钻井液工艺学5

1、2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院第五章、钻井液原材料和处理剂第五章、钻井液原材料和处理剂本章要求：本章要求： 1. 钻井液处理剂的分类。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。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。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。降粘剂、降失水剂、絮凝剂的选择方法。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 o 钻井液处理剂钻井液处理剂-调配、维护和恢复钻井调配、维护和恢复钻井液工艺性能的添加剂。液工艺性

2、能的添加剂。o 发展概况：发展概况： 五十年代仅几种：纯碱、烧碱、褐煤、栲胶等。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。十亿，有大量专业公司、厂家。o 发展方向：抗温、抗盐钙、无毒、多功能、发展方向：抗温、抗盐钙、无毒、多功能、可生物降解。可生物降解。 2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 一、钻井液处理剂的分类一、钻井液处理剂的分类 1.按照处理剂组成分类按照处理剂组成分类:钻井液原材料钻井液原材料 无机处理剂无机处理剂有机处理剂有机处理剂

3、 表面活性剂表面活性剂 有机处理剂按来源分类有机处理剂按来源分类:n天然产品天然产品n天然改性产品天然改性产品n人工合成产品人工合成产品 有机处理剂按化学组成分类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。类、聚合物类等。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 2. 按照处理剂的功能分类按照处理剂的功能分类(我国钻井液标委会分类我国钻井液标委会分类) 降粘剂降粘剂 Thinner 增粘剂增粘剂 Viscosifier 降失水剂降失水剂 Filtration Red

4、ucer 絮凝剂絮凝剂 Flocculant 加重剂加重剂 Weighting Agent 解卡剂解卡剂 Pipe-Freeing Agent 堵漏剂堵漏剂 Lost Circulation Material 乳化剂乳化剂 Emulsifier 消泡剂消泡剂 Defoamer 润滑剂润滑剂 Lubricant 缓蚀剂缓蚀剂 Corrosion Inhibitor 页岩抑制剂页岩抑制剂 Shale Inhibitor 粘土类粘土类 Clay 杀菌剂杀菌剂 Bactericide 起泡剂起泡剂 Foaming Agent 其它类其它类 Others2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重

5、庆科技学院化工院二、处理剂研究内容和方法二、处理剂研究内容和方法 内容内容o 提出功能要求提出功能要求o 处理剂分子结构分析与设计处理剂分子结构分析与设计o 处理剂在粘土颗粒上的吸附规律研究处理剂在粘土颗粒上的吸附规律研究o 所处理的钻井液性能的变化：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、生物降解处理剂抗温、抗盐钙能力评价，毒性、生物降解性测试。性测试。方法：方法：分子量、基团及结构的化学和仪器分析、钻分子量、基团及结构的化学和仪器分析、钻 井液性能测试等。井液性能测试等。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院2009年年8月月ZHOUCY重

6、庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 1、粘土类、粘土类2、加重剂、加重剂 用于提高钻井液密度的物质材料。用于提高钻井液密度的物质材料。要求：要求：密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。第一节第一节 原材料原材料2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 常见固体加重材料的物化性质常见固体加重材料的物化性质材料名称材料名称 化学成分化学成分 密度密度g/cm3 硬度硬度 酸溶性酸溶性 重晶石重晶石 BaSO4 4.0 4.5 2.5 3.5 难溶难溶 铁矿粉铁矿粉 Fe2O3 4.9 5.3 5.5 6.5 溶溶 方铅矿方铅矿 PbS 7.4 7

7、.7 2.5 2.7 溶溶 菱铁矿菱铁矿 FeCO3 3.7 3.9 3.5 4.0 溶溶 钛铁矿钛铁矿 TiO2Fe2O3 4.5 5.1 5.0 6.0 溶溶 石灰石粉石灰石粉 CaCO3 2.7 2.9 3 溶溶 磁铁矿磁铁矿 Fe3O4 5.0 5.2 5.5 6.5 溶溶2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院第二节第二节 无机处理剂无机处理剂 常用产品常用产品o纯碱纯碱o烧碱烧碱o石灰石灰o石膏石膏o氯化钙氯化钙o氯化钠氯化钠o氯化钾氯化钾o硅酸钠及硅酸钾硅酸钠及硅酸钾o重铬酸钾和重铬酸钠重铬酸钾和重铬酸钠o六偏磷酸钠六偏磷酸钠o混合金属层状氢氧化物混合金

