常见的钻井液体系-王宝田

常见的钻井液体系单位：钻井泥浆公司讲课人：王宝田常见的几种钻井液类型•细分散钻井液体系•粗分散钻井液体系•不分散低固相钻井液•阳离子聚合物钻井液•两性离子聚合物钻井液•深井钻井液•聚合醇钻井液•油基钻井液•气体型钻井流体一、细分散钻井液体系细分散钻井液最常用的处理剂为：NaOH（烧碱）；Na2C03（纯碱）；NaT（丹宁酸钠）；NaC（腐植酸钠）。1．Na0H、Na2C03的作用（1）提供Na+和OH-离子（2）对聚合物的溶解作用（3）控制Ca2+等的浓度（4）调节pH值（5）对Ca2+、Mg2+的沉淀作用Ca2++Na2C03一→CaC03↓+2Na+Ca2++2Na0H一→Ca(OH)2↓+2Na+Mg2++2NaOH一→Mg(OH)2↓+2Na+所以，可起除Mg2+、Ca2+的作用。2．单宁碱（NaT）降粘剂单宁是白坚木（Quebracho）等植物的提取物，提取的植物不同化学组成也不同，但总是没食子酸和揉酸的复杂衍生物。单宁碱的降粘作用机理：单宁酸钠一方面通过其相邻的双酚羟基，吸附在粘土片状晶体颗粒的断键边缘的铝离子上；另一方面，通过分子上的其它极性基的水化，给粘土边缘造成吸附水化层，结果可以削弱或拆散钻井液中粘土颗粒间的网状结构，增加体系中颗粒自由化，减少颗粒间的摩擦。单宁碱液亦可起到降滤失量作用。单宁粉直接加入钻井液，可以提高切力和粘度。3．腐植酸钠（NaC）或煤碱液该剂的主要作用为降粘作用和降滤失量作用。它由褐煤、烧碱和水配成。由于腐植酸含有较多可与粘土吸附的官能团，特别是含有邻位双酚羟基，又含有水化作用较强的羧钠基，使腐植酸钠既具有降滤失量作用，又具有降粘作用。作降粘剂用的煤碱液一般比作降滤失剂作用的煤碱腐植酸结构中的主链骨架都是碳环结构，因此腐植酸的热稳定性比单宁和Na-CMC的要高得多，抗温可达180～190℃。腐植酸钠可抗Ca2+500～600mg／L抗NaCl可达4％～5％，腐植酸钠（NaC）遇到Ca2+以后发生下列可逆反应，生成腐植酸钙沉淀。2NaC十Ca2+→CaC2十2Na+•因此腐植酸钠在钙处理钻井液中有控制Ca+浓度的作用。上述平衡在Ca2十浓度高时往左移动，当Ca2+浓度低时往右移动，即加煤碱液可降低Ca2+浓度，有利于抗石膏侵和水泥侵等钙侵。而在抑制粘上水化和稳固井壁上，当Ca2+因吸附消耗时，腐植酸钙可以补充部分Ca2+。•细分散钻井液有一定局限性，粘土侵不易消除，对Ca2+、Na+等盐的侵污敏感，不能耐高温。遇到以上的情况易稠化、滤失量较大、钻井液排量减少、泵压增高、对井眼安全及快速钻进均有不利影响。二、粗分散钻井液体系粗分散体系是一种适度絮凝而又相对稳定的体系，它由无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。粗分散体系的优点是：（1）流动性好；（2）性能稳定时间长；（3）pH值适当；（4）泥饼薄、滤失量较低；（5）起下钻时钻井液不沾钻杆；（6）可以承受一定的盐侵、钙侵而性能不变坏。现场常用的粗分散体系有：铁铬盐-石膏钻井液、褐煤-氯化钙钻井液、石灰-单宁钻井液、CMC铁铬盐-盐水钻井液、海水钻井液等。粗分散体系主要化学剂的作用原理：1．石膏（CaSO4）、石灰（Ca（OH）2）、氯化钙（CaC12）提供Ca2十离子2．NaOH及Ca(OH)2的作用3．铁铬木质素磺酸盐的作用4．钠羧甲基纤维素的作用1．石膏（CaSO4）、石灰（Ca（OH）2）、氯化钙（CaC12）提供Ca2十离子主要原理是：Ca2+＋2Na土→Ca土＋2Na+中。Na土周围吸附水半径可达100Å，Ca土周围吸附水的半径为15Å，粘土水膜变薄，粘土颗粒发生絮凝，因而形成适度絮凝的体系。2．NaOH及Ca(OH)2的作用加碱可起到控制Ca(OH)2溶解的作用，当OH-增加，Ca2+向减小的方向发展，石灰钻井液的pH值在10.5～12，pH值过低，钙离子浓度增大，粘度与切力增大，pH值过高，钙离子浓度减小。3．