钻井液配浆材料与处理书

第四章钻井液配浆材料与处理剂钻井液技术的发展是随着整个钻井行业的发展而发展的。随着钻井技术的发展，对钻井液的要求越来越高。实际上，钻井液在很大程度上决定了钻井的成败。因此，人们常用“钻井液是钻井的血液”来形象地比喻其在钻井作业中的重要作用。而钻井液技术的发展直接受到钻井液配浆材料和处理剂制约。我国钻井液配浆材料和处理剂发展较晚，近年才有较大进步。1972年，钻井液材料及其处理剂不过21种，直至1975年也只不过30种（包括无机盐）。1975年以后开始飞速发展，到1983年底增至76种，1985年底达到166种。1993年增加到16类260种,总费用达10.3亿元。近几年更是得到飞速发展，在有些剂种研究和开发方面与国外基本同步。据《世界石油》杂志每两年公布一次全世界钻井液完井液及修井液处理剂的品种、用途和厂家等报道，目前商品牌号就有2700多种，这还不包括前苏联、东欧和中国的产品。我国从80年代以来，钻井液技术发展很快，钻井液处理剂的类别和品种已与国外相当，某些处理剂的性能还优于国外的产品。总的说来，钻井液处理剂是钻井液技术的关键、是核心，没有新的处理剂就没有新的钻井液体系。第一节钻井液原材料配制钻井液时所用的各种物质称为钻井液材料，其中包括原材料及处理剂。钻井液原材料是指那些用于配浆、用量较大构成钻井液的基本组分，臂如膨润土、水、油和重晶石等。处理剂是指那些用于改善和稳定钻井液性能或为满足钻井液某种特殊需要而加人钻井液中的化学添加剂。它是钻井液组分中的关键成分。随着钻井液技术的发展，处理剂的种类日益增多。一、钻井液材料的分类钻井液材料种类繁多，为了使用和研究的方便，有必要对它们予以分类。目前基本上有以下两种分类方法。第一类分类方法是按钻井液材料的化学性质和组成分类。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。这种方法容易掌握其主要组分和性质，一般常为钻井液研制单位和专业技术人员所使用。(1)钻井液原材料：粘土、水、油、加重材料等。(2)无机处理剂：凡是用于钻井液的无机化学药剂均可划入此类。按其它化学组分的不同尚可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐等。应该还包括混层金属氢氧化物，即正电胶类。(3)有机处理剂：凡是用于钻井液的有机化合物均属此类。通常可分为天然产品、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：腐殖酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、丙烯酸盐类、沥青类、淀粉类和其它高聚物类，包括复合离子和阳离子聚合物。(4)表面活性剂：阴、阳、非、两性离子表面活性剂。第二类分类方法是按材料在钻井液中所起的作用或功能分类。这种分类法的优点是可以让使用者按需采购，适应性较强，多为钻井液公司及生产厂家所采用。本章主要介绍第二种分类法。在1986年以前，国外把钻井液材料分为16大类，得到了美国石油学会（API）和国际钻井承包商协会（IADC）的认可，但各钻井液专业公司还另有自己的分类方法。依据我国国情并于国际接轨，吸取了国外分类方法的特点，于1986年经原中国石油天然气总公司钻井液标准化委员会研究决定把钻井液材料按在钻井液中的作用分为16类。（1）降滤失剂：Filtrationreducer:减少钻井液的液相向地层渗漏，褐煤、沥青、淀粉、CMC、聚丙烯酰胺类等。（2）增粘剂：Viscosifier：提高钻井液的粘度及切力，使其具有适宜的流变性及悬浮能力。膨润土、水浮性聚合物、XC等。（3）乳化剂：emulsifier：使油水乳化产生乳状液。（4）页岩抑制剂：shaleinhibitor：抑制泥岩水化、膨胀和坍塌，沥青、KCL、KOH、CaCL2、阴、阳离子聚合物。（5）堵漏剂：Lostcirculationmaterials防止钻井液漏失进入地层，果木壳、云母、矿渣、DF-1（单向压力封闭剂）。（6）降粘剂：thinner：降低体系的粘度和切力，使其具有合适的流变性，木质素磺酸盐类、褐煤类、丹宁或栲胶、聚丙烯酸盐。