钻井液处理剂处理机理介绍

钻井液处理剂一、稀释剂稀释剂是指能解除钻井液稠化的化学剂。钻井液稠化的主要原因是钻井液中固相颗粒过多及粘土颗粒形成网架结构。在含有聚合物的钻井液中，聚合物长链分子和粘土颗粒作用，或聚合物分子间相互作用形成网架结构也会引起钻井液粘切增大。无机电机质的污染，使粘土颗粒水化层变薄也易形成空间网架结构导致钻井液增稠。稀释剂的作用机理稀释剂的稀释作用首先是通过试剂吸附在粘土颗粒的边-端面上，拆散或削弱了粘土颗粒形成的网架结构达到稀释作用。同时，由于稀释剂具有较强的吸附能力及与聚合物分子形成化和物等作用，可使吸附在粘土颗粒上的长链聚合物分子解吸，从而起到稀释的作用。单宁碱液单宁存在于植物的根、茎、叶、皮、果壳和果实中，是多元酚的衍生物，属弱有机酸。单宁水解生成的双五倍子酸、五倍子酸在NaOH溶液中生成双五倍子酸钠、五倍子酸钠，统称为单宁酸钠或单宁碱液，在钻井液中起降粘作用。单宁碱液的降粘机理单宁类降粘剂主要是通过拆散结构而起到降粘的作用，它主要降低动切力，对塑性粘度影响较小，其它分散型降粘剂的作用机理均与之相似。由于降粘剂主要在粘土的端面上起作用，因此与降滤失剂相比，一般用量较少。单宁类降粘剂的特点单宁碱液在高浓度的无机盐溶液中会发生盐析或生成沉淀，失去降粘效果,其抗盐、抗钙能力差。单宁酸钠含有脂键，高温下易断裂,其抗温能力在100~120°C。为提高单宁酸钠的使用效果，常通过磺甲基化制得磺甲基单宁（SMT），其抗温能力在180~200°C，加量0.5~1%,抗钙达1000ppm,抗盐效果差,小于1%。铁铬木质素磺酸盐（FCLS）简称铁铬盐，是由含有大量木质素磺酸盐的纸浆废液制成。由于铁铬盐分子中含有磺酸基，Fe3+和Cr3+与木质素磺酸盐形成了稳定的螯合物。所以FCLS是一种抗盐、抗钙能力强的钻井液稀释剂，其热稳定性高，可抗150˚C以上的高温。由于铁铬盐具有弱酸性，因此必须配合烧碱使用才能发挥良好的稀释作用。FCLS的使用及存在的问题在钻井液中FCLS的加量为0.3-1%，加量较大时其降滤失的作用较显著。铁铬盐钻井液泥饼磨擦系数较高，在用水中钙，镁含量较高时易产生泡沫，可用少量硬脂酸铝、甘油聚醚等消泡剂以消泡，也可用原油消泡。铁铬盐稀释效果好，抗盐、抗高温能力强。但使用时需要PH值较高（10），不利于井壁稳定，另外铁铬盐含重金属铬，在制造和使用过程中易污染环境，对人身体有害因此被逐步淘汰。水解聚丙烯腈铵盐（NH4-NPAN）简称铵盐，是由人造羊毛的下脚料（腈纶废丝）经高温高压水解反应的产物。普通铵盐的分子量5-11万，水解度60%左右，降粘降失水效果随分子量的不同而改变。分子量低降粘效果好降失水作用减弱，分子量高降粘效果减弱降失水效果增强。在铵盐分子中腈基（-CN）和胺基（-CONH2）作为吸附基，通过吸附在粘土边-端面上拆散粘土的网架结构。以羧铵基（-COONH4）作为水化基形成保护粘土颗粒的水化膜。铵盐的特点及使用由于有铵离子的存在，铵盐除具有降粘、降滤失的作用外，还有抑制粘土水化膨胀的作用。铵盐在钻井液中的加量一般为0.3%-0.7%，加量增加降失水效果增强,但粘度会略有升高。复配铵盐是以普通水解聚丙烯腈为起始原料，与多元化的乙烯基共聚物复配而成。具有较强的抗盐、抗钙能力，可适用于海水、淡水及矿化度小于4%的盐水钻井液。复配铵盐在抑制粘土水化分散，改善钻井液流变性和抗高温等方面也优于普通铵盐，加量在0.5%-1%左右。铵盐使用中应注意的问题东营地区钻井施工时铵盐的使用一般是在钻至沙河街组地层后。因为东营组以上地层为疏松砂岩及蒙脱石含量高的泥岩，泥岩易缩径，砂岩易形成厚泥饼导致假缩径,若井径较小易导致后期施工时上部井眼不畅通,起下钻困难,因此上部地层钻进须适当打大井眼。铵盐作为一种稀释剂，同时具有较强的抑制粘土膨胀能力和降滤失作用，加入钻井液后能有效地保护井壁、防止井径扩大，给后期施工带来困难，因此不适用于上部地层钻进使用。与大部分具有较强分散作用的稀释剂不同,铵盐具有较强的抑制粘土水化膨胀的作用,在聚合物钻井液中,与高分子聚合物配合有利于抑制页岩水化分散,对提高机械钻速，保持钻井液性能稳定起到了良好作用,因此非常适合中上部地层使用。