什么叫钻井液处理剂.docx

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什么叫钻井液处理剂

什么叫钻井液处理剂

调整、改变、稳定钻井液性能的化学添加剂。

包括无机、有机、表面活性剂。

钻井液性能 :

流变性、失水造壁性、抑制性、防塌性、润滑性

① 从钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂

适应钻井工程、地质勘探及其技术发展，钻井液性能应具备的性能要求；钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。

② 考虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能

通过什么样的（运用）处理剂，起什么作用，作用规律（机理）是什么？

具有实现钻井液作用效能，处理剂应具有的性质，

——如水溶性、抗盐性和抗温性，同粘土的作用规律等等。

③ 钻井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系

处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。

——最终落实到处理剂的分子结构设计。

④ 处理剂的合成、研制

要实现处理剂分子结构设计，所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。

⑤ 处理剂应用规律和效能评价

处理剂效能评价的原则：

满足优质、安全、低成本钻井、完井和环保要求。

a.是否有利于井壁岩石稳定

b.是否有利于钻井液性能稳定

c.是否有利于保护油气储层

d.是否有利于环境保护

钻井液处理剂基本要求

1、每一口油气井，必须按照一定配方，使用各种配浆材料和化学处理剂配制成所需要的钻井液。

2、将处理剂添加到正在使用的钻井液中，调节、维护钻井液性能。

处理剂研发趋势：

新型、高效、无毒、多功能。

水溶性聚合物概况

水溶性聚合物：

能溶解或溶胀于水中，形成水溶液或分散体系的强亲水性高分子材料。

水溶性聚合物的结构特征：

分子中含有大量的亲水基团：

①极性基团，如羟基、醚基、胺基、酰胺基等； 

②阴离子基团，如羧酸基、磺酸基、磷酸基、硫酸基；

③阳离子基团，如叔胺基、季铵基等。

水溶性聚合物类别：

按构成主链的原子不同，可分为碳链和杂链水溶性聚合物；

按链结构，可分为线型、支链型及交联型水溶性聚合物；

按分子所具电荷，可分为非离子、阴离子、阳离子及两性水溶性聚合物 

按聚合物来源分为四类：

1、天然水溶性聚合物：

淀粉类、海藻类、植物胶类、动物胶类；

2、改性天然水溶性聚合物：

改性淀粉、改性纤维素、改性胍胶、改性木质素；

3、合成水溶性聚合物：

聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、胺基树脂、酚醛树脂；

4、生物聚合物：

黄原胶、硬葡聚糖、鼠李糖脂。

水溶性聚合物的功能及应用

功能：

分散、絮凝、增粘、减阻、粘合、成膜、成胶、螯合等多种功能。

结构多变性：

分子量可以控制（高到数千万，低到几百）；

亲水基团的强弱和数量也可以按要求加以调节；

亲水基团等活性官能团还可以再反应，形成具有新官能团的高分子化合物。

水基钻井液处理剂作用机理

1、处理剂的作用机理

问题提出：

钻井液性能的微观本质是什么？

水基钻井液组成：

水+土+化学处理剂

本    质：

分散相（粘土）的分散状态决定钻井液性能。

量的体现：

土含量加上分散状态数值大小。

