第六章钻井液配浆原材料

钻井液配浆材料与处理剂钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回钻井液工艺原理电子教案—第六章上一内容下一内容回主目录返回•本章要点：•1、钻井液配浆原材料与常见处理剂有哪些；•2、钻井液加重剂的用量计算；•3、钻井液常用处理剂作用机理随着钻井液体系的不断更新，配浆原材料和处理剂的品种也在不断地增加，处理剂的性能、质量和技术水平实际上代表了钻井液工艺技术的发展水平。据统计，1972年我国钻井液材料和处理剂总共只有21种，1975年以后开始取得突破性进展，到1983年底增至76种，1993年增加到16类共260种。近几年在各种新型聚合物、正电胶和聚合醇等高效处理剂的研究方面，又分别取得了新的进展。一般来讲，钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分，处理剂则是指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人的化学添加剂。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极大的影响。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，有必要将它们进行分类。目前主要有以下两种分类方法。第一类分类方法是按其组成分类。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。其中无机处理剂又可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混合金属层状氢氧化物(即正电胶)类等。有机处理剂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。第二类分类方法是按其在钻井液中所起的作用或功能分类。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共分为以下16类，即(1)降滤失剂；(2)增粘剂；(3)乳化剂，使油水乳化产生乳状液；(4)页岩抑制剂；(5)堵漏剂；(6)降粘剂；(7)缓蚀剂；(8)粘土类；(9)润滑剂；(10)加重剂；(11)杀菌剂；(12)消泡剂；(13)泡沫剂；(14)絮凝剂；(15)解卡剂；(16)其它类等。这16类处理剂所起的作用各不相同，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的几种。有时，一种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的作用等。本章将以上两种分类方法结合起来，除介绍常用的配浆原材料和无机处理剂外，重点介绍几类重要的有机处理剂，即降粘剂、降滤失剂、页岩抑制剂、絮凝剂和堵漏剂等。钻井液工艺原理电子教案第二章第一节钻井液配浆原材料一、粘土类膨润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。评价膨润土好坏的标准是造浆率，即每吨膨润土可以配制粘度为15mpa·s的钻井液的体积数，m3。一般要求1t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。由于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。膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：(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。海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是较典型的抗盐、耐高温的粘土矿物，主要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。因此，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。此外，海泡石还具有一定的酸溶性(在酸中可溶解60％左右)，因此，在保护油气层的钻井液中，还可用做酸溶性暂堵剂。在我国，由于目前这几种抗盐粘土的矿源相对较少，因此在钻井液中的应用尚不普遍。有机土是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，其作用与水基钻井液中的膨润土类似。二、加重材料1．常用的钻井液加重材料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。钻井液的常用加重材料有以下几种：(1)重晶石粉重晶石粉是一种以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。按照API标准，其密度应达到4.2g/cm3，粉末细度要求通过200目筛网时的筛余量3.0％。重晶石粉一般用于加重密度不超过2.30g/cm3的水基和油基钻井液，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。(2)石灰石粉(Limestone)石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为2.7～2.9g/cm3。易与盐酸等无机酸类发生反应，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。(3)铁矿粉(Hematite)和钛铁矿粉(Ilmenite)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。因它们的密度均大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液。此外，由于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。由于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。