《钻井液化学》PPT课件.ppt

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1、第二章 钻井液化学,钻井液是指在旋转钻井工程中用作洗井的流体的总称，原称泥浆。是由不同液体、固体以及化学处理剂混合而成的多相分散体系（包括悬浮体、胶体、真溶液）。钻井液化学主要研究钻井液的组成、性能、及其控制与调整，目的在于实现优质、快速、安全、经济地钻井。,钻井液通过钻杆与地层或钻杆与套管之间的环形空间循环上返至地面，钻井液性能的好坏直接关系到钻井的成败，人们常以钻井液是钻井的血液来比喻其重要性。充分显示了泥浆在钻井工作中的重要性。,第一节 钻井液的功能与组成一、钻井液的功能 1、携带和悬浮钻屑 泥浆的一个基本功用，就是要把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼。当接钻杆换钻头或临时停止循环时，泥浆又

2、把井眼内的钻屑悬浮住，不致很快下沉，防止沉砂卡钻的危险。,2、稳定井壁 井壁稳定、井眼规则是优质快速钻井的基础条件，也是泥浆措施的基本立足点。泥浆的组成必须对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用。同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。,3、冷却和冲洗钻头、润滑钻头 钻井过程中，钻头、钻柱与地层摩擦产生大量的热，但地层的温度比钻井液高，因而这些热量很难被地层散发掉，必须用循环的钻井液带至地面散发掉，从而起到冷却钻头和钻杆的作用。钻井液中加有各种润滑剂或原油，能对钻柱有一定程度的润滑作用，从而降低钻柱扭矩，延长钻头寿命。,4、平衡地层压力 调节钻井液密度建立与

3、地层压力相适应的液柱压力，防止发生井喷、井长、井漏的井下复杂问题。,5、冲洗井底,钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底的作用。,5、冲洗井底,钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底的作用。,6、悬浮岩屑和固体密度调整材料,钻井液悬浮岩屑和固体密度调整材料的能力，可使钻井液停止循环后易于再启动。,7、获取地层信息,通过钻井液携带出的岩屑，可以获取许多地层信息，如油气显示、地层物性等。,8、传递功率,钻井液可通过它在钻

4、头水眼处形成的高压射流，将钻井液泵的功率传至井底，提高钻头的破岩能力，加快钻井速度。若用涡轮钻具钻井，钻井液还可在高速流经涡轮叶片时将钻井液泵的功率传递给涡轮，带动钻头，破碎岩石。,二、钻井液的组成和分类1.钻井液的组成 钻井液是由不同的固体（如：粘土）、液体（如：水、油）与化学处理剂（如：丹宁）混合而成的多相分散体系-胶体悬浮体。即由分散介质、分散相和钻井液处理剂组成。,2、钻井液的分类目前使用的钻井液有两种基本类型：水基钻井液 连续相是水，水可以是淡水、海水、硬水、软水等，内相包括固体、液体和气体。活性固体受化学剂处理以后可以控制钻井液的性质。油基钻井液 连续相是油，内相是水，水含量550

5、%，含水10%以上的称为油包水乳化泥浆，低于10%的称为油基泥浆。,（1）油包水泥浆 以柴油或原油作分散介质，水及有机膨润土或其它的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制而成。特点：热稳定性高，有较好的防塌、润滑效果，对油气层的损害小，常用于超深井的高温地段，钻进易塌地段。,（2）油基泥浆 由柴油或原油和氧化沥青或有机膨润土及有关处理剂配成。特点：对油层损害小，抗可溶性盐浸的能力强。大部分地区使用水基钻井液。油基钻井液由于成本高一般用于钻高温、复杂的水敏地层，钻大斜度的定向井和水平井，或者水基钻井液会使油层严重破坏的地层。,三、钻井液体系简介1、自然钻井液体系（19041921）开始于19

6、04年1921年间，使用清水钻井，不加任何处理剂。使用时经常出现复杂井下问题。,2、细分散钻井液体系（1921-）又称Na-基泥浆，特点是粘土颗粒高度分散。在本阶段中，由于人为地加入粘土来配制钻井液，并加入一些化学分散剂如：纯碱、烧碱、丹宁等，使粘土充分分散，大大改善了钻井液性能。随着井的加深，井温的升高，此种钻井液对地层的盐类和粘土特别敏感，性能不稳定，粘度和切力变化比较大。,3、粗分散钻井液（1946-）其特点是采用了多种无机盐作粘土分散抑制剂如：CaCl2等，配合以耐盐的降粘剂（稀释剂）、降滤失剂而配制成粗分散体系，从而大大提高了其耐温和抗各种侵污能力。如：粗分散的钙处理泥浆、盐水泥浆。

7、,4、不分散低固相聚合物钻井液体系（1966-）其特点是使用了有选择性絮凝剂，如：聚丙烯酰胺及其衍生物，醋酸乙烯酯与顺丁烯二酸酐的共聚物。它们可以对岩屑起包被作用，控制分散。配制时保持低固相含量（小于4%），因而大大提高了钻速。,概括来讲，泥浆类型从细分散的钠基泥浆发展到粗分散的钙处理泥浆、盐水泥浆；从水基泥浆发展到油基泥浆、油包水乳化泥浆；从无机处理剂、一般有机处理剂发展到高分子化合物和表面活性剂。,第二节 钻井液性能要求与调整一、钻井液密度 定义：指单位体积内钻井液的质量kg/m3。作用：主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地层压力，防止发生井喷、井塌。要求：必须根据所钻地层的孔隙压力、

