1、第五章第五章 钻井液原材料与处理剂钻井液原材料与处理剂蔡记华蔡记华第五章第五章 钻井液原材料与处理剂钻井液原材料与处理剂 上一内容 下一内容回主目录O返回 本章要点：本章要点：1、钻井液配浆原材料与常见处理剂有哪些；、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；、钻井液加重剂的用量计算；3、钻井液常用处理剂作用机理、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，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了
2、钻井液工艺技术的发展水平。197219831993050100150200250300年份处理剂种类数 钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分的基本组分，处理剂则是指用于改善和稳定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钻井液性能，或为满足钻井液某种性能需要而加入的化学添加剂而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核。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。产生极大的影响。钻井液处理剂的分类方法：钻井液处理剂的分类方法：u第一类分类方法是按其组成分类第一类分类方
3、法是按其组成分类。通常分为。通常分为钻井液原材料、钻井液原材料、无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四大类。四大类。u其中无机处理剂又可分为其中无机处理剂又可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混合金属层状氢氧化物和混合金属层状氢氧化物(即正电即正电胶胶)类等。类等。u有机处理剂按其来源通常可分为有机处理剂按其来源通常可分为天然产品、天然改性产品和天然产品、天然改性产品和有机合成化合物；有机合成化合物；按其化学组分又可分为下列几类：按其化学组分又可分为下列几类：腐植酸类、腐植酸类、纤维
4、素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。等。u第二类分类方法是按其在钻井液中第二类分类方法是按其在钻井液中所起的作用或功所起的作用或功能分类能分类。我国钻井液标准化委员会根据国际上的分类。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法，并结合我国的具体情况，将钻井液配浆材料和 处处理剂共分为以下理剂共分为以下16类，即类，即(1)降滤失剂；降滤失剂；(2)增粘剂；增粘剂；(3)乳化剂，使油水乳化产生乳状液；乳化剂，使油水乳化产生乳状液；(4)页岩抑制剂页岩抑制剂；(5)堵漏剂；堵漏剂；(6
5、)降粘剂；降粘剂；(7)缓蚀剂；缓蚀剂；(8)粘土类；粘土类；(9)润滑润滑剂；剂；(10)加重剂；加重剂；(11)杀菌剂；杀菌剂；(12)消泡剂；消泡剂；(13)泡沫泡沫剂；剂；(14)絮凝剂；絮凝剂；(15)解卡剂；解卡剂；(16)其它类等。其它类等。u 这这16类处理剂所起的作用各不相同，但类处理剂所起的作用各不相同，但在配制和在配制和使用钻井液时，并不同时使用这些处理剂，而仅使用钻井液时，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。仅根据需要使用其中的几种。有时，有时，一种处理剂一种处理剂在钻井液中同时具有几种作用。在钻井液中同时具有几种作用。例如，有的降失例如，有的降失水剂
6、同时兼有增粘或降粘作用，絮凝剂同时兼有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。增粘剂的作用等。u本章将以上两种分类方法结合起来，除介绍常用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，的配浆原材料和无机处理剂外，重点介绍几类重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、絮凝剂和堵漏剂制剂、絮凝剂和堵漏剂等。等。实验指导书实验指导书推荐参考书推荐参考书 油田化学品油田化学品，张光华,顾玲主编北京：化学工业出版社，2005，656页；油田化学品实用手册油田化学品实用手册，王中华，北京：北京：中国石
