钻井液技术基础与应用.docx

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钻井液技术基础与应用

目录

1.钻井液的组成和分类1

1.1钻井液的组成1

1.2分散体系的分类1

1.3钻井液的分类2

2钻井液的PH值、碱度和固相类型3

2.1钻井液的PH值3

2.2钻井液的碱度4

2.3钻井液中固相的类型4

3钻井液处理剂4

3.1无机处理剂4

3.2有机处理剂6

3.2.1降滤失剂6

3.2.2降黏剂7

3.2.3增黏剂8

3.2.4页岩抑制剂8

3.2.5高聚物絮凝剂9

4聚合物钻井液9

钻井液技术基础与应用

1.钻井液的组成和分类

1.1钻井液的组成

钻井液是由分散介质（连续相）、分散相和化学处理剂组成的分散体。

例如，以水为连续相的水基钻井液是由水（淡水或盐水）、膨润土、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。

以油为连续相的油包水钻井液是由油（柴油或矿物油）、水滴（淡水或盐水）、乳化剂、润湿剂、亲油固体等处理剂所形成的乳状液分散体系。

1.2分散体系的分类

分散体系是指一种或多种物质分散在另一种物质中所形成的体系。

被分散的物质称为分散相（不连续相），另一种物质称为分散介质（连续相）。

热力学上把体系中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分称为相。

相与相之间有明显的相界面。

例如，膨润土颗粒分散在水中，膨润土颗粒为分散相，水为分散介质，黏土颗粒和水之间有明显的分界面；水滴分散在油中，水是分散相，油是分散介质，水滴和油之间有明显的分界面。

分散体系按分散相颗粒的大小分为以下几类：

（1）分子分散体系。

分子分散体系是指溶质以小分子、原子或离子状态分散在溶剂中形成的体系，没有界面，是均匀的单相，其离子直径在1nm以下。

通常把这种体系称为真溶液。

（2）胶体分散体系。

胶体分散体系是指分散相颗粒的直径小于100nm的分散体系。

其目测是均匀的，但实际是相不均匀体系（也有将分散相颗粒的直径为1～100nm的颗粒归入胶体范畴），如AgI溶胶等。

（3）粗分散体系。

粗分散体系是指当分散相颗粒的直径大于100nm时，目测是浑浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如浑浊的河水等。

钻井液中的分散相颗粒一般介于胶体分散体系与粗分散体系之间，其稳定性规律可以通过研究胶体体系稳定性规律来获得。

1.3钻井液的分类

钻井液按密度可分为非加重钻井液和加重钻井液；按其与黏土水化作用可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液；按其固相含量来分，将固相含量较低的称为低固相钻井液，基本不含固相的称为无固相钻井液；根据分散（流体）介质不用，分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体和合成基钻井液4种类型。

1.分散钻井液

分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对黏土与钻屑起分散作用的处理剂（简称分散剂）配制而成的水基钻井液。

分散钻井液是出现最早、使用时间最长的一类钻井液。

以其配制方法较简单、配制成本较低的优点沿用至今。

2.钙处理钻井液

钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度的Ca2+和分散剂。

Ca2+通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨润土，从而减弱水化的程度。

3.盐水钻井液

盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。

盐的质量分数从1%（Cl-的质量浓度为6000mg/L）直至饱和（Cl-的质量浓度为189000mg/L）之间均属于此种类型。

盐水钻井液也是一类对黏土水化有较强抑制作用的钻井液。

4.聚合物钻井液

聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液。

由于这些聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的粒度范围内，同时，所钻出的岩屑也因及时受到包被保护而不易分散成微细颗粒。

5.钾基聚合物钻井液

钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。

在各种常见无机盐中，KCl抑制黏土水化分散的效果最好；由于使用了聚合物处理剂，这类钻井液又具有聚合物钻井液的各种优良特性。

因此，在钻遇泥页岩地层时，用这种钻井液可以取得比较理想的防塌效果。

6.油基钻井液

油基钻井液是以油（柴油或矿物油）作为连续相，水或亲油的固体（如有机土、氧化沥青等）作为分散相，并添加适量处理剂、石灰和加重材料等所形成的分散体系。

7.气体型钻井流体

气体型钻井流体是以空气或天然气为流动介质或分散有气体的钻井流体。

气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。

其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。

8.合成基钻井液

合成基钻井液是以人工合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。

9.保护油气层的钻井液（完井液）

保护油气层的钻井液是在储层中钻进时使用的一类钻井液。

当一口井钻达目的层时，所设计的钻井液不仅要满足钻井工程和地质的要求，而且还应满足保护油气层的需要。

例如，钻井液的密度和流变参数应调控至合理范围，滤失量尽可能低，所选用的处理剂应与油气层相配伍，以及选用合适的暂堵剂等。

10.不侵入地层钻井液

不侵入地层钻井液是20世纪90年代发展起来的一种新型钻井液，也可作为完井液或修井液使用。

其特点是通过使用加入到水基或油基钻井液中的专用聚合物性添加剂，使聚合物胶束在井筒周围一定深度的地层形成一个具有一定强度的封堵层。

2钻井液的PH值、碱度和固相类型

2.1钻井液的PH值

PH值表示钻井液的酸碱性。

通常用PH试纸测量，要求的精度较高时，可使用PH计测量。

对于不同类型的钻井液，所要求的PH值范围也有所不同。

一般要求分散型钻井液的PH值在10以上，含有石灰的钙处理钻井液的PH值多控制在11～12，含有石膏的钙处理钻井液的PH值多控制在9.5～10.5，而在许多情况下，聚合物钻井液的PH值只需控制在7.5～8.5。