8、破裂压力以及钻井液的流变参数加以确定。调整：（1）提高密度采用合格的加重剂如：石灰石、重晶石；（2）降低密度可采用加水稀释，或是气体或加稀的处理剂。,二、钻井液的固含量 定义：泥浆中所含固相物质的多少称为泥浆的固相含量，一般用体积百分数来表示。分类：根据钻井液中固体的性质可将其分为两类：（1）活性固体。这些固体在水中水化分散，它们的物理化学性质受水中离子和钻井液处理剂的影响，如粘土。（2）惰性固体。这些固体不溶于水，它在水中也不水化分散，如：重晶石、石灰石等。,钻井液固含量对钻速的影响 固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代钻井工艺中特别强调控制固相含量。空气和天然气是钻速最快的流体。水是钻

9、速最快的液体，当水中加入固体物质以后将导致钻速下降。固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代钻井工艺中特别强调控制固相含量。固相中粘土比其它固体对钻速的影响要大。,三、钻井液的酸碱度pH值：一般钻井液的pH值控制在8.511.5之间。一些钻井液的最佳控制是基于pH值。酚酞碱度：当pH值降到8.3所需酸的数量称为酚酞碱度，一般用Pm表示钻井液的酚酞碱度。用Pf表示钻井液滤液的酚酞碱度，单位是mL。其意义是：钻井液中除OH-外还有CO32-、HCO3-，当pH=8.3时，OH-+H+H2O反应完成，但HCO3-还存在：CO32-+H+HCO3-。一般钻井液控制存在1.31.5mL。,甲基橙碱度 p

10、H值降到4.3时所需酸的量称为甲基橙碱度。钻井液的甲基橙碱度用Mm表示，钻井液滤液的甲基橙碱度用Mf表示。用途：当pH=4.3时，H+HCO3-H2O+CO2,为了对付地层Ca2+对钻井液的造成的侵害（使泥浆的性能不稳定，流动性和滤失性受到严重影响，称之为钙侵）。为此，可用石灰处理泥浆，辅助以其它处理剂配制钙处理泥浆。对钻井液进行滴定以确定石灰石钻井液体系内可溶性和不溶性石灰的含量。对钻井液滤液进行滴定以确定石灰在钻井液中的含量（Pf），不溶解石灰量可用Pm-Pf计算出来。通过pH酚酞碱度和甲基橙碱度可以计算出钻井液中OH-,HCO3-、CO32-的浓度。常用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢

11、钠等物质调节pH。,四、可溶性盐类含量 总矿化度：是指钻井液中水溶性无机盐的总浓度含盐量：指钻井液中NaCl的含量 含钙量：指钻井液中游离的Ca2+含量 游离石灰含量：指在钻井液中未溶解Ca(OH)2的含量,可溶性盐含量对钻井液性能的影响（1）钾盐有抑制粘土膨胀及分散的作用，故可以减轻粘土含量高时对油层的损害，并可控制地层造浆，有利于防塌。（2）饱和盐水钻井液可抑制岩盐的溶解，防止井塌，获得规则的井眼。（3）但是配制较高含盐量的钻井液需消耗较多的处理剂费用较大，且会加剧钻具的腐蚀。,针对具体情况，对钻井液中各种盐的含量有不同的要求。例如：淡水钻井液含盐量不得超过10 kg/m3。而钻盐岩的钻井

12、液的含盐量随时保持饱含状态，甚至可以过饱含。对于水敏层，含一定量的K+或NH4+的钻井液有利于防塌。,五、钻井液的滤失性和造壁性 1、滤失性 在钻井过程中，在液柱压力与地层压力差（以及浓度）的作用下，钻井液的水向地层渗透的现象。2、造壁性 钻井液在滤失水的同时，其中固体颗粒在井壁上形成一层滤饼，称为造壁性。3、滤失量 钻井液在一定的压差下和温度下，通过45.80.6cm2过滤面积的滤纸，经过30 min后滤液的数量称为滤失量，单位是mL。,4、滤失量大造成的危害泥浆的失水量过大会引起：（1）水敏性泥页岩的垮塌；（2）损害油、气产层。（3）泥浆的失水量过大造成滤饼过厚进而会引起起钻具时提力增加，

13、甚至遇卡；妨碍套管的顺利下入，不利于固井时水泥与井壁的胶固，影响固井质量。,5、滤饼的质量好的泥浆的滤饼一定要薄、致密、韧性好能经受泥浆流循环时的冲刷，滤失量低。,A：滤饼面积（cm2）；K：滤饼的渗透率（达西）；：钻井液滤液粘度（厘泊）；P：压差（Pa）；t：时间（s）；Cc：滤饼中固相的体积分数；Cm：钻井液中固相体积分数；,6、影响钻井液滤失量和滤饼质量的因素 经数学推导和物理模型简化，钻井泥浆的滤失量可用达西公式表示：,其中 固相含量系数、K主要由钻井液固相含量、固相类型、颗粒分布以及水化分散程度有关，具体来讲：（1）钻井液中优质活性固体膨润土含量增加一般滤失量下降。然而钻井液中固相含

