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水基钻井液及处理剂作用机理第1页共37页水基钻井液及处理剂作用机理蒲晓林1课程简介本课程是“泥浆工艺原理”、“深井泥浆”的后续课程，是根据钻井液化学研究方向总结、整理的课程。着重从钻井液工艺性能和胶体化学的角度讲述钻井液处理剂作用原理。1.1课程特点(1)课程目前还在完善中①.国外：对处理剂应用阐述多，作用机理研究少，在此研究领域还没有这样一门专门课程；②.国内：近年来文章多，文献报道多，但不系统，各说各的；③.关于此方面的研究：大都以产品、专利出现，有关理论研究的报道较少，尤其是许多研究还触及到许多商业秘密。因此，许多单位从机理出发，从理论出发去开发产品不多，缺乏理论指导。例如：中山大学、天津大学、山东大学、成都科大。④.全国：产品成系列的仅两家：我院和勘探开发研究院。⑤.根本原因：机理不清楚，研究失去方向。(2)本课程目的主要从钻井液的发展和类型的角度讲述处理剂的作用机理。使学者掌握各种处理剂在不同钻井液条件下的作用原理和用途。1.2课程主要任务①.分析、揭示水基钻井液作用机理，学习进一步深入研究这种作用机理的方法和思路；②.讲述目前主要使用的国内外钻井液处理剂的作用机理。引导机理研究入手，力求把处理剂研究、研制理论化、条理化，为有目的地、有针对性地研制处理剂和研究新型钻井液体系创造条件；③.从研究机理入手，掌握使用规律。更好地指导产品应用和质量提高，把处理剂研制、生产和应用规律有机地结合起来。1.3课程的主要内容和思路1.3.1核心内容处理剂作用机理及其对钻井液宏观性能的影响；处理剂作用性质和作用效果的实验研究方法。1.3.2处理剂研究的一般思路1.3.2.1从钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂适应钻井工程、地质勘探及其技术发展，钻井液性能应具备的性能要求；钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。1.3.2.2考虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能通过什么样的（运用）处理剂，起什么作用，作用规律（机理）是什么？具有实现钻井液作用效能，处理剂应具有的性质，—如水溶性、抗盐性和抗温性，同粘土的作用规律等等。1.3.2.3钻井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。水基钻井液及处理剂作用机理第2页共37页—最终落实到处理剂的分子结构设计。1.3.2.4处理剂的合成、研制要实现处理剂分子结构设计，所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。1.3.2.5处理剂应用规律和效能评价处理剂效能评价的原则：满足优质、安全、低成本钻井、完井和环保要求。a.是否有利于井壁岩石稳定b.是否有利于钻井液性能稳定c.是否有利于保护油气储层d.是否有利于环境保护正确地掌握处理剂应用规律和采用准确的方法评价处理剂效能，对于建立钻井液体系和指导应用是至关重要的。2钻井液处理剂的作用原理2.1处理剂的作用机理（包括作用原因、途径、效果）钻井液性能的微观本质（为什么具有这种性能、本质是什么？）：水基钻井液组成：水+土+化学处理剂本质：分散相（粘土）的分散状态决定钻井液性能。量的体现：土含量加上分散状态数值大小。粒度结合方式、形式、程度粒子的结合多级分散粒子的级配为粒子浓度）分散度（土量相同时分散状态,其中，分散状态测定方法：①粒度分布：沉降天平，库尔特计数器，激光粒度仪等；②电镜分析。然而，分散状态由粘土粒子表面状态决定。作用相关与处理剂在粘土表面的水化膜表面状态吸附后的电荷吸附后的状态吸附量吸附键吸附作用处理剂作用)(吸附作用测定方法：①主要测吸附量、厚度；②波谱、红外、紫外、质谱。处理剂所处介质环境交换性阳离子粘土表面晶型处理剂的分子结构影响吸附作用的因素以上众多关系中，任意寻找或研究两者的关系即为机理研究。2.2处理剂的研制处理剂研制、研究包括以下内容：（1）明确处理剂在钻井液中作用效能要求，以及处理剂实现这些效能要求的途径；（2）研究具有这种作用的处理剂本身应该具有什么样的要求。