7、化出版社，2010；钻井液及处理剂评价手册钻井液及处理剂评价手册，穆剑主编北京：石油工业出版社，2007.11，502页；钻井液处理剂及其作用原理钻井液处理剂及其作用原理，王平全、周世良编著北京：石油工业出版社，2003，312页 美 国美 国 世 界 石 油世 界 石 油 （World Oil）每年每年6月月出版出版的杂志都刊登一版世界石的杂志都刊登一版世界石油钻井液、完井液和修井油钻井液、完井液和修井液指南（液指南（World Oils Guide of Drilling Fluids a n d W o r k o v e r-completion）。其内容是）。其内容是按开头字母顺序排
8、列的全按开头字母顺序排列的全世界钻井液、完井液产品世界钻井液、完井液产品综合表，包括生产厂家的综合表，包括生产厂家的名称、产品的商业名称、名称、产品的商业名称、主要成分和主要使用体系主要成分和主要使用体系及主要用途等。及主要用途等。第一节 钻井液配浆原材料 一、粘土类一、粘土类u 膨润土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的粘土的粘土矿物。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评价膨润土好坏的标准是造浆率，即每吨膨润土可以配制
9、粘度为制粘度为15mPas的钻井液的体积数，的钻井液的体积数，m3。一般要求。一般要求1 t膨润土膨润土至少能够配制出粘度为至少能够配制出粘度为15mPas的钻井液的钻井液16m3。钠膨润土的造。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。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：一级为符合三个等级：一级为符合API标准的钠膨润土；二级为改性土，标准的钠膨润土；二级为改性土，经过改性符合经过改性符合OCMA标准要求；三级为较次的配浆土，仅用于标
10、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。性能要求不高的钻井液。u由于无机盐对膨润土的水化分散具有一定的抑制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。，盐水造浆率一般要低一些。将膨润土先在淡水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水中的造浆率。u 膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：增加粘度和切力，提高井眼净化能力；增加粘度和切力，提高井眼净化能力；形成低渗透率的致密
11、泥饼，降低滤失量；形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；防止井漏防止井漏。海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是较典型的抗盐、耐高温的是较典型的抗盐、耐高温的粘土矿物，主要用于粘土矿物，主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液。用。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
12、性。此外，海泡石力，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还具有一定的酸溶性(在酸中可溶解在酸中可溶解60左右左右)，因此，在保护，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。用尚不普遍。有机土是由膨润土经有机土是由膨润土经季铵盐季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土成的亲油膨润土。有机土可以在油中分散，形成结构，其作。有机土可以在油中分散，形成结
13、构，其作用与水基钻井液中的膨润土类似。用与水基钻井液中的膨润土类似。二、加重材料二、加重材料1常用的钻井液加重材料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。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；并且应属于惰属于惰性物质，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性物质，既不溶于
