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1、钻井液完井液处理剂大全二卷ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望u 为了使高聚物具有为了使高聚物具有高温稳定性高温稳定性，当设计处理剂的分子结构，当设计处理剂的分子结构时，主链联结方式应是时，主链联结方式应是-C-C-C-C-，-C-S-C-S-，-C-N-C-N-键键等，而避等，而避免引入免引入-O-O-键键。3.主链结构高聚物类降滤失剂高聚物类降滤失剂小结小结 原子间的键能（原子间的键能（298K298K）u 几乎所有高聚物处理剂的水化基
2、团都是几乎所有高聚物处理剂的水化基团都是-COONa-COONa，-ONa-ONa和和- -SOSO3 3NaNa，但它们在钻井液中的行为，即抗盐、钙能力却有显但它们在钻井液中的行为，即抗盐、钙能力却有显著不同。著不同。u 凡主链上含凡主链上含-SO-SO3 3NaNa的高聚物分子比含的高聚物分子比含-COONa-COONa、-ONa-ONa的分子的分子抗温、抗盐、钙抗温、抗盐、钙性能好。性能好。 4.水化基团结构的性能比较高聚物类降滤失剂高聚物类降滤失剂小结小结（四）树脂类降滤失剂（四）树脂类降滤失剂 是以酚醛树脂为主体，经磺化或引入是以酚醛树脂为主体，经磺化或引入 其它官能团而制得。其它官
3、能团而制得。 磺甲基酚醛树脂（磺甲基酚醛树脂（SMP)SMP)是最常用的产是最常用的产品。品。酚醛树脂的合成酚醛树脂的合成u 在酸或碱的作用下，在酸或碱的作用下，苯酚苯酚与与甲醛甲醛都可以因发生都可以因发生缩聚反应缩聚反应生成酚醛树脂。生成酚醛树脂。u 按催化剂为酸或碱原料的配比不同和反应条件不同，可按催化剂为酸或碱原料的配比不同和反应条件不同，可以生成以生成热塑性酚醛树脂热塑性酚醛树脂和和热固性酚醛树脂热固性酚醛树脂。热塑性酚醛树脂构型热塑性酚醛树脂构型 热固性酚醛树脂构型热固性酚醛树脂构型（1 1）磺甲基化剂的合成：）磺甲基化剂的合成：（2 2）酚醛树脂的磺甲基化：）酚醛树脂的磺甲基化：S
4、MPSMP的合成的合成u SMP SMP是一种水溶性的不规则线型聚合物，但其分子量不高，是一种水溶性的不规则线型聚合物，但其分子量不高，加入钻井液中对粘粒加入钻井液中对粘粒无絮凝作用无絮凝作用，不会引起增稠；，不会引起增稠；u 亲水性亲水性和和抗盐析能力抗盐析能力均强；均强；u SMP SMP的分子结构主要以苯环、亚甲基桥和的分子结构主要以苯环、亚甲基桥和C-SC-S键组成，键组成，热稳定热稳定性强性强，抗温可达，抗温可达200-220200-220；u SMP SMP分子结构中的酚羟基具有与分子结构中的酚羟基具有与高价阳离子高价阳离子络合的能力，故络合的能力，故它能与很多高价金属离子配合使用
5、，以提高其处理效能。它能与很多高价金属离子配合使用，以提高其处理效能。磺甲基酚醛树脂（磺甲基酚醛树脂（SMPSMP）的性能）的性能（1）磺甲基酚醛树脂）磺甲基酚醛树脂（SMP-1，SMP-2） 是一种抗高温降滤失剂抗高温降滤失剂。其合成路线是：先在酸性条件（pH = 34）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磺化。 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，缩和和磺化反应同时进行，最后生成磺甲基酚醛树脂。其反应式为：（1）磺甲基酚醛树脂）磺甲基酚醛树脂（SMP-1，SMP-2） 棕红色粉末，溶于水。棕红色粉末，溶于水。 分
6、子的主链由亚甲基桥和苯环组成，又引入了大量磺酸基，故热稳定分子的主链由亚甲基桥和苯环组成，又引入了大量磺酸基，故热稳定性强，可抗性强，可抗180200的高温。的高温。 因引入磺酸基的数量不同，抗无机电解质的能力会有所差别。目前使因引入磺酸基的数量不同，抗无机电解质的能力会有所差别。目前使用量很大的用量很大的SMP-1型产品可用于矿化度小于型产品可用于矿化度小于1 105 mg/l的钻井液，而的钻井液，而SMP-2型产品型产品可抗盐至饱和可抗盐至饱和，抗钙也可达，抗钙也可达2000 mg/l，是主要用于，是主要用于饱饱和盐水钻井液和盐水钻井液的降滤失剂。的降滤失剂。 还能改善滤饼的润滑性，对井壁