但第一次处理时注意不要单独加入过多,防止钻井液动切力降的过低,影响携砂。高效硅氟降粘剂SF-1硅氟降粘剂是一种高活性的表面活性剂，必须通过用载体来实现其性能，SF-1是做好的硅氟和碳黑混合而成的产品。SF-1的降粘机理及特点SF-1的降粘机理是利用其分子链上聚硅氧烷和碳氟基团带来的低的界面张力和高的表面活性，吸附于粘土表面通过改变粘土的表面能，拆散粘土的网架结构达到降粘的目的。并给予胶体表面润滑性并具有一定的消泡作用。有机硅、有机氟具有高的化学耐热性和稳定性，使SF-1具有在高温（2000C以上）及高矿化度条件下，仍具有理想的降粘性能。SF-1的使用SF-1在钻井液中的加量0.3-0.7%，具有加量少，降粘效果好，抗高温及抗无机盐能力强的特点。在高密度（1.50g/m3）或高搬土含量等高固相的情况下，SF-1也表现出优良的降粘效果,并且稳定周期长。对于钻井液中PAM等处理剂含量高，降粘困难的情况，SF-1的降粘效果也优于一般的降粘剂。XY-27XY-27属于乙烯基单体的多元共聚物,分子量约为2000,其分子链上同时含有阳离子基团、阴离子基团和非离子基团。XY-27的降粘机理XY-27由于含有阳离子基团，能与粘土发生离子型吸附，同时其分子量较低，能比高分子聚合物更快、更牢固地吸附在粘土颗粒上，拆散粘土或粘土与高分子聚合物形成的网状结构。XY-27能抑制粘土水化膨胀，减少了因泥页岩造浆引起的粘度、切力上升。XY-27的使用XY-27加量较少，通常加量0.1%-0.3%,在降粘的同时，也有较好的降滤失、抑制泥页岩水化膨胀的效果，常与两性离子包被剂FA-367、两性离子降滤失剂JT-888等配合使用，构成目前广泛使用两性聚合物钻井液。钻井液降滤失剂钻井液滤失量的重要性钻井液滤失量大易引起页岩的膨胀和垮塌，造成井壁不稳定。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。在滤失量增大的同时滤饼也增厚，而厚滤饼使井径缩小，造成钻具扭矩大，起钻抽汲，下钻遇阻，固井质量差等问题。因此，适当低的滤失量是钻井液的重要性能之一。影响钻井液滤失量的因素1、钻井液中粘土含量、粘土颗粒粒度分布对钻井液失水，特别是高温高压失水影响较大。粘土含量高、粘土颗粒粒度分布合理时，滤失量易控制。2、钻井液用水的矿化度，以及水的类型对钻井液失水的影响。3、钻井液中固相的含量、固相组成对钻井液失水也有较大影响。4、使用的钻井液处理剂对钻井液失水的影响。降滤失剂的作用原理第一、护胶作用。为了形成渗透率低的泥饼，要求钻井液中粘土颗粒粒径有合适的大小分布，同时要求有较多的细颗粒。降滤失剂的护胶作用在于（1）吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大；（2）能把在钻井液循环搅拌下所拆散的细颗粒通过吸附稳定下来，不再粘结成大颗粒。这样增加了细颗粒的比例，有利于形成致密泥饼。第二、提高滤液粘度可以降低滤失量。滤失量与钻井液滤液粘度的0.5次方成反比。有机降滤失剂加入钻井液后提高了滤液粘度,使滤失量降低。第三、增加钻井液中粘土颗粒的水化程度,可以降低滤失量。降滤失剂吸附在钻井液中的粘土颗粒上,使其水化程度增加颗粒的水化膜增厚,形成的滤饼在高压下易变形,滤饼的渗透率降低。第四、降滤失剂分子本身的堵孔作用。有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒范围内，加入这些外理剂后，它们一方面是分子的长链楔入滤饼的间隙中，另一方面长链分子卷曲成球状，堵塞滤饼微孔隙，使滤饼薄而致密，从而降低滤失量。羧甲基纤维素钠盐（Na-CMC）CMC是由棉花纤维用20%NaOH处理后，加入氯乙酸钠进行醚化反应而成。由于其聚合度的不同又分高粘、中粘、低粘三种。一般CMC聚合度在200-600左右，取代度0.60-0.90。CMC分子链中羟基、醚基是吸附基团，羧钠基为水化基团。