2.2钻井液的碱度

由于使钻井液维持碱性的无机离子除OH-外，还可能有HCO3-、CO32-等离子，而PH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质量浓度。

因此在实际应用中，除使用PH值外，还常使用碱度来表示钻井液的酸碱性。

2.3钻井液中固相的类型

一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。

根据其作用不同，可分为有用固相和无用固相。

根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为活性固相和惰性固相。

凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，主要是膨润土；凡是不容易发生水化作用或不易与液相中某些组分发生反应的称为惰性固相，主要包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的黏土等。

除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。

3钻井液处理剂

3.1无机处理剂

钻井液化学处理剂用来调节和维护钻井液的性能。

目前使用种类很多，按化学剂性质可分为无机处理剂和有机处理剂；按作用分为碱度调整剂、杀菌剂、除钙剂、缓蚀剂、消泡剂、降滤失剂、絮凝剂、发泡剂、堵漏材料、润滑剂、解卡剂、页岩抑制剂、表面活性剂、温度稳定剂、降黏剂、配浆材料和加重材料18类。

常用的无机处理剂：

1.纯碱

纯碱即无水碳酸钠（简称碳酸钠），又称苏打粉，分子式为Na2CO3。

碳酸钠为白色粉末，密度为2.5g/cm3，易溶于水，在接近36℃时溶解度最大，水溶液呈碱性，PH值为11.5.在空气中易吸潮结成硬块（晶体）。

2.烧碱

烧碱即氢氧化钠，分子式为NaOH。

其外观为乳白色晶体，密度为2.0～2.28g/cm3，易溶于水，溶解时放出大量的热。

溶解度随温度升高而增大，水溶液呈强碱性，PH值为14，对皮肤和织物有强烈的腐蚀性。

3.石灰

生石灰即氧化钙，分子式为CaO。

吸水后变成熟石灰，即氢氧化钙，分子式为Ca（OH）2。

CaO在水中的溶解度较低，常温下为0.16%，其水溶性呈碱性，对皮肤和织物有腐蚀作用。

4.石膏

石膏的化学名称为硫酸钙，又名生石膏，分子式为CaSO4·2H2O，加热到150℃脱水变成烧石膏（CaSO4·

H2O），又称熟石膏。

硬石膏为无水硫酸钙（CaSO4）。

5.氯化钙

氯化钙（CaCl2）通常含有6个结晶水，外观为无色斜方晶体，密度为1.68g/cm3，易潮解，且易溶于水（常温下约为75%）。

6.氯化钠

氯化钠（NaCl）俗名食盐，纯品不易潮解，但含MgCl2、CaCl2等杂质的工业食盐容易吸潮。

常温下在水中的溶解度较大，20℃时为36.0g/（100g水），且随温度升高，溶解度略有增大。

7.氯化钾

氯化钾分子式为KCl，外观为白色立方晶体，常温下密度为1.98g/cm3，熔点为776℃，易溶于水。

8.硅酸钠

硅酸钠俗名水玻璃或泡花碱，分子式为Na2O·nSiO2，式中n称为水玻璃的模数，即二氧化硅与氧化钠的分子个数之比。

水玻璃通常分为固体水玻璃、水合水玻璃和液体水玻璃3种。

固体水玻璃与少量水或蒸汽发生水合作用而生成水合水玻璃。

水合水玻璃易溶解于水变为液体水玻璃。

9.重铬酸盐（重铬酸钠和重铬酸钾）

重铬酸钠又称为红矾钠，分子式为NaCr2O7·2H2O。

其外观为红色或橘红色针状晶体，常温下密度为2.35g/cm3，有强氧化性，易溶于水（25℃时每100g的溶解度为190g）。

重铬酸钾又称为红矾钾，分子式为K2Cr2O7。

其外观为橙红色三斜晶体，常温下密度为2.68g/cm3，有强氧化性，不潮解，易溶于水。

重铬酸盐有毒，切忌接触皮肤破伤处，并注意误将其粉尘吸入口腔、鼻中。

10.磷酸盐（酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠）

酸式焦磷酸钠的分子式为Na2H2P2O7，代号SAPP，无色固体，由磷酸二氢钠加热制得。

10%（质量分数）Na2H2P2O7水溶液的PH值为4.8。

六偏磷酸钠的分子式为（NaPO3）6，外观为无色玻璃状固体，有较强的吸湿性，易溶于水，在温水中溶解较快。

11.混合金属层状氢氧化物

混合金属层状氢氧化物有一种带正电的晶体胶粒所组成，常称为正电胶。

12.加重剂

重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉、钛铁矿粉、方铅矿粉等经研磨加工制备而成。

3.2有机处理剂

钻井液有机处理剂是使用最广泛的化学添加剂，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腐植酸类、纤维素类、木质素类、单宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。