铁铬木质素磺酸盐的作用•铁铬盐的性质如下：（1）铁铬盐基本不电离，它能溶于碱性、中性和酸性的水溶液当中，有较高的抗污染能力。（2）铁铬盐的水溶性取决于磺化度，磺化度愈高水溶性愈大，牡丹江化工厂铁铬木质素磺酸盐木质素磺化度为5％～6％，也有的磺化度为9％。磺化度低于某一极限值，铁铬盐就不能溶于水。（3）铁、铬和木质素形成的螫合物是五圆或六圆环，稳定性较高。（4）铁铬盐耐温性好。可耐温180℃左右，一方面因为它形成Fe、Cr螫合物，比较稳定；其次磺酸基中的硫与碳直接联结，因此，具有较高的热稳定性。（5）有较强的水化能力。（6）有较强的稀释作用。另外，铁铬盐的吸附作用使粘土水化膨胀率受到抑制，吸附作用愈强大，抑制作用也愈强烈，对稳定泥、页岩井壁有较好的效果。（7）室内及现场实践指出：铁铬盐在130℃以上效果有下降趋势，可加入少量重铬酸钾或重铬酸钠以恢复其稀释作用，热稳定性可恢复到177℃，若温度超过177℃后可能分解出硫化物而对钻具套管发生腐蚀。pH值维持在9～11间效果较好。钻井液中加量超过3％以后，抑制粘土水化膨胀性能显著。铁铬盐摩擦系数较高，深井中要注意加润滑剂或混油。使用时如果发生泡沫，可加入少量硬脂酸铝或甘油聚醚等。3．铁铬木质素磺酸盐的作用4．钠羧甲基纤维素的作用钠竣甲基纤维素代号Na-CMC，它是链状水溶性高分子化合物，1945年Na-CMC开始引进用于钻井液。Na-CMC水溶液性质如下：（1）pH对溶解度的影响较大（2）热稳定性较差（3）Na-CMC有一定的抗盐、抗钙能力Na-CMC降滤失量机理：Na-CMC降滤失量作用主要有三条。改善泥饼性质；增加分散介质粘度；减少自由水。Na-CMC在钻井液中电离生成多价负离子，它有多种官能团，-COONa、-OH可与粘上边缘断键处铝离子相吸，-OH和土粒氧形成氢键，使CMC能吸附在粘土颗粒形成水化层，同时增大土粒的了电势，细粘土粒亦可与大分子吸附粘结，参与网状结构的形成，避免土粒接触（护胶作用），从而大大提高粘土颗粒的稳定性，形成致密的泥饼，起到降低滤失量的作用。5．粗分散钻井液分类介绍•（1）石灰钻井液•（2）石膏钻井液•（3）氯化钙钻井液•（4）盐水钻井液1、石灰钻井液•用石灰作钙的来源时，称石灰钻井液。钻井液的pH值应控制在11．5以上，使Ca2+含量保持在120～200mg／L，石灰过量时为3000～6000mg／L。•石灰钻井液，有高碱性石灰钻井液与低碱性石灰钻井液之分，低碱性石灰钻井液是从高碱性石灰钻井液发展来的，高碱性石灰钻井液在高温下有固化的缺点，一般只能用到4000米以内的井，而低碱性、低石灰钻井液，pH值应控制在11．5以内，用抗高温的处理剂可耐温200～230C。（2）石膏钻井液•用石膏作Ca2+离子来源的钻井液称为石膏钻井液。该钻井液的pH值可保持在9.5～10.5。其Ca2+含量保持在600～1200mg／L，过量石膏浓度为6000～12000mg／L。体系中要求含有未溶解的石膏，以便自动地、及时地补充被钻屑所消耗的Ca2+，才能保持钻井液性能的稳定。•石膏钻井液在抗高温、抗盐侵、抗石膏侵以及对付泥、页岩坍塌及保护油气层方面，都比石灰钻井液更优越，在5000m以上高温井段使用，不会发生固化。但由于石膏比石灰溶解度大，滤液含钙量高，钻井液絮凝程度大，处理钻井液时，需要大量的高效降粘剂，配合一定降滤失剂，才能取得稳定的钻井液性能。用氯化钙作Ca2+离子来源者称为氯化钙或高钙钻井液。该钻井液中Ca2+含量较高（3000-4000mg／L），控制泥、页岩水化膨胀作用强，通过现场应用具有以下优点：①粘度低、切力小、易于沉砂，有利维持钻井液低密度。②滤失量小、泥饼薄、滤液矿化度高，有利防止泥、页岩水化膨胀。③泥饼润滑性好，减少了泥饼卡钻的可能。④固相含量低，流动性好，钻井泵上水效率高，有利于强化钻井。（3）氯化钙钻井液•氯化钙钻井液的缺点是：①钻井液滤液含钙量高，严重影响粘土胶团的絮凝稳定性。处理时，粘度、切力易上升，因此，对氯化钙溶液Ca+离子浓度及加量需要注意控制。