14、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：钻井液的常用加重材料有以下几种：(1)重晶石粉重晶石粉 重晶石粉是一种以重晶石粉是一种以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。成的灰白色粉末状产品。按照按照API标准，其密度应达到标准，其密度应达到4.2g/cm3，粉末细度要，粉末细度要求通过求通过200目筛网时的筛余量目筛网时的筛余量3.0。重晶石粉一般用于加重密度不超过重晶石粉一般用于加重密度不超过2.30 g/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。的水基和油基钻
15、井液，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。(2)石灰石粉石灰石粉(Limestone)石灰石粉的主要成分为石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为，密度为2.72.9 g/cm3。易与盐酸等无。易与盐酸等无机酸类发生反应，生成机酸类发生反应，生成CO2、H2O和可溶性盐，因而和可溶性盐，因而适于在非酸敏性而又需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。但由于其密度较低，一般只能用于较低，一般只能用于配制密度不超过配制密度不超过1.68 g/cm3 的钻井液和完井液。的钻井液和完井液。(3)铁矿粉铁矿粉
16、(Hematite)和钛铁矿粉和钛铁矿粉(Ilmenite)前者的主要成分为前者的主要成分为Fe2O3，密度，密度4.95.3 g/cm3；后者的主要成分为；后者的主要成分为TiO2Fe2O3，密度，密度4.55.1 g/cm3。均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均。均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均大于重晶石，故大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液可用于配制密度更高的钻井液。此外，由于铁矿粉和钛铁。此外，由于铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，因此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，因此由于这两种加重材
17、料的硬度约为重晶石的两倍，因此耐研磨，在使用耐研磨，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。在我国，铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。料。(4)方铅矿粉方铅矿粉(Galena)方铅矿粉是一种主要成分为方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达呈黑褐色。由于其密度高达7.47.7 g/cm3，因而可用于配制，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
18、于该加重剂超高密度钻井液，以控制地层出现异常高压。由于该加重剂的成本高、货源少，的成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用情况下使用。如我国滇黔桂石油勘探局在官。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方铅矿，井使用方铅矿，配制出密度为配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液的超高密度钻井液。BBBmVVVV112BmVV11222112BBVV2加重材料用量的计算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。方法。加重前、后的加重前、后的体积关