按其在钻井液中起的作用可分为降滤失剂、降黏剂、增黏剂、絮凝剂、页岩抑制剂等。

3.2.1降滤失剂

降滤失剂又称为降失水剂，主要分为纤维素类、腐植酸类、丙烯酸类、树脂类和淀粉类等。

1.腐植酸类

腐植酸只要来源于褐煤，褐煤中含油20%～80%的腐植酸。

2.纤维素类

纤维素是由许多环式葡萄糖单元构成的长链状高分子化合物，以纤维浆为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最多的是钠羧甲基纤维素。

3.丙烯酸类聚合物

丙烯酸类聚合物是低固相聚合物钻井液的主要处理剂类型之一，制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸和丙烯磺酸等。

4.树脂类

树脂类产品是以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其他官能团而制得。

其中磺甲基酚醛树脂是最常用的产品。

5.淀粉类

淀粉的结构与纤维素相似，也属于碳水化合物，可进行磺化、醚化、羧甲基化、接枝和交联反应，从而制得一系列改性产品。

3.2.2降黏剂

降黏剂又称稀释剂。

钻井液降黏剂的种类很多，下面具体介绍单宁（栲胶）类、木质素类及聚合物类。

1.单宁（栲胶）类

单宁广泛存在于植物的根、茎、叶、皮、果壳和果实中，是一大类多元酚的衍生物，属于弱有机酸，从不同植物中提取的单宁具有不同的化学组成，因此单宁的种类很多。

2.木质素类

木质素类降黏剂的典型产品是铁铬木质素磺酸盐，俗称铁铬盐，代号为FCLS，是曾经使用最多的降黏剂。

3.聚合物类

X-40系列降黏剂产品包括X-A40和X-B40两种。

其中X-A40是相对分子质量较低的聚丙烯酸钠。

3.2.3增黏剂

增黏剂均为高分子聚合物，由于其分子链很长，在分子链之间容易形成网架结构，因此能显著提高钻井液的黏度。

1.XC生物聚合物

XC生物聚合物又称黄原胶，是由黄原菌类作用于碳水化合物而生成的高分子链状多糖聚合物，相对分子质量可高达5×106，易溶于水，加入很少的量（0.2%～0.3%，质量分数）即可产生较高的黏度，并兼有降滤失作用。

有时需要与三氯酚钠等杀菌剂配合使用，以防止各种细菌使其发生霉变降解。

2.羟乙基纤维素（HEC）

HEC是一种水溶性的纤维素衍生物，是由纤维素和环氧乙烷经羟乙基化制成的产品，外观呈白色或浅黄色固体粉末。

它是一种无臭、无味、无毒，溶于水后形成黏稠的胶状液，主要在聚合物钻井液中起增黏作用。

3.2.4页岩抑制剂

页岩抑制剂又称防塌剂，主要用来配制抑制型钻井液。

在钻进泥页岩地层时，抑制其水化膨胀，保持井壁稳定。

1.沥青类

沥青是原油精炼后的残留物。

2.钾盐腐植酸类

腐植酸的钾盐、高价盐及有机硅化物等均可用作页岩抑制剂，其产品有腐植酸钾、硝基腐植酸钾、磺化腐植酸钾、有机硅腐植酸钾、腐植酸钾铝、腐植酸铝和腐植酸硅铝等。

其中腐植酸钾盐的应用更为广泛。

3.阳离子泥页岩抑制剂

阳离子泥页岩抑制剂又称黏土稳定剂。

目前现场应用的是环氧丙基三甲基氯化铵（俗称小阳离子）。

4.两性离子抑制剂

两性离子聚合物是指分子链中同时含有阴离子基团和阳离子基团，同时还含有一定数量的非离子基团的聚合物。

3.2.5高聚物絮凝剂

高聚物絮凝剂在钻井液中的应用，很好地解决了钻屑分散的问题，形成了不分散无固相或不分散低固相钻井液体系。

1.聚丙烯酰胺（PAM）

2.醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）

3.阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）

4聚合物钻井液

聚合物钻井液是20世纪70年代初发展起来的一种新型钻井液体系。

广义来讲，凡是使用线型水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。

1.阴离子聚合物钻井液

2.阳离子聚合物钻井液

3.两性离子聚合物钻井液

以两性离子聚合物为主处理剂配制的钻井液称为两性离子聚合物钻井液，由于引入阳离子基团，聚合物分子在钻屑上的吸附能力增强，同时可中和部分钻屑的负电荷，因而具有较强的抑制钻屑分散的能力。

甘肃黑马石化工程有限公司

2014年11月28日