14、量增加会使钻井液粘度升高，为了使钻井液有好的流动性，不采用提高钻井液固相含量的方法来降低滤失量。（2）降滤失剂如：CMC、磺甲基褐煤、酚醛树酯、烯类单体聚合物等能堵塞滤饼的孔，降低K。,降滤失剂1、钻井液滤失量过大的危害及使用降滤失剂的必要性（1）钻井过程中钻井液滤失量大，容易引起泥页岩的水化膨胀、造浆和井漏井塌，造成井壁不稳定；（2）钻井液和滤液侵入地层引起粘土膨胀，堵塞地层油气流通道损害产层。,（3）滤失量大的同时滤饼增厚，而滤饼增厚使井径缩小，给旋转的钻具造成大的扭矩，容易造成卡钻 所以，钻井液滤失量大，对快速、优质、安全钻井可能带来很大的危害，严重时可使井报废。因此适当地降低滤失量是钻

15、井液的性能要求，为此需加入降滤失剂。,2、形成低渗透率、滤失量小的滤饼的条件（1）合理的多级分散的颗粒分布 固相颗粒尺寸分布范围宽所形成的滤饼的孔隙度比固相颗粒尺寸分布范围窄所形成的滤饼的孔隙度低。固相颗粒尺寸逐渐地变化，而固相中小颗粒适当的多，这样所形成的滤饼有低的孔隙度。（2）胶体颗粒的类型 如果胶体颗粒水化性好，则在压力下容易变形，所形成的滤饼的渗透率自然降低。,3、降滤失剂的作用机理（1）护胶作用 降滤失剂一方面能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大；另一方面能把在钻井液循环搅拌下拆散的细粒稳定下来，不再粘结成大颗粒。这样能大大增加细小颗粒的比例，从而使钻井液能形成薄而致密

16、的滤饼，降低滤失量。这种作用称为降滤失剂的护胶作用。（2）降滤失剂分子本身的堵孔作用 大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的范围内，加入这些处理剂就增加了钻井液中胶体的含量，它们对滤饼有堵孔作用，从而降低滤失量。,注意点：降滤失剂在钻井液中的浓度一定要足够高。一方面利于将拆散的粘土颗粒包围起来，另一方面，因水化基团的水化而形成厚的水化膜，使粘土颗粒不易合并变大。加入降滤失剂的浓度低于护胶作用所需要的浓度时，降滤失剂会引起钻井液中的粘土颗粒更容易聚沉，这种作用称为高分子的敏化作用。,常见的有机降滤失剂一、羧甲基纤维素钠（Na-CMC）,羧甲基,粉状羧甲基纤维素钠,1、纤维素的结构 纤维素

17、是由许多环式葡萄糖单元或称链节构成的长链状高分子化合物，其结构式可表示为：,羟甲基,2、Na-CMC的制备（1）碱化 将除去杂质的脱脂纤维素用约20%的NaOH处理，变成碱纤维素，其中的羟甲基反应活性最高，由于碱化过程中有降解作用，使聚合度降低，故聚合度改用n。,（2）醚化（羧甲基化反应）碱化完成后，加入醚化剂（ClCH2COONa和Na2CO3）在一定的温度下反应一段时间引入羧甲基，则生成水溶性的Na-CMC。,（3）老化 将捏合机中醚化好的产物装入容器中，在室温下老化一段时间，使醚化反应完全。（4）将老化好的Na-CMC干燥，粉碎后包装。这就是现场使用的Na-CMC。,3、Na-CMC的结

18、构特点（1）聚合度（平均聚合度）一般棉纤维素的平均聚合度为1800-2000左右。由于制备过程中产生降解，所以 Na-CMC的聚合度为200-600，仍属长链大分子。Na-CMC的聚合度决定其水溶液的粘度，在相同的条件下，聚合度越高，水溶液粘度越大。,Na-CMC分为三个等级：高粘度的Na-CMC，在25时1%水溶液粘度为400-500mPas。一般用作低固相钻井液的封堵剂和增稠剂；中粘Na-CMC，在25时2%水溶液粘度为50-270mPas。一般用作钻井液降滤失剂，同时又提高钻井液的粘度；低粘Na-CMC，在25时2%水溶液粘度小于50mPas，可用作钻井液降滤失剂，但又不增加钻井液的粘度

19、。,（2）醚化度 醚化度一般用醚化了的羟基数（即取代度）表示。例如每个葡萄糖链节上的三个羟基都醚化了，则取代度为3；如果两个链节有一个羟基被醚化了，则取代度为0.5。另一种表示方法为百分数，以每个链节上有一个羟基被醚化了则醚化度为100%，而每两个链节上只有一个羟基被醚化时，则醚化度为50%。,（3）Na-CMC的抗无机电解质的性能 Na-CMC的碱金属Na+、K+和碱土金属Ca2+、Mg2+、的盐都可溶于水，而后者的溶解度比前者小。遇到重金属离子Ag+和高价Al3+、Fe3+、Cr3+等生成沉淀，所以Na-CMC可用于含盐的钻井液和一般钙基钻井液，但CaCl2浓度过高会引起 Na-CMC絮凝

