钻井液配浆原材料

钻井液配浆原材料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钻井液工艺原理电子教案—第六章第2页,共39页，2024年2月25日，星期天

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。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。前言第3页,共39页，2024年2月25日，星期天

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。前言第4页,共39页，2024年2月25日，星期天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。第5页,共39页，2024年2月25日，星期天

二、加重材料1．常用的钻井液加重材料(1)重晶石粉(2)石灰石粉(Limestone)(3)铁矿粉(Hematite)和钛铁矿粉(Ilmenite)(4)方铅矿粉(Galena)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

第6页,共39页，2024年2月25日，星期天2．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）

第7页,共39页，2024年2月25日，星期天

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： 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。第8页,共39页，2024年2月25日，星期天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

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。第9页,共39页，2024年2月25日，星期天上一内容下一内容回主目录返回第二节无机处理剂一、常用的无机处理剂

1．纯碱

2．烧碱

3．石灰

4、石膏

5.氯化钙

6．氯化钠

7．氯化钾

8．硅酸钠

9．混合金属层状氢氧化物分类：Ca2+第10页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第二节无机处理剂二、无机处理剂在钻井液中的作用机理

无机处理剂都是水溶性的无机碱类和盐类，其中多数可提供阳离子和阴离子，也有一些与水形成胶体或生成络合物。它们在钻井液中的作用机理可归纳为以下方面：1．离子交换吸附5．与有机处理剂生成可溶性盐2．调控钻井液的pH值3．沉淀作用4．络合作用6．抑制溶解的作用第11页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

一、降粘剂

降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。钻井液降粘剂的种类很多。根据其作用机理的不同，可分为两种类型，即分散型稀释剂和聚合物型稀释剂。在分散型稀释剂中主要有丹宁类和木质素磺酸盐类，聚合物型稀释剂主要包括共聚型聚合物降粘剂和低分子聚合物降粘剂等。第12页,共39页，2024年2月25日，星期天1、单宁类单宁酸钠、磺甲基单宁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三节有机处理剂

第13页,共39页，2024年2月25日，星期天

稀释机理

单宁酸钠苯环上相邻的双酚羟基可通过配位键吸附在粘土颗粒断键边缘的Al3+处，拆散结构；而剩余的-ONa和-COONa均为水化基团，它们又能给粘土颗粒带来较多的负电荷和水化层，使粘土颗粒端面处的双电层斥力和水化膜厚度增加，从而拆散和削弱了粘土颗粒间通过端—面和端—端连接而形成的网架结构，使粘度和切力下降。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三节有机处理剂

第14页,共39页，2024年2月25日，星期天

作用机理：X—40系列处理剂的之所以具有较强的稀释作用，主要是由其线型结构、低相对分子质量及强阴离子基团所决定的。一方面，由于其分子量低，可通过氢键优先吸附在粘土颗粒上，从而顶替掉原已吸附在粘土颗粒上的高分子聚合物，从而拆散了由高聚物与粘土颗粒之间形成的“桥接网架结构”；另一方面，低分子量的降粘剂可与高分子主体聚合物发生分子间的交联作用，阻碍了聚合物与粘土之间网架结构的形成，从而达到降低粘度和切力的目的。但若其聚合度过大，相对分子质量过高，反而会使粘度、切力增加。2．X-40系列降粘剂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三节有机处理剂

第15页,共39页，2024年2月25日，星期天

降滤失剂又称为滤失控制剂、降失水剂。在钻井过程中，钻井液的滤液侵入地层会引起泥页岩水化膨胀，严重时导致井壁不稳定和各种井下复杂情况，钻遇产层时还会造成油气层损害。加入降滤失剂的目的，就是要通过在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的滤饼，尽可能降低钻井液的滤失量。降滤失剂是钻井液处理剂的重要剂种，根据其来源主要分为纤维素类、腐植酸类、丙烯酸类、淀粉类和树脂类等。由于其品种繁多，下面仅选择每一类中具有代表性的产品进行介绍。二、降滤失剂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三节有机处理剂

第16页,共39页，2024年2月25日，星期天(1)腐植酸的来源及基本组成

1．腐植酸类

(2)腐植酸的主要性质

腐植酸虽难溶于水，其水溶液仍呈弱酸性。褐煤与烧碱的反应生成的腐植酸钠易溶于水。热稳定性很强。不抗盐不抗钙。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三节有机处理剂