但另一方面，对钻具、钻头和泥浆泵的磨损也较为严重。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(Galena)方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达7.4～7.7g/cm3，因而可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现异常高压。由于该加重剂的成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。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。BBBmVVVV112BmVV11222112BBVV2．加重材料用量的计算以重晶石为例，对于某一给定的钻井液体系，确定加重材料用量的方法。加重前、后的体积关系可用下式表示：式中，V1、V2、VB：分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶石的体积，mB，ρB为重晶石的质量和密度。与此同时，钻井液在加重前、后的质量关系其中：ρl和ρ2分别为加重前、后的钻井液密度。由式(2)，mB＝ρ2V2-ρlVl，将其代人式(1)可得到V2的计算求出V2后，重晶石用量可由下式求得：mB=(V2-V1)ρB（1）然而有时因受现场泥浆池容积的限制，加重前必须排掉一部分钻井液，或者希望在加重之前先排掉一部分不加重钻井液，这样就不会造成加重剂的浪费，这种情况下，首先根据加重后可以容纳的体积V2，用下式求出应保留的原浆的体积：1221BBVV然后仍用式(1)求出重晶石的用量。（2）如：用重晶石（ρB=4.2g/cm3）把200m3钻井液由密度ρ1=1.10g/cm3加重到ρ2=1.50g/cm3，并且每100kg重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过度增稠，试求：⑴若最终体积无限制，需加入重晶石多少吨？⑵若最终体积为200m3，需加入重晶石多少吨，放掉钻井液多少方？最终体积无限制，需加入重晶石133.8吨。最终体积为200m3，需加入重晶石110吨，放掉钻井液36方。钻井液工艺原理电子教案第二章第一节配浆原材料三、配浆水和油水是配制各种钻井液都不可缺少的基本组分。在水基钻井液中，水是分散介质，大多数处理剂均通过溶解于水而发挥作用；在泡沫钻井液中水也是作为连续相，空气在起泡剂和稳泡剂的作用下分散在水中；在油包水乳化钻井液中，水是分散相，往往水中又含有一定量的无机盐，如氯化钠和氯化钙等；在雾流体中，是作为分散相，成小颗粒状分散于气中。实践证明，钻井液性能与配浆水的性质密切相关。多数情况下，为节约成本，都是就地取材，但是地区不同水质相差很大，水中的各种杂质、无机盐类、细菌和气体等对钻井液的性能有很大影响。例如：无机盐：会导致膨润土的造浆率降低，以及钻井液的滤失量增大；细菌：淀粉类处理剂发酵，聚合物处理剂容易降解，细菌的大量繁殖还会对油气层造成损害；气体的存在则会加剧钻具的腐蚀等。二氧化碳的气蚀、碳酸腐蚀等。因此，配制钻井液时必须预先了解配浆水的水质，不合格的水需经过适当处理后才能使用。自然界的水分类1、按来源分：地面水和地下水；2、按其酸碱性分：酸性水、中性水和碱性水；3、按所含无机盐的类别分：NaCl型、CaCl2型、MgCl2型、Na2SO4型和NaHCO3型水等。在钻井液工艺中，根据水中可溶性无机盐含量的多少，一般将配浆水分为以下三类：含盐量较少(总盐度低于10000mg／1)的淡水，钻井液称做淡水钻井液；含盐量较多的盐水，与之对应钻井液称作盐水钻井液；含盐量达饱和的饱和盐水，与之对应钻井液饱和盐水钻井液。此外，常将含Ca2+、Mg2+较多的水称为硬水。原油、柴油和低毒矿物油也是配制钻井液时常用的原材料。在油基钻井液中，常选用柴油和矿物油作为连续相。在水基钻井液中，也常混入一定量的原油或柴油，以提高其润滑性能，并起降低滤失量的作用。在使用过程中，应注意油品的粘度不宜过高，否则钻井液的流变性不易调控。此外，还应考虑油晶的价格和对环境可能造成的影响。对于探井，应考虑其荧光度对油气显示的影响。在选用原油时，应考虑其凝固点以及石蜡、沥青质含量等，以免对油气层造成不良的影响。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章第二节钻井液的酸碱度1、增加钻井液中粘土的分散程度2、适当控制Ca2+、Mg2+等离子的存在状态3、减轻钻具腐蚀，铁的活性比氢强，容易与氢离子发生反应造成腐蚀4、一些处理剂的要求，在弱碱性状态才能充分发挥作用。钻井液的酸碱性直接影响钻井液中粘土的分散程度、处理剂的性能发挥，以及Ca2+、Mg2+等离子的存在状态等，另外，钻井液的酸碱性与它的流变性和对钻具的腐蚀性密切相关。钻井液的pH值一般保持在8～10之间，弱碱性，为什么？为什么说能够适当控制Ca2+、Mg2+等离子的存在状态?pH值与维持碱性离子之间的关系，维持碱性的离子包括：氢氧根、碳酸氢根、碳酸根等。具有如下关系：碱度：钻井液滤液中和酸（碱）的能力Pf—酚酞碱度Mf—甲基橙碱度酚酞碱度：以酚酞作为酸碱指示剂时，滴定每毫升钻井液滤液所需的标准酸（0.01mol/L硫酸）的毫升数。或：滴定每毫升钻井液滤液pH为8.3时，消耗的标准酸的毫升数。甲基橙碱度：以甲基橙作为酸碱指示剂时，滴定每毫升钻井液滤液所需的标准酸（0.01mol/L硫酸）的毫升数。或：滴定每毫升钻井液滤液pH为4.3时，消耗的标准酸的毫升数。酸碱度与碳酸根、碳酸氢根的关系a.Pf=0,只有HCO3－b.Pf=Mf,只有OH－c.2Pf=Mf,只有CO32－d.酸碱度调节：钻井液酸碱性调节主要是通过纯碱和烧碱，碳酸钠和氢氧化钠。上一内容下一内容回主目录返回第三节无机处理剂一、常用的无机处理剂无机处理剂属其它类1．纯碱学名碳酸钠，又称苏打粉，分子式为Na2CO3。白色粉末，密度为2.5g／cm3，易溶于水。易吸潮结块，注意防潮，水溶液呈碱性(pH值为11.5)，在水中容易电离和水解。其中电离和一级水解较强，所以纯碱水溶液中主要存在Na+、C032—、HCO3－和OH－离子，其反应式