20、。（4）Na-CMC的抗温性能 因为Na-CMC的分子链中有醚键，故抗温性不好，在一般钻井液中只能抗130-140。,4、Na-CMC的降滤失机理主要是护胶作用和堵孔作用。在Na-CMC分子链中，羟基和醚氧主要是与粘土颗粒表面的官能团氢键吸附，羧基钠主要是引起水化的官能团。降滤失剂能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大，发挥护胶作用。大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的范围内，它们对滤饼有堵孔作用，从而降低滤失量。,二、褐煤类,腐植酸含有多种官能团，如羧基、酚羟基、醇羟基、甲氧基、羰基等。,性能特点（1）分子内是-C-C-健相连，还有苯环，所以热稳定性相当好，最高可抗20

21、0 温度。（2）抗盐性不好，这是因为分子中含有羧基。,（一）煤碱剂（NaC）腐植酸钠 煤碱剂是由褐煤粉加适量烧碱和水配制而成的，其中的主要有效成份为腐植酸钠，是一种低成本的处理剂。褐煤含有大量的腐植酸（20-80%），腐植酸难溶于水，易溶于碱，生成腐植酸钠。现场常用配方为:褐煤:烧碱:水=15:(1-3):(50-200),煤碱剂降滤失量的机理 主要是护胶作用和堵孔作用。腐植酸钠是含有多种官能团的阴离子型大分子，通过氢键能吸附在粘土颗粒表面，羧酸钠形成吸附水化层，提高了粘土颗粒的稳定性，使钻井液中粘土颗粒保持多级分散状态，并有相对多的细颗粒，所以能形成致密的滤饼；另外高分子的堵孔作用，使滤饼更

22、致密，从而降低滤失量。,（二）磺甲基褐煤（有效组份是磺甲基腐植酸钠）它是由甲醛和Na2SO3或NaHSO3在pH=9-11的条件下对褐煤进行磺甲基化反应制得。,(三)铬褐煤（铬腐植酸）铬腐植酸是Na2Cr2O7和褐煤的反应物。其中腐植酸与Na2Cr2O7的重量比为3:1或4:1。两者混合后在80以上反应生成腐植酸的铬螯合物，铬腐植酸是其有效成份。反应包括氧化（生成Cr3+）及螯合两步。铬腐植酸在水中有较大的溶解度，其抗盐、抗钙能力以及热稳定性也高于腐植酸钠。,磺甲基,磺甲基,所得产品进一步用Na2Cr2O7进行氧化和螯合，生成的磺甲基腐植酸铬处理钻井液的效果更好。主要特点是热稳定性高，在200

23、-220下它能有效地控制钻井液的滤失量和粘度。其突出特点是抗盐能力增强。,由FCSL(木质素磺酸盐)、铬腐植酸和表面活性剂如司盘-80组成的“铬腐植酸活性剂钻井液”具有很好的热稳定性和防塌效果，现场曾在6280m的高温深井（235）和易塌地层中作用,防塌效果明显说明钻井液滤失量低,三、酚醛树脂类（一）磺甲基酚醛树脂（SMP和SP）1、SMP的合成路线是：先在酸性条件下（pH=3-4）下使甲醛和苯酚（苯酚过量）反应，生成适当分子量的线型酚醛树脂，再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行磺化。适当控制反应条件，可得到磺化度较高和分子量较大的产品。特点是线型结构，没有交联。,2、另一条合成路线：将苯酚、甲

24、醛、Na2SO3/NaHSO3一次投料，在碱催化下，边缩合边磺化，生成磺甲基酚醛树脂：,磺甲基酚醛树脂具有如下特点：1、分子主链由亚甲基桥和苯环组成，故热稳定性高，可抗180-200高温。2、因引入的磺酸基，其抗电解质能力是很好。3、SMP、SP除具有降滤失能力外，还能改善滤饼的润滑性。,四、烯烃单体聚合物类（一）部分水解聚丙烯腈HPAN 1、合成及制备 聚丙烯腈是由丙烯腈聚合而成的高分子聚合物，平均分子量从12.5-20万，即平常所说腈纶（人造毛）。,聚丙烯腈不溶于水、价格又高，所以将腈纶废丝用碱水解后的产物作为钻井液的处理剂：,分子链中-CN、-CONH2是吸附基，-COONa是水化基。,

25、2、性能特点：（1）聚合度和水解度部分水解聚丙烯腈处理钻井液的性能，主要取决于聚合度和水解度。聚合度较高的Na-HPAN，降滤失能力比较强，增加钻井液粘度能力也较强。聚合度低的Na-HPAN，降滤失能力较低，增粘作用也差。水解度影响其水溶性，一般控制水解度在10-30%。,（2）Na-HPAN主链是-C-C-键，可抗240250高温，抗盐能力较强，但抗钙能力较弱，能用于中等Ca2+浓度的钙处理钻井液中。碰到高浓度的CaCl2钻井液易生成絮状沉淀。（3）腈基在井底的高温碱性条件下水解生成-CONH2、进一步水解生成-COONa，这样缓和了高温对整个分子链的作用，故而具有抗高温性。此外，-CN还有