7、也有一定的稳定作用。还能改善滤饼的润滑性，对井壁也有一定的稳定作用。 加量通常在加量通常在35%之间。之间。（2）磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物）磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（SLSP） 合成合成SLSP的反应一般分两步进行。首先合成磺甲基酚醛树的反应一般分两步进行。首先合成磺甲基酚醛树脂，第二步再与磺化木质素缩合得到脂，第二步再与磺化木质素缩合得到SLSP。 SLSP与磺甲基酚醛树脂有相似的优良性能，但在原来树脂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入了一部分磺化木质素。所以的基础上引入了一部分磺化木质素。所以SLSP在降低钻井在降低钻井液滤失量的同时，还有优良的稀释特性
8、。液滤失量的同时，还有优良的稀释特性。 生产该产品有利于解决造纸废液引起的环境污染问题，成本生产该产品有利于解决造纸废液引起的环境污染问题，成本也有所下降。也有所下降。 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。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）磺化褐煤树脂是褐煤中的某些官能团与酚醛树脂通过缩和反应是褐煤中的某些官能团与酚醛树脂通过缩和反应所制得的产品。所制得的产品。在缩和反应过程中，为了提高钻井液的抗盐、抗在缩和反应过程中，为了提高钻井液的抗盐、抗钙和抗温能力，还使用了一些聚合物单体或无机钙和抗温能力，还使用了一些聚合物单体或无机盐进行接枝
9、和交联。盐进行接枝和交联。该类降滤失剂中比较典型的产品有国外常用的该类降滤失剂中比较典型的产品有国外常用的Resinex和国内常用的和国内常用的SPNH。Resinex 是自是自20世纪世纪70年代后期以来国外常用的一种抗高温降年代后期以来国外常用的一种抗高温降滤失剂，由滤失剂，由50%的磺化褐煤和的磺化褐煤和50%的特种树脂组成。的特种树脂组成。 产品外观为黑色粉末，易溶于水，与其它处理剂有很产品外观为黑色粉末，易溶于水，与其它处理剂有很好的相容性。好的相容性。 在盐水钻井液中抗温可达在盐水钻井液中抗温可达230，抗盐可达，抗盐可达1.1 105 mg/l。抗钙。抗钙2000 mg/l。 在
10、降滤失的同时，基本上不会增大钻井液的粘度，在在降滤失的同时，基本上不会增大钻井液的粘度，在高温下不会发生胶凝。特别适于在高密度深井、超深高温下不会发生胶凝。特别适于在高密度深井、超深井钻井液中使用。井钻井液中使用。SPNH是以褐煤和腈纶废丝为主要原料，通过采用接枝共是以褐煤和腈纶废丝为主要原料，通过采用接枝共聚和磺化的方法制得的一种含有羟基、羰基、亚甲聚和磺化的方法制得的一种含有羟基、羰基、亚甲基、磺酸基、羧基和腈基等多种官能团的共聚物。基、磺酸基、羧基和腈基等多种官能团的共聚物。SPNH主要起降滤失作用，但同时还具有一定的降粘主要起降滤失作用，但同时还具有一定的降粘作用。其抗温和抗盐、抗钙能
11、力均与作用。其抗温和抗盐、抗钙能力均与Resinex相似。相似。（五）淀粉类降滤失剂（五）淀粉类降滤失剂 淀粉淀粉（Starch）的结构与纤维素相似，也属于碳水化合物，是最早使用的钻）的结构与纤维素相似，也属于碳水化合物，是最早使用的钻井液降滤失剂之一。在井液降滤失剂之一。在50以下不溶于水，温度超过以下不溶于水，温度超过55以上开始溶胀，形以上开始溶胀，形成半透明凝胶或胶体溶液。加碱也能使它迅速而有效地溶胀。可进行成半透明凝胶或胶体溶液。加碱也能使它迅速而有效地溶胀。可进行酯化、酯化、醚化、羧甲基化、接枝和交联反应醚化、羧甲基化、接枝和交联反应，从而制得一系列，从而制得一系列改性产品改性产品
12、。 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。淀粉在结稳定性。淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。中均可使用。 淀粉的降失水机理一方面是吸收水分，减少了钻井液中的自由水；另一方面淀粉的降失水机理一方面是吸收水分，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缝隙中，从而堵塞水的通路，降低泥饼渗透性。是形成的囊状物可进入泥饼缝隙中，从而堵塞水的通路，降低泥饼渗透性。 使用时，钻井液的使用时，钻井液的矿化度矿化度最好大一些，并且最好大一些，并且pH值最好大于值