19、系体积关系可用下式表示：可用下式表示：式中，式中，V1、V2、VB：分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶：分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶石的体积，石的体积，mB，B为重晶石的质量和密度。与此同时，钻井液在为重晶石的质量和密度。与此同时，钻井液在加重前、加重前、后的后的质量关系质量关系其中：其中：l和和2分别为加重前、后的钻井液密度。分别为加重前、后的钻井液密度。由式由式(2)，mB2 2V2-lVl，将其代入式，将其代入式(1)可得到可得到V2的计算的计算求出求出V2后，重晶石用量可由下式求得：后，重晶石用量可由下式求得：mB=(V2-V1)B （4）(1)(2)(3)然而有时因
20、受现场泥浆池容积的限制，加重前必须排掉一部分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体积V2，用下式求出应保留的原浆的体积：，用下式求出应保留的原浆的体积：1221BBVV然后仍用式然后仍用式(3)求出重晶石的用量。求出重晶石的用量。（5）如：用重晶石（如：用重晶石（B=4.2g/cm3）把）把200 m3钻井液由密度钻井液由密度1=1.10g/c
21、m3加加重到重到2=1.50g/cm3，并且每，并且每100kg重晶石需同时加入重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过水以防止钻井液过度增稠，试求：度增稠，试求：若最终体积无限制，需加入重晶石多少吨？若最终体积无限制，需加入重晶石多少吨？若最终体积为若最终体积为200 m3，需加入重晶石多少吨，放掉钻井液多少方？，需加入重晶石多少吨，放掉钻井液多少方？n最终体积无限制，需加入重晶石最终体积无限制，需加入重晶石133.8吨。吨。n最终体积为最终体积为200 m3，需加入重晶石，需加入重晶石110吨，放吨，放掉钻井液掉钻井液36方。方。第一节第一节 钻井液配浆原材料钻井液配浆原材料三、配浆水和油三、
22、配浆水和油 水是配制各种钻井液都不可缺少的基本组分水是配制各种钻井液都不可缺少的基本组分。实践证明，实践证明，钻井液性能与配浆水的性质密切相关钻井液性能与配浆水的性质密切相关。多数情。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，大，水中的各种杂质、无机盐类、细菌和气体等对钻井液的性水中的各种杂质、无机盐类、细菌和气体等对钻井液的性能有很大影响能有很大影响。例如：例如：无机盐：会导致膨润土的造浆率降低，以及钻井液的无机盐：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滤失量增大
23、；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；解，细菌的大量繁殖还会对油气层造成损害；气体的存在则会气体的存在则会加剧钻具的腐蚀等。加剧钻具的腐蚀等。二氧化碳的气蚀、碳酸腐蚀等二氧化碳的气蚀、碳酸腐蚀等。因此，配。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。当处理后才能使用。原油、柴油和低毒矿物油原油、柴油和低毒矿物油也是配制钻井液时常用的原材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。在料。在油基钻井液中，常选用柴油和矿物油作为连续相
24、。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。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。液的流变性不易调控。此外，还应考虑油品的价格和对环境可能造成的影响。此外，还应考虑油品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。对于探井，应考虑其荧光度对油气显示的影响。第二节第二节 钻井液的酸碱度钻井液的酸碱度 1、增加钻井液中粘土的分散程度、增加钻井液中粘土的分散程度2、适当控制、
25、适当控制Ca2+、Mg2+等离子的存在状态等离子的存在状态3、减轻钻具腐蚀，铁的活性比氢强，容易与氢离子发生反、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。、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，以及理剂的性能发挥，以及Ca2+、Mg2+等离子的存在状态等，另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。关。钻井液的