26、抗菌作用。所以，在配制部分水解聚丙烯腈时往往少加一些碱，以便保留部分腈基和酰胺基。,1、合成与制备 在碱性条件下，聚丙烯酰胺与甲醛和亚硫酸钠反应得磺化聚丙烯酰胺：,（二）磺化聚丙烯酰胺,2、结构特点反应是在加热和碱性条件下进行的，所以伴有CONH2的部分水解。分子链上有吸附基-CONH2、-CH2OH和水化基-COONa、-CH2SO3Na，四种基团的比例不同，处理钻井液的效果也不同。磺化聚丙烯酰胺的抗温可达180-200-CH2SO3Na使其具有良好的抗盐能力。,六、高分子化合物对溶胶的保护保护作用或护胶作用在溶胶中加入一定量的高分子化合物，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，这种作用称为高分子

27、的扩胶作用。这是因为高分子化合物吸附在粒土颗粒表面形成一层分保护胶膜，双电层结构稳定，它包围了粘土颗粒，使其亲水基伸的水中，并具有一定水化膜厚度，所以胶粒间相互接近的吸引力大大减小，从而增加了胶体的稳定性。,高分子絮凝剂可以使钻井液中的钻屑和劣土处于不分散的絮凝状态，以便使用机械固控设备将其清除，较好地解决了分散型钻井液体系中钻屑、劣土的分散和在钻井液中的积累问题。其结果是不仅提高了钻速，还减少了钻井过程中的许多复杂问题，较好地保护了油气层。,这是因为高分子浓度低时，其分子可以同时吸附在几个粘土颗粒上形成多点吸附，通过塔桥的方式将几个胶粒连结在一起，再由于高分子本身的链段旋转、卷曲使胶粒聚集在

28、一起而产生沉淀。,第四节 钻井液化学添加剂 钻井工艺向高速、优质、超深井发展。钻井液体系亦不断发展，泥浆处理剂的种类也在不断地增加和更新。美国泥浆处理剂已超过二百种，我国也发展了近百种。,按处理剂在泥浆中所起的作用不同，可将泥浆处理剂分成以下十五类：（1）碱度和pH值控制剂；（2）杀菌剂；（3）除钙剂；（4）腐蚀抑制剂；（5）消泡剂；（6）乳化剂；（7）降滤失剂；（8）絮凝剂；,（9）起泡剂；（10）堵漏剂；（11）润滑剂；（12）页岩稳定剂；（13）稀释剂和分散剂；（14）增粘剂；（15）加重剂。,一些常用和重要的处理剂可分为无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂三大类。一、无机处理剂1、纯碱(

29、Na2CO3)又名苏打，水溶液呈碱性（PH=11.5）在水中电离和水解：Na2CO3=2Na+CO32-CO32-+H2O=HCO3-+OH-HCO3-+H2O=H2CO3+OH-,纯碱在钻井液中的功用：a.促使粘土的水化和分散，使钙粘土变成水化、分散好的钠粘土，起离子交换作用。配合稀释剂配制钠基泥浆。b.沉降Ca2+以处理钙侵Ca2+Na2CO3=CaCO3+2Na+,2、烧碱(NaOH)溶解时放热，水溶液呈强碱性(pH=14)烧碱在钻井液中的主要功用：a.用于控制钻井液的pH值；b.控制Ca2+浓度，Ca2+2OH-Ca(OH)2 c.与丹宁、褐煤等有机物配成碱液，使其有效成份变为溶解态。

30、,3、石灰 生石灰是CaO，吸水后变成熟石灰Ca(OH)2，在水中溶解度不大。在钻井液中的功用：a.提供Ca2+,使粘土的分散能力保持适度的粗分散，配合稀释剂、降滤失剂进行钙化处理，以得到性能稳定、对可溶盐侵污不敏感、对泥页岩防塌性能较好的钙处理钻井液体系。b.提高钻井液的碱度；c.配制石灰乳堵漏剂。,高温下可能固化，超深井慎用。,4、石膏（CaSO4）石膏有生石膏和熟石膏两种。生石膏CaSO42H2O，熟石膏CaSO41/2H2O，在水中的溶解度不大，微溶于水。功用：（1）处理泥浆提供Ca2+，配制粗分散体系的钙处理泥浆，但不提供OH-.（2）加重剂。,5、CaCl2 功用：氯化钙能大量溶于

31、水中且其溶解度随温度增加而增加，它比石灰、石膏的溶解度大得多。可用来配制防塌性能较好的高钙泥浆。用CaCl2处理时常引起pH值降低，同时CaCl2泥浆的pH值不宜过高，才能保证Ca2+的有效浓度。,6、食盐（NaCl）功用：食盐在钻井液中的功用主要是用于配制饱和盐水钻井液，以对付岩盐层和抑制井壁泥岩水化膨胀或坍塌。必须加高分子护胶剂才能配制成饱和盐水钻井液。,7、重铬酸钠（Na2Cr2O72H2O）又名红矾，为红色针状结晶，有强氧化性。水溶液呈酸性，易溶于水 Cr2O72-H2O=2CrO42-+2H+功用：在泥浆中重铬酸钠能与有机处理剂起复杂的氧化还原反应，生成Cr3+。而Cr3+又能与各种

