钻井液材料及其功用.docx

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常用钻井液材料及其功用

一、稀释剂

泥浆稀释剂，或分散剂，通过破碎粘土层边和面之间的附着而降低粘度（见图1）。

稀释剂吸附粘土层，因此破坏了层间的引力。

加入稀释剂可以降低粘度、切力和屈服值。

大多数的稀释剂都可以划分为有机材料或无机磷酸盐络合物。

有机稀释剂包括木质素磺酸盐、木质素和丹宁。

与无机稀释剂相比，有机稀释剂可用于高温条件下（铬酸盐也是很好的耐高温稀释剂，但是不适合用于环境敏感地区）。

有机稀释剂通常会有助于滤失控制。

聚合；絮凝；（面对面）；（边对面）；（边对边）；解胶；抗絮凝

图.1粘土颗粒的连接

无机稀释剂包括焦磷酸钠（SAPP）、四焦磷酸钠、四磷酸钠和六偏磷酸钠。

无机稀释剂在低浓度情况下是有效的，但是通常只用于150ºF的温度以下。

它们的应用一般局限于氯化物浓度低和pH值低的淡水粘土泥浆。

长期以来，水被作为钻井泥浆的一种十分有效的稀释剂使用，其降粘效果是通过减少钻井液中的总体固相浓度来达到的。

钻井作业中钻屑不断混进泥浆中，那么这些钻屑最终也需要用水进行稀释或者必须用机械的方式清除。

应当定期添加水到水基泥浆中，以补充渗漏到地层和在泥浆池中蒸发的水份。

如果不补充水，那么由于固相浓度增加，粘度就会上升。

而化学方式的降粘效果不佳。

在没有添加重晶石或膨润土的情况下，塑性粘度的稳定上升就说明水分减少了。

磷酸盐是最早可以大批量供应的化学稀释剂之一。

磷酸盐通过吸附粘土颗粒而起作用，因此，它能达到令人满意的电平衡和允许颗粒自由地悬浮在溶液中。

磷酸盐的这种分散效果归因于轻度的阴性粘土片晶置换，它可使片晶相互排斥，最终这些断裂边缘的化合价趋于饱和。

在被严重污染的离子环境中，磷酸盐的使用是有限的。

如果有自由的钙离子或镁离子存在，不论其数量多少，都将会形成磷酸盐的络合物或者不溶的金属离子磷酸盐。

由于清除了可用的磷酸盐，这就限制了降粘能力。

表2列出了常用的用于现场钻井泥浆应用中的磷酸盐

表2

常用磷酸基

化学名称

添加剂pH值

温度限制

酸性钠

焦磷酸盐

钠盐

六偏磷酸盐

钠

四磷酸盐

三-钠

焦磷酸盐

4.8

6.8

7.5

10.0

130°F

130°F

130°F

130°F

优点

1）       在井深较浅的条件下，在大多数膨润土水基泥浆中，磷酸盐是一种十分有效的稀释剂。

2）       在低于130ºF的温度条件下，有少数稀释剂效果十分突出。

缺点

1）       SAPP的pH值为4.8，因此，需要采用苛性钠或其它含有羟离子的添加剂来维持泥浆的pH值在7.0以上。

2）       一般来说，磷酸盐具有很低的温度稳定性。

3）       磷酸盐没有控制滤失的能力。

4）       在相对低的温度条件下，这些聚磷酸盐络合物还原为磷酸盐；这将使粘土产生严重的絮凝，并形成高粘度和强凝聚强度。

褐煤类是十分有效的稀释剂。

它们同时也用作控制滤失的处理剂。

褐煤类通常是以褐煤的形式存在的条状矿物，可以暴露在空气中长达6至12个月。

无机风化褐煤含量高的褐煤类最适合于这一应用。

优点

1）       褐煤的温度稳定性高达400ºF，并且在有特殊的添加剂如铬化合物的情况下，其温度稳定性可以高达450ºF。

