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1、石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院第五章第五章 钻井液配浆材料与处理剂钻井液配浆材料与处理剂 处理剂是指用于改善和稳定钻井液性能，或为满处理剂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入的化学添加剂。处理剂足钻井液某种性能需要而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核心组分，很少的加量会对钻井液性能产是钻井液的核心组分，很少的加量会对钻井液性能产生极大的影响。生极大的影响。1 1）按其组成分类：钻井液原材料、无机处理剂、）按其组成分类：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。无机处理剂分为氯有机处理剂和表面活性剂四大类。无机处理剂分为氯化物、硫酸盐、
2、碱类等。有机处理剂通常分为天然产化物、硫酸盐、碱类等。有机处理剂通常分为天然产品、天然改性产品和有机合成化合物。品、天然改性产品和有机合成化合物。1/25/20231石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 按处理剂在钻井液中所起的作用或功能分类：按处理剂在钻井液中所起的作用或功能分类：(1)(1)降滤失剂；降滤失剂；(2)(2)增粘剂；增粘剂；(3)(3)乳化剂使油水乳化乳化剂使油水乳化产生乳状液；产生乳状液；(4)(4)页岩抑制剂；页岩抑制剂；(5)(5)堵漏剂；堵漏剂；(6)(6)降粘剂；降粘剂；(7)(7)缓蚀剂；缓蚀剂；(8)(8)粘土类；粘土类；(9)(9)润滑剂；润滑剂；
3、(10)(10)加重剂；加重剂；(11)(11)杀菌剂；杀菌剂；(12)(12)消泡剂；消泡剂；(13)(13)泡沫剂；泡沫剂；(14)(14)絮凝剂；絮凝剂；(15)(15)解卡剂；解卡剂；(16)(16)其它等。其它等。1/25/20232石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院第一节第一节 钻井液配浆原材料钻井液配浆原材料一、粘土类一、粘土类 膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。一般要求膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。一般要求1t1t膨润土至少能够配制出粘度为膨润土至少能够配制出粘度为15mPa15mPas s的钻井液的钻井液16m16m3 3。钠膨润土的造浆率一般较高，钙膨润土
4、需要通过加入。钠膨润土的造浆率一般较高，钙膨润土需要通过加入纯碱转化为钠膨润土后使用。纯碱转化为钠膨润土后使用。无机盐对膨润土水化分散有一定的抑制作用，膨润无机盐对膨润土水化分散有一定的抑制作用，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，可以提高在盐水中的造浆率。，可以提高在盐水中的造浆率。1/25/20233石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。膨润土在膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。膨润土
5、在淡水钻井液中具有以下作用：淡水钻井液中具有以下作用：(1)(1)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；(2)(2)形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；(3)(3)改善井眼的稳定性；改善井眼的稳定性；(4)(4)防止井漏。防止井漏。1/25/20234石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是较典型的抗盐、耐海泡石、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。钻井液。用抗盐粘土配制的钻井液一般形成的
6、泥饼质量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，必须配合使用降滤失剂。海泡石有不好，滤失量较大，必须配合使用降滤失剂。海泡石有很强的造浆能力，用海泡石配制的钻井液具有较高的热很强的造浆能力，用海泡石配制的钻井液具有较高的热稳定性，海泡石还具有一定的酸溶性稳定性，海泡石还具有一定的酸溶性(在酸中可溶解在酸中可溶解6060左右左右)，在保护油层的钻井液中，可用做酸溶性暂堵，在保护油层的钻井液中，可用做酸溶性暂堵剂。剂。在我国这几种抗盐粘土的矿源相对较少，在钻井液在我国这几种抗盐粘土的矿源相对较少，在钻井液中的应用尚不普遍。中的应用尚不普遍。1/25/20235石油工程学院石油工程