（7）缓蚀剂：corrosioninhibitor防止或减轻井下管柱和钻具腐蚀。胺类：以以成膜胺类为主，季胺盐醇胺、非胺类、磷酸酯、锌的碱式盐、氧化铁粉。（8）粘土类：clay：主要用于提粘降失水、膨润土、海泡石、有机土。（9）润滑剂：lubricant：减少钻具与井壁的摩擦阻力，降低扭矩，减少磨损和提高有效马力，减少卡钻风险。动植物油改性。（10）加重剂：weightingagent：调节钻井及完井液密度以控制液柱压力，重晶石、铁矿粉、石灰石。（11）杀菌剂：bactericide：抑制多糖类聚合物的发酵及因细菌活动引起多胺类、季胺盐、醛类的腐蚀作用。（12）消泡剂：defoamer：消除循环过程中产生的泡沫，低级醇（辛醇、异丁醇）、聚醚。（13）泡沫剂：foamingagent：用于钻井液中配制稳定泡沫。（14）絮凝剂：flocculatant：提高钻井液切力，同时减少钻井液中的微小AlCl3等，PAM、HPAM颗粒，防止钻屑分散。（15）解长剂：pipe-freeingagent：抑制岩石矿物膨胀，降低磨阻增加润滑性使钻柱恢复活动。（16）其它：others（包括无机处理剂）。当然，钻井液处理剂的分类方法，还有IADC（国际承包协商会）和API法，大同小异，不在此一一讲述了。十六类处理剂各有各的作用，但在配制和使用钻井液时，并不同时使用这些处理剂，而仅仅根据需要使用其中几种。另外，一个处理剂在钻井液中同时具有几种剂的作用。比如说：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等。本章我们重点介绍几种无机处理剂和几种重要有机处理剂：降粘剂、降滤失剂、页岩抑制剂和絮凝剂。絮凝剂在聚合物钻井液一章将作介绍，本章不再赘述。二、钻井液原材料第一类分类方法中的钻井液原材料包括粘土类、加重剂类和其他类的油和水等。它们的主要作用如下：（1）形成较稳定的胶体；（2）接受各种化学剂处理，进一步改善钻井液性能，满足钻井液各种需要；（3）在井壁上形成泥饼，减少滤失量，稳定井壁；｛4）形成钻井液的粘度、切力、悬浮固相，携带钻屑；（6）调节钻井液密度，控制地层压力．(一)、粘土粘土主要是由粘土矿物组成，许多粘土中还含有非晶质的胶体矿物，如蛋白质氢氧化铝、氢氧化铁等。有些粘土中还含有不定量的石英、长石等。通常认为粘土是由极细的粘土矿物组成，其颗粒小于2u。在水中具有分散性、带电性和离子交换性。粘土矿物就是通常构成岩石和土壤细粒部分（2um）的主要成分的矿物。一般情况下粘土矿物是细分散的、含水的层状构造硅酸岩矿物和层链状构造硅酸岩矿物及含水的非晶质硅酸岩矿物的总称。通过对粘土进行化学分析表明粘土主要含有氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3和水，还含有少量的铁，碱金属和碱土金属。实际上粘土矿物就是含水的铝硅酸盐。可见，粘土这个术语包含三个方面的含义：①作为一种不同粒度组合的晶体矿物；②作为一种岩石类型；③作为一种颗粒尺寸术语。从钻井液技术观点来看，粘土在水中的特性比它的化学组分显得更为重要。在本书第四章对粘土矿物学与胶体化学特性以作了介绍，这一节仅限于粘土在钻井液中的应用。在引人失水仪评价钻井液特性前，多用地面粘土制备钻井液，这些粘土滤失特性极差，造成粘土沉积报废，同时继续用一些“低造浆率”粘土来提钻井液密度至1．26g／cm3）。在50年代中期，试验室与现场研究证实粘土固相对钻速有不良影响，由于这一发现，限制了劣质粘土的使用。现在，唯一大量在淡水钻井液中使用的粘土为膨润土。Grim和Niiren将膨润土定义为任何一种具备蒙脱石的物理性质，其成分以蒙脱石矿物为主的粘土矿物。膨润土也曾被定义为含有不少于85%蒙脱石的细颗粒粘土矿物。下面分别介绍三种主要的粘土类型。1.钠膨润土及钙膨润土，是配制水基钻井液的基础原料。其主要矿物成分是蒙脱石。一般要求1吨土可配制粘度为15mPa.S的钻井液16m3。钠膨润土的造浆率较高，而钙膨润土则需要经过改造处理才能使用。