钻井液完井液化学3.

第五章、钻井液原材料和处理剂本章要求掌握主要内容：1.钻井液处理剂的分类。2.降粘剂、降失水剂、絮凝剂的作用原理。3.常见降粘剂、降失水剂、絮凝剂、加重剂。4.降粘剂、降失水剂、絮凝剂的选择方法。•钻井液处理剂----调配、维护和恢复钻井液工艺性能的添加剂。•发展概况：五十年代仅几种：纯碱、烧碱、褐煤、栲胶等。现有几百种商品牌号，分十六大类，国内产值超过二十亿，有大量专业公司、厂家。•发展方向：抗温、抗盐钙、无毒、多功能、可生物降解。第一节、钻井液处理剂的分类1.按照处理剂组成分类:–钻井液原材料–无机处理剂–有机处理剂–表面活性剂2.有机处理剂按来源分类:天然产品天然改性产品人工合成产品3.有机处理剂按化学组成分类:腐植酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类、聚合物类等4.按照处理剂的功能分类(我国钻井液标委会分类)降粘剂Thinner增粘剂Viscosifier降失水剂FiltrationReducer絮凝剂Flocculant加重剂WeightingAgent解卡剂Pipe-FreeingAgent堵漏剂LostCirculationMaterial乳化剂Emulsifier消泡剂Defoamer润滑剂Lubricant缓蚀剂CorrosionInhibitor页岩抑制剂ShaleInhibitor粘土类Clay杀菌剂Bactericide起泡剂FoamingAgent其它类Others处理剂作用机理研究内容和方法•提出功能要求•处理剂分子结构分析与设计•处理剂在粘土颗粒上的吸附规律研究•所处理的钻井液性能的变化•处理剂抗温、抗盐钙能力评价，毒性、生物降解性测试。•方法：分子量、基团及结构的化学和仪器分析、钻井液性能测试等。第二节无机处理剂常用产品•纯碱•烧碱•石灰•石膏•氯化钙•氯化钠•氯化钾•硅酸钠及硅酸钾•重铬酸钾和重铬酸钠•六偏磷酸钠•混合金属层状氢氧化物无机处理剂作用原理•离子交换吸附•调控钻井液的pH值•沉淀作用•络合作用•与有机处理剂生成可溶性盐•抑制溶解的作用加重剂——用于提高钻井液密度的物质材料。要求：密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。常见固体加重材料的物化性质材料名称化学成分密度g/cm3硬度酸溶性重晶石BaSO44.0~4.52.5~3.5难溶铁矿粉Fe2O34.9~5.35.5~6.5溶方铅矿PbS7.4~7.72.5~2.7溶菱铁矿FeCO33.7~3.93.5~4.0溶钛铁矿TiO2Fe2O34.5~5.15.0~6.0溶石灰石粉CaCO32.7~2.93溶磁铁矿Fe3O45.0~5.25.5~6.5溶提高液相密度的加重材料可溶性无机盐及有机盐NaCLKCLCaCL2CaBr2ZnBr2KCOOHNaCOOHCsCOOHKAc等第三节、钻井液处理剂的作用原理一、降粘剂（又称解絮凝剂、稀释剂）1.钻井液稠化原因由于粘土颗粒表面与端面性质不同：带电情况不同——表面带负电，端面带正电。水化程度不同——表面水化膜厚，端面水化膜薄。Al+Si+钻井液稠化原因：当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：端-端、端—面联结的空间片架结构，从而造成：钻井液结构粘度增加；片架结构包住大量自由水，流动阻力增加。2.降粘剂作用机理降粘剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散片架结构，从而降低钻井液结构粘度。具体方法为：（1）使端面反号由带正电性端面转变为负电性端面。即：正负相吸负负相斥+-----------------------（2）增强端面水化膜厚度——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，削弱端-端、端-面连接，拆散了片架结构，同时放出自由水，使粘度降低。降粘剂作用特点主要作用于端面用量少、效果显著（因为端面少）。降失水与降粘作用有时相一致，有时不同。主要降低0、c、’，不降s。