7、学院石油工程学院石油工程学院 有机土是由膨润土经季胺盐类阳离表面活有机土是由膨润土经季胺盐类阳离表面活性剂处理制成的亲油膨润土。有机土可以在油性剂处理制成的亲油膨润土。有机土可以在油中分散，形成结构，作用与水基钻井液中的膨中分散，形成结构，作用与水基钻井液中的膨润土类似。润土类似。1/25/20236石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院二、加重材料二、加重材料1.1.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。为对付高压地层和稳定井壁、需将加磨加工制备而成。为对付高压地层和稳定井壁
8、、需将加重材料添加到钻井液中提高钻井液密度。重材料添加到钻井液中提高钻井液密度。加重材料应具备自身密度大，磨损性小，易粉碎；加重材料应具备自身密度大，磨损性小，易粉碎；应属于情性物质，不溶于钻井液，也不与钻井液中的其应属于情性物质，不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。它组分发生相互作用。1/25/20237石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 钻井液的常用加重材料有：钻井液的常用加重材料有：（1 1）重晶石粉）重晶石粉 是一种以是一种以BaSOBaSO4 4为主要成分的天然矿石，经过加工后为主要成分的天然矿石，经过加工后制成灰白色粉末状产品。纯品比重为制成灰白色粉末
9、状产品。纯品比重为4.3-4.64.3-4.6，现场使用，现场使用一般为一般为3.9-4.23.9-4.2。一般用于加重密度不超过。一般用于加重密度不超过2.30g/cm2.30g/cm3 3的的水基和油基钻井液，是目前应用最广泛的一种钻井液加水基和油基钻井液，是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。重剂。为使重晶石粉具有较好的悬浮性能，一般细度要求为使重晶石粉具有较好的悬浮性能，一般细度要求99.9%99.9%能通过能通过200200号筛。号筛。1/25/20238石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院（2)2)石灰石粉石灰石粉 主要成分为主要成分为CaCOCaCO3 3，纯品为白色，
10、含杂质时呈灰色，纯品为白色，含杂质时呈灰色或浅黄色，常温比重为或浅黄色，常温比重为2.2-2.92.2-2.9，溶于酸。，溶于酸。优点：不会堵死油气层，可采用油井酸化可以清除优点：不会堵死油气层，可采用油井酸化可以清除堵塞；堵塞；缺点：密度较低，一般只能用于配制密度不超过缺点：密度较低，一般只能用于配制密度不超过1.688g/cm1.688g/cm3 3的钻井液和完井液。的钻井液和完井液。1/25/20239石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院(3)(3)铁矿粉和钛铁矿粉：铁矿粉和钛铁矿粉：铁矿粉铁矿粉的主要成分为的主要成分为FeFe2 2O O3 3，密度，密度4.9-5.34.
11、9-5.3；钛铁钛铁矿粉矿粉的主要成分为的主要成分为TiOTiO2 2 Fe Fe2 2O O3 3，密度，密度4.5-5.1,4.5-5.1,可用于可用于配制密度更高的钻井液配制密度更高的钻井液 。铁矿粉和钛铁矿粉均具有一。铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，可应用于进行酸化的产层。定的酸溶性，可应用于进行酸化的产层。优点：硬度高且耐研磨，使用中颗粒尺寸保持较好，优点：硬度高且耐研磨，使用中颗粒尺寸保持较好，损耗率较低；易酸溶。损耗率较低；易酸溶。缺点：对钻具、钻头和泵磨损严重。缺点：对钻具、钻头和泵磨损严重。在我国，铁矿粉用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。在我国，铁矿粉用量仅次于重晶石的钻
12、井液加重材料。1/25/202310石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院(4)(4)方铅矿粉方铅矿粉 方铅矿粉比重为方铅矿粉比重为7.4-7.77.4-7.7，可用于配制超高密度钻可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现的异常高压。井液，以控制地层出现的异常高压。比重较高，特备适比重较高，特备适用于配制超重钻井液。用于配制超重钻井液。方铅矿粉方铅矿粉成本高、货源少、一般成本高、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。仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。1/25/202311石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院2 2、加重材料用量的计算、加重材料用量的
