工艺学-第四章-油田化学品

1第四章油田化学品•4.1钻井用化学剂和水泥外加剂•4.2油气开采用化学剂•4.3油气集输用化学剂•4.4水处理用化学剂主讲人：2•定义*：•油田化学剂是解决油田钻井、固井、采油、注水，提高采收率及集输等过程中化学问题时所用的药剂。•分类：•油田化学剂按油田施工工艺可分为：•通用化学品•钻井用化学剂•油气开采用化学剂•油气集输用化学•水处理用化学剂•提高采收率用化学剂3油田化学品的类型代号•油田化学品的类型代号:以两段式表示•第一段表示化学品在油田应用的生产工艺(作业)过程，•第二段表示化学品的功能，•中间为一短划线；•化学剂应用的工艺(作业)过程和化学剂的功能，分别以英文的第一个或加上第二、第三个字母为其代号，并照顾到国内外的习惯用法。4•第一段代号：•通用油田化学品：代号为CO(英文为commonuse)•钻井液处理剂：代号为DF(英文为drillingfluid)•水泥外加剂：代号为CE(英文为cementing)•酸化用化学品：代号为AZ(英文为acidizing)•压裂用化学品：代号为FR（英文为fracturing)•采油用其它化学品：代号为PR(英文为production)•提高采收率用化学品：代号为EOR(英文为enhancedoilrccovery)。•油气集输用化学品：代号为TR(英文为transportation)•水处理用化学品:代号为WT(英文为watertreatment)56789101112131415油田化学品在国民经济中的作用*•促进油田钻井、完井、注水、采油、提高采收率及集输等工艺过程技术水平的提高;•配合油田相关工程最大限度地开发利用地下油气资源;•提高油田钻井、完井、注水、采油、提高采收率及集输等工程的经济效益和社会效益;•促进和带动化学化工产业的发展和效益的提高;•环境保护。164.1钻井用化学剂和水泥外加剂•4.1.1钻井用化学剂•一、钻井液（泥浆）及其处理剂概述•钻井液又称钻井泥浆,是油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环体的总称。•以粘土泥浆为主要成分配制而成。•*在钻井液配制和处理过程中所使用的化学剂称钻井液处理剂。17携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率钻井液的主要作用简图保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量。1.泥浆（钻井液）在钻井过程中的作用*：18图5-1泥饼形成示意图（a）薄饼(b)厚饼19钻井液的组成:差距很大,共同点为:分散相+分散介质+化学处理剂连续相+不连续相液相+固相+化学处理剂钻井液配浆原材料:粘土类、加重材料、配浆水和油20•2.钻井液(泥浆)的分类：•水基泥浆:淡水泥浆62%,盐水泥浆:21%•油基泥浆:6%•聚合物泥浆:•3.钻井液处理剂分类：•根据钻井液处理剂所起的作用可分为18类。•土粉、加重剂、降滤失剂、增粘剂、降粘剂、页岩抑制剂、润滑剂、堵漏剂、絮凝剂、解卡剂、消泡剂、起泡剂、乳化剂、缓蚀剂、杀菌剂、pH值控制剂、除钙剂、温度稳定剂。(表5-1)21二、降滤失剂*•1.概述•钻井液降滤失剂定义*：•为了减少钻井液向地层中滤失水量，保证钻井液性能以及稳定井壁，保证井径规则所使用的化学品为降滤失剂或降失水剂。•作用：•减少泥浆进入地层的失水量，利于形成致密的、渗透性小的泥饼。•分类：•结构不同分为：纤维素、树脂、聚丙烯酸盐、腐殖酸、淀粉等。222.降滤失剂作用机理*1）.水化膜护胶——降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳定性的作用。机理：水化膜↓→碰撞阻力↑→胶粒稳定↑→Vf↓特点：分子量较低、水溶性好。用量较大（表面）。15232）.静电稳定——降失水剂吸附在粘土表面上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸引力的作用。特点：负电荷↑→↑→胶粒稳定。16243）.