第17页,共39页，2024年2月25日，星期天①褐煤碱液

(3)常用的腐植酸类降滤失剂②硝基腐植酸钠③铬腐植酸④磺甲基褐煤（4）生产工艺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三节有机处理剂

第18页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

2．纤维素类

纤维素是由许多环式葡萄糖单元构成的长链状高分子化合物，以纤维素为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最多的是钠羧甲基纤维素简称CMC和羟乙基纤维素，简称HEC。

(1)钠羧甲基纤维素降滤失机理a.吸附作用b.提粘和堵塞作用第19页,共39页，2024年2月25日，星期天（2）羟乙基纤维素(HEC)

在纤维素分子链上引入羟乙基，增加水溶性，降滤失机理与钠羧甲基纤维素类似。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三节有机处理剂

第20页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

3．丙烯酸类聚合物

丙烯酸类聚合物是低固相聚合物钻井液的主要处理剂类型之一。制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸和丙烯磺酸等。根据所引入官能团、相对分子质量、水解度和所生成盐类的不同，可合成一系列钻井液处理剂。这里仅介绍较常用的降滤失剂水解聚丙烯腈及其盐类、PAC系列产品和丙烯酸盐SK系列产品。第21页,共39页，2024年2月25日，星期天

(1)水解聚丙烯腈

聚丙烯腈是制造腈纶(人造羊毛)的合成纤维材料，目前用于钻井液的主要是腈纶废丝经碱水解后的产物，外观为白色粉末，代号为HPAN。聚丙烯腈是一种由丙烯腈合成的高分子聚合物。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三节有机处理剂

第22页,共39页，2024年2月25日，星期天

(2)PAC系列产品

PAC系列产品是指各种复合离子型的聚丙烯酸盐聚合物(PAC)，实际上是具有不同取代基的乙烯基单体及其盐类的共聚物，通过在高分子链节上引入不同含量的羧基、羧钠基、羧胺基、酰胺基、磺酸基和羟基等共聚而成。该系列产品主要用于聚合物钻井液体系。由于各种官能团的协同作用，在各种复杂地层和不同的矿化度、温度条件下均能发挥其作用。只要调整好聚合物分子链节中各官能团的种类、数量、比例、聚合度及分子构型，就可设计和研制出一系列的处理剂，可以满足增粘、降粘或降滤失要求，目前应用较多的是PAC-141、PAC-l42和PAC-l43等三种产品。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三节有机处理剂

第23页,共39页，2024年2月25日，星期天

(3)丙烯酸盐SK系列产品

该系列产品为丙烯酸盐的多元共聚物。其外观为白色粉末，易溶于水，溶液呈碱性。主要用做聚合物钻井液的降滤失剂。但不同型号的产品在性能上有所区别。例如，SK-1可用于无固相完井液和低固相钻井液，在配合用NaCl、CaCl2等无机盐加重的过程中，主要起降滤失和增粘的作用。

SK-2是一种具有较强的抗盐、抗钙能力，不增粘的降滤失剂。SK-3主要用在当聚合物钻井液受到无机盐污染后，作为降粘剂，同时可改善钻井液的热稳定性，降低高温高压滤失量。第24页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

4．树脂类以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其它官能团而制得。(1)磺甲基酚醛树脂磺甲基酚醛树脂(SMP-I，SMP-II)是一种抗高温降滤失剂。合成：其合成路线是先在酸性条件(pH＝3-4)下使甲醛与苯酚反应，生成线型酚醛树脂；再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行分步磺化；通过适当控制反应条件，可得到磺化度较高和相对分子质量较大的产品。它的另一种合成路线是：将苯酚、甲醛、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠一次投料，在碱催化条件下，缩合和磺化反应同时进行，最后生成磺甲基酚醛树脂。第25页,共39页，2024年2月25日，星期天(2)磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物(SLSP)

该产品是磺化木质素与磺甲基酚醛树脂的缩合物，代号为SLSP。SLSP与磺甲基酚醛树脂有相似的优良性能，但在原来树脂的基础上引人了一部分磺化木质素。所以SLSP在降低钻井液滤失量的同时，还有优良的稀释特性。缺点是在钻井液中比较容易起泡，必要时需配合加入消泡剂。(3)磺化褐煤树脂SPNH第26页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