32、多官能团的有机处理剂形成络合物（如木质素磺酸铬，铬腐植酸），增强有机处理剂的功能（可以大幅度降低钻井液粘度、调整切力）。,8、水玻璃（Na2SiO3，Na2OxSiO2）又称泡花碱，一般为粘稠的半透明液体，pH=11.5-12，能溶于水和碱性溶液。水玻璃在钻井液中的功用：a.水玻璃加入到泥浆后，可以部分水解成溶胶，属于无机高分子：Na2OxSiO2+(y+1)H2O=xSiO2yH2O+2NaOH硅溶胶可使部分粘土颗粒聚沉，从而保持较低的固相含量。,b.水玻璃泥浆对泥页岩的水化膨胀具有一定的抑制作用，所以有较好的防塌性能。c.当水玻璃溶液的pH降至9以下时，整个溶液变成不流动的凝胶，利用这一特

33、点，将混入水玻璃的泥浆打入预定井段进行胶凝堵漏。,9、FeCl3 FeCl3是棕褐色固体，易溶于水。其水溶液因水解呈现酸性：FeCl3+H2O Fe(OH)3+HCl 水解产物Fe(OH)3是亲水性胶状物，Fe(OH)3胶粒带正荷，易被带负电的粘土颗粒吸附，从而使泥饼油滑、细而致密，可以降低滤失量。因为水解产生酸，所以使用时应配合烧碱。FeCl3是胜利油田创造的“铁胶泥浆”的处理剂。,10、重晶石主要化学成份是BaSO4，纯晶体为白色粉末。比重大，为，现场使用的一般，是常用的泥浆加重剂。它不溶于水、有机溶剂、酸或碱的溶液，是常用的泥浆加重剂。为了使它很好地悬浮在泥浆中，一般细度要求99.9%能

34、通过200号筛。,11、石灰石主要成份是CaCO3，不溶于水，能溶于稀盐酸。比重为。磨成细末作泥浆加重剂。优点:不会堵死油气层，因在油井酸化时可被溶去。缺点：比重较小,12、氯化钾KCl外观为白色立方晶体，常温下比重为1.98，易溶于水，且溶解度随温度升高而增加。KCl是一种常用的无机盐类页岩抑制剂，具有较强的抑制页岩渗透水化的能力。与聚合物配合使用，可配成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。NH4Cl因相似的原因（NH4+直径0.286nm)，具有与KCl几乎相同的抑制效果，但钻井液pH值较高时，NH4+易水解而失效。,二、有机处理剂 按主要作用一般将有机处理剂分为稀释剂、降滤失剂、絮凝剂和

35、增粘剂。它们大多是水溶性高分子化合物。从来源看，可分为天然高分子及合成高分子。,1、稀释剂 30年代末：多聚磷酸盐（低温下效果较好，约65开始分解失效）40年代：丹宁（只适用于中深井，抗温到110-120）50-60年代至今：铬木质素磺酸盐（抗温到150）80年代：磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐（SSMA）（具有非常好的热稳定性，抗盐性，又有很好的稀释和降滤失效果）国内广泛使用的是：铁铬木质素磺酸盐（FCLS）和SSMA。,钻井液稠化原因 a、由于晶格取代，粘土颗粒表面带负电荷；又因断键，粒土颗粒端部又带部分正电荷，这样粘土颗粒不同部位的带电情况和水化程度就不同。一旦钻井液受到无机电解质的侵污

36、时（NaCl、CaSO4），由于它们挤压双电层结构，粘土颗粒所带净负电荷减少，水化层进一步变薄，粘土颗粒的这些部位即端端、端一面容易相互吸引在一起。这种有斥有吸的作用结果，使钻井液中粘土颗粒形成空间网状结构。这样网状结构能包注大量的自由水，这些自由水只能随网状结构一起流动。这种网状结构形成后引起的后果是自由水的量减少了，因此钻井液就稠化了。b、钻井液固相含量增高，由于粘土颗粒距离缩短，有利粘土网状结构的形成；,常用的钻井液稀释剂 a、多聚磷酸盐（1)结构,（2）稀释剂作用机理多聚磷酸盐分子结构中有多个阴离子基团，一部分阴离子基团将带正电荷的粘土颗粒反转成带负电荷，同时形成厚的水化层；另一部分阴

37、离子基团被粘土颗粒边缘的断键处的-Al+吸引或螯合，这样清除了粘土颗粒端-端、端-面连接的根源，从而表现出良好的稀释作用。,（3）抗温性与结构的关系多聚磷酸盐分子结构中有酯键，钻井液是碱性环境，在碱性条件下可发生水解，温度越高，水解越快。所以，多聚磷酸盐作为泥浆稀释剂的耐温性不好，只适合于钻进浅井，逐步被耐温性、抗盐性能好的稀释剂取代。,b、丹宁（NaT）丹宁存在于植物的根、茎、皮、叶、果壳或果实中，是多元酚的衍生物，属弱的有机酸。我国四川、广西、湖南一带生产的是五倍子。,丹宁是从五倍子浸提制取的。五倍子经除虫和研碎后，在水中煮沸，即可将丹宁提取出来，经过提纯和干燥，就可得到工业用丹宁。,（1

