钻井液完井液处理剂-大全-第一卷

1配浆材料与处理剂钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分，例如膨润土、水、油和重晶石等。处理剂是用于改善和稳定钻井液性能而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核心组分，很少的加量就会对钻井液性能产生很大影响。配浆原材料与处理剂之间无严格的界限。2钻井液处理剂的分类第一类分类方法（按组成）：通常分为钻井液原材料、无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四大类。无机处理剂可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混层金属氢氧化物（正电胶类）等。有机处理剂分为天然产品、天然改性产品和有机合成化合物。按其化学组分又可分为下列几类：腐植酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。3钻井液处理剂的分类第二类分类方法（按功用）：我国钻井液标准化委员会将配浆材料和处理剂共分为以下16类：（1）降滤失剂（FiltrationReducer）；（2）增粘剂（Viscosifier）；（3）乳化剂（Emulsifier）使油水乳化产生乳状液；（4）页岩抑制剂（ShaleInhibitor）；（5）堵漏剂（Lostcirculationmaterials）；（6）降粘剂（Thinner）；（7）缓蚀剂（CorrosionInhibitor）；（8）粘土类（Clay）；（9）润滑剂；（10）加重剂（WeightingAgent）；（11）杀菌剂（Bactericide）；（12）消泡剂（Defoamer）；（13）泡沫剂（FoamingAgent）；（14）絮凝剂（Flocculant）；（15）解卡剂（Pipe-FreeingAgent）；（16）其它类（Others）等。4钻井液处理剂的分类在配制和使用钻井液时，并不要求同时使用这16类处理剂。某些处理剂在钻井液中同时具有几种作用。例如，有的降失水剂同时兼有增粘或降粘作用，絮凝剂同时兼有增粘剂作用等。5国外处理剂的分类情况国外处理剂的分类情况与我国基本相同。据《世界石油》（OilWorld）钻井、完井和修井液指南，国外钻井液处理剂分类统计结果（见下表）可以看出，化学处理剂的商品名称数近3000种，而实际种类只有100多种。6国外处理剂的分类情况序号名称1981年资料1983年资料实际种类（大约数）中国1990年商品名称数所占%商品名称数所占%1降滤失剂50117.645216.511502增粘剂38613.635012.88153乳化剂29010.21886.99164页岩抑制剂2197.71495.59475堵漏剂2197.727610.18246降粘剂2057.22699.87227防腐蚀剂1997.02699.8658表面活性剂1946.81907.09229润滑剂1726.0672.572610加重剂973.41073.96711絮凝剂973.4682.561012杀菌剂732.6973.55313消泡剂702.41084.061514发泡剂551.9873.24815除钙剂291.0281.07916pH控制剂270.9281.076合计283327331152857第一节钻井液配浆原材料膨润土（坂土）是水基钻井液的重要配浆材料。有的文献将膨润土定义为具有蒙脱石的物理化学性质，含蒙脱石不少于85%的粘土矿物。一般要求1吨膨润土至少能够配制出粘度为15mPa·s的钻井液16m3。钠膨润土的造浆率一般较高，而钙膨润土则需要通过加入纯碱使之转化为钠膨润土后方可使用。目前我国将配制钻井液所用的膨润土分为三个等级：一级为符合API标准的钠膨润土；二级为改性土，经过改性符合OCMA标准要求；三级为较次的配浆土，仅用于性能要求不高的钻井液。无机盐对膨润土的水化分散具有一定的抑制作用，因此膨润土在淡水和盐水中的造浆率不同，盐水造浆率一般要低一些。将膨润土先在淡水中预水化，然后再加入盐水中，可以提高其在盐水中的造浆率。8膨润土在钻井液中的作用（1）增加粘度和切力，提高井眼净化能力；（2）形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；（3）对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；（4）防止井漏。9蒙脱石的两种基本构造单元1.硅氧四面体硅氧四面体中有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子（或氢氧原子团）在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等。2.铝氧八面体铝氧八面体的六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央。10蒙脱石晶体构造示意图11粘土矿物的晶体构造分类单元晶层构造特征粘土矿物族粘土矿物1：1高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土等埃洛族埃洛石等2：1蒙皂石族*蒙脱石、拜来石、囊脱石、皂石、蛭石等水云母族伊利石、海绿石等2：2绿泥石族及其它各种绿泥石等层链状结构海泡石族海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等12几种主要粘土矿物的化学组成粘土矿物名称化学组成SiO2/Al2O3高岭石Al4[Si4O10]（OH）8或2Al2O3·4SiO2·4H2O2:1蒙脱石（Al2Mg3）（Si4O10）（OH）2·nH2O4:1伊利石（K，Na，Ca2）m（Al，Mg）4（Si，Al）8O20（OH）4·nH2O（式中m小于1）4:113Kaolinite(高岭石)ATWO-LAYERCLAY(一种两层粘土矿物)–Generallynon-expandable(一般不膨胀)–Contributestomigrationoffines(引起微粒运移)14KaoliniteClay(高岭石粘土)15Smectite（蒙脱石）ATHREE-LAYERCLAY（一种三层粘土矿物）–Greathydratingcapabilityinfreshwater（在淡水中有很强水化能力）16SmectiteClay（蒙皂石）17Illite（伊利石）ATHREE-LAYERCLAY（一种三层粘土矿物）–CompensatedwithK+ion（K+作为补偿离子）–Non-swellingcharacteristiccontributestomigrationoffines（非膨胀性，易发生微粒运移）18IlliteClay（伊利石粘土）19Chlorite（绿泥石）AFOUR-LAYERCLAY（一种4层的粘土矿物）–Magnesiumhydroxidebetweenthemontmorillonite-typeunitlayers[在蒙脱石晶层中含Mg(OH)2]–Damagesformationbyprecipitationofironifacidizing[酸化时生成Fe(OH)3]20粘土的阳离子交换容量粘土一般都带负电荷。