26、钻井液的pH值一般保持在值一般保持在810之间，弱碱性，为什么？之间，弱碱性，为什么？第三节第三节 无机处理剂无机处理剂一、常用的无机处理剂一、常用的无机处理剂 1纯碱纯碱 学名碳酸钠，又称苏打粉，分子式为学名碳酸钠，又称苏打粉，分子式为 Na2CO3。白色粉末，。白色粉末，密度为密度为2.5g/cm3，易溶于水。易吸潮结块，注意防潮，水溶液，易溶于水。易吸潮结块，注意防潮，水溶液呈碱性呈碱性(pH值为值为11.5)，在水中容易电离和水解。其中电离和一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级水解较强，所以纯碱水溶液中主要存在Na+、CO32、HCO3和和OH离子
27、，其反应式为：离子，其反应式为：Na2CO32Na+CO32 CO32+H2OHCO3+OH 纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，即即 Ca粘土粘土+Na2CO3Na粘土粘土+CaCO3作用：作用：A.改善粘土的水化分散性能改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆的，因此加入适量纯碱可使新浆的滤失量下降，粘度、切力增大。滤失量下降，粘度、切力增大。B.过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚结结，使钻井液性能受到，使钻井液性能受到破坏。破坏。C.在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时，在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时，加
28、入适量纯碱使加入适量纯碱使Ca2+沉沉淀成淀成CaCO3，从而使钻井液性能变好，从而使钻井液性能变好，即含羧钠基官能团，即含羧钠基官能团(COONa)的有机处理剂在遇到钙侵的有机处理剂在遇到钙侵(或或Ca2+浓度过高浓度过高)而降低其而降低其溶解性时，一般可采用加入适量纯碱的办法恢复其效能。溶解性时，一般可采用加入适量纯碱的办法恢复其效能。2烧碱烧碱 烧碱即氢氧化钠，分子式为烧碱即氢氧化钠，分子式为NaOH。特性特性：外观乳白色晶体，密度：外观乳白色晶体，密度2.02.2g/cm3，易溶于水，易溶于水，溶解时放出大量的热。水溶液呈强碱性。烧碱容易吸收空气溶解时放出大量的热。水溶液呈强碱性。烧碱
29、容易吸收空气中的水分和二氧化碳，并与二氧化碳作用生成碳酸钠，存放中的水分和二氧化碳，并与二氧化碳作用生成碳酸钠，存放时应注意防潮加盖。时应注意防潮加盖。作用作用：a.主要用于调节钻井液的主要用于调节钻井液的pH值值；b.与丹宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用，使之与丹宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用，使之分别转化为丹宁酸钠、腐植酸钠等有效成分分别转化为丹宁酸钠、腐植酸钠等有效成分；c.还可用于还可用于控制钙处理钻井液中控制钙处理钻井液中Ca2+的浓度的浓度等。等。3石灰石灰 生石灰即氧化钙，分子式为生石灰即氧化钙，分子式为CaO。吸水后变成熟石灰，即。吸水后变成熟石灰，即氢氧化钙氢氧化钙Ca(O
30、H)2。特性特性：在水中的溶解度较低，常温下为：在水中的溶解度较低，常温下为0.16，其水溶液，其水溶液呈碱性。并且随温度升高溶解度降低。呈碱性。并且随温度升高溶解度降低。作用作用：a.在钙处理钻井液中，在钙处理钻井液中，石灰用于提供石灰用于提供Ca2+，以控制粘土，以控制粘土的水化分散能力的水化分散能力，使之保持在适度絮凝的状态；，使之保持在适度絮凝的状态；b.在油包水乳化钻井液中，在油包水乳化钻井液中，CaO用于使烷基苯磺酸钠等用于使烷基苯磺酸钠等乳化剂转化为烷基苯磺酸钙乳化剂转化为烷基苯磺酸钙，并调节，并调节pH值。值。注意事项注意事项：在：在高温条件下石灰钻井液可能发生固化反应高温条件
31、下石灰钻井液可能发生固化反应，使性能不能满足要求，因此在高温深井中应慎用。此外，石灰使性能不能满足要求，因此在高温深井中应慎用。此外，石灰还可配成石灰乳堵漏剂封堵漏层。还可配成石灰乳堵漏剂封堵漏层。4、石膏、石膏 石膏的化学名称为硫酸钙，分子式为石膏的化学名称为硫酸钙，分子式为CaSO4。有熟石膏。有熟石膏(CaSO42H2O)和无水石膏和无水石膏(CaSO4)两种。两种。特性特性：石膏是白色粉末，密度为：石膏是白色粉末，密度为2.312.32gcm3。常温。常温下溶解度较低下溶解度较低(约为约为0.2)，但，但稍大于石灰稍大于石灰。40以前，溶解度以前，溶解度随温度升高而增大；随温度升高而增