38、）结构 丹宁由五个双五倍子酸与葡萄糖所形成的缩合物，分子式为C76H52O46，分子量为1701。,五倍子丹宁在水溶液中可以逐步地水解，生成双五倍子酸。,双五倍子酸进一步水解生成五倍子酸：,在NaOH溶液中生成的是双五倍子酸钠和五倍子酸钠，这两种盐对钻井液都有稀释作用。,（2）稀释作用机理 双五倍子酸钠和五倍子酸钠分子结构中有多个阴离子基团，一部分阴离子基团被粘土颗粒边缘的断键处的-Al+吸引或螯合，另一部分阴离子基团将带正电荷的粘土颗粒反转成带负电荷，同时形成厚的水化层；这样清除了粘土颗粒端-端、端-面连接的根源，放出自由水，从而起到稀释作用。,（3）结构与抗盐性能的关系由于结构中含有羧基负

39、离子，缺点是抗盐性能差。遇到Ca2+或者Mg2+离子生成沉淀而失效。（4）现场使用 将丹宁粉和烧碱按2:1或1:1、1:2等质量比配合使用，浓度常用1/10或1/5。,（5）丹宁栲胶 丹宁栲胶由红柳皮、落叶松树皮等煮制成，含丹宁为20-70%。与烧碱配成栲胶碱液后，其中起稀释作用的主要成份仍是丹宁酸钠。丹宁栲胶与丹宁的作用相同，差别在于栲胶含糖类较多，在温度较高时易发酵，引起钻井液发泡、性能变坏，因此栲胶碱液只用于浅井和中深井。栲胶与烧碱的常用配比为2：1或3：1，浓度取1/10或1/5。,（6）磺甲基丹宁(SMT)pH=9-10下丹宁与甲醛HCHO和亚硫酸氢钠NaHSO3在碱性条件下反应制得

40、。用Na2Cr2O7处理得到的磺甲基丹宁铬螯合物热稳性高，耐180-200，适用于高温深井。,磺酸基五倍子酸,c、铁铬木质素磺酸盐（FCLS）木质素磺酸盐是亚硫酸盐造纸法中产生的副产品。,（1）制备方法 含有大量木质素磺酸盐的亚硫酸纸浆废液，经过发酵制取酒精和浓缩成黑褐色液体后，在60-80下，加入预先配制好的FeSO4溶液和Na2Cr2O7溶液，在充分搅拌下反应约2小时，即成为液体的FCLS。为亲水性高分子化合物，分子量2-10万。,（2）FCLS的主要结构 木质素磺酸盐的主要结构单元：,FCLS的主要结构：与金属离子M的络合、水解、羟桥作用。磺酸基部分络合，还有一部分游离的磺酸基负离子。,

41、（3)结构特点和优点由于FCLS分子中有磺酸基，所以：铁铬木质素磺酸盐是一种抗盐抗钙的有效稀释剂，能用于淡、海水和盐水钻井液中，并可用于各种钙处理钻井液中。由于FCLS中Fe3+和Cr3+木质磺酸盐形成了稳定的螯合物，所以：FCLS的热稳定性高，可以抗150以上的高温。FCLS的水溶性取决于其磺化度，磺化度高则水溶性大。,（4)稀释作用机理 分子结构中有多个阴离子基团，一部分阴离子基团被粘土颗粒边缘的断键处的-Al+吸引或螯合，另一部分阴离子基团将带正电荷的粘土颗粒反转成带负电荷，同时形成厚的水化层；这样清除了粘土颗粒端-端、端-面连接的根源，放出自由水，从而起到稀释作用。,如果用K2Cr2O

42、7代替Na2Cr2O7 制备的FCLS还有抑制地层粘土水化分散的作用，这不仅有利于井壁的稳定，还可以防止泥页岩造浆引起的钻井液的粘度、切力的上升。,（5)现场使用 现场使用经验表明：当FCLS在130以上发生减效现象时，可加入少量Na2Cr2O7恢复其稀释作用，这样其稳定性可提高到177，温度超过177时FCLS发生不可逆降解。在钻井液中FCLS的加入量超过3%时，其抑制粘土水化膨胀的作用显著，加过量不损害钻井液的性能，但成本增加。加入FCLS的钻井液泥饼摩擦系数较高，深井中使用时要注意混油和添加有效的润滑剂。使用时如果产生泡沫，可加少量的硬脂酸铝、甘油聚醚等消泡剂，以消除泡沫。,(6)缺点：

43、加入FCLS的钻井液泥饼摩擦系数较高，深井中使用时要注意混油和添加有效的润滑剂。使用时引起钻井液发泡。另外，FCLS中铬离子，在制造和使用FCLS时造成环境污染。,d、烯烃单体低聚物类稀释剂X-40系列稀释剂 X-40系列稀释剂产品包括X-A40及X-B40两种。1)X-A40是低分子量的聚丙烯酸钠，平均分子量5000左右。分子的结构式为：,2)结构特点:线性高分子，具有较高的负电荷密度，分子的主链是由-C-C-键组成，所以它具有较高的热稳定性。它的抗温能力可高达150以上。分子中具有羧基，所以抗盐性能不好。,3）X-B40是丙烯酸钠与丙烯磺酸钠的低分子量共聚物，其中丙烯磺酸钠占单体总量的5-

44、20%(mol)。平均分子量约2340。,4）分子结构特点与性能分子的主链是由-C-C-键组成，分子中具有苯环，所以它具有较高的热稳定性。由于分子中引进了磺酸基SO3Na，X-B40的抗电解质的能力优于X-A40。,5）X-40的稀释机理：X-40系列聚合物作为钻井液稀释剂，主要是由它们的线型结构及强阴离子基团引起的，并且分子量较低，这样可以在水基钻井液中拆散由高聚物与颗粒之间形成的桥接网状结构，达到降低粘度、切力的目的。,e、磺化苯乙烯与马来酸酐的共聚物（SSMA）,1)合成方法,过氧化二苯甲酰BPO,2)结构特点:线性高分子，具有较高的负电荷密度，分子中具有苯环，分子的主链是由-C-C-键