13、最好大于11.5，否则容易发，否则容易发酵变质。若这两个条件均不具备，可加入适量的酵变质。若这两个条件均不具备，可加入适量的防腐剂防腐剂。 在高温下，淀粉容易降解，效果变差。如温度超过在高温下，淀粉容易降解，效果变差。如温度超过120，淀粉将完全降解，淀粉将完全降解而失效。国内外在温度较低、矿化度较高的环境下，已广泛使用淀粉作为降而失效。国内外在温度较低、矿化度较高的环境下，已广泛使用淀粉作为降失水剂。在失水剂。在饱和盐水钻井液饱和盐水钻井液中，淀粉是经常使用的一种降滤失剂中，淀粉是经常使用的一种降滤失剂 。用淀粉及其衍生物作为用淀粉及其衍生物作为钻井液用降滤失剂钻井液用降滤失剂已有较长的已有
14、较长的历史。到历史。到19871987年，世界淀粉处理剂产量达年，世界淀粉处理剂产量达88000t88000t，仅，仅次于铁铬木素磺酸盐和褐煤类产品，居第三位。次于铁铬木素磺酸盐和褐煤类产品，居第三位。近几年来，国内外对淀粉类降滤失剂的研究有了很大近几年来，国内外对淀粉类降滤失剂的研究有了很大进展，形成系列产品，是进展，形成系列产品，是钻遇盐膏层钻遇盐膏层常用的处理剂。常用的处理剂。（五）淀粉类降滤失剂（五）淀粉类降滤失剂国内外钻井液用淀粉类处理剂国内外钻井液用淀粉类处理剂 淀粉类降滤失剂主要改性产品淀粉类降滤失剂主要改性产品 羧甲基淀粉（羧甲基淀粉（Carboxymethyl Starch）
15、：）：是淀粉的改性产品，代号是淀粉的改性产品，代号为为CMS。在碱性条件下，淀粉与氯乙酸发生醚化反应即制得羧甲基。在碱性条件下，淀粉与氯乙酸发生醚化反应即制得羧甲基淀粉。从现场试验情况看，淀粉。从现场试验情况看，CMS降失水效果好，而且作用速度快。降失水效果好，而且作用速度快。在提粘方面，对塑性粘度影响小，而对动切力影响大，因而有利于携在提粘方面，对塑性粘度影响小，而对动切力影响大，因而有利于携带钻屑。带钻屑。 羟丙基淀粉（羟丙基淀粉（Hydroxy Propyl Starch）：）：是在碱性条件下，淀粉与是在碱性条件下，淀粉与环氧乙烷或环氧丙烷发生醚化反应制得。羟丙基淀粉的代号为环氧乙烷或环
16、氧丙烷发生醚化反应制得。羟丙基淀粉的代号为HPS。由于分子链节上引入了羟基，其水溶性、增粘能力和抗微生物作用的由于分子链节上引入了羟基，其水溶性、增粘能力和抗微生物作用的能力都得到了显著改善。能力都得到了显著改善。 抗温淀粉抗温淀粉DFD-140：是一种白色或淡黄色的颗粒，分子链节上同时含是一种白色或淡黄色的颗粒，分子链节上同时含有阳离子基团和非离子基团，而不含阴离子基团。有阳离子基团和非离子基团，而不含阴离子基团。DFD-140抗温性能抗温性能较好，在较好，在4盐水钻井液中可以稳定到盐水钻井液中可以稳定到140，在饱和盐水钻井液中，在饱和盐水钻井液中可以稳定到可以稳定到130。u 淀粉是植物
17、体中贮存的养料，多存在于种子或块茎淀粉是植物体中贮存的养料，多存在于种子或块茎中。中。u 用淀粉酶水解可生成麦芽糖。用淀粉酶水解可生成麦芽糖。u 是一种白色无定形粉末，由是一种白色无定形粉末，由直链淀粉直链淀粉和和支链淀粉支链淀粉两两部分组成，它们的比例随植物品种不同而不同，同部分组成，它们的比例随植物品种不同而不同，同时在结构和性质上也有一定的区别。时在结构和性质上也有一定的区别。淀粉简介淀粉简介 直链淀粉：直链淀粉：一种可溶性淀粉，能溶于热水而不成糊状。一种可溶性淀粉，能溶于热水而不成糊状。 其结构示意图如下：其结构示意图如下：淀粉简介淀粉简介 支链淀粉：支链淀粉：一种一种不可溶性不可溶性
18、淀粉。淀粉。 其结构示意图：其结构示意图：淀粉简介淀粉简介1.1.预胶化淀粉预胶化淀粉u 淀粉的预胶化工艺主要是一个蒸煮过程，在淀粉的预胶化工艺主要是一个蒸煮过程，在60-10060-100下，下，用碱或酸作催化剂，蒸煮一定时间后，经过洗涤、提取、用碱或酸作催化剂，蒸煮一定时间后，经过洗涤、提取、干燥、粉碎而成的成品。干燥、粉碎而成的成品。u 其工艺流程图：其工艺流程图：淀粉衍生物的制备淀粉衍生物的制备流程图流程图1.1.预胶化淀粉预胶化淀粉u 在其合成过程中，催化剂的加量、催化时间对产品质量均在其合成过程中，催化剂的加量、催化时间对产品质量均有影响。有影响。u 其影响情况如图所示：其影响情况
19、如图所示：淀粉衍生物的制备淀粉衍生物的制备酸催化时间碱催化时间酸加量碱加量2. 羧甲基淀粉的合成羧甲基淀粉的合成 u 第一步是将淀粉预胶化；第一步是将淀粉预胶化；u 第二步将预胶化淀粉用一氯乙酸醚化后，进行洗涤、第二步将预胶化淀粉用一氯乙酸醚化后，进行洗涤、脱水、干燥、粉碎、过筛，即得成品。脱水、干燥、粉碎、过筛，即得成品。3. 羟乙基淀粉羟乙基淀粉u 与羟乙基纤维素的合成工艺类似，将淀粉预先胶化，与羟乙基纤维素的合成工艺类似，将淀粉预先胶化，再加入醚化剂环氧乙烷进行醚化处理；再加入醚化剂环氧乙烷进行醚化处理；u 然后经洗涤、脱水、干燥、粉碎、过筛即得成品。然后经洗涤、脱水、干燥、粉碎、过筛即