13、计算 重晶石石为例重晶石石为例,讨论在各种情况下确定加重材料用讨论在各种情况下确定加重材料用量的方法。量的方法。对于某一给定的钻井液，加重前、后的体积关系对于某一给定的钻井液，加重前、后的体积关系可用下式表示：可用下式表示：式中式中V V1 1，V V2 2和和V VB B表示加重前、后的钻井液及重晶石的表示加重前、后的钻井液及重晶石的体积，体积，m mB B和和B B分别为重晶石的质量和密度。钻井液在分别为重晶石的质量和密度。钻井液在加重前、后的质量关系可表示为：加重前、后的质量关系可表示为：式中，式中，1 1、2 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。(5-1)(5
14、-2)1/25/202312石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院由式（由式（5-25-2），），求出求出V V2 2后，重晶石用量可由下式求得：后，重晶石用量可由下式求得：有时因受现场泥浆池容积的限制，加重前必须排掉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。首先根据加重后可以容纳的体积一部分钻井液。首先根据加重后可以容纳的体积V V2 2，用，用下式求出应保留的原浆的体积：下式求出应保留的原浆的体积：(5-3)(5-(5-4)4)将其代入式（将其代入式（5-15-1）可得到）可得到V V2 2 (5-5)用（用（5-45-4）求出重晶石的用量。）求出重晶石的用量。的
15、计算式：的计算式：1/25/202313石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 例例5-1 5-1 使用重晶石将使用重晶石将200m200m3 3密度为密度为1.32g/cm1.32g/cm3 3的钻的钻井液加重至密度为井液加重至密度为1.38g/cm1.38g/cm3 3，如最终体积无限制时，如最终体积无限制时，试求重晶石的用量。试求重晶石的用量。解：已知重晶石的密度为解：已知重晶石的密度为4.2g/cm4.2g/cm3 3，由式（，由式（5-35-3）先）先求出加重后钻井液的体积：求出加重后钻井液的体积：所需重晶石的质量为：所需重晶石的质量为：1/25/202314石油工程学院石
16、油工程学院石油工程学院石油工程学院三、配浆水和油三、配浆水和油 水是配制各种钻井液时不可缺少的基本组分。水是配制各种钻井液时不可缺少的基本组分。在在水基钻井液中，水是分散介质，大多数处理剂均通过水基钻井液中，水是分散介质，大多数处理剂均通过溶解于水而发挥作用；在油包水乳化钻井液中，水溶解于水而发挥作用；在油包水乳化钻井液中，水(通通常是台常是台CaClCaCl2 2或或NaClNaCl的盐水的盐水)是分散相。在泡沫钻井流是分散相。在泡沫钻井流体中，水也是不可缺少的连续相。体中，水也是不可缺少的连续相。1/25/202315石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 钻井液的性能与配浆水的
17、水质密切相关。为节约钻钻井液的性能与配浆水的水质密切相关。为节约钻井液成本，配制一般是就地取水。水中含有无机盐类、井液成本，配制一般是就地取水。水中含有无机盐类、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；细菌可引起钻井液中的淀粉类处理剂发酵，使某些大；细菌可引起钻井液中的淀粉类处理剂发酵，使某些聚合物处理剂容易降解，细菌的大量繁殖会对油气层造聚合物处理剂容易降解，细菌的大量繁殖会对油气层造成损害；气体会加剧钻具腐蚀等。配制钻井液必须预先成损害
18、；气体会加剧钻具腐蚀等。配制钻井液必须预先了解配浆水的水质、不合格的水需经过处理后才能使用。了解配浆水的水质、不合格的水需经过处理后才能使用。1/25/202316石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 根据水中可溶性无机盐含量的多少，一般将配浆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：含盐量较少水分为以下三类：含盐量较少(总盐度低于总盐度低于10000mg/l)10000mg/l)的淡水，含盐量较多的盐水和含盐量达饱和的饱和盐水，的淡水，含盐量较多的盐水和含盐量达饱和的饱和盐水，与之相应的钻井液分别称作淡水钻井液、盐水钻井液和与之相应的钻井液分别称作淡水钻井液、盐水