45、组成，所以它具有较高的热稳定性。它的抗温能力可高达260。分子中具有磺酸基，SSMA抗盐性能良好，是性能良好的稀释剂。,烯烃单体低聚物类稀释剂分子量的要求：为了使稀释剂分子能在粘土颗粒上形成多点吸附，并能给粘土颗粒带来高的负电荷密度，要求稀释剂分子有一定的分子量，但也不能太高，如聚合度过大反而会使粘度增大、切力增加。一般2000-6000。,3、絮凝剂1)聚丙烯酰胺（PAM）,PAM是水溶性的。分子量不同，其水溶性、水溶液粘度、絮凝、降滤失效果发生很大变化。分子量在200-400万之间作为絮凝剂合适。,2)部分水解的聚丙烯酰胺（PHP）控制PHP的分子量和水解度，可使PHP具有良好的选择性絮凝

46、效果，只除去钻屑。（1）PAM的水解,PAM的水解度指PAM分子中的酰胺基水解成羧钠基的百分数。（2）影响PAM水解的因素 温度高、NaOH与PAM比例高、水解时间长，有利于水解反应使水解度增高。水解方法：高温水解和常温水解。,PAM：NaOH（摩尔比）=1：0.15时，水解度15%左右1：0.3时，水解度25%左右1：0.35时，水解度30%左右1：1.70时，水解度65%左右具体来讲，如果需要配制浓度0.8%左右、水解度为30%左右的PHP溶液时，按PAM：NaOH(1:0.35)，加碱量再附加5-10%，加热至沸点温度下水解3-5小时便可。如果是常温下水解，即25-30温度下，则需5-7

47、天。,3)丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物（80A-51）由于生产工艺不同，80A-51比常规的PHP（分子量300万、水解度30%），更适于作钻井液的选择性絮凝剂。,采用共聚法生产聚丙烯酰胺水解产物的优点是：原料成本下降20%-40%，反应一步完成，丙烯酰胺与丙烯酸钠的比例可以任意控制，不存在氨气的回收或污染问题，所以在技术经济方面比水解法优越。采用共聚法比较方便地获得分子量大于300万、水解度大于30%的产品，这种分子量更高、水解度更大的共聚物比部分水解聚丙烯酰胺有更强的絮凝和抑制页岩膨胀的能力。,4)醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）,VAMA在碱性钻井液中发生水解作用：,水解产物中-

48、OH为吸附基，水化和带负电基团仍为-COONa。VAMA适用于作钻井液的选择性絮凝剂。,絮凝作用机理 有机高分子絮凝剂对固体颗粒的絮凝作用分三个步骤：1.吸附：一方面通过PAM、PHP、VAMA 分子链上的-OH或-CONH2、与固体颗粒表面上的氧原子或氢氧原子团形成氢键而发生吸附，另一方面PHP 和VAMA分子链上的-COONa还可以与固体颗粒边缘断键处产生静电吸附。,2.架桥：由于絮凝剂的分子链较长，分子链上有多个吸附基团，所以一个长链上可以同时吸附多个固体颗粒，起到架桥作用。3.形成团块，团块下沉：当架桥完成以后，由于高分子链本身的旋转和运动，将固体小颗粒聚集在一块，形成絮凝团块，在重力

49、作用下絮团下沉，从钻井液中除去。,絮凝剂的结构特点及影响絮凝因素1、絮凝剂的分子量 作为絮凝剂的有机高分子，要求其分子量足够大。因为只有分子量足够大，分子链才有足够的长度，同一条链上才能形成多点吸附起架桥作用。一般来讲PAN、HPAN的分子量小于100万絮凝效果差，分子量在200-400万之间絮凝效果好。但分子量过大絮凝效果反而差。分子量过大则溶解困难，分子容易蜷曲，絮凝效果反而差。,2.水解度或吸附基与水化基的比例关系 对PAM来讲，公认的是水解度在30%左右絮凝能力最强。水解度太低，-COONa太少，不能使分子链充分伸展，不能将分子链上所有吸附基团暴露出来，所以不利于吸附和架桥。如果水解度

50、过大，CONH2太少，又不利于对固体颗粒的吸附。,3.钻井液的pH值 钻井液pH在8.5左右较好。pH9时，使PAM或PHP进一步水解，影响-CONH2和-COONa的比例，会影响絮凝效果。如果pH太低，使许多-COONa变成-COOH，不利于分子伸展。,4.絮凝剂的浓度 任何有机高分子絮凝剂都有一最佳使用浓度。浓度太低，不足以将固体颗粒桥联起来，浓度太高，反而会起护胶作用。通过实验来确定最佳使用浓度。,防塌剂（粘土稳定剂）井塌是钻井液工艺和钻井工程上的一个重要问题，它解决得如何，直接关系到井下情况是否正常。影响钻井速度和质量，有时甚至关系到一口井的成败。,井塌有地质方面的原因、钻井工程方面的