钻井液常用处理剂的作用机理(一)

钻井液常用处理剂的作用机理（一）钻井液处理剂用于改善和稳定钻井液性能,或为满足钻井液某种性能需要而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核心组分，往往很少的加量就会对钻井液性能产生很大的影响。钻井液原材料和处理剂的种类品种繁多，为了使用和研究方便将按其功能进行分类。根据2006年API钻井液处理剂分类方法，将钻井液处理剂分为降滤失剂、增粘剂、乳化剂、页岩抑制剂、堵漏材料、降粘剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、润滑剂/解卡剂、加重剂、杀菌剂、消泡剂、泡沫剂、絮凝剂、除钙剂、pH控制剂、高温稳定剂、水合物控制剂。共计18类。其中润滑剂/解卡剂合并，另外增加了水合物控制剂我国钻井液标准化委员会根据国际上的分类法，并结合我国的具体情况，将钻井液配浆材料和处理剂分为16类，分别为粘土类、加重剂、碱度控制剂、降滤失剂、降粘剂、增粘剂、页岩抑制剂、絮凝剂、润滑剂、解卡剂、杀菌剂、缓蚀剂、乳化剂、堵漏剂、发泡剂、消泡剂。这16类处理剂所起的作用不同，但在配制和使用钻井液是，并不同时使用这些处理剂，而是根据现场需要选择其中的几种。下面对这16种处理剂进行介绍。1粘土类粘土的本质是粘土矿物。粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。粘土矿物是整个粘土类土或岩石的性质，它是最活跃的组分。晶质含水的层状硅酸盐矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等；含水的非晶质硅酸盐矿物：水铝英石、硅胶铁石等。1.1粘土矿物的两种基本构造单元1.1.1硅氧四面体与硅氧四面体晶片硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图。图1硅氧四面体结构硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右图。图2硅氧四面晶片结构图1.1.2铝氧八面体与铝氧八面体晶片第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）2铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右图所示)。图3硅氧八面体结构图铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的OH连接而成的AL-O八面体网络图4铝氧八面体及铝氧八面体晶片构造示意图1.1.3晶片的结合四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层。晶层可分为如下几种：1）1:1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。图51:1型晶层结构图2）2:1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。图62:1型晶层结构图1.2几种常见粘土矿物的晶体构造1.2.1高岭石高岭石的单元晶层构造是由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体晶体组成的，所有的硅氧四面体的顶尖都朝着同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶片由共用的氧原子连接在一起。①高岭石晶体结构示意图图7高岭石的晶体构造（立体图）图8高岭石的晶体构造②高岭石特点a1:1型粘土矿物化学组成Al4[Si4O10](OH)4或2Al2O3·4SiO2·4H2Ob几乎不存在晶格取代，负电量少c晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2ÅdC.E.C低（3-15mmol/100g土)，在三种常见的粘土矿物中，高岭石的C.E.C最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以C.E.C小。e造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。1.2.2蒙脱石蒙脱石可看做是叶石蜡脱石晶体结构示意第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）3图9：图9蒙脱石的晶体构造（立体图）图10蒙脱石的晶体构造②蒙脱石特点a2:1型粘土矿物，化学组成（Al2Mg3）（Si4O10）（OH）2nH2Ob存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面体中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡。c晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=0.96~4nmdC.E.C大（70~130mmol/100g土)，原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以C.E.C大。e造浆率高蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。1.2.3伊利石①伊利石晶体结构示意图图11伊利石晶体结构②伊利石特点A2:1型粘土矿物化学组成（K，Na，Ca2）m（Al，Mg）4（Si，Al）8O20（OH）4·nH2Ob存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。c晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10Å，dC.E.C介于高岭石与蒙脱石之间（20~40mmol/100g土)伊利石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力，K+不易交换下来。K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配位，因此，K+连接通常非常牢固，不易交换下来。e造浆率低三种粘土矿物的晶体结构和物理化学性质的特点如表12。表12粘土矿物晶体结构与物理化学性质矿物名称晶型晶层间距/10-1nm层间引力阳离子交换容量/mmol·(100g粘土)-1高岭石1:17.2氢键力,吸力强3-5蒙脱石2:19.6-40分子间,吸力弱70-130伊利石2:110.0吸力较强20-40第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）41.3钻井液中粘土矿物分类粘土在钻井液中按照其功能可分为膨润土、抗盐土、有机土。