32、大；40以后，溶解度随温度升高而降低。以后，溶解度随温度升高而降低。吸湿后结成硬块，存放时应注意防潮。吸湿后结成硬块，存放时应注意防潮。作用作用：在钙处理钻井液中，石膏与石灰的作用大致相同，：在钙处理钻井液中，石膏与石灰的作用大致相同，都用于提供适量的都用于提供适量的Ca2+。其差别在于石膏提供的钙离子浓度比其差别在于石膏提供的钙离子浓度比石灰高一些，石灰高一些，此外用石膏处理可避免钻井液的此外用石膏处理可避免钻井液的pH值过高。值过高。2CaCl石膏石灰5.氯化钙氯化钙氯化钙的分子式为氯化钙的分子式为CaCl2，特性特性：无水氯化钙的：无水氯化钙的吸水性极强吸水性极强，通常含有六个结晶水，通
33、常含有六个结晶水。其外观为无色斜方晶体，密度为。其外观为无色斜方晶体，密度为1.68 gcm3，易潮解，且，易潮解，且易溶于水易溶于水(常温下约为常温下约为75)。溶解度极大溶解度极大。作用作用：其溶解度随温度升高而增大。在钻井液中，：其溶解度随温度升高而增大。在钻井液中，CaCl2主要主要用于配制防塌性能较好的高钙钻井液用于配制防塌性能较好的高钙钻井液。用。用CaCl2处处理理钻井液时常常引起钻井液时常常引起pH值降低值降低。分类：分类：Ca2+6氯化钠氯化钠 氯化钠俗名食盐，分子式为氯化钠俗名食盐，分子式为NaCl 特性特性：为白色晶体，常温下密度约为：为白色晶体，常温下密度约为2.20g
34、cm3。纯晶不。纯晶不易潮解，但含易潮解，但含MgCl2和和CaCI2等杂质的工业食盐容易吸潮。常等杂质的工业食盐容易吸潮。常温下在水中的溶解度较大温下在水中的溶解度较大(20时为时为36.0g100g水水)，且随温度，且随温度升高，溶解度略有增大。升高，溶解度略有增大。作用作用：食盐主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液食盐主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液，以以防止岩盐井段溶解，并抑制井壁泥页岩水化膨胀防止岩盐井段溶解，并抑制井壁泥页岩水化膨胀。此外，为。此外，为保护油气层，还可用于配制无固相清洁盐水钻井液，或作为水保护油气层，还可用于配制无固相清洁盐水钻井液，或作为水溶性暂堵剂使用。
35、溶性暂堵剂使用。7氯化钾氯化钾 氯化钾的分子式为氯化钾的分子式为KCl。特性特性：外观为白色立方晶体，常温下密度：外观为白色立方晶体，常温下密度为为1.98 gcm3，熔点为，熔点为776。易溶于水，。易溶于水，且溶解度随温度升高而增加。且溶解度随温度升高而增加。作用作用：KCl是一种常用的无机盐类是一种常用的无机盐类页岩抑页岩抑制剂制剂，具有较强的抑制页岩渗透水化的能力具有较强的抑制页岩渗透水化的能力。若与聚合物配合使用，可配制成具有强抑。若与聚合物配合使用，可配制成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。与聚合醇配制性的钾盐聚合物防塌钻井液。与聚合醇配和使用，能够明显提高聚合醇的防塌能力，和使
36、用，能够明显提高聚合醇的防塌能力，另外，钾离子的防塌能力与阴离子有关。另外，钾离子的防塌能力与阴离子有关。8硅酸钠硅酸钠 硅酸钠俗名水玻璃或泡花碱，分子式为硅酸钠俗名水玻璃或泡花碱，分子式为Na2OnSiO2，式中，式中n称为水玻璃的模数，即二氧化硅与氧化钠的分子个数之比。称为水玻璃的模数，即二氧化硅与氧化钠的分子个数之比。n值越大，碱性越弱。值越大，碱性越弱。n值在值在3以上的称为中性水玻璃，以上的称为中性水玻璃，n值在值在3以以下的称为碱性水玻璃。下的称为碱性水玻璃。分类分类：水玻璃通常分为：水玻璃通常分为固体水玻璃、水合水玻璃和液体水固体水玻璃、水合水玻璃和液体水玻璃玻璃等三种。等三种。
37、现场使用的水玻璃的密度为现场使用的水玻璃的密度为1.51.6g/cm3，pH值为值为11.512，能溶于水和碱性溶液，能与盐水混溶，可用饱和盐水调节水玻能溶于水和碱性溶液，能与盐水混溶，可用饱和盐水调节水玻璃的粘度。水玻璃在钻井液中可以部分水解生成胶态沉淀，该璃的粘度。水玻璃在钻井液中可以部分水解生成胶态沉淀，该胶态沉淀可使部分粘土颗粒胶态沉淀可使部分粘土颗粒(或粉砂等或粉砂等)聚沉，从而使钻井液保聚沉，从而使钻井液保持较低的固相含量和密度。持较低的固相含量和密度。水玻璃对泥页岩的水化膨胀有一定水玻璃对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，故有较好的防塌性能的抑制作用，故有较好的防塌性能。当水玻璃