20、得成品。淀粉衍生物的制备淀粉衍生物的制备增粘剂增粘剂 为了保证井眼清洁和安全钻进，钻井液的粘度和切力必须为了保证井眼清洁和安全钻进，钻井液的粘度和切力必须保持在一个合适的范围。在水基钻井液中，经常采用添加保持在一个合适的范围。在水基钻井液中，经常采用添加增粘剂增粘剂。若只依靠膨润土提粘，会引起固含过高等问题。若只依靠膨润土提粘，会引起固含过高等问题。 增粘剂均为增粘剂均为高分子聚合物高分子聚合物。其分子链很长，在分子链之间。其分子链很长，在分子链之间容易形成容易形成网状结构网状结构，因此能显著地提高钻井液的粘度。，因此能显著地提高钻井液的粘度。 增粘剂除了起增粘作用外，还往往增粘剂除了起增粘作
21、用外，还往往兼作页岩抑制剂兼作页岩抑制剂（包被包被剂剂）、）、降滤失剂及流型改进剂降滤失剂及流型改进剂。因此，使用增粘剂既有利。因此，使用增粘剂既有利于改善钻井液的流变性，还有利于井壁稳定。于改善钻井液的流变性，还有利于井壁稳定。（一）（一）XC生物聚合物生物聚合物 XC生物聚合物又称作黄原胶，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，分子量可高达5106，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）。
22、在高剪切速率下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粘度，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。 抗温可达120，但在140温度下也不会完全失效。据报导，国外曾在井底温度为148.9的油井中使用过。其抗盐、抗钙能力也十分突出，是配制饱和盐水钻井液的常用处理剂之一。 有时需与三氯酚钠等杀菌剂配合使用，因为在一定条件下，空气和钻井液中的各种细菌会使其发生酶变，从而降解失效。 生物聚合物生物聚合物的英文名字是的英文名字是biopolymer，又称又称黄原胶黄原胶。通常用作钻。通常用作钻井液处理剂的叫做井液处理剂的叫做XCpolymer，简称，简称XC。这种酸性多糖物
23、质是一种线。这种酸性多糖物质是一种线型高聚物。型高聚物。生物聚合物低固相钻井液生物聚合物低固相钻井液有如下有如下优点优点： （1 1）流变性能好，适合于高压喷射钻井；）流变性能好，适合于高压喷射钻井； （2 2）同其他处理剂配合使用能抑制强粘土页岩水化膨胀；）同其他处理剂配合使用能抑制强粘土页岩水化膨胀； （3 3）提高钻头寿命，减少配制钻井液用水；）提高钻头寿命，减少配制钻井液用水； （4 4）处理剂用量少（）处理剂用量少（0.2%-0.3%0.2%-0.3%）；）； （5 5）抗污染能力强；）抗污染能力强； （6 6）抗冻性好；）抗冻性好； （7 7）加入交联剂后能提高这种钻井液的悬浮能力
24、。）加入交联剂后能提高这种钻井液的悬浮能力。（一）生物聚合物（一）生物聚合物u我国生产钻井液用生物聚合物是以筛选分离出的一种我国生产钻井液用生物聚合物是以筛选分离出的一种NK131NK131细菌细菌，用，用玉玉米淀粉米淀粉为碳源，经为碳源，经发酵发酵制成的生物聚合物制成的生物聚合物多糖胶多糖胶产品。产品。u它是一种线型高分子聚合物，其它是一种线型高分子聚合物，其最简单的结构模式最简单的结构模式如下图：如下图：生物聚合物的制备生物聚合物的制备1. 1. 剪切稀释性能剪切稀释性能 生物聚合物分子量可达生物聚合物分子量可达50000005000000。 由于分子内部由于分子内部氢键氢键的存在，可形成
25、双螺旋环形的立体构型，进而有序的存在，可形成双螺旋环形的立体构型，进而有序地排列成聚合体结构，称为地排列成聚合体结构，称为超会合结构超会合结构，如图所示。，如图所示。生物聚合物的性能生物聚合物的性能 正是这种正是这种超会合结构超会合结构，使其在静止时，具有较高的粘度；，使其在静止时，具有较高的粘度； 在高剪切速率下，超会合的立体结构解离，粘度降到极低。因此，在高剪切速率下，超会合的立体结构解离，粘度降到极低。因此，具有具有优良的剪切稀释性能优良的剪切稀释性能。2. 2. 抗污染能力抗污染能力 抗污染能力强抗污染能力强是生物聚合物又一突出优点。是生物聚合物又一突出优点。 石膏、水泥或盐对生物聚合