②对各种处理剂，如CMC、丹宁酸钠、煤碱剂、拷胶碱液、水解聚丙烯睛等处理剂，有不同程度的沉淀作用，降低了处理剂的使用效果。（4）盐水钻井液其优点是：①高矿化度可抑制水敏性粘土分散而防塌；②有足够的密度压住盐水层，避免污染；③含有抗盐处理剂，得以维持良好性能；④对保持低固相、保护产层有良好作用，但对电测有一定的影响。在淡水钻井液中，加入不同量的盐以后，钻井液主要性能变化分为三个阶段：①含盐量小于1％时，粘度、切力、滤失量随着含盐量增加而上升，这个范围即淡水钻井液。②含盐量大于1％时，粘度、切力、滤失量随着含盐量增加上升很快，含盐量3％时，粘度、切力达到极大值。③含盐量大于3％时，粘度、切力随着含盐量增加而下降，滤失量继续上升。•淡水钻井液体系由于双电层电动势和水化膜的存在，减少了颗粒聚集，使体系具有一定的稳定性。但随着液体中NaCl浓度的增加，钻井液体系中Na+离子浓度愈来愈高，于是产生挤压双电层的现象，使粘土胶粒电动势降低，水化膜变薄。在这种情况下，由于粘土胶粒的热运动，互相碰撞聚集变大的几率增加，粘土颗粒开始由细分散向粗分散转变。表现在钻井液的性能上是粘度、切力上升很快，含盐3％时达到最大值。NaC1量继续增加时，挤压双电层现象更严重，电动势进一步降低，水化膜变得极薄。到7％以后粘土颗粒发生聚集沉降，在这种情况下，粘度切力降至很低。滤失量一直上升。钻井液稳定性丧失。如果在粘土颗粒发生聚集下沉以前的粗分散状态时，加化学试剂把钻井液性能控制在所需要的范围以内并保持稳定性，即形成盐水钻井液。•粗分散钻井液有其适用范围，也有一定的优点，在钻井历史上发挥了应有的作用。但不足之处在于对泥、页岩的抑制性和固相的控制较差，剪切变稀性能和保护油气层方面也存在一定的缺陷，所以从70年代以来又发展了各类钻井液体系特别是不分散聚合物钻井液体系及原材料处理剂。三、不分散低固相钻井液•使用情况•无机絮凝剂与有机絮凝剂的比较•聚丙烯酰胺的絮凝机理•最常用的处理剂有三大类：（1）聚丙烯酰胺及其衍生物：此种处理剂产品较多，分子量与水解度也是变化多端，且可形成不同无机盐类，如钠、钾、钙等，亦可进行磺化形成磺化产品，从功用上来看，有的是全絮凝剂，有的作选择性絮凝剂，还有的作为降滤失剂及流变性调节剂。我国主要采用以这类剂为主的不分散聚衔镒昃（2）醋酸乙烯酯与丁烯二酸酐共聚物：国内尚未提供丰富的产品。（3）生物聚合物钻井液：主要以XC聚合物为主体的钻井液，这种聚合物在国内已开始生产应用。聚丙烯酰胺的絮凝机理无机盐（CaC12、AIC13等）絮凝粘土的机理主要用扩散双电层理论来解释。粘上本身带负电，粘土与阳离子发生交换吸附以后，由于电中和作用粘土排斥力下降，表面水膜变薄，因而产生絮凝，一般称作聚集。有机絮凝剂，有时也是带负电的聚电解质，但它的絮凝机理却不能用电中和的理论解释。它具有用量少、絮凝能力强的特点。现在比较为人们所接受的是“架桥理论”或“桥联理论”，即长链的高聚物，同时吸附在几个粘上颗粒上，在它们之间架起桥来，然后通过大分子的卷曲使这些颗粒产生絮凝和聚集。根据这样一个设想，高聚物产生絮凝作用，（1）高聚物必须是可溶性的。（2）高聚物分子必须能和悬浮体颗粒发生吸附，因此要求大分子上有能产生吸附的基团，如羧基、胺基、羟基、醚胺基等。（3）高聚物必须是线型的，并有一个适合于分子伸展的条件。（4）高聚物必须有一定的长度，使其能将一部分吸附于颗粒上，而另一部分则伸进溶液中，以便吸附另外的颗粒，产生桥联。（5）悬浮颗粒表面必须有空缺位置，以供高聚物架桥时吸附。高聚物产生絮凝作用，必须具备以下几个条件不分散低固相钻井液实际是聚合物钻井液的初级阶段，人们在实践中认识到它的许多优越性，但同时也发现一些不足之处。例如，结构形成能力强弱的问题，泥饼质量不够理想，对蒙脱石地层抑制能力差的问题，其实这些问题的出现也并不为怪，任何一种钻井液也只能应用在某些适合的的生产条件，绝不可能满足所有的条件。人们由于客观生产的需要又要进行不断的探索与研究，