2、处理剂的研制

（1）明确处理剂在钻井液中作用效能要求，以及处理剂实现这些效能要求的途径；

（2）研究具有这种作用的处理剂本身应该具有什么样的要求。

（3）具有这种效能和性能的处理剂在分子结构上应该具有什么特点。

（4）实现这种分子结构所需要的化学途径。

（5）处理剂的应用规律和效果评价。

3、钻井液及处理剂发展情况

现代钻井技术对钻井液的要求：

（1）辅助钻井提高钻井速度。

（2）保证钻井井下安全，防止钻井过程中各种复杂问题发生，如井塌、卡钻、井喷、井漏等。

（3）保护油气层，提高油气井产量。

 钻井液及其处理剂正是在不断满足钻井工程要求的基础上发展起来的。

我国钻井液技术突出发展的几个阶段

（1）钙处理钻井液阶段（60年代-70年代）

特点：

利用：

无机盐CaO、NaCl提高井壁稳定性；

利用：

FCLS、NaC、CMC及一些表面活性剂维持钻井液性能的稳定。

2）三磺钻井液阶段（70年代后期）

 ——主要用在深井。

三磺处理剂：

SMP、SMC、SMK（老三磺），有效地降低钻井液高温高压失水，进而提高井壁稳定性。

用这类处理剂成功钻成我国最深的两口井：

1974年的女基井（7175米）、关基井（6011米）。

——有人称这是我国钻井液技术的第一大进步。

（3）聚磺钻井液阶段（70年代末-80年代）

聚磺钻井液：

聚合物钻井液+三磺钻井液。

即：

在三磺水基钻井液基础上引入阴离子型丙烯酰胺类聚合物抑制剂。

——有人称这是我国钻井液技术的第二大进步。

（4）阳离子、两性离子聚合物钻井液阶段（80年代 末-90年代）

阳离子聚合物钻井液：

聚合物分子结构上引入阳离子基团：

（-N+-）

如：

阳离子聚丙烯酰胺、羟丙基三甲基氯化胺。

两性离子聚合物钻井液：

聚合物分子结构上引入阳离子和阴离子两种基团。

如FA-367、XY-27等。

——有人称这是我国钻井液技术的第三大进步。

我国水基钻井液类型

聚合物水基钻井液

聚合醇水基钻井液

甲基葡萄糖甙水基钻井液

甲酸盐水基钻井液

硅酸盐水基钻井液

MEG钻井液

钻井液处理剂分类

两种分类：

1、按照组成分类：

腐植酸类、纤维素类、木质素类、单宁酸类、沥青类、淀粉类、聚合物类。

2、按照作用和功能分类：

16大类，260种。

降滤失剂、增粘剂、乳化剂、页岩抑制剂、堵漏剂、降粘剂、缓蚀剂、表面活性剂、润滑剂、加重剂、杀菌剂、消泡剂、泡沫剂、絮凝剂、解卡剂、除钙剂、PH控制剂

分散性钻井液及其处理剂

本质：

钻井液性能的维持和实现是靠处理剂在钻井液中对粘土粒子的分散作用实现的。

特点：

处理剂主要起分散作用，给钻井液带来分散环境，对所有粘土粒子均起分散作用。

内部结构：

以卡片式房子结构为主，即：

E—E、E—F。

1、分散性钻井液降粘剂—降低粘度处理剂

降粘剂概念：

不降低钻井液粘土含量而降低粘度、切力的处理剂（不包括无机盐）。

——降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。

钻井液粘度构成：

粘度=η结+η非结 

降粘剂定义：

通过降低钻井液结构粘度来降低钻井液有效粘度的处理剂。

钻井液粘度高的原因

A.钻井液固相颗粒过多→粘度、切力增加；

b.粘土粒子形成卡片式房子结构→粘切增加；

c.钻井液中自由水含量大幅度减少→粘切增加.

降粘剂作用原理

降粘剂的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，削弱边 -边、边 -面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。