如：水溶性、抗盐、抗钙、水溶液粘度、构型、构象、与粘土作用等。（3）具有这种效能和性能的处理剂在分子结构上应该具有什么特征（分子量、基团种类和比例、位置、链形、含不含金属离子、金属离子怎么作用上去的等）；（4）实现这种分子结构所需要的化学途径；（5）处理剂的应用规律和效果评价。水基钻井液及处理剂作用机理第3页共37页2.3水基钻井液处理剂及其研究现状2.3.1钻井液及处理剂发展情况现代钻井技术对钻井液的要求有三点：①辅助钻井提高钻井速度。②保证钻井井下安全，防止钻井过程中各种复杂问题发生，如井塌、卡钻、井喷、井漏等。③保护油气层，提高油气井产量。钻井液包括钻井液处理剂正是在不断满足钻井工程要求的基础上发展起来的。钻井液工艺的发展经历了四个发展时期：①初步形成时期——1888~1928年；②快速发展时期——1928~1948年；③高速发展时期——1948~1960年；④科学化时期——1961年~现在。2.3.1.1初步发展时期——自然造浆阶段主要解决问题：携带钻屑控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土使用重晶石、铁矿粉（1920年）特点：几乎未使用过化学处理剂。2.3.1.2快速发展时期——细分散泥浆阶段主要解决问题：泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术：性能测定仪器研制出来使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤特点：认识到胶体稳定性好的钻井液能够保证钻井的安全，开始发展和大量使用分散剂，于是形成了以细分散泥浆为主的淡水泥浆。2.3.1.3高速发展阶段——粗分散泥浆阶段主要解决问题：石膏、盐污染温度影响典型技术：各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种16大类特点：出现了新的一类钻井液处理剂—无机絮凝剂，主要是含钙离子的电解质，如石灰、石膏、氯化钙等。同时，经过适度絮凝的钻井液需要作用更强的稀释剂和降滤失剂才能有效地控制钻井液的流动性和滤失性。于是，一些抗盐抗钙能力强的处理剂发展起来，如铁铬木质素磺酸盐、钠羧甲基纤维素等。同时，本时期（1935~1936年）还在天然化合物利用方面得到长足发展：——开始使用淀粉作为降低矿化度高的钻井液滤失控制剂。——单宁酸类稀释剂得到了应用。——研究并应用腐植酸类处理剂。——通过对天然沥青磺化、乳化，沥青类处理剂在抑制性方面见到良好效果。水基钻井液及处理剂作用机理第4页共37页2.3.1.4科学发展时期—聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题：快速钻井保护油气层典型技术：不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液特点：钻井液处理剂种类从天然高聚物类及其改性制品向合成高聚物和共聚物类方向发展，并由化学处理剂的单一功能向多功能方向发展，由低效能向高效能方向发展。—1958年，完全絮凝剂-聚丙烯酰胺成功应用；—1960年，选择性絮凝剂-部分水解聚丙烯酰胺和醋酸乙烯酯与顺丁烯二酸酐的共聚物成功应用；—60年代初，研制出具有特殊剪切稀释作用的生物聚合物，可用于钻井液、压裂液、聚合物驱提高采收率等方面；—70年代，为解决深井抗高温问题，研究并应用磺化系列处理剂：磺化酚醛树脂（代号SMP）、磺化褐煤（代号SMC）、磺化单宁和栲胶（代号SMT、SMK）等；—70年代中期，研究并应用有机阳离子聚合物、两性离子聚合物等；—80年代后，表面活性剂在钻井液中开始广泛使用；—90年代后，聚合醇、合成基、甲酸盐等环保型强抑制钻井液开始使用。2.3.2我国钻井液技术突出发展的几个阶段四个阶段：2.3.2.1钙处理钻井液阶段（60年代-70年代）利用无机盐：CaO、NaCl提高井壁稳定性；利用：FCLS、NaC、CMC及一些表面活性剂维持钻井液性能的稳定。2.3.2.2三磺钻井液阶段（70年代后期）主要用在深井。三磺处理剂：SMP、SMC、SMK（老三磺），有效地降低钻井液高温高压失水，进而提高井壁稳定性。