为了保持电中性，粘土必然从分散介质中吸附等电量的阳离子。这些被粘土吸附的阳离子，可以被分散介质中的其它阳离子所交换，因此，称为粘土的交换性阳离子。21粘土的阳离子交换容量在pH值为7条件下，粘土所能交换的阳离子总量；阳离子交换容量以100克粘土所能交换下来的阳离子毫克当量来表示，符号为CEC（CationExchangeCapacity）。蒙脱石的阳离子交换容量一般为70～130毫克当量/100克粘土。22各种粘土矿物的阳离子交换容量矿物名称CEC（毫克当量/100克粘土）蒙脱石70～130蛭石100～200伊利石20～40高岭石3～15绿泥石10～40凹凸棒石，海泡石10～35钠膨润土（夏子街）82．30钙膨润土（高阳）103．70钙膨润土（维坊小李家）74．03钙膨润土（四川渠县李渡）100．0023粘土颗粒的连接方式24粘土的造浆率膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，在添加主要处理剂之前的预水化膨润土浆常称作原浆或基浆。由于蒙脱石含量和阳离子交换容量各不相同，来自不同产地的膨润土，其造浆效果往往有很大差别。25粘土的造浆率各类粘土的造浆曲线有一共同点，即表观粘度增至15mPas之前，其值随粘土含量的增加增长缓慢；当达到15mPas左右时，其值才随粘土含量的增加而明显上升。每吨粘土能配出表观粘度为15mPas的钻井液体积称作造浆率（YieldofClay），通常配浆土的质量以造浆率来衡量。配制1m315mPas的钻井液需57kg怀俄明优质膨润土，如使用低造浆率粘土，则需570kg，两者的用量为110。经换算，用1吨优质膨润土可配制出表观粘度为15mPas的泥浆约16m3，而1吨低造浆率粘土只能造浆约1.6m3，相差亦近10倍。使用优质钻井液配浆，泥浆密度仅为1.03～1.04g/cm3时，表观粘度即可达到10～15mPas；而如果使用低造浆率粘土配浆，泥浆密度必须增至1.35～1.40g/cm3时，其表观粘度才能达到同样的数值。尽量选用优质膨润土配浆，对减少体系中的固相含量，提高钻速有十分重要的意义。26典型粘土的造浆率曲线27配制一定密度原浆所需膨润土及水量计算Wc=[rcVm(rm–1)]/(rc–1)Vw=Vmrm–Wc式中，Wc——所需膨润土的重量，吨；rc——膨润土密度，g/cm3；Vm——所配制原浆的体积，m3；rm——原浆密度，g/cm3；Vw——所需水量，m3。28抗盐粘土矿物海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是典型的抗盐、耐高温的粘土矿物，用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液。用抗盐粘土配制的钻井液一般形成的泥饼质量不好，滤失量较大，必须配合使用降滤失剂。海泡石有很强的造浆能力，用它配制的钻井液具有较高的热稳定性和一定的酸溶性（在酸中可溶解60%左右）。国内这几种抗盐粘土的矿源较少，因此在钻井液中的应用不够普遍。在国外应用相对较多。29有机土由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土。有机土可以在油中分散，形成结构，用于油基钻井液作为增粘剂和降滤失剂。30加重材料（加重剂）加重材料又称加重剂，由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。为了对付高压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液里以提高钻井液的密度。加重材料应具备的条件：自身密度大，磨损性小，易粉碎。应属于惰性物质，既不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。31加重材料的主要类型1、重晶石粉以BaSO4为主要成分的天然矿石，经过机械加工后而制成的灰白色粉末状产品。密度应达到4.2g/cm3，粉末细度通过200目筛网时的筛余量﹤3.0%（质量）。用于加重密度不超过2.30g/cm3的水基和油基钻井液，是应用最广泛的钻井液加重剂。2、石灰石粉主要成分为CaCO3，密度为2.7～2.9g/cm3。易与酸类发生反应，适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻储层损害。用于配制密度≤1.34g/cm3的钻井液。3、铁矿粉和钛铁矿粉前者主要成分为Fe2O3，密度4.9～5.3g/cm3；后者主要成分为TiO2Fe2O3，密度4.5～5.1g/cm3。其密度均大于重晶石，可用于配制密度更高的钻井液。铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，可应用于需进行酸化的产层。这两种加重材料的硬度约为重晶石的两倍，因此耐研磨，在使用中颗粒尺寸保持较好，损耗率较低。但对钻具、钻头和泵的磨损较为严重。在我国，铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。4、方铅矿粉主要成分为PbS的黑褐色天然矿石粉末，其密度高达7.4～7.7g/cm3，可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现的异常高压。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方铅矿，配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液。32重晶石用量的计算方法若加重后钻井液体积无限制，重晶石用量可用下式计算：)(2112rrrrBBVVBBVVmr12式中，V1，V2分别表示加重前、后的钻井液的体积，mB，rB分别为重晶石的质量和密度。r1，r2分别为加重前、后的钻井液密度。33重晶石用量的计算方法若现场泥浆池容积受限制，加重前需排除一部分泥浆，则应根据加重后可以容纳的体积，用下式求出应保留旧浆的体积：)(1221rrrrBBVVBBVVmr1234常用的无机处理剂1、纯碱碳酸钠（Sodiu