首先选择性或优先多点吸附在粘土粒子的端面，增加端面负电荷分布密度，提高粘土粒子端面ζ，增加水化膜厚度，阻止或削弱结构形成。

根据降粘剂的降粘稀释机理可以认识到降粘剂的三个作用特点：

 a.  作用在粘土颗粒的端面；

 b.  用量少、效果显著（因为端面少）；

 c.  主要降低钻井液的YP、G、η’，不降PV。

2、降粘剂的分子结构要求

① 分子量

一般地，降粘剂分子量为：

几千--1万左右。

 ② 吸附基团

     ◆ 与Al+++离子配位基团

     ◆ 与Al+++离子发生沉淀反应的基团

     ◆ 含有邻酚羟基的基团

 ③ 水化基团

     阴离子基团：

—COO-、—SO32-、—PO3-1

④两种基团比例应适当

a. 吸附基与水化基比例：

与处理剂作用的矿化条件、PH相关。

规律：

矿化度↗→要求水化基比例↗。

b. 水化基种类与比例应该与抗钙抗盐要求想适应。

⑤降粘剂与分散剂区别

降粘剂特点

h只能在端面，不能在表面和层间作用。

h用量少，逐次使用效果下降。

h用量多时，吸附在平面起另外作用。

h不增加粘土粒子浓度。

分散剂特点

h促使粘土粒子对面分开。

h使已经分开的保持稳定。

h增加粘土粒子浓度。

分散性钻井液典型降粘剂类型

单宁酸钠（NaT）

磺甲基单宁（SMT）

铁铬木质素磺酸盐 （FCLS）

多聚磷酸盐

分散性钻井液的降滤失剂

降滤失剂控制失水的三条主要途径 ：

 ① 参与形成泥饼，通过减小泥饼渗透率降失水（特指外泥饼）——主要作用。

例如：

地层岩石的渗透率通常为：

10-2-14μm2之间。

未经过处理的膨润土钻井液泥饼渗透率为：

10-5-10-6μm2之间。

钻井液中加入降滤失剂后，泥饼渗透率为：

10-7μm2。

 ② 用内部空间网状结构对自由水的束缚降低失水。

 ③ 提高液相粘度，增加液相流动阻力来降低失水。

泥饼形成过程与泥饼控制

    泥饼形成过程始终是一个架桥并逐级填充过程。

需要三种粒子：

 ①  架桥粒子：

第一次与孔隙大小相当粒子（浓度低、易找）

 ②  逐级填充粒子：

以后减小孔隙的粒子（易找）

 ③  最小填充粒子：

最后一级填充粒子。

决定泥饼最后渗透率（<1u）。

难找！

低分子量降失水剂使用特点

①处理剂用量较大

如：

淀粉、腐植酸、磺甲基酚醛树脂（SMP）等。

②处理剂有降粘效果

如：

铁铬木质素磺酸盐（FCLS）、腐植酸。

高分子量降失水剂使用特点

① 用量少，分子量越大，用量越少；

② 随分子量增大，絮凝趋势明显增强；

③ 钻井液性能表现出聚合物溶液性质；

     如：

高聚物抗盐，则钻井液抗盐。

④ 提高液相粘度；

⑤吸附主要为氢键吸附，其次为静电吸附；

⑥吸附形态：

一个链上吸附多个粒子；

⑦分子量大小：

国外：

>50万

              国内：

>20万

⑧水化基比例一定要大于吸附基。

如：

水解聚丙烯酰胺（HPAM、PHP）

        水解度：

30%-50%为絮凝剂

        70%-80%为降失水剂。

惰性降失水剂

定义：

在钻井液中以固体颗粒、液滴形式高度分散，基本不溶于水，在泥饼构成中形成堵塞和封堵孔道的物质。

品种：

磺化沥青、乳化沥青、白碳黑、细目碳酸钙、分散性石蜡、水解纤维粉等。

惰性降失水剂作用特点

（1）既不与粘土粒子，也不与处理剂发生反应；

（2）本身在水中不溶解而又能高度分散，同时，有些产品具有疏水性质；

（3）在一定温度和压差下可以变形（具有软化点）。

惰性降失水剂类型

（1）超细碳酸钙

粒度：

1200目-2500目（<5mm）

特点：

酸溶性好：

98%颗粒能溶于15%浓度盐酸中。

（2）磺化沥青（SAS、FT-1）

制备：

沥青原料+磺化剂→NaOH中和、烘干。

关键：

磺化度和软化点。

要求：

磺化度适中，软化点高。

沥青类惰性降失水剂

磺化沥青:

磺化沥青产品中80%的成分能水溶，另外有20%的不溶性颗粒。

其在钻井液中的应用及特性如下：

1）磺化沥青的水溶性成分吸附到粘土颗粒上，起分散和护胶作用，有利于形成致密的泥饼，水不溶的高度分散的粒子作为钻井液泥饼的填空粒子以改善泥饼质量，降低泥饼渗透性、摩擦系数和HTHP滤失量；