2）       褐煤类是有机稀释剂，由于其胶状结构，它既可以作为分散剂（通过断裂边缘的电荷饱和），也可以作为控制滤失的处理剂。

3）       尽管褐煤的pH值为酸性，但有一种预苛化作用的产品可用，它具有从1至6的苛性对褐煤的比率，使得无需pH值调节添加剂就可以使用。

缺点

1）       褐煤类不适合于含有高盐量的流体，因为褐煤不溶于盐类。

2）       褐煤类可能引起活性固体的分散（分解）。

丹宁是从植物浸出液中提炼出来的。

最常见的丹宁是白雀树皮汁，是从阿根廷的白雀树的树皮中提炼出来的。

优点

1）       丹宁是一种具有双重功效的材料，既可以作为分散剂，也可以作为控制滤失的处理剂。

2）       丹宁，特别是白雀树皮汁，在稀释石灰泥浆和被水泥浆污染的泥浆时是十分有效的。

木质素磺酸盐类是从亚硫酸盐废液中提炼出来的。

将各种金属离子添加到化合物中可以增强其中和断裂边缘电荷的能力，并提高其抗温能力。

添加的离子有一些是钙离子、铁离子和铬离子。

优点

1）       对石灰泥浆而言，木质素磺酸盐是十分有效的稀释剂。

2）       铁铬木质素磺酸盐类，含有不同量的铁和铬，由于重金属离子的吸附，作为普通稀释剂是十分有效的。

3）       木质素磺酸盐类的温度稳定性高达300ºF到350ºF的范围。

4）       木质素磺酸盐类是一种双作用添加剂，可同时作为分散剂和控制滤失的添加剂。

缺点

分散性（活性固相的分解）

二、降滤失剂

控制泥浆滤失的理由是：

1）       维持井眼完整性：

-             为保护水敏性页岩

-             为减少井眼冲蚀以更好地实施套管固井工作。

2）       为减少向生产层的滤失，减少地层伤害。

3）       减少测井分析中的问题。

A、膨润土

优点

有控制滤失、悬浮重晶石和提供足够的粘度保证井眼清洁能力的多用途添加剂。

缺点

1）       在没有进行预水化之前，膨润土不适合用于钠离子、钙离子或钾离子浓度高的环境中。

2）       对钻进地层产生的污染十分敏感，如盐层或硬石膏层。

3）       膨润土泥浆对高温胶凝效应十分敏感，可能引起滤失量的增加。

B、淀粉（预胶化层）

优点

1）       当存在低溶解度的钙离子或钠离子时，作为控制滤失的处理剂，淀粉能起到很好的作用。

因此，它适合用于盐水泥浆或者含膏泥浆。

2）       当使用经过预处理没有发酵的淀粉时，一般不需要杀菌剂。

缺点

1）       当采用淀粉时，常常造成粘度的增加。

2）       如果淀粉没有进行预处理，必须使用杀菌剂来防止其降解和发酵。

3）       淀粉在温度超过200°F时会发生降解。

C、羧甲基纤维素钠盐（CMC）是一种植物产品，用于控制滤失量和作为增粘剂。

优点

1）       在低度和中度离子污染的浓度中，CMC表现活跃，因而适用于抑制性的泥浆中。

氯化物的含量不超过60,000mg/l。

2）       有低粘度级和高粘度级CMC可供选用，这取决于所期望增加的粘度程度。

通常优先选用工业级的CMC。

3）       该添加剂的温度稳定性可达到400°F。

缺点

1）       可能需要采用稀释剂来抵消添加剂的增粘效果。

2）       在一些盐类泥浆中，可能引起降粘效果。

D、丙烯腈（Cypan）

优点