26、物溶液的性能影响不大，下图分别表石膏、水泥或盐对生物聚合物溶液的性能影响不大，下图分别表示示CaCa2+2+和和NaNa+ +对其粘度的影响。对其粘度的影响。生物聚合物的性能生物聚合物的性能 CaCa2+2+加量对两种溶液粘度的影响加量对两种溶液粘度的影响1.1.含含0.3%0.3%生物聚合物；生物聚合物；2.2.含含0.3%0.3%生物聚合物，生物聚合物，0.06%CrCl0.06%CrCl3 3 NaClNaCl加量对两种溶液粘度的影响加量对两种溶液粘度的影响1.1.含含0.3%0.3%生物聚合物，生物聚合物，0.15%CaSO0.15%CaSO4 4；2.2.含含0.3%0.3%生物聚合
27、物，生物聚合物，0.15%0CaSO0.15%0CaSO4 4，0.03%CrCl0.03%CrCl3 33.3.抑制页岩水化膨胀抑制页岩水化膨胀 生物聚合物具有一定的生物聚合物具有一定的抑制页岩水化膨胀抑制页岩水化膨胀作用。其原理是大分作用。其原理是大分子子XCXC长链能在泥页岩表面上进行强吸附，形成长链能在泥页岩表面上进行强吸附，形成吸附膜吸附膜，阻止钻，阻止钻井液中自由水向地层渗透。井液中自由水向地层渗透。 长分子键还会穿入泥页岩的微裂缝，起到一定的长分子键还会穿入泥页岩的微裂缝，起到一定的封堵固结作用封堵固结作用。生物聚合物的性能生物聚合物的性能（二）羟乙基纤维素（二）羟乙基纤维素 羟
28、乙基纤维素羟乙基纤维素（代号（代号HEC）是一种）是一种水溶性的纤维素衍生物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。于水后形成粘稠的胶状液。 该处理剂是由该处理剂是由纤维素纤维素和和环氧乙烷环氧乙烷经经羟乙基化羟乙基化制成。制成。 其其显著特点显著特点是：在增粘的同时不增加切力，因此在钻井液是：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。切力过高致使开泵困难时常被选用。 抗温能力可达抗温能力可达120。 增粘程度增粘程度与时间、温度和含盐量有关。与时间、温度和含盐量
29、有关。 在一定温度条件下，在一定温度条件下，碱纤维素碱纤维素与与氧化乙烯（环氧乙烷）氧化乙烯（环氧乙烷）反应反应2 2小时可得到小时可得到醚化度为醚化度为0.75-0.850.75-0.85的产品。的产品。羟乙基纤维素的合成羟乙基纤维素的合成页岩抑制剂（防塌剂）页岩抑制剂（防塌剂） 在钻井液中处理剂所起的作用主要有两个。在钻井液中处理剂所起的作用主要有两个。一是一是维持钻井液性能稳定维持钻井液性能稳定，二是，二是保持井壁保持井壁稳定稳定。 凡是能有效地抑制页岩水化膨胀和分散，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作主要起稳定井壁作用的处理剂均可称作页页岩抑制剂岩抑
30、制剂，又称，又称防塌剂防塌剂。（一）沥青类（一）沥青类（1）氧化沥青（Oxidized Asphalt） 将沥青加热并通入空气进行氧化后制得的产品。沥青经氧化后，沥青质含量增加，胶质含量降低，软化点上升。使用不同的原料并通过控制氧化程度可制备出软化点不同的氧化沥青产品。 为黑色均匀分散的粉末，难溶于水，多数产品的软化点为150160，细度为通过60目筛的部分占85%。主要在水基钻井液中用作页岩抑制剂，并兼有润滑作用，一般加量为12%。此外，还可分散在油基钻井液中起增粘和降滤失作用。 氧化沥青的防塌作用机理：在一定的温度和压力下软化变形，从而封堵裂隙，并在井壁上形成一层致密的保护膜。在选用该产品
31、时，软化点是一个重要的指标。应使其软化点与所处理井段的井温相近。（2）磺化沥青（Sulfonated Asphalt） 实际上是磺化沥青的钠盐，代号为SAS。它是常规沥青用发烟H2SO4 进行磺化后制得的产品。沥青经过磺化，引入了水化性能很强的磺酸基，使之从不溶于水变为可溶于水。磺化时应控制产品中含有的水溶性物质约占70%。为黑褐色膏状胶体或粉剂，软化点高于80，密度约为1 g/cm3。 磺化沥青的防塌机理：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。在钻井液中还起润滑和
32、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 沥青粉的主要作用机理： 当钻遇页岩地层时，若沥青的软化点与地层温度相匹配，在井筒内正压差作用下，沥青产品会发生塑性流动，挤入页岩孔隙、裂缝和层面，封堵地层层理与裂隙，提高对裂缝的粘结力，在井壁处形成具有护壁作用的内、外泥饼，起到稳定井壁的作用。 此外，为了提高其封堵与抑制能力，可将沥青类产品与其它有机物进行缩合。如磺化沥青与腐植酸钾的缩合物KAHM，俗称高改性沥青粉，在各类水基钻井液中均具有很好的防塌效果。 沥青原料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物以及沥青原料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物以及这些碳氢化合物