2）钻井液在井下的温度超过沥青软化点，则其微粒具有可变形性，因此能形成渗透率很低而可压缩性好的泥饼，特别适合于深井加重钻井液控制造壁性；

3）高温下能有效封堵井壁地层的微裂缝，有利于深井防塌和产层的保护；

4）可用于260℃以上高温探井及各种矿化度的钻井液中。

氧化沥青和乳化沥青

氧化沥青是将天然沥青或石油沥青与氧气反应制得，氧化的目的主要是提高沥青的软化点。

氧化沥青在水中不溶解但能分散。

乳化沥青是通过加入表面活性剂将沥青的亲油表面转变成亲水表面，形成不溶于水但又能在水中高度分散成细小颗粒的钻井液处理剂，因此它是一种惰性降滤失剂。

其在钻井液中的应用及特性与磺化沥青的水不溶部分类似。

（3）乳化石蜡

制备：

碳12-18正构烷烃+水+表面活性剂。

关键：

表面活性剂。

  如：

司盘、吐温、平平加、聚乙二醇高级脂肪酸酯、聚氧乙烯季胺盐。

聚合物钻井液的抑制性

抑制性：

抑制泥页岩造浆—不准泥页岩变成很细颗粒而成为钻井液组分。

 两个概念：

a.   大颗粒不准变小（抑制分散）

b.  已经变小（机械作用）的钻屑发生絮凝作用而变大（絮凝）

这两方面构成了聚合物钻井液抑制作用。

包被作用：

聚合物长链在粘土上发生多点吸附，使聚合物粘覆于粘土粒子上，使得聚合物水化膜形成一层保护膜，从而阻止外层水进入，水化。

因此，聚合物浓度越大，效果越好；吸附基越多，效果越好。

类似于絮凝作用。

因为从分子结构上讲，絮凝能力与包被能力一致（仅为推测）。

水基钻井液特点

1、高温恶化钻井液性能（高温下性能）

造壁性：

失水量变大、泥饼变厚。

流变性：

变化复杂。

升温减稠：

粘土含量低、非结构粘度比重较大。

升温增稠：

存在临界温度TB 

T

T>TB  升温增稠

升温胶凝：

粘土含量高、抗温能力弱、结构粘度比重较大。

不能用井口性能评价井底性能。

必须测定井底下的性能。

2、高温降低钻井液的热稳定性

热稳定性：

钻井液经高温长时间作用前后性能的变化。

造壁性的热稳定性：

一般 失水量变大、泥饼变厚。

SMP-SMC盐水钻井液 失水量变小、泥饼变薄。

3、高温降低钻井液的pH

泥浆矿化度越高，pH降低越多。

pH越高，pH下降越快。

不能用加碱的办法来提pH。

采用低pH泥浆；加入表面活性剂

4 、高温增加了处理剂耗量

温 度 范 围  ℃               处理剂耗量增加值  %

 由93增至121                                           50

 由121增至148.9                                     100

 由148.9增至176.7                                  100

 井温每增加28 ℃ ,处理剂耗量增加一倍。

 原  因：

维护高温高压下性能需要更多的添加剂；弥补高温 破坏（长时间作用）所带来的添加剂消耗 。

5 、高压对水基钻井液的影响

研究不多，一般认为压缩对水基钻井液体积并无大影响，对钻井液密度和粘度影响小。

高温高压对油基钻井液性能的影响

1 、温度对油基钻井液性能的影响

1）高温降低油浆（W/O）的电稳定性,

乳状液稳定性降低。

原因：

高温降低液相粘度

高温降低乳化剂效能甚至破坏乳化剂。

2）高温降低油浆的粘度

油浆粘度降低主要来源于柴油粘度，塑性粘度降幅大。

3）高温增加油浆滤失量

 原因：

液相粘度降低;