CMC抗温一般130℃，经过改性可提高抗温能力20℃~30℃,低粘CMC具有良好的抗盐、抗钙的能力,并且对钻井液流变性影响小，常用于处理盐水侵或盐水钻井液。CMC的降失水机理第一：是由于其可以增加钻井液中细的粘土颗粒的数量,增加水化膜的厚度,提高粘土颗粒的电动电位起到护胶作用。第二：CMC可有效提高钻井液的滤液粘度以及本身的堵孔作用。CMC性能及使用特点由于CMC良好的降滤失效果，及增加钻井液及滤液粘度的作用,在上部井眼使用会导致井径较小，在下部井眼使用常引起钻屑粘附上部井眼井壁，导致起下钻不畅通。因此,一般井使用CMC应在进入沙河街组地层以后,并且每次加量不宜过大。上部地层由于特殊情况被迫使用CMC时,应在井下恢复正常后用低粘、切，高失水的钻井液充分冲洗井眼,使井径适当扩大，井壁干净。醚化度0.80-0.85的LV-CMC适用于高矿化度水泥浆体系,具有抗盐抗钙效果好,流变性易控制等优点。磺甲基酚醛树脂（SMP）SMP是在酸性条件下使甲醛苯酚生产成线性酚醛树脂,再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行分步磺化制得。SMP的结构及性能特点SMP分子结构有如下特点（1）分子链由亚甲基桥和苯环构成引入磺酸基故热稳定性高，可抗180℃-200℃高温。（2）由于引入磺酸基，其抗无机电解质的能力强。其中SMP-1可适用于矿化度小于10万PPM的钻井液体系，SMP-2是二次磺化制得，分子量较低，磺化基团较多，抗盐能力更强。可适用于盐水钻井液、饱和盐水钻井液体系，抗钙达2000PPm。SMP能有效降低钻井液的高温高压失水，明显改善泥饼质量，增强钻井液的热稳定性。同时，它还有较好的润滑和防塌作用。SMP的使用方法SMP单独做为降滤失剂的加量是3%-5%，其中SMP-2用于盐水钻井液时其加量是5%-8%，SMP-1有增粘作用，SMP-2不增粘，SMP与褐煤类降失水剂如SMC或褐煤碱液共同使用可大大增强其降失水效果，这一方面是由于复配后SMP在粘土表面的吸附量可增加5-6倍，第二是褐煤类处理剂与SMP发生交联，增强降失水效果。因此建议在垂深超过2500米的井才开始使用SMP，并配合褐煤类降失水剂以免造成浪费。高温高压降失水剂SCUR（褐煤类）褐煤类降失水材料主要利用褐煤中的腐植酸,腐植酸不同与其他天然高分子,不具有完整的结构和化学构型.而是由相似族类的、分子量大小不同的、结构组成不一致的高分子羟基芳香羧酸所组成的混合物，难溶于水，溶于烧碱溶液生成腐植酸钠作为降滤失剂的有效成分。腐植酸分子基本骨架为碳链和碳环结构，热稳定性好，抗温能力强。但遇钙、镁侵时生成腐植酸钙沉淀失效。SCUR是由风化褐煤与碳酰胺衍生物接枝、缩聚、磺化而成。该类处理剂具有较好的降滤失作用和一定的降粘效果。其作用机理是SCUR吸附于粘土颗粒表面形成吸附水化层，同时提高粘土的电动电位，增加钻井液中粘土细颗粒数量，改善泥饼质量。其次SCUR增大粘土颗粒聚结的机械阻力和静电压力，防止粘土聚结达到降失水降粘的目的。腐殖酸结构SCUR的性能特点及使用方法SCUR在泥浆中的加量为1%-3%，抗温达180°C以上，但其抗无机盐的性能较差，可适用淡水钻井液或矿化度小于4%的盐水钻井液。同时，它对泥饼的润滑性能略有影响，稍增加泥饼的磨擦系数。其它褐煤（腐植酸）类产品性能使用与其相似，褐煤（腐植酸）经过磺化等处理改性抗温可达230°C，抗无机盐的能力也大大提高。抗盐抗高温降滤失剂LY-1LY-1为低分子量的烯类单体的三元共聚物，由腈纶粉、烧碱、植物油等高温反应而成。由于在碳链上引进了酰胺基、腈基、羟基、羧钠基和磺酸钠基等吸附基团和水化基团，在结构上保证了较好的抗温和抗无机盐的能力。LY-1的降滤失机理、特点和加量LY-1的降滤失作用首先是通过各基团之间的协同作用，给粘土颗粒带来了厚的水化膜，提高了粘土颗粒的电动电位，保证了形成致密的压缩性好的泥饼。其次是提高了钻井液滤液粘度，达到了降失水的目的。LY-1在淡水钻井液中加量0.5-1%，盐水钻井液中加量1-2%，