33、的一些非金属（氧、硫、氮等）的衍生这些碳氢化合物的一些非金属（氧、硫、氮等）的衍生物组成的混合物。物组成的混合物。 可分为两大类：可分为两大类：沥青的分类沥青的分类沥青地沥青焦油沥青石油沥青天然沥青煤沥青木沥青页岩沥青u石油沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非石油沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物所组成的混合物，目前对其化学组成、结构的认识尚金属衍生物所组成的混合物，目前对其化学组成、结构的认识尚不完全清楚。不完全清楚。u按按化学组分分析化学组分分析方法对几种不同油源和工艺的方法对几种不同油源和工艺的典型国产沥青典型国产沥青进行进行分析，其结果如下：
34、分析，其结果如下：石油沥青的组分分析石油沥青的组分分析几种不同油源和工艺的国产沥青化学组分分析结果几种不同油源和工艺的国产沥青化学组分分析结果沥青中几个主要组分的特性沥青中几个主要组分的特性u 沥青中各个组分在沥青中可以形成不同的胶体结构。沥青中各个组分在沥青中可以形成不同的胶体结构。u 按它们的化学特性以及各种组分的比例，可以分为按它们的化学特性以及各种组分的比例，可以分为溶溶胶、溶胶、溶- -凝胶凝胶和和凝胶凝胶三种结构，如下图所示：三种结构，如下图所示：沥青的胶体结构沥青的胶体结构 沥青结构示意图沥青结构示意图a.a.溶胶；溶胶；b.b.溶溶- -凝胶；凝胶；c.c.凝胶凝胶（1 1）溶
35、胶结构：溶胶结构：沥青中的沥青质含量很少，完全服从牛顿液体的沥青中的沥青质含量很少，完全服从牛顿液体的规律，液体沥青多属于此类。规律，液体沥青多属于此类。（2 2）溶溶- -凝胶结构凝胶结构: : 沥青中的沥青质含量适当，并有较多的树脂沥青中的沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护物质。这类沥青在常温时，表现为非常明显的弹性效应，作为保护物质。这类沥青在常温时，表现为非常明显的弹性效应，但在变形增加至一定数值后，则可变为牛顿流动。但在变形增加至一定数值后，则可变为牛顿流动。（3 3）凝胶结构凝胶结构: :沥青中的沥青质含量很多，形成空间网络结构，沥青中的沥青质含量很多，形成空间网络结构，油份分
36、散在网络空间，这种沥青具有明显的弹性效应。氧化沥青油份分散在网络空间，这种沥青具有明显的弹性效应。氧化沥青多属于凝胶型沥青。多属于凝胶型沥青。沥青的胶体结构沥青的胶体结构u 常减压渣油、裂化渣油等稠度都很低，为了提高它们的稠度，作常减压渣油、裂化渣油等稠度都很低，为了提高它们的稠度，作为钻井液处理剂使用，最常采用的方法是为钻井液处理剂使用，最常采用的方法是氧化氧化。u 氧化沥青的生产工艺有氧化沥青的生产工艺有连续式氧化釜连续式氧化釜和和间歇式氧化釜间歇式氧化釜两种。两种。u 主要流程：先将常减压渣油加热至主要流程：先将常减压渣油加热至120-130120-130预热脱水。预热脱水。u 然后将脱
37、水的渣油用泵打入加热炉，使它加热至然后将脱水的渣油用泵打入加热炉，使它加热至200-220200-220。u 最后再将热渣油用泵打入氧化釜，在釜中吹一定量的空气，使空最后再将热渣油用泵打入氧化釜，在釜中吹一定量的空气，使空气中的氧与渣油产生气中的氧与渣油产生缩合反应缩合反应。氧化沥青的制备氧化沥青的制备 乳化沥青由乳化沥青由沥青、水、乳化剂沥青、水、乳化剂- -稳定剂稳定剂组成，结构非常复组成，结构非常复杂，示意图如下：杂，示意图如下：乳化沥青的生产乳化沥青的生产 生产乳化沥青一般均采用生产乳化沥青一般均采用机械分散沥青机械分散沥青的方法而得到乳胶体的方法而得到乳胶体系。系。机械方法机械方法有
38、两类：即有两类：即胶体磨胶体磨和和高速搅拌机高速搅拌机。 沥青乳化结构示意图沥青乳化结构示意图u 磺化沥青（磺化沥青（SASSAS）的品种很多，国内生产的有十余种，）的品种很多，国内生产的有十余种，共有两类，即共有两类，即液体磺化沥青液体磺化沥青和和固体粉末磺化沥青固体粉末磺化沥青。u SASSAS是一种阴离子型高聚物，在其磺化过程中，由于是一种阴离子型高聚物，在其磺化过程中，由于引入了水溶性极强的磺酸基团，增加了沥青在水中的引入了水溶性极强的磺酸基团，增加了沥青在水中的溶解性，因此溶解性，因此抗盐、钙能力抗盐、钙能力强。强。u SASSAS的分子链结构是的分子链结构是-C-C-C-C-，-C