丙烯腈可以成功地应用于高温范围中，因为其温度稳定性高达400°F。

缺点

1）       丙烯腈对钙离子污染高度敏感。

2）       可能引起动滤失量增加。

E、XC聚合物是一种因细菌产生的多糖胶质，在存在可溶性盐的情况下稳定性良好。

1）       提高粘度

2）       增加凝聚强度

3）       在高剪切速率下粘度降低

4）       在低剪切速率下粘度上升

5）       悬浮重晶石

6）       如果不能正确使用，将使成本急剧增加

褐煤类、丹宁、木质素磺酸盐类，由于其化学特性和粒度以及通过充当胶质粘土颗粒的分散剂，可以对滤失量进行控制。

每种添加剂的分散能力将在单独的章节中进行讨论。

只有褐煤特别能控制滤失。

优点

1）       这些产品具有良好的温度稳定性，其稳定性范围在300-350°F。

2）       褐煤类具有胶状结构，有助于控制滤失量。

3）       控制滤失和易于分散这种双重作用使得这些产品适用于只能使用单一产品的某些情况。

缺点

褐煤类由于这种添加剂的多价螯合特性，它们对钙离子污染和接着发生的泥浆絮凝作用十分敏感。

褐煤趋向于捕获钙离子，减少继续充当降滤失剂的褐煤的数量。

三、   增粘剂

有很多不同的产品都广泛地用作粘度增加剂，它们可以划分为增粘剂、膨润土、凹凸棒粘土、亚膨润土（胶体）和聚合物等。

粘土-膨润土、凹凸棒粘土和亚膨润土在水中都形成胶态悬浮物。

它们可以通过内表面摩擦和以化学方式约束水来增加粘度、屈服值和凝聚强度。

聚合物是多功能的添加剂，可以同时改变粘度、控制滤失特性、稳定页岩以及产生或防止粘土絮凝。

聚合物对泥浆中固相含量的增加贡献很小。

四、   pH值调节剂

由于一些泥浆添加剂为酸性pH值和一些泥浆系统的pH值会发生变化，因此，需要添加一些物质来提高泥浆系统的pH值。

很多泥浆添加剂是酸性的。

警告：

pH值调节剂必须小心处理。

采用化学桶，禁止使用漏斗或直接倒到系统中。

最常用的三种pH值调节剂是氢氧化钠（苛性钠）、氢氧化钾和氢氧化钙。

其中氢氧化钠的使用要普遍得多，而其它两种往往是在特殊设计的泥浆系统中使用。

优点

1）       所有这三种添加剂都能提高pH值。

2）       因为钾离子和钙离子的缘故，氢氧化钾和氢氧化钙都有很强的抑制特性。

这两种产品一般添加到泥浆中主要是用作抑制系列制品。

缺点

1）       都能对皮肤造成严重烧伤。

2）       都对设备具有相当强的腐蚀性。

3）       由于钠离子的高度活性，氢氧化钠在膨润土页岩中容易引起分散。

五、   加重材料

加重材料是具有特别高的比重，添加到泥浆中能提高其密度，用于控制地层压力的物质。

重晶石-硫酸钡是在钻井泥浆中应用最为广泛的加重材料。

它具有API-定义的最小比重为4.2，使得将泥浆密度能提高到每加仑21磅。

硫酸钡在钻井泥浆中是惰性的，因此，不会影响到系统中泥浆添加剂的活性。

但是，重晶石并非纯的硫酸钡。

在重晶石中的杂质可能污染泥浆导致粘度升高。

优点

1）       重晶石可将泥浆密度提高到足够高，能控制大多数的地层压力。

2）       价格低廉且易于获得。

3）       相对而言不具有磨蚀性。

4）       硫酸钡部分（大约85%）是惰性的。

缺点

1）       重晶石的悬浮需要更高的切力和粘度。

在加重的封隔液中，重晶石将最终沉淀下来并使得修井工作变得更加困难。