38、溶液的当水玻璃溶液的pH值降至值降至9以下时，以下时，整个溶液会变成半固整个溶液会变成半固体状的凝胶体状的凝胶。利用这一特点，可以将水玻璃与石灰、粘土。利用这一特点，可以将水玻璃与石灰、粘土和烧碱等配成石灰乳堵漏剂，注入已确定的漏失井段进行和烧碱等配成石灰乳堵漏剂，注入已确定的漏失井段进行胶凝堵漏。因此，胶凝堵漏。因此，水玻璃是一种堵漏剂水玻璃是一种堵漏剂。此外，水玻璃溶液遇此外，水玻璃溶液遇Ca2+、Mg2+和和Fe3+等高价阳离子会产等高价阳离子会产生沉淀。所以，生沉淀。所以，用水玻璃配制的钻井液一般抗钙能力较差用水玻璃配制的钻井液一般抗钙能力较差，也不宜在钙处理钻井液中使用，也不宜在钙处
39、理钻井液中使用。但它可在盐水或饱和盐。但它可在盐水或饱和盐水中使用。研究表明，水中使用。研究表明，利用水玻璃这个特点，还可使裂缝利用水玻璃这个特点，还可使裂缝性地层的一些裂缝发生愈合或提高井壁的破裂压力，从而性地层的一些裂缝发生愈合或提高井壁的破裂压力，从而起到起到化学固壁化学固壁的作用的作用。硅酸盐钻井液是最重要的防塌钻井液体系之一硅酸盐钻井液是最重要的防塌钻井液体系之一，在国内外，在国内外应用中均取得很好的效果。配制硅酸盐钻井液的成本较低应用中均取得很好的效果。配制硅酸盐钻井液的成本较低，且对环境无污染。，且对环境无污染。SPE 35059SPE 35059，亦可参考中国期刊网上其他文献。
40、，亦可参考中国期刊网上其他文献。9混合金属层状氢氧化物混合金属层状氢氧化物 混合金属层状氢氧化物混合金属层状氢氧化物(简称为简称为MMH)由一种带正电的晶由一种带正电的晶体胶粒所组成，体胶粒所组成，常称为正电胶常称为正电胶。对粘土水化有很强的抑制作对粘土水化有很强的抑制作用，与膨润土和水所形成的复合体具有独特的流变性能。用，与膨润土和水所形成的复合体具有独特的流变性能。第三节第三节 无机处理剂无机处理剂二、无机处理剂在钻井液中的作用机理二、无机处理剂在钻井液中的作用机理1离子交换吸附离子交换吸附 主要是粘土颗粒表面的主要是粘土颗粒表面的Na+与与Ca2+之间的交换。之间的交换。通过通过Na+浓
41、度的增加，使之能够与钙蒙脱土颗粒表面的浓度的增加，使之能够与钙蒙脱土颗粒表面的Ca2+发发生交换，从而使粘土的水化和造浆性能提高，分散成更小的颗粒，生交换，从而使粘土的水化和造浆性能提高，分散成更小的颗粒，表现为钻井液的粘度、切力升高，滤失量降低；表现为钻井液的粘度、切力升高，滤失量降低；相反地，相反地，若在分散钻井液中加入适量若在分散钻井液中加入适量Ca(OH)2和和CaSO4等处理等处理剂，随滤液中剂，随滤液中Ca2+浓度的提高，一部分浓度的提高，一部分Ca2+会与吸附在粘土颗粒会与吸附在粘土颗粒上的上的Na+发生交换，致使钻井液体系转变为适度絮凝的粗分散状态发生交换，致使钻井液体系转变为
42、适度絮凝的粗分散状态，从而控制粘土的水化与分散。从而控制粘土的水化与分散。每种钻井液体系均有其合理的每种钻井液体系均有其合理的pH值范围。然而在钻进过值范围。然而在钻进过程中，钻井液的程中，钻井液的pH值会因发生盐侵、盐水侵、水泥侵和井壁值会因发生盐侵、盐水侵、水泥侵和井壁吸附等各种原因而发生变化，其中吸附等各种原因而发生变化，其中pH值趋于下降的情况更为值趋于下降的情况更为常见。因此，常见。因此，为了使钻井液性能保持稳定，应随时对为了使钻井液性能保持稳定，应随时对pH值进值进行调整。行调整。添加适量的添加适量的烧碱烧碱等无机处理剂是提高等无机处理剂是提高pH值的最简单的方值的最简单的方法，而
43、使用法，而使用酸式焦磷酸钠酸式焦磷酸钠(SAPP)、CaSO4或或CaCI2等无机处理等无机处理剂时，则会使钻井液的剂时，则会使钻井液的pH值有所下降。值有所下降。2调控钻井液的调控钻井液的pH值值 如果有过多的如果有过多的Ca2+或或Mg2+侵入钻井液，将会削弱粘土的侵入钻井液，将会削弱粘土的水化和分散能力，破坏钻井液的性能。此时，水化和分散能力，破坏钻井液的性能。此时，可先加入适量可先加入适量烧碱除去烧碱除去Mg2+，然后用适量纯碱除去，然后用适量纯碱除去Ca2+。这种沉淀作用还可用来使某些因受到污染而失效的有机这种沉淀作用还可用来使某些因受到污染而失效的有机处理剂恢复其作用处理剂恢复其作
44、用。例如褐煤碱液和水解聚丙烯腈，如遇钙例如褐煤碱液和水解聚丙烯腈，如遇钙侵会分别生成难溶于水的腐植酸钙和聚丙烯酸钙。此时，可侵会分别生成难溶于水的腐植酸钙和聚丙烯酸钙。此时，可以加入适量纯碱，使上述处理剂恢复其作用效果，这是由于以加入适量纯碱，使上述处理剂恢复其作用效果，这是由于所生成的所生成的CaCO3的溶解度比腐植酸钙和聚丙烯酸钙的溶解度的溶解度比腐植酸钙和聚丙烯酸钙的溶解度小得多，因而可使处理剂的钙盐重新转变为钠盐。小得多，因而可使处理剂的钙盐重新转变为钠盐。3沉淀作用沉淀作用 利用某些无机处理剂的络合作用，同样可以有效地除去钻井利用某些无机处理剂的络合作用，同样可以有效地除去钻井液中的