8、属层状氢氧化物2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院无机处理剂无机处理剂作用原理作用原理o 离子交换吸附离子交换吸附o 调控钻井液的调控钻井液的pH值值o 沉淀作用沉淀作用o 络合作用络合作用o 与有机处理剂生成可溶性盐与有机处理剂生成可溶性盐o 抑制溶解的作用抑制溶解的作用2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院第三节、有机处理剂第三节、有机处理剂 一、降粘剂（又称解絮凝剂一、降粘剂（又称解絮凝剂 、稀释剂）、稀释剂）1.钻井液稠化原因钻井液稠化原因 由于粘土颗粒表面与端面性质不同：由于粘土颗粒表面与端面性质不同： 带电情况不同带电情况不

9、同 表面带负电，端面带正电。表面带负电，端面带正电。水化程度不同水化程度不同 表面水化膜厚，端面水化膜薄。表面水化膜厚，端面水化膜薄。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 钻井液稠化原因：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，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：端极易形成：端-端、端端、端 面联结的空间片架结构，面联结的空间片架结构， 从而造成：从而造成： 钻井液结构粘度增加；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。片架结构包住大量自由水，流动阻力增加。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技

10、学院化工院重庆科技学院化工院 2. 降粘剂作用机理降粘剂作用机理 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。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：具体方法为：（1） 使端面反号使端面反号 由带正电性端面转变为负电性端面。即：由带正电性端面转变为负电性端面。即： 正负相吸正负相吸 负负相斥负负相斥2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 （2） 增强端面水化膜厚度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

11、给端面带来丰厚的水化层，削弱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、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。面连接，拆散了片架结构，同时放出自由水，使粘度降低。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 降粘剂作用特点降粘剂作用特点 主要作用于端面主要作用于端面 用量少、效果显著（因为端面少）。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。降失水与降粘作用有时相一致，有时不同。 主要降低主要降低 0，不降，不降 s。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 3.

12、常见降粘剂常见降粘剂单宁酸钠（单宁酸钠（NaT） 磺甲基单宁（磺甲基单宁（SMT） 铁铬木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐 (FCLS)两性离子聚合物降粘剂（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）磺化聚苯乙烯顺丁烯二酸酐钠盐） 2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 铁铬木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐 (FCLS)的使用的使用 通常配制成碱液使用。通常配制成碱液使用。 FCLSFCLS碱液的配制碱液的配制FCLS : NaOHFCLS : NaOH = 3 = 3 5 :15 :1（FCLS + NaOHFCLS + NaOH）/ /（

13、FCLS + NaOHFCLS + NaOH）混合碱液）混合碱液 = 1/5= 1/5或或1/101/102009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 例题例题 40g FCLS碱液（碱液（3：1，1/5）中，含固体）中，含固体FCLS多多少克？少克？NaOH多少克？多少克？解：解：FCLS+NaOH总重为：总重为：1/5 40 = 8 (g) FCLS重量为：重量为： 3/(1+3) 8 = 6(g) NaOH重量为：重量为：1/(1+3) = 2 (g)答：含答：含FCLS重量为重量为 6 g，NaOH重量为重量为 2 g。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化

14、工院重庆科技学院化工院 4. 降粘剂选择方法降粘剂选择方法仪仪 器器: 漏斗粘度计、旋转粘度计。漏斗粘度计、旋转粘度计。评价指标：评价指标： s 、 0 、 漏漏 、 方方 法：法：钻井液钻井液 + 降粘剂（降粘剂（%） 测定性能测定性能评价标准：评价标准： s 、 0 2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 分析：分析：降失水途径：降失水途径： 提高泥饼质量（降低提高泥饼质量（降低K） 增加滤液粘度增加滤液粘度 降低压差降低压差 改变固相含量、级配和表面性质等改变固相含量、级配和表面性质等 要求要求： 胶体粒子浓度充足胶体粒子浓度充足 保持体系聚结稳定性保持体系聚