乳化效果变差，水滴变大。

——150 ℃以下滤失量用稳定的水滴能控制，更高温度必须使用降滤失剂。

2 、高压对油浆性能的影响

  压力越高，粘度切力增大。

  压力对油浆粘度的影响主要来自柴油自身所受的影响。

  压力越大，温度对粘度的影响越大。

  单位压力对油浆粘度的增幅比单位温度对粘对的降幅大得多：

 68MPa下：

塑性粘度降幅0.22mPa.S/ ℃

           动切力降幅0.029mPa.s/ ℃

65.56 ℃下:

塑性粘度增幅1.005mPa.S/ MPa

         动切力幅0.08mPa.s/ Mpa。

高温影响钻井液性能的原因：

（1）高温影响粘土状态及性质：

分散状态、表面特性。

（2）高温影响钻井液组份（添加剂）及组份之间的相互作用：

高温降解、高温交联。

（3）高温影响添加剂与粘土之间的相互作用：

   高温解吸。

1、粘土粒子的高温分散作用

定义：

粘土粒子在高温作用下自动分散的现象。

结果：

粘粒浓度增大，比表面积变大，钻井液表观粘度、切力上升。

本质：

高温促进的水化作用，不可逆的。

1）高温促进粘土水化分散的原因

高温增强了水分子渗入粘土晶层表面的能力。

钻井液中的CO32-、OH--、Na + 进入表面进一步提高水化能力。

高温促进了八面体片中Al3+的离解，使粘土负电荷增多，水化能力增强。

粘土矿物微粒热运动加剧，增强了水化膨胀后片状粒子彼此分离的能力。

2） 影响粘土高温分散的因素

①粘土种类 —决定性因素

钠膨润土》钙膨润土》高岭土

②温度高低及作用时间

③介质环境性

¨ CO32-、OH-、Na + 有利于分散。

¨ 高价金属离子Al 3+ 、Ca 2+ 、Fe 2+不利于分散（抑制高温分散）。

¨ 分散性添加剂如FCLS、NaC、NaT、SMT等有利于分散。

3 ）高温分散对钻井液性能的影响

①对高温下流变性的影响

使钻井液粘度、切力增大。

理想悬浮体：

水、油。

粘土悬浮体：

存在高温分散。

粘度的降温曲线比升温曲线高，高差程度由粘土含量及分散作用的强弱决定。

高温胶凝：

钻井液中粘土含量大于一定值时，钻井液高温作用后伤失流动性形成凝胶。

用分散性降粘剂如FCLS、SMT、SMK不能解决因高温分散引起的增稠问题。

②对热稳定性的影响

现象：

产生高温后增稠，甚至高温后胶凝，破坏泥浆热稳定性。

表现：

井口钻井液性能不稳定，粘、切上升很快；

           处理频繁，处理剂用量大。

           起下钻后钻井液粘度切力明显增大。

③防止钻井液高温胶凝的途径

使用抗高温的添加剂有效抑制和减少粘土的高温分散—本质

把粘土含量控制在量限以下，该量限称为粘土的高温容量限—关键。

粘土的高温容量限：

在一定温度下，钻井液体系发生高温胶凝所须的最低土量。

影响粘土的高温容量限的因素：

        w土的种类；

        w温度高低；

        w介质环境；

        w添加剂性能。

        粘土的高温容量限只能由实验方法测得。

磺化钻井液体系：

180--200 ℃ 膨润土量限约7%（体积）

        粘土的高温容量限是高温泥浆体系使用和控制的重要指标。

国外用膨润土含量来衡量（MBT值）  

2 、粘土粒子的高温聚结作用

①高温去水化：

高温引起粘土表面水化膜变薄（可逆）.

②处理剂的高温解吸：

温度升高，处理剂在粘土表面的吸附量降低的现象（可逆）。

③高温聚结作用：

在高温作用下，由于粘土的高温去水化、处理剂的高温解吸以及粘土粒子热运动加剧（碰撞频率增加），使粘土粒子的聚结稳定性降低的现象。

特  点：

随温度可逆。

影响高温聚结的因素：

  w 粘土粒子的分散度和水化能力 

  w 温度高低、电解质浓度和种类

  w 添加剂种类及用量