高分子保护敏化作用高分子保护1高分子保护2大分子浓度低时，吸附粒子的高分子许多高分子多点吸附不足以形成混合网之间形成网架结构在胶粒表面，形成一架结构，颗粒失去粒子被隔离开不易个包蔽层，阻止胶粒重力稳定性。聚结，保证体系中聚结。胶粒含量。17253.油田用的几种钻井液降滤失剂•①煤碱剂（NaC）•制备方法：由褐煤粉加适量烧碱水配制而成。•有效成分：腐植酸钠•作用机理：多种功能团的护胶作用：羧基、酚羟基、甲氧基。•特点：成本低•降失水能力强•抗温能力强，232℃•抗钙能力强（600mg/L），抗盐一般。煤碱剂（NaC）的使用：——通常配制成碱液使用。NaC碱液的配制褐煤：烧碱：煤碱液（水）=10~15：2：50~10026•②羧甲基纤维素(CMC)•钠羧甲基纤维素(NaCMC)是一种抗盐、抗温能力较强的降滤失剂，同时还有一定的增粘作用。•对CMC的改性，降粘工作一直在进行，特别是与淀粉接枝改性的研究取得较好成果，并有一些产品用于现场。•结构特征:含有-COOH、-OH、醚键等。27•③聚丙烯酸盐•水解聚丙烯睛（n=2350~3760，分子量为12.5~20万）用作深井、中深井的泥浆降滤失剂，具有热稳定性高的优点。28•④羧甲基淀粉钠盐(CMS)•羧甲基纤维素(CMC)进行改性，制得羧甲基淀粉钠盐（CMS-Na)。•主反应•副反应•制得CMS在水中溶解性随粘度提高而降低，但比CMC易溶，是一种性能较好的泥浆降滤失剂，成本远低于CMC。•高粘HV-CMS——增粘（低固相钻井液）•中粘MV-CMS——降失水（一般钻井液，加重钻井液）•低粘LV-CMS——降失水（一般钻井液，加重钻井液）R36OH+ClCH2—COOHNaOHR36OCH2COONa+NaClH2O+ClCH2COOH2NaOHHOCH2COONa++H2ONaCl+29⑤AM-SAS共聚物•AM-SAS共聚物是以丙烯酰胺（AM）、烯丙基磺酸钠(SAS)为共聚单体，过硫酸钾(KPS)为引发剂而制得的•属阴离子型高分子•链中的-SO3(Na)有益于提高泥浆的降失水性能。30⑥SPNH降滤失剂•SPNH降滤失剂是一种复配型药剂，该产品的主要成分是磺化腐殖酸铬盐(SMC)，磺化酚醛树脂(SMP)及水解聚丙烯酰胺（NPAN)按一定比例配制而成。•SPNH是一种深井（或超深井）泥浆用的降滤失剂，具有抗高温、抗盐、抗钙污染和一定降粘能力。•SPNH处理后的泥浆性能稳定流变好，与其他处理剂的配伍性好，同时，SPNH促进井壁隐定，起下钻畅通，提高固井质量。•降滤失剂结构上的共同特点？31三、降粘剂*•加入降粘剂原因*：•钻井液在使用过程中，常常由于温度升高、盐侵或钙侵、固相含量增加或处理剂失效等原因，使钻井液形成的网状结构增强，钻井液粘度、切力增加。•若粘度、切力过大，则会造成开泵困难、钻屑难以除去或钻井过程中机动压力过大等现象，严重时会导致各种井下复杂情况。•因此，在钻井液使用和维护过程中，经常需要加入降粘剂。•降粘剂作用*：•钻井液降粘剂主要用来降低钻井液的粘度和切力，控制钻井液的流动性。•降粘剂定义*：•能降低钻井液粘度和剪切力的化学品称为钻井液降粘剂。32处理剂的作用原理1.钻井液稠化原因由于粘土颗粒表面与端面性质不同：带电情况不同——表面带负电，端面带正电。水化程度不同——表面水化膜厚，端面水化膜薄。当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：边—边、边—面联结的空间网架结构，从而造成：钻井液结构粘度增加；网状结构包裹大量自由水，流动阻力增加。Al+Si+4332.降粘剂作用机理*①降粘剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。具体方法为：使端面反号由带正电性端面转变为负电性端面。即：正负相吸负负相斥+-----------------------634②增强端面水化膜厚度——吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱边-边、边-面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。