19、钻井液和饱和盐水钻井液。饱和盐水钻井液。1/25/202317石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 原油、柴油和低毒矿物油是配制钻井液时常用的原原油、柴油和低毒矿物油是配制钻井液时常用的原材料。油基钻井液常选用柴油和矿物油作为连续相。水材料。油基钻井液常选用柴油和矿物油作为连续相。水基钻井液也常混入一定量的原油或柴油提高润滑性能，基钻井液也常混入一定量的原油或柴油提高润滑性能，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，还应考粘度不宜过高，否则钻井液的流变性不易调控，还应考虑油品的价格和对
20、环境可能造成的影响。对于探井，应虑油品的价格和对环境可能造成的影响。对于探井，应考虑荧光度对油气显示的影响。考虑荧光度对油气显示的影响。1/25/202318石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院第二节第二节 钻井液无机处理剂钻井液无机处理剂一、常用的无机处理剂一、常用的无机处理剂 1 1纯碱纯碱 碳酸钠又称为小苏打粉（碳酸钠又称为小苏打粉（Soda AshSoda Ash），分子式为），分子式为NaNa2 2COCO3 3。无水碳酸钠为白色粉末，密度为。无水碳酸钠为白色粉末，密度为2.5g/cm2.5g/cm3 3，易，易溶于水，水溶液呈碱性，在空气中易吸潮结成硬块，溶于水，水溶液
21、呈碱性，在空气中易吸潮结成硬块，存放时要注意防潮。纯碱在水中容易电离和水解，反存放时要注意防潮。纯碱在水中容易电离和水解，反应式为：应式为：1/25/202319石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，即纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土，即 可有效地改善粘土的水化分散性能，加入适量纯碱可使新浆的滤可有效地改善粘土的水化分散性能，加入适量纯碱可使新浆的滤失量下降，粘度、切力增大。过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚失量下降，粘度、切力增大。过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚结，使钻井液性能受到破坏。在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时，结，使
22、钻井液性能受到破坏。在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时，加入适量纯碱使加入适量纯碱使CaCa2+2+沉淀成沉淀成CaCOCaCO3 3，使钻井液性能变好。，使钻井液性能变好。含羧钠基官能团含羧钠基官能团(-COONa)(-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CaCa2+2+浓度过浓度过高）而降低溶解性时，一般采用加入适量纯碱的办法恢复效能。高）而降低溶解性时，一般采用加入适量纯碱的办法恢复效能。1/25/202320石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 2 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NaOHNaOH。易溶于水，溶解。易溶于水，溶
23、解时放出大量的热。溶解度随温度升高而增大，水溶液时放出大量的热。溶解度随温度升高而增大，水溶液呈强碱性。烧碱容易吸收空气中的水分和二氧化碳，呈强碱性。烧碱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，存放时应注意防潮加并与二氧化碳作用生成碳酸钠，存放时应注意防潮加盖。盖。烧碱主要用于调节钻井液的烧碱主要用于调节钻井液的PHPH值；与丹宁、褐煤值；与丹宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用，分别转化为丹宁酸钠、等酸性处理剂一起配合使用，分别转化为丹宁酸钠、腐植酸钠等有效成分。可用于控制钙处理钻井液中腐植酸钠等有效成分。可用于控制钙处理钻井液中CaCa2+2+的浓度等。的浓度等。1/25/
24、202321石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 3 3石灰石灰 生石灰即氧化钙，吸水后变生石灰即氧化钙，吸水后变Ca(OH)Ca(OH)2 2。CaOCaO在溶解在溶解度低，水溶液呈碱性，随温度升高，溶解度降低。度低，水溶液呈碱性，随温度升高，溶解度降低。在钙处理钻井液中，石灰用于提供在钙处理钻井液中，石灰用于提供CaCa2+2+，以控制粘以控制粘土的水化分散能力，使粘土保持在适度絮凝的状态；土的水化分散能力，使粘土保持在适度絮凝的状态；在油包水乳化钻井液中，在油包水乳化钻井液中，CaOCaO用于使烷基苯磺酸钠用于使烷基苯磺酸钠等乳化剂转化为烷基苯磺酸钙，并调节等乳化剂转化为烷基