39、-S-C-S-键。键能比较强，键。键能比较强，故能故能抗抗180180的高温。的高温。磺化沥青的制备磺化沥青的制备 沥青中所含的树脂和沥青质的化学结构多是一些稠环芳烃沥青中所含的树脂和沥青质的化学结构多是一些稠环芳烃类化合物和杂环化合物，环上的一个氢原子比较容易被磺类化合物和杂环化合物，环上的一个氢原子比较容易被磺酸基（酸基（- SO- SO3 3H H）取代，制得磺化沥青。）取代，制得磺化沥青。 （1 1）沥青质部分稠环芳烃与浓硫酸反应）沥青质部分稠环芳烃与浓硫酸反应磺化沥青的制备磺化沥青的制备（2 2）树脂部分杂环与浓硫酸的反应）树脂部分杂环与浓硫酸的反应沥青类处理剂抑制泥页岩的水化膨胀和
40、防止井壁失稳的机理如下：沥青类处理剂抑制泥页岩的水化膨胀和防止井壁失稳的机理如下：（1 1）分裂或蒸发作用：分裂或蒸发作用：沥青钻井液在井底温度下，容易发生分裂或蒸发作用，沥青钻井液在井底温度下，容易发生分裂或蒸发作用，水分分离，沥青颗粒相互聚结，在井壁形成一层沥青薄膜，阻止自由水渗入水分分离，沥青颗粒相互聚结，在井壁形成一层沥青薄膜，阻止自由水渗入地层。地层。（2 2）吸附作用：吸附作用：沥青颗粒通过分子链与岩石表面进行物理吸附，在井壁岩石沥青颗粒通过分子链与岩石表面进行物理吸附，在井壁岩石表面形成一层沥青薄膜，阻止自由水渗入地层。表面形成一层沥青薄膜，阻止自由水渗入地层。（3 3）毛细吸附
41、作用：毛细吸附作用：当液柱压力大于地层压力时，沥青中部分不溶于水的沥当液柱压力大于地层压力时，沥青中部分不溶于水的沥青颗粒在压差作用下，迅速分离出来，进入地层的微孔隙和微裂缝中，在地青颗粒在压差作用下，迅速分离出来，进入地层的微孔隙和微裂缝中，在地层表面形成一层沥青地薄膜，阻止水的渗入。层表面形成一层沥青地薄膜，阻止水的渗入。 此外，还有此外，还有封堵封堵作用，其作用，其软化点软化点应与地层温度相适应。应与地层温度相适应。沥青类防塌剂的作用机理沥青类防塌剂的作用机理（二）腐植酸钾盐类（二）腐植酸钾盐类 腐植酸的钾盐、高价盐及有机硅化物等均可用作页岩抑制剂，其产品有腐植酸钾、硝基腐植酸钾、磺化腐
42、植酸钾、有机硅腐植酸钾、腐植酸钾铝、腐植酸铝和腐植酸硅铝等。其中腐植酸钾盐的应用更为广泛。（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910。主要用作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180，一般加量为13%。（2）硝基腐植酸钾）硝基腐植酸钾 是用HNO3 对褐煤进行处理后，再用KOH中和提取而制得。为黑褐色粉末，易溶于水，水溶液的pH值为810。其性能与腐植酸钾相似。它与磺化酚醛树脂的缩合物是一种无荧光防塌剂，代号为MHP，适于在探井中使用。（3）K21 是硝基腐植酸钾、特种树脂、三羟乙基酚
43、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，并能降粘和降低滤失量，抗温可达180。u 阳离子聚合物抑制剂可用于钻井液、完井液以稳定泥页岩，阳离子聚合物抑制剂可用于钻井液、完井液以稳定泥页岩，具有独特的抑制性和防塌效果。具有独特的抑制性和防塌效果。u 我国我国2020世纪世纪8080年代开始，发展了阳离子聚合物钻井液技术。年代开始，发展了阳离子聚合物钻井液技术。国内主要产品：国内主要产品： 大阳离子：大阳离子：阳离子聚丙烯酰铵（阳离子聚丙烯酰铵（CPAMCPAM），主要用作絮凝包被），主要用作絮凝包被剂。剂。 小阳离子：小阳离子：环氧丙基三甲基氯化铵（环氧
44、丙基三甲基氯化铵（NW-1)NW-1)，主要用作页岩，主要用作页岩稳定剂。稳定剂。（三）阳离子聚合物抑制剂（三）阳离子聚合物抑制剂国内有机阳离子聚合物国内有机阳离子聚合物（三）阳离子聚合物抑制剂（三）阳离子聚合物抑制剂岩屑回收率岩屑回收率的比较的比较 比较了比较了4 4种化学处理剂对岩屑分散的抑制能力，试验结果如下：种化学处理剂对岩屑分散的抑制能力，试验结果如下：（三）阳离子聚合物抑制剂（三）阳离子聚合物抑制剂 可以看出，阳离子聚合物可以看出，阳离子聚合物CPAMCPAM的抑制能力优于其它三种常用聚的抑制能力优于其它三种常用聚合物处理剂。合物处理剂。化学处理剂加量（%）R30（6016h）R3