2）       在长时间的持续使用中，特别是在重泥浆中，重晶石将磨滑并成为微细固体物。

3）       不溶于酸。

碳酸钙是一种用于钻井泥浆、修井泥浆和封隔液中提高流体密度的添加剂。

它的比重为2.7，可配制高达每加仑12.0磅的封隔液密度。

优点

1）       比其它处理剂更便宜。

2）       比重晶石容易被悬浮。

3）       通过酸化可以更加容易地清除，以减少地层伤害。

4）       可溶于酸。

缺点

1）       所能得到的最大密度仅仅只有12.0磅/加仑。

2）       相比重晶石或赤铁矿而言，需要更多的材料。

盐水溶液可以采用多种类型的盐来得到。

表2列出了每种盐所能达到的最大泥浆密度。

优点

1）       氯化钠可以经济地作为一种密度处理剂而无需添加膨润土提高悬浮能力。

这种盐可以作为一种有效的钻井液或者是封隔液。

2）       氯化钙常常作为加重材料用在封隔液中。

缺点

1）       氯化钠溶液在每加仑10.0磅时就已饱和。

2）       当氯化钙用作钻井液时，如果存在氧气或空气，就会出现腐蚀问题。

3）       氯化锌过于昂贵。

4）       氯化锌对管柱和套管有明显的腐蚀作用。

六、  堵漏剂

堵漏材料（LCM's）可以分为四个类别：

1）       纤维状材料（纸浆、棉花纤维）-用于渗漏损失并常与其它材料一起使用。

2）       片状材料（玻璃纸、云母）-用于渗漏损失。

3）       粒状材料（地面生长的坚果壳、重质碳酸钙）-用于裂缝性漏失、溶洞性漏失等。

4）       随时间强度增强的水泥浆（水泥浆、柴油-膨润土、泥浆混合物、高固含-高漏失水泥浆.

表3

盐水溶液的最大密度

盐

最大密度（ppg.）

氯化钠（NaCl）

10.0

氯化钠/碳酸钠

10.8

氯化钙（CaCl2）

11.7

氯化锌和氯化钙（ZnCl2）和（CaCl2）

14.0

氯化钾（KCl）

9.7

溴化锌（ZnBr2）

19.0

七、   毒性

在世界范围内各个不同的钻井作业地区，对泥浆毒性的规定有着不同的要求。

必须确认及时得到所需的各种许可，并且所使用的泥浆要控制在当地规定的严格限制之下应顺利地获得资格。

在一些地区，有一个推荐的泥浆添加剂列表。

这使得遵守法规变得相对简单一些。

在另外一些地区，所有排出的泥浆都必须经过毒性检测。

在这种情况下，在泥浆的程序设计阶段，泥浆的大概毒性情况应进行估计。

泥浆毒性往往通过一些类型的生物测定程序来进行测量。

这意味着要将一些活性有机体，如虾或鳟鱼，在实验室测试中暴露在泥浆中。

为保证泥浆通过检测，应达到在一定的特别浓度下，泥浆不会杀死这些检测用的生物有机体。

最为普遍的容易增加泥浆毒性的两类添加剂是表面活性剂和碳氢化合物类。

高浓度的KCl（>15%）对某些有机体来说也是有毒性的。

每一种加入到泥浆中的产品在考虑选择使用之前都必须经过事前的毒性评价。

一些可能造成毒性后果或可能加以限制的泥浆添加剂举例如下：

Ø∙∙∙∙∙∙∙柴油

Ø∙∙∙∙∙∙∙矿物油

Ø∙∙∙∙∙∙∙原油

Ø∙∙∙∙∙∙∙消泡剂

Ø∙∙∙∙∙∙∙防腐剂

Ø∙∙∙∙∙∙∙去油污渍流体

Ø∙∙∙∙∙∙∙含铬添加剂

Ø（如,木质素磺酸铬盐）

Ø∙∙∙∙∙∙∙石棉

Ø∙∙∙∙∙∙∙钻井用表面活性剂和清洁剂