45、液中的Ca2+、Mg2+等污染离子等污染离子。例如，在受到钙侵的钻井液中加。例如，在受到钙侵的钻井液中加入足量的六偏磷酸钠，则可通过下面的络合反应除去入足量的六偏磷酸钠，则可通过下面的络合反应除去Ca2+：Ca2+(NaPO3)6CaNa2(PO3)62-+4Na+该反应所生成的络离子该反应所生成的络离子CaNa2(PO3)62-相当稳定，将相当稳定，将Ca2+束缚束缚起来，相当于从钻井液的滤液中除掉了起来，相当于从钻井液的滤液中除掉了Ca2+。对于用褐煤碱液或铁铬木质素磺酸盐等处理的钻井液，还可对于用褐煤碱液或铁铬木质素磺酸盐等处理的钻井液，还可以利用络合反应提高其抗温性能以利用络合反应提高
46、其抗温性能。例如，加入少量重铬酸盐可使。例如，加入少量重铬酸盐可使上述钻井液的热稳定性明显提高，其中主要作用机理是氧化和络上述钻井液的热稳定性明显提高，其中主要作用机理是氧化和络合。通过络合能有效地抑制腐植酸钠和铁铬木质素磺酸盐的热分合。通过络合能有效地抑制腐植酸钠和铁铬木质素磺酸盐的热分解。解。4络合作用络合作用 在钻遇岩盐和石膏地层时，常使用盐水钻井液和石膏处在钻遇岩盐和石膏地层时，常使用盐水钻井液和石膏处理的钻井液理的钻井液；对于大段的盐膏层，甚至使用饱和盐水钻井液。；对于大段的盐膏层，甚至使用饱和盐水钻井液。其目的一是为了增强钻井液抗污染的能力，二是为了抑制和其目的一是为了增强钻井液抗
47、污染的能力，二是为了抑制和防止上述可溶性岩层的溶解，使井径保持规则。防止上述可溶性岩层的溶解，使井径保持规则。由于许多有机处理剂，如丹宁、腐植酸等在水中溶解度由于许多有机处理剂，如丹宁、腐植酸等在水中溶解度很小，不易吸附在粘土颗粒上，因而不能发挥其效能。很小，不易吸附在粘土颗粒上，因而不能发挥其效能。只有只有通过加入适量烧碱才使之转化为可溶性盐通过加入适量烧碱才使之转化为可溶性盐，如单宁酸钠和腐，如单宁酸钠和腐植酸钠，才能充分发挥其效能。这也是钻井液应始终保持碱植酸钠，才能充分发挥其效能。这也是钻井液应始终保持碱性环境的一个重要原因。性环境的一个重要原因。5与有机处理剂生成可溶性盐与有机处理剂
48、生成可溶性盐6抑制溶解的作用抑制溶解的作用第四节第四节 有机处理剂有机处理剂 一、降粘剂一、降粘剂 降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。钻井液在使用过程中，降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。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、切力增加加。若粘度、切力过大，则会造成开泵困难、钻屑难以除去或。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激动压力过大等现象，严重时会导致各种井下复杂钻井过程中激动压力过大
49、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，剂，以降低体系的粘度和切力，使其具有适宜的流变性以降低体系的粘度和切力，使其具有适宜的流变性。1、单宁类、单宁类 (1)单宁的来源和性质单宁的来源和性质 单宁又称鞣质，是一大类单宁又称鞣质，是一大类多元酚的衍生物，属于弱有机酸多元酚的衍生物，属于弱有机酸。从天然植物提取。从天然植物提取。单宁酸在水溶液中也可以发生水解，生成双五倍子酸单宁酸在水溶液中也可以发生水解，生成双五倍子酸和葡萄糖。双五倍子酸进一步水解，可生成五倍子酸和葡萄糖。双五倍子酸进一步水解
50、，可生成五倍子酸 水解的酸性产物在水解的酸性产物在NaOH溶液中生成双五倍子酸钠和溶液中生成双五倍子酸钠和五倍子酸钠，统称为丹宁酸钠或丹宁碱液，即单宁在钻五倍子酸钠，统称为丹宁酸钠或丹宁碱液，即单宁在钻井液中的有效成分，简化符号为井液中的有效成分，简化符号为NaT。为了提高单宁酸钠的使用效果，通过为了提高单宁酸钠的使用效果，通过单宁与甲醛和亚硫酸钠单宁与甲醛和亚硫酸钠进进行行磺甲基化反应可制备磺甲基丹宁磺甲基化反应可制备磺甲基丹宁(SMT)。(2)单宁的稀释机理单宁的稀释机理 单宁酸钠苯环上相邻的单宁酸钠苯环上相邻的双酚羟基可通过配位键吸附在粘双酚羟基可通过配位键吸附在粘土颗粒断键边缘的土颗粒