3.常见降粘剂单宁酸钠（NaT）磺甲基单宁（SMT）铁铬木质素磺酸盐(FCLS)两性离子聚合物降粘剂（XY-27）SSMA(磺化聚苯乙烯顺丁烯二酸酐钠盐）铁铬木质素磺酸盐(FCLS)的使用——通常配制成碱液使用。FCLS碱液的配制FCLS:NaOH=3~5:1（FCLS+NaOH）/（FCLS+NaOH）混合碱液=1/5或1/10例题40mlFCLS碱液（3：1，1/5）中，含固体FCLS多少克？NaOH多少克？解：FCLS+NaOH总重为：1/540=8(g)FCLS重量为：3/(1+3)8=6(g)NaOH重量为：1/(1+3)=2(g)答：含FCLS重量为6g，NaOH重量为2g。4.降粘剂选择方法仪器:漏斗粘度计、旋转粘度计。评价指标：s、0、漏、’方法：钻井液+降粘剂（%）测定性能评价标准：s、0漏、’二、降失水剂分析：降失水途径：提高泥饼质量（降低K）增加滤液粘度降低压差改变固相含量、级配和表面性质等要求：胶体粒子浓度充足保持体系聚结稳定性有一定量的桥塞粒子（护胶）泥饼形成过程钻井液流动桥塞粒子——在孔喉架桥的粒子填充粒子——在桥塞粒子间隙填充的粒子降失水剂作用机理1.水化膜护胶——降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳定性的作用。机理：水化膜增厚，聚结阻力增大，胶粒稳定性增强，Vf降低。特点：分子量较低、水溶性好。用量较大（表面）。2.静电稳定——降失水剂吸附在粘土表面上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸引力的作用。结果：负电荷增加，电势增加，胶粒稳定性增强，失水降低。3.高分子保护敏化作用高分子保护1高分子保护2大分子浓度低时，吸附粘土粒子的高分子许多高分子吸附不足以形成混合网链之间形成网架结构,在胶粒表面，形成架结构，颗粒失去粒子被隔离开不易包蔽层，阻止胶粒重力稳定性。聚结，保证体系中聚结。胶粒含量。4.几种常见的降失水剂钠羧甲基纤维素（Na-CMC）煤碱剂（NaC）磺甲基褐煤(SMC)磺甲基酚醛树脂（SMP）磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（SLSP）水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐(Na-、NH4-、Ca-HPAN)褐煤与树脂共聚产品（如PSCSPNH）淀粉类煤碱剂（NaC）的使用——通常配制成碱液使用。主要成分：腐植酸钠（利用NaOH提取出来）。NaC碱液的配制褐煤：烧碱：煤碱液（水）=10~15：2：50~100例题：欲配制15：1：100的煤碱液2米3，问需要褐煤和烧碱各多少吨？解：∵褐煤：烧碱：煤碱液（体积）=15：1：100∴褐煤量=215/100=0.3(t)烧碱量=21/100=0.02（t）答：需要褐煤0.3t，烧碱0.02t。5.降失水剂选择方法仪器:API静失水仪、HTHP静失水仪。评价性能：静失水量、泥饼厚度。方法：钻井液+降失水剂（%）测定性能评价标准：API静失水5ml/30min；h0.5mm.HTHP静失水15ml/30minh5mm.三、絮凝剂——使单个粘土颗粒联结起来，最终失去重力稳定性的处理剂。类型：无机絮凝剂；有机高分子絮凝剂。（1）有机高分子絮凝剂作用机理：实质；高分子敏化作用。三个步骤：1.吸附2.桥连3.形成团块、团块下沉。有机高分子絮凝剂作用机理长链高分子中的吸附基能够与粘土粒子表面氧、氢氧发生氢键吸附，由于高聚物分子链很长，可以吸附在几个粘土粒子上，使它们桥联在一起。同时，这种吸附了几个粘土颗粒的长链分子相互间通过共同吸附粘土颗粒彼此互相缠绕在一起，形成絮凝团块。这种絮凝团块容易脱水收缩、密度增高，从而容易下沉，失去沉降稳定性。（2）有机絮凝剂的二种作用全絮凝作用选择性絮凝作用1.全絮凝作用既絮凝钻屑，又絮凝膨润土的絮凝作用。2.选择性絮凝作用只絮凝钻屑，不絮凝膨润土的絮凝作用。