7353.降粘剂作用特点作用于端面，拆散网状结构。用量少、效果显著（因为端面少）。降失水与稀释作用有时相一致，有时不同。主要降低0、s、’，不降s。836•4.常见钻井液降粘剂•(1).丹宁、栲胶•丹宁是多元酚的衍生物。•关键基团：吸附基：邻双酚羟基•水化基：羟基—OH和羧钠基—COONa•丹宁溶于水，呈弱酸性。用作泥浆处理剂时，一般配成碱液所形成的丹宁酸钠（NaT）水溶性提高。•丹宁酸钠的抗盐析能力较差，钻井液遇大量盐浸时，丹宁的降粘性显著下降，同时，丹宁又易水解（？）。•用于浅井或中深井。COHOHOHOHOHOCOOHO37•栲胶是含丹宁植物加工制成的，含丹宁48％~70%，•起降粘作用的成分仍是丹宁酸钠，但栲胶中含糖类较多，温度高时易发酵，使钻井液性能变坏，一般仅用于浅井和中深井。•磺甲基丹宁•用丹宁酸与甲醛和亚硫酸氢钠在碱性条件下(pH=9~10)，进行磺甲基化反应，制得磺甲基丹宁，降粘性能有所提高，并有一定的抗污染能力，但抗盐性能较差。•磺甲基丹宁铬•将磺甲基丹宁进一步用Na2Cr2O7进行氧化和螯合，所得到的磺甲基丹宁铬，处理效果较好，热稳定性高，在180~200℃的高温下能有效地控制淡水泥浆的粘度，适用于高温深井。38(2).木质素磺酸盐•铁铬木质素磺酸盐(FCLS)是由木质素磺酸钙(亚硫酸制浆废液的主成分)与重铬酸钾和硫酸亚铁在一定条件下反应制得。•铁铬木质素磺酸盐是一种抗盐、抗钙和抗温能力强的降粘剂，能用于多种泥浆。该产品含铬，对环境有污染。•(3).合成聚合物降粘剂•磺化苯乙烯为主的共聚物：如磺化苯乙烯与马来酸酐、衣康酸的共聚物；•乙烯基或烯丙基单体的均聚或共聚物：这类单体有丙烯酰胺、丙烯酸、乙烯磺酸、磺化苯乙烯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸、乙烯基乙酰胺，对烯丙基氧苯磺酸钠等。•有较好的降粘作用。•(4).有机硅类降粘剂•该剂处理的泥浆粘土容量很高，高温下性能稳定。39四、钻井液缓蚀剂•在腐蚀介质中添加少量就能有效地减缓或抑制金属腐蚀速率的物质称为缓蚀剂。•根据使用介质不同，可将缓蚀剂分为钻井液缓蚀剂，酸化缓蚀剂、注水缓蚀剂等。•引起钻具腐蚀的主要因素*:•溶解氧、硫化氢和二氧化碳。•来源：•氧是钻井液在地面循环时带入的；•硫化氢和二氧化碳是油气层或地层水本身含有的。•一些有机物的分解或细菌（硫酸盐还原菌）的繁殖过程中也会产生硫化氢或二氧化碳。•因此，在钻井过程中，钻具主要受到三种类型*的腐蚀。401．钻井液溶解氧腐蚀及除氧剂、缓蚀剂•钻井液中的溶解氧通过阴极去极化反应，使钢铁腐蚀的阳极反应大大加快，促进钻具的腐蚀：•阴极反应：•阳极反应：Fe-2e→Fe2+•控制氧腐蚀的方法有二种，一是除氧，二是添加缓蚀剂。•控制钻井液氧腐蚀的缓蚀剂有：•磷酸多元醇酯、有机胺和季铵盐等。•这些缓蚀剂能在钻具表面形成较致密的沉淀膜或吸附膜，使氧和腐蚀产物的扩散受到阻滞，因而有效地抑制氧腐蚀。2OH22122eOHO412．钻井液硫化氢腐蚀及除硫剂、缓蚀剂•硫化氢易溶于水并按下式进行电离•硫化氢电离产物HS-、S2-等离子易吸附在金属表面上，形成Fe(HS)吸-复合离子，加速阳极铁的溶解，并促使阴极析氢反应进行：•阳极：Fe-2e→Fe2+•阴极：H++e→H,H+H→H2•同时，Fe2+与泥浆中的H2S反应，生成组成结构不同的硫化物：•xFe2++yH2S→FexSy+2yH+•控制钻井液硫化氢腐蚀的方法是投加除硫剂或缓蚀剂。•除硫剂是一种通过反应能将钻井液中硫化氢（或可溶性硫化物）转化为不溶性硫化物或单质硫的化学剂。•沉淀反应：Zn2+＋S2-→ZnS↓•氧化还原反应：Fe3+＋S2-→Fe2+＋S↓•缓蚀剂：有机胺、季铵盐、吡啶咪唑啉等含氮化合物。H2SHS-+H+S2-2H++423．钻井液的二氧化碳腐蚀及缓蚀剂•当钻井地层的油气或水中含有大量的二氧化碳时，二氧化碳腐蚀就相当严重。•二氧化碳溶于水生成碳酸，水的pH下降，致使氢去极化，促进钢铁腐蚀。•Fe+H2CO3→FeCO3+H2↑•控