5．淀粉类

淀粉(Starch)的结构与纤维素相似，属于碳水化合物，是最早使用的钻井液降滤失剂之一。

在某些钻井液中，加入淀粉不仅可以降低滤失量，而且还有助于提高钻井液中粘土颗粒的聚结稳定性。淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。淀粉的降滤失机理一方面是它吸收水分，减少了钻井液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的渗透性。第27页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

三、增粘剂

增粘剂除了起增粘作用外，还往往兼作页岩抑制剂(包被剂)、降滤失剂及流型改进剂。因此，使用增粘剂常常有利于改善钻井液的流变性，也有利于井壁稳定。增粘剂种类很多。第28页,共39页，2024年2月25日，星期天1．XC生物聚合物XC生物聚合物又称做黄原胶，是由黄原菌类作用于碳水化合物而生成的高分子链状多糖聚合物，相对分子质量可高达5×106，易溶于水。是一种适用于淡水、盐水和饱和盐水钻井液的高效增粘剂，加入很少的量(0.2％～0.3％)即可产生较高的粘度，并兼有降滤失作用。它的另一显著特点是具有优良的剪切稀释性能，能够有效地改进流型(即增大动塑比，降低n值)。用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低，有利于提高机械钻速；而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度，并有利于形成平板形层流，使钻井液携带岩屑的能力明显增强。第29页,共39页，2024年2月25日，星期天2．羟乙基纤维素

羟乙基纤维素(代号HEC)是一种水溶性的纤维素衍生物。外观为白色或浅黄色固体粉末。它无嗅、无味、无毒，溶于水后形成粘稠的胶状液。

该处理剂是由纤维素和环氧乙烷经羟乙基化制成的产品，主要在聚合物钻井液中起增粘作用。其显著特点是在增粘的同时不增加切力，因此在钻井液切力过高致使开泵困难时常被选用。增粘程度一般与时间、温度和含盐量有关，抗温能力可达107～121℃。第30页,共39页，2024年2月25日，星期天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上一内容下一内容回主目录返回第三节有机处理剂

四、页岩抑制剂

概括地讲，处理剂在钻井液中所起的作用主要有两个：一是维持钻井液性能稳定，二是保持井壁稳定。凡是能有效地抑制页岩水化膨胀和分散，主要起稳定井壁作用的处理剂均可称做页岩抑制剂，又称防塌剂。本节简要介绍几种重要的有机防塌剂。第31页,共39页，2024年2月25日，星期天1、沥青类(1)氧化沥青

氧化沥青为黑色均匀分散的粉末，难溶于水，多数产品的软化点为150~160℃，细度为通过60目筛的部分占85％。主要在水基钻井液中用做页岩抑制剂，并兼有润滑作用，一般加量为l％~2％。此外，还可分散在油基钻井液中起增粘和降滤失作用。第32页,共39页，2024年2月25日，星期天(2)磺化沥青

磺化沥青的防塌机理是：磺化沥青中由于含有磺酸基，水化作用很强，当吸附在页岩晶层断面上时，可阻止页岩颗粒的水化分散；同时不溶于水的部分又能起到填充孔喉和裂缝的封堵作用，并可覆盖在页岩表面，改善泥饼质量。但随着温度的升高，磺化沥青的封堵能力会有所下降。磺化沥青还在钻井液中起润滑和降低高温高压滤失量的作用，是一种多功能的有机处理剂。(3)天然沥青和改性沥青第33页,共39页，2024年2月25日，星期天

2．钾盐腐植酸类(1)腐植酸钾

腐植酸钾(KHm)是以褐煤为原料，用KOH提取而制得的产品。外观为黑褐色粉末，易溶于水，水溶液的pH值为9～l0。主要用做淡水钻井液的页岩抑制剂，并兼有降粘和降滤失作用。抗温能力为180℃。(2)硝基腐植酸钾第34页,共39页，2024年2月25日，星期天(3)K21

防塌剂K21是硝基腐植酸钾、特种树脂、三羟乙基酚和磺化石蜡等的复配产品。为黑色粉末，易溶于水，水溶液呈碱性。是一种常用的页岩抑制剂，具有较强的抑制页岩水化的作用，并能降粘和降低滤失量，抗温可达180℃。

页岩抑制剂类产品还有许多。例如，各种聚合物类和聚合醇类有机处理剂，硅酸盐类、钾盐类、铵盐类和正电胶等无机处理剂都是性能优良的页岩抑制剂。第35页,共39页，2024年2月25日，