全絮凝作用选择性絮凝作用（3）常用有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）部分水解聚丙烯酰胺（PHP）丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物（80A-51)醋酸乙烯酯—顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）(4)絮凝剂选择方法仪器:几个带塞量筒。方法：10分钟30分钟60分钟评价标准：指定时间内絮凝物下降的高度。习题1、3、4第六章水基钻井液体系水基钻井液体系钻井液体系油基钻井液体系气态钻井液体系合成基钻井液体系水基钻井液：水基分散型钻井液水基抑制性钻井液水基聚合物钻井液正电胶钻井液抗高温水基钻井液第一节水基分散型钻井液本节要求掌握主要内容：1.掌握造浆率概念和计算。2.掌握土量、水量计算公式。3.掌握盐、钙污染规律。4.了解钻井液性能调节原则。1.水基分散型钻井液的组成和特点组成：淡水+粘土+处理剂特点：粘土颗粒高度分散。粘土分散度改变会导致性能改变。性能容易受电解质污染，稳定性差。维护、处理需要很多水量。成本低。关键：保持粘土颗粒的高度分散。2.选土与配浆选土要求：最少的土量得到最高的粘度。实验观察：不同的土达到相同粘度时，用土量相差很大。0土量%粘度mPa.s15优质膨润土普通粘土劣质粘土选择配浆土的指标——造浆率。造浆率：每吨干土配出表观粘度为15mPa.s的钻井液的体积量。单位：M3/T测定计算方法：三个样品杯，加入350ml蒸馏水，再加入不同重量的土；搅拌20分钟，陈化24小时，搅拌5分钟；测定600r/min读数，计算表观粘度；在半对数坐标上作图，找出15mPa.s时的膨润土加量；按照公式计算造浆率。造浆率（m3/t）=1000/CcCc——表观粘度为15mPa.s时膨润土的加量，g/l；CCClglg150配浆——配制原浆原浆：仅由水+膨润土组成的一种初始钻井液。基浆：原浆+处理剂土）钠膨润土（土）钙膨润土（膨润土NaCa钙膨润土特点：Ca++价数高，与晶层吸引力强，水中不易分散；Ca++半径大，水化差，胶粒周围扩散双电层薄，造浆性差。性能上表现为：表观粘度小、造浆率低、静失水量大。钠膨润土特点：Na+价数低、吸引力弱；Na+水化能力强，造浆性好。表观粘度大、造浆率高、静失水量小。钙土改造为钠土：Ca土+Na2CO3Na土+CaCO3Ca土+NaOHNa土+Ca（OH）2Ca+++OH-原理：利用离子交换吸附，钙钠置换。最优加碱量确定Na2CO3(%)‘API027最优加碱量确定方法简介（阅读）最大造浆率法最低失水量法化学当量法最佳分散法最大电位法分散微粒最佳级配法滤液分析法经验法：Ca土5%~7%（土量）纯碱配制定量、定密度钻井液所需土量式中：浆——钻井液密度，g/cm3;土——粘土密度，g/cm3;水——配浆水密度，g/cm3；V浆——欲配钻井液体积。水土水浆土浆)(VW配制定量、定密度钻井液所水量V水=V浆-W土/土例题用密度为2.4g/cm3的粘土，欲配密度为1.25g/cm3钻井液45m3，计算需要多少吨粘土？多少m3水？解：)m(374.22.1945V)t(2.190.14.2)0.125.1(4.245)(VW3水水土水浆土浆土现场配浆流程图3.水基分散型钻井液受污染及其处理污染物定义:凡进入钻井液中使性能变坏的物质.可溶性盐（钙、钠盐、盐水）污染物类型钻屑地层流体(水、气体)钙污染钙来源：石膏层：CaSO4Ca+++SO4-2水泥塞：Ca(OH)2Ca+++2OH-影响规律：失水：Ca++增加，Vf增大，有效粘度、切力：先升后降•pH:石膏侵，下降；水泥侵，上升VfCa++mg/l失水钙污染机理：——电解质压缩双电层，降低，水化膜变薄，改变聚结稳定性。------------------------------d1d2d3钙离子增加由上可见，随Ca++浓度增加：d1d2d3123分散聚结沉降(E-E)(F-F)(E-F)钙污染处理处理原则：除钙、护胶、拆结构。除钙：加纯碱。CO3--+Ca++CaCO3护胶：加降失水剂（NaC、CMC）拆结构：加入稀释剂（NaT、FCLS）水泥侵的处理特点：PH增加，失水增大，粘切先升后