15、结稳定性 有一定量的桥塞粒子有一定量的桥塞粒子 （护胶）（护胶） 二、降失水剂二、降失水剂2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 泥饼形成过程泥饼形成过程钻井液流动钻井液流动 桥塞粒子桥塞粒子 在孔喉架桥的粒子在孔喉架桥的粒子填充粒子填充粒子 在桥塞粒子间隙填充的粒子在桥塞粒子间隙填充的粒子2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 降失水剂作用机理降失水剂作用机理1. 水化膜护胶水化膜护胶 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。结稳定性的作用。机理：水化膜机理：水

16、化膜增厚，增厚， 聚结阻力增大，聚结阻力增大， 胶粒稳定性增强胶粒稳定性增强 ， Vf 降降低。低。特点：特点： 分子量较低、水溶性好。分子量较低、水溶性好。 用量较大（表面）。用量较大（表面）。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 2. 静电稳定静电稳定 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。引力的作用。结果：负电荷结果：负电荷增加，增加， 电势增加，电势增加， 胶粒稳定性增强，失水降低。胶粒稳定性增强，失水降低。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院

17、3. 高分子保护高分子保护敏化作用敏化作用 高分子保护高分子保护1 高分子保护高分子保护2 大分子浓度低时，大分子浓度低时， 吸附粘土粒子的高分子吸附粘土粒子的高分子 许多高分子吸附许多高分子吸附 不足以形成混合网不足以形成混合网 链之间形成网架结构链之间形成网架结构, 在胶粒表面，形成在胶粒表面，形成 架结构，颗粒失去架结构，颗粒失去 粒子被隔离开不易粒子被隔离开不易 包蔽层，阻止胶粒包蔽层，阻止胶粒 重力稳定性。重力稳定性。 聚结，保证体系中聚结，保证体系中 聚结。聚结。 胶粒含量。胶粒含量。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 4. 几种常见的降失水剂几种常

18、见的降失水剂钠羧甲基纤维素（钠羧甲基纤维素（Na - CMC）煤碱剂（煤碱剂（NaC） 磺甲基褐煤磺甲基褐煤(SMC) 磺甲基酚醛树脂（磺甲基酚醛树脂（SMP）磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（SLSP）水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐(Na-、NH4-、Ca-HPAN ) 褐煤与树脂共聚产品（如褐煤与树脂共聚产品（如PSC SPNH ） 淀粉类淀粉类2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 煤碱剂（煤碱剂（NaC）的使用）的使用 通常配制成碱液使用。通常配制成碱液使用。 主要成分：腐植酸钠主要成分：腐植酸钠 （利用（利用

19、NaOH提取出来）。提取出来）。 NaCNaC碱液的配制碱液的配制褐煤：烧碱：煤碱液（水）褐煤：烧碱：煤碱液（水） = = 10 10 15 15 ：2 2 ：50 50 100 1002009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 5. 降失水剂选择方法降失水剂选择方法仪仪 器器: API静失水仪、静失水仪、HTHP静失水仪。静失水仪。评价性能：评价性能：静失水量、泥饼厚度。静失水量、泥饼厚度。方方 法：法：钻井液钻井液 + 降失水剂（降失水剂（%） 测定性能测定性能评价标准：评价标准： API静失水静失水 5ml/30min； h 0.5mm. HTHP静失水静失水 1

20、5ml/30min h 5mm.2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 三、絮凝剂三、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。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。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：）有机高分子絮凝剂作用机理：实质；高分子敏化作用。实质；高分子敏化作用。三个步骤：三个步骤：1. 吸附吸附2. 桥连桥连3. 形成团块、团块下沉。形成团块、团块下沉。2009年年8月月ZHOUCY重庆科技学院化工院重庆科技学院化工院 有机高分子絮凝剂作用机理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，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使它们桥联在一起。同时，这