45、0（6016h）R30/R30100%CPAM(哈尔滨)0.459.97657.6296.1PAM-K0.446.8938.8482.880A510.439.5827.2068.7PHP0.433.3619.8059.4自来水4.73蒸馏水4.24粘土颗粒层间距的比较粘土颗粒层间距的比较u 用化学处理剂处理安丘土后，用用化学处理剂处理安丘土后，用X-X-射线衍射法测定粘土晶层射线衍射法测定粘土晶层层间距，即层间距，即d d（001001）值。）值。u d d（001001）和）和d（001）越小，化学处理剂抑制性能越好。）越小，化学处理剂抑制性能越好。（三）阳离子聚合物抑制剂（三）阳离子聚合物
46、抑制剂化学处理剂d（001）干（）d（001）湿（）d=d湿-d干（）未加15.5019.133.63TDC1514.2614.610.35DMEPCP1314.5014.980.48X203314.5414.980.44X200514.9815.240.26DMEPCP1314.5015.240.74（三）阳离子聚合物抑制剂（三）阳离子聚合物抑制剂作用机理：作用机理： 有机阳离子聚合物具有特殊的稳定粘土和抑制泥页岩水化膨有机阳离子聚合物具有特殊的稳定粘土和抑制泥页岩水化膨胀及分散的作用，主要作用机理为：胀及分散的作用，主要作用机理为： （1 1）吸附能力特别强，吸附能力特别强，主要是由于有机
47、阳离子聚合物的长链主要是由于有机阳离子聚合物的长链上带有大量的上带有大量的正电荷正电荷通过静电作用牢固吸附在粘粒表面；通过静电作用牢固吸附在粘粒表面； （2 2）由于）由于强吸附强吸附，可以，可以永久性永久性的稳定粘土和微粒；的稳定粘土和微粒； （3 3）高分子吸附膜高分子吸附膜的保护作用和包被作用，阳离子聚合物的的保护作用和包被作用，阳离子聚合物的长链可以渗入微裂缝中，形成高分子吸附膜；长链可以渗入微裂缝中，形成高分子吸附膜； （4 4）有机阳离子聚合物的性能，基本不受酸碱性（）有机阳离子聚合物的性能，基本不受酸碱性（pHpH值）的值）的影响。其抑制性影响。其抑制性不受盐、钙等侵污的影响不受
48、盐、钙等侵污的影响。u现代钻井液工艺的一重大革新是引入了现代钻井液工艺的一重大革新是引入了高聚物絮凝剂高聚物絮凝剂，发展了，发展了不不分散的无粘土和低固相高聚物钻井液。分散的无粘土和低固相高聚物钻井液。u高聚物絮凝剂可以使钻井液中的高聚物絮凝剂可以使钻井液中的钻屑或劣质土钻屑或劣质土处于不分散的絮凝处于不分散的絮凝状态，以使用机械设备将其清除，较好地解决了分散型钻井液体状态，以使用机械设备将其清除，较好地解决了分散型钻井液体系所存在的钻屑分散和积累的问题。系所存在的钻屑分散和积累的问题。 u这里主要阐述这里主要阐述聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺(PAM)(PAM)、部分水解部分水解聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺
49、(PHP或或PHPA)和和醋酸乙烯酯醋酸乙烯酯- -顺丁烯二酸酐共聚物顺丁烯二酸酐共聚物等絮凝剂。等絮凝剂。 聚合物包被剂和选择性絮凝剂聚合物包被剂和选择性絮凝剂聚合物包被剂和选择性絮凝剂聚合物包被剂和选择性絮凝剂1、聚丙烯酰胺（、聚丙烯酰胺（PAM）：）：u 分子量是影响聚合物性能的重要参数。随聚丙烯酰胺分子量增分子量是影响聚合物性能的重要参数。随聚丙烯酰胺分子量增大，絮凝能力、提粘效应、堵漏和防漏效果都会提高。大，絮凝能力、提粘效应、堵漏和防漏效果都会提高。u 由于缺少水化基团，目前已较少使用聚丙烯酰胺，主要使用它由于缺少水化基团，目前已较少使用聚丙烯酰胺，主要使用它的衍生物。的衍生物。u
50、 聚丙烯酰胺只能用作完全絮凝剂。聚丙烯酰胺只能用作完全絮凝剂。 聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAMPAM）是丙烯酰胺高聚物中组成最简单的产品。）是丙烯酰胺高聚物中组成最简单的产品。聚丙烯酰胺的合成聚丙烯酰胺的合成 聚丙烯酰胺的合成方法有：聚丙烯酰胺的合成方法有：水溶液聚合法水溶液聚合法、沉降聚合法沉降聚合法和和分散相聚合法分散相聚合法。1. 1. 溶解性溶解性 聚丙烯酰胺的主链呈线型，具有亲水的聚丙烯酰胺的主链呈线型，具有亲水的酰胺基酰胺基，因此能溶于水；，因此能溶于水； 由于大分子的扩散比较慢，表现出溶解过程的特殊性。将由于大分子的扩散比较慢，表现出溶解过程的特殊性。将PAMPAM加加入水中时，