钻井液处理剂作用机理1

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，例如膨润土、水、油和重晶石等。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。但配浆原材料与处理剂之间并无严格的界限，有的文献将配浆原材料也归类在处理剂中。

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“类，即(1)降滤失剂(Filtration Reducer)；(2)增粘剂(Viscosifier)；(3)乳化剂(Emulsifier)使油水乳化产生乳状液；(4)页岩抑制剂 (Shale inhibitor)；(5)堵漏剂(lost Circulation Material)；(6)降粘剂(Thinner)；(7)缓蚀剂(Corrosion inhibitor)；(8)粘土类(Clay)；(9)润滑剂(Lubricant)；(10)加重剂(Weighting Agent)；(11)杀菌剂(Bactericide)；(12)消泡剂(Defoamer)；(13)泡沫剂(Foaming Agent)；(14)絮凝剂(Flocculant)；(15)解卡剂(Pipe-Freeing Agent)；(16)其它类(Others)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1 t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。关于有机土的性能及应用将结合油基钻井液再进行讨论。

二、加重材料

1．常用的钻井液加重材料

加重材料(Weighting Material)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(Barite)

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2.30 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。

(2)石灰石粉(Limestone)

石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为2.7～2.9 g/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wan 107配制密度不超过1. 68 g/cm3 (14ppg)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4.9～5.3 g/cm网络节点3；后者的主要成分为TiO2•Fe2O3，密度4.5~5.1 g/cm3。均为棕或黑褐粉末。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。如果将某种钻井液加重至某一给定的密度，当选用铁矿粉时，加重后钻井液中的固相含量(常用体积分数表示)显然要比选用重晶石时低一些。例如，用密度为4.2 g/cm3的重晶石将某种钻井液加重到2.28 g/cm3，其固相含量为39.5％；而使用密度为5.2 g/cm3的铁矿粉将该钻井液加至同样密度时，固相含量仅为30.0％。加重后固相含量低有利于流变性能的调控和提高钻速。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。由于其密度高达7.4～7.7 g/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。

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，中频淬火变压器细菌的大量繁殖还会对油气层造成损害；

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气体的存在则会加剧钻具的腐蚀等。二氧化碳，气蚀、碳酸

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；裤衩裙

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10 000mg／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。

无机处理剂

按钻井液标准委员会制订的分类方法，无机处理剂被划分在其它类。无机处理剂的数量较多，本节仅介绍较常用的几种。

一、常用的无机处理剂

1．纯碱

学名碳酸钠(Sodium Carbonate)，又称苏打粉(Soda Ash)，分子式为 Na2CO3。

白粉末，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，其反应式为：

Na2CO3＝Na++CO32－

CO32—+H2O＝HCO3—+OH—

纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，即

Ca—粘土+Na2CO3——Na—粘土+CaCO3