用这类处理剂成功钻成我国最深的两口井：关基井（7175米）、女基井（6011米）。——有人称这是我国钻井液技术的第一大进步。2.3.2.3聚磺钻井液阶段（70年代末-80年代）聚磺钻井液：聚合物钻井液+三磺钻井液。即：在三磺水基钻井液基础上引入阴离子型丙烯酰胺类聚合物抑制剂。——有人称这是我国钻井液技术的第二大进步。2.3.2.4阳离子、两性离子聚合物钻井液阶段（80年代末-90年代）阳离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子基团：（-N-）如阳离子聚丙烯酰胺、羟丙基三甲基氯化胺。两性离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子和阴离子两种基团。如FA-367、XY-27等。—有人称这是我国钻井液技术的第三大进步。2.4钻井液处理剂发展趋势钻井液处理剂在发展过程中必须注意解决两个不能回避的问题：2.4.1“聚”与“分”的矛盾或者“聚”与“磺”的矛盾对于所钻井的地层，为了快速、安全钻进，究竟是聚结为主或是分散为主始终贯穿在钻井液技术实施过程中，从而得到不同的技术方案、思路，相应地，采用不同的处理剂系列。水基钻井液及处理剂作用机理第5页共37页2.4.1.1“聚”类处理剂：主要指抑制剂，包括无机盐和有机聚合物类。特点：抑制蒙脱土含量较高地层的水化、膨胀、造浆，有利于钻井时地层的稳定。（主要是上部地层）缺点：不利于钻井液性能的稳定。2.4.1.2“分”类处理剂：主要是磺化聚合物、褐煤、纤维素及淀粉等。特点：有利于钻井液性能稳定，使钻井液成为稳定胶体并具有钻井工程所需要的流变性和造壁性。缺点：对地层的稳定有时不利。“聚”与“分”两者是辨证的共处于矛盾的统一体中，可以相互转化，是相辅相成的。因此，现场钻井液工程师根据地层沉积的特点（上部蒙脱土含量多，造浆严重，下部伊利石较多，坍塌严重），采用钻井液体系原则：上部地层：只聚不磺（分）下部地层：少聚多磺或者只磺不聚。2.4.2“专”与“配”的矛盾“专”是指在一类聚合物分子上，利用分子结构设计，获得所需要作用效果的处理剂。“配”是指利用多种处理剂的协同复配作用达到某个作用效果。3分散性钻井液处理剂作用机理分散性钻井液概念（因无准确概念，则划分出一个细分散、粗分散）：钻井液性能的维持和实现是靠处理剂在钻井液中对粘土粒子的分散作用实现的。特点：①处理剂主要起分散作用，给钻井液带来分散环境，对所有粘土粒子均起分散作用。②内部结构：以卡片式房子结构为主，即：E—E、E—F。3.1分散性钻井液的降粘剂—降低粘度处理剂最简单的是水，但不包括水。3.1.1降粘剂概念不降低钻井液粘土含量的情况下降低粘度、切力的处理剂（因为盐也可能降低粘度）。——降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。3.1.2钻井液粘度构成粘度=η结+η非结3.1.3降粘剂定义通过降低钻井液结构粘度来降低钻井液表观粘度的处理剂。3.1.4作用机理首先降粘剂选择性或优先多点吸附在粘土粒子的端面，增加端面负电荷分布密度，提高粘土粒子ζ，增加水化膜，阻止或削弱结构形成。3.1.4.1钻井液稠化原因a.钻井液固相颗粒过多－→粘切增加b.粘土粒子形成卡片式房子结构－→粘切增加c.钻井液中自由水含量大幅度减少－→粘切增加总粘度可用Einstein经典悬浮液粘度公式和Hiemenz溶剂化理论公式联合表示出来：CChSkhSkx2220)1()1(11式中：x—稀溶液粘度；c—稠溶液粘度；水基钻井液及处理剂作用机理第6页共37页x、0—纯溶液粘度；k、k1、k2—均为常数；—固相体积百分数；S—固相比表面积；h—颗粒溶剂化膜厚度。这样，就比较清楚地表示出钻井液体系粘度的胶体化学性质与组成，它是由①、钻井液体系液相粘度；②、总固相产生的粘度；③、固相粒子分散带来的粘度；④、固相粒子间相互作用产生的粘度四部分构成。显然，各部分粘度参数在不同程度上对总粘度值产生影响。减小或削弱其中任何一项粘度，均要降低体系粘度。降粘剂主要是降低固相粒子间相互作用产生的粘度ηG。3.1.4.2“分散”、“解絮凝”、“聚结”概念加入降粘剂可以使分散-絮凝状态向分散状态或者聚结-絮凝状态向聚结-解絮凝转化。3.1.4.3降粘剂降