目前我国把水基钻井液工艺技术所用的土分为三个等级：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（OilComPany’MaterialslAssociation）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,如堵漏用的钻井液等。膨润土加人淡水或淡水钻井液里，有下列一个或多种作用:①提高井眼的清洁能力；②减少水渗人或滤失到渗透性地层;③形成低渗透率的薄泥饼;④在胶结不良的地层里，改善井眼的稳定性;⑤为了避免或克服井漏。当然添加的量要根据特定的条件而变化,通常在1～15%之间。膨润土作为一种钻井液添加剂用量仅次于重晶石，列居第二。为了增加稠化效果，在加工期间把有机聚合物添加到膨润土里面做成的产品，用于开钻钻井液、低固相钻井液及那些运输费用极高的场所里，用量相当于API规范膨润土的一半以下。比较典型的聚合物是丙烯酸及其类似的产品衍生物。在粉碎前把选择的聚合物与干燥的膨润土相混合，聚合物的加量随聚合物的不同而异，随聚合物对特定膨润土的效果而变化，但通常为膨润土重量的0．l％～2％，浓度更高可能效果不好，甚至有害。因为在此条件下，聚合物已变为絮凝剂了。2．抗盐粘土，包括海泡石、凹凸棒石及坡缕搞石，是铝和镁的水硅酸盐。其晶体构造为纤维状或棒状。这种土的特点是抗盐且抗高温，在盐水甚至饱和盐水中亦能配出具有相当粘切的钻井液，要求造浆率达到12～16m3／T，常用来钻盐岩层。海泡石钻井液具有较高的耐温特性，热稳定性好，其晶体结构在350℃高温下仍无变化。故常用来打地热井或超深井。其缺点是滤失量大，必须配合滤失量降低剂才能使用。凹凸棒石具有纤维结构。作为一种钻井液材料，主要作为一种悬浮剂，在盐水、卤水里，用于提高盐水及卤水的切力。。就化学组成而言，它是一种结晶的水化的硅酸镁，一部分镁被铝铁及其它元素所代替。颗粒针状而晶体结构是由镁与钙连结的硅氧双链。电子显微镜显示松散，针状填充的毛刷状堆积的外观特点。当置于水里时，绿坡缕石不象膨润土那样膨胀，但为了使成捆板条式的晶体破裂需用强有力的搅拌使之分散。由圈闭水的任意结构并以大面积吸附极性水分子而形成稳定悬浮液。在钻井液中主要是利用其悬浮性质，它的悬浮性能不受溶解盐的坏影响，事实上，在饱和NaCI溶液里比纯水里的粘度还高。凹凸棒石无控制滤失作用。利用这个特征可制备高滤浆液，用于堵漏。从井内除去钻屑或悬浮加重钻井液里的重晶石所需要的凹凸棒石量为1～６％。海泡石是一种水合的硅酸镁，与凹凸棒石相比含有较少的被置换的铝，它产生于纤维的细长条板式颗粒里，它的晶体结构类似于凹凸棒石，单元晶粒大一些，分子般尺寸的沟纹决定了它的吸附能力。钻井作业中海泡石是盐水胶凝剂。高温下海泡石稳定性的报导促使CarnCy与Meyer研究海泡石在地热井钻井液内的应用，发现把淡水海泡石浆液加热到400℃时，稠度只有适度的增加。为了促进海泡石的分散，需用高剪切的装置。在钻井中，海泡石的作用有：①代替盐水钻井液里的凹凸棒石；②为了在井内清除段塞代替石棉；③用在含有膨润土、氧化沥青的组分中；④作封隔液。在高温下对海泡石稳定性的进一步研究表明：把钻井液加热到150℃以上时，海泡石就转化成蒙脱石，在转化中温度是关键因素：205℃，24h转换在10％以上，氯化物或氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化镁的存在对转化影响不大。3.有机土有机土是由膨润土或凹凸棒石制备的。将有机阳离子表面活性剂添加到粘土悬浮液中以铵基取代粘土表面钠、钙等阳离子，同时以碳氢链替换先前吸附的水分子，这样粘土再也不被水湿润，所以就沉淀出来。经分离，冲洗与干燥而成有机土。通过阳离子交换过程亲水粘土与脂肪胺盐和季铰盐或碱反应生成粘土一一有机产物，此种产物可以分散在油里以提供悬浮性能。有机士在油基钻井液中加量为6～40kg／cm3，这取决于钻井液的密度及滤失量要求范围。在较高滤失的油基钻井液里要使用较高的浓度，这种油基钻井液要比一般油基钻井液获得更高的转速。在北极地区可以采用有机土含量高达140kg／m3的油基钻井液。为了提高油钻井液的流变性而使用有机粘土