1.3.1膨润土以蒙脱石为主要成分的配浆土称为膨润土。其可以分为API钻井级膨润土(改性膨润土)、未处理天然膨润土(试验用钠膨润土)、OCMA膨润土(改性膨润土)。膨润土密度在2.5~2.7g/cm3之间；可以造成液体的粘稠流动性质；API钻井级膨润土在去离子水中加量为6.4%时表观粘度大于15mPa·s，滤失量小于15mL。膨润土用于水基钻井液中提高塑性粘度，静切力和动切力，以增强钻井液对钻屑的悬浮和携带能力，降低滤失量，形成致密泥饼，增强造壁性。1.3.2抗盐土抗盐土主要有凸凹棒土和海泡石两种粘土。凹凸棒土、海泡石由平行长轴的双硅链组成，这些硅链形成了一种带网结构，在其边缘连在一起，通过铝或镁原子在八面体方向把每条链的上下部分连在一起，形成凹凸面。由于其结构是三维链组成，所以不会膨胀；其矿物结晶为针状；具有很高的吸水容量。密度为2.5~2.7g/cm3；API钻井级凹凸棒土海泡石在去离子水中加量为6.4%时表观粘度大于15mPa·s，水分小于16%。可用于海水或盐水钻井液中起到提粘作用并且形成泥饼，堵漏效果良好。1.3.3有机土有机土组成：由钠膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而成的亲油膨润土。所选择的季铵盐必须有很强的润湿反转作用，常用十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基卞基氯化铵。主要作用是在油中分散，形成结构；在油基钻井液中做增粘剂和降滤失剂。2加重剂(加重材料)钻井液加重剂用于提高钻井液密度的处理剂又称加重材料，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中以提高钻井液的密度。加重材料应具备的条件是自身的密度大，磨损性小，易粉碎；并且应属于惰性物质，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。2.1API级重晶石（BaSO4）、活化重晶石重晶石为含钡硫酸盐矿物，化学成分为65.7%BaO、34.3%SO3，密度为4.2g/cm3之间，是制取钡和钡化合物的最重要的工业矿物原料。由于重晶石密度大、硬度适中、化学性质稳定、不溶于水和酸、无磁性和毒性，是全世界应用最广泛的钻井液加重剂。2.2铁矿粉(氧化铁矿粉、钛铁矿粉)钻井液加重剂的主要用铁矿粉和钛铁矿粉，前者的主要成分为Fe2O3，密度4.9~5.3g/cm3；后者的主要成分为TiO2、Fe2O3，密度4.5~5.1g/cm3，均为棕色或黑褐色粉末。铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，因此可应用于需进行酸化的产层。2.3碳酸钙粉（CaCO3、石灰石）石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为2.7~9g/cm3。易与盐酸等无机酸发生反应，生成CO2、H2O和可溶性盐，因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低,一般只能用于配制密度不超过1.68g/cm3的钻井液和完井液。2.4新型钻井液加重材料四氧化锰加重材料，四氧化锰又称四氧化三锰，分子式为Mn3O4，呈红色或黑褐色球状颗粒,粒径平均值小于0.5μm，密度4.856g/cm3，熔点为1564℃，不溶于水，可溶于盐酸。贝克休斯公司使用这种重材料开发出的逆乳化钻井液，塑性粘度大幅度降低，改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势，可在高温/高压井和小井眼中使用。2.5无机盐（NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2、ZnBr2）可用于钻井液加重剂的可溶性盐包括无机盐和有机盐，与惰性不溶固体加重剂相比，可溶性盐钻井液加重剂能降低钻井液中固相含量，有第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）5利于流变性调控和提高机械钻速，但成本较高，对钻具的腐蚀性强，使用中一般要加入缓蚀剂。无机盐有氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钙和溴化锌，其中溴化锌饱和溶液的密度达2.3g/cm3。有机盐有甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯，其中饱和溶液的密度达2.3g/cm3。与无机盐相比,有机盐与其他处理剂的配伍性更好，腐蚀性较低，储层保护性能和环境保护性能更佳，特别是甲酸铯钻井完井液体系更是近年发展起来的新型高效的高温高压储层钻井完井液体系。2.6加重材料用量的计算加重剂用量：加重后的泥浆重量等于原泥浆重量加上加重剂重量。计算公式：VW=原加原加加重加（）……（1）式中：W加-----加入加重剂重量，公斤或吨；V原-----原浆体积，公升或米3；ρ加-----加重剂密度，g/cm3；ρ原-----原浆密度，g/cm3；ρ重-----欲加重泥浆的密度，g/cm3。降低泥浆的密度所需的加水量。计算公式：VW=原加原稀加稀水（）………..（2）式中：X----加入水的重量，公斤或吨；V原----原浆体积，公升或米3；ρ水----水的密度，g/cm3；ρ原----原浆密度，g/cm3；ρ稀---加水稀释后泥浆的密度，g/cm3。3无机处理剂无机处理剂按钻井液标准委员会制订的分类方法，无机处理剂呗划分在其它类。无机处理剂的数量较多，下面介绍常用的几种处理剂。3.1常用的无机处理剂3.1.1烧碱（NaOH）乳白色晶体，密度2~2.2g/cm3，易溶于水，溶解时放出大量热，溶解度随温度升高而增加，水溶液呈碱性，易吸收空气中二氧化碳和水分，并与二氧化碳生成碳酸钠能提高钻井液的烧碱主要调节钻井流体pH值；与单宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用，使之分别转化为单宁酸钠、腐殖酸钠等有效成分；可控制钙处理钻井液中Ca2+的浓度。3.1.2纯碱（Na2CO3）白色粉末，密度2.5g/cm3，易溶于水，36℃时溶解度最大，水溶液呈碱性，pH值为11.5。在水中易电离和水解。Na2CO3=2Na++CO32-CO32-+H2O=HCO3-+OH-纯碱通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，改善粘土的水化能力。Ca-粘土与Na2CO3反应能生成Na-粘土和CaCO3，在钻水泥塞或钻井流体受到钙侵时，加入适量的纯碱使Ca2+沉淀成CaCO3；含羧钠基官能团（-COONa）的有机处理剂遇到钙侵（或Ca2+浓度