25、苯磺酸钙，并调节pHpH值。值。注意：在高温条件下石灰钻井液可能发生固化反应注意：在高温条件下石灰钻井液可能发生固化反应。在高温深井中应慎用。石灰还可配成石灰乳堵调剂封。在高温深井中应慎用。石灰还可配成石灰乳堵调剂封堵漏层。堵漏层。1/25/202322石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院4 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CaSOCaSO4 4。吸湿吸湿后结成硬块，存放时应注意防潮。后结成硬块，存放时应注意防潮。在钙处理钻井液中，在钙处理钻井液中，石膏与石灰的作用大致相同，都用于提供适量的石膏与石灰的作用大致相同，都用于提供适量的CaC
26、a2+2+。差别在于石膏提供的钙离于浓度比石灰高一些，用石膏差别在于石膏提供的钙离于浓度比石灰高一些，用石膏处理可避免钻井液的处理可避免钻井液的PHPH值过高。值过高。1/25/202323石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 5 5氯化钙氯化钙 氯化钙的分子式力氯化钙的分子式力CaClCaCl2 2，通常含有六个结晶水。，通常含有六个结晶水。外观为无色斜方晶体、密度为外观为无色斜方晶体、密度为1.688g/cm1.688g/cm3 3，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7575)。溶解度随温度升高而增大。在钻井液中溶解度随温度升高而增大。在钻井液中CaCl
27、CaCl2 2主要主要用于配制防塌性能较好的高钙钻井液。用用于配制防塌性能较好的高钙钻井液。用CaClCaCl2 2处理钻处理钻井液时常常引起井液时常常引起PHPH值降低。值降低。1/25/202324石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 6 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NaClNaCl，为白色晶体，常，为白色晶体，常温下密度约为温下密度约为2.20g/cm2.20g/cm3 3。食盐主要用于配制盐水钻井食盐主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液，防止岩盐井段溶解，并抑制井壁液和饱和盐水钻井液，防止岩盐井段溶解，并抑制井壁泥页岩水化膨胀。为保护油
28、气层，还可用于配制无固相泥页岩水化膨胀。为保护油气层，还可用于配制无固相清洁盐水钻井液、或作为水溶性暂堵剂使用。清洁盐水钻井液、或作为水溶性暂堵剂使用。1/25/202325石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院7 7氯化钾氯化钾 氯氯化化钾钾的的分分子子式式为为KClKCl，外外观观为为白白色色立立方方晶晶体体，常常温温下下密密度度为为1.98g/cm1.98g/cm3 3，易易溶溶于于水水，溶溶解解度度随随温温度度升升高高而增加。而增加。KClKCl是是一一种种常常用用的的无无机机盐盐类类页页岩岩抑抑制制剂剂，具具有有较较强强的的抑抑制制页页岩岩渗渗透透水水化化的的能能力力。与与
29、聚聚合合物物配配合合使使用用、可可配配制制成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。1/25/202326石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院8 8硅酸钠硅酸钠 硅硅酸酸钠钠俗俗名名水水玻玻璃璃或或泡泡花花碱碱。分分子子式式为为NaNa2 2O.nSiOO.nSiO2 2，式式中中n n称称为为水水玻玻璃璃的的模模数数，即即二二氧氧化化硅硅与与氧氧化化钠钠的的分分子子个个数数之之比比。n n值值越越大大、碱碱性性越越弱弱。n n值值在在3 3以以上上的的称称为为中性水玻璃，中性水玻璃，n n值在值在3 3以下的称为碱性水玻璃。以下的称为碱性水玻璃。
30、1/25/202327石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 水水玻玻璃璃通通常常分分为为固固体体水水玻玻璃璃、水水合合水水玻玻璃璃和和液液体体水水玻玻璃璃。固固体体水水玻玻璃璃与与少少量量水水或或蒸蒸汽汽发发生生水水合合作作用用生生成成水水合合水水玻玻璃璃。水水合合水水玻玻璃璃易易溶溶解解于于水水变变为为液液体体水水玻玻璃璃。液液体体水水玻玻璃璃一一般般为为粘粘稠稠的的半半透透明明液液体体。现现场场使使用用的的水水玻玻璃璃的的密密度度为为1.5-1.68g/cm1.5-1.68g/cm3 3，PHPH值值为为11.5-1211.5-12，能能溶溶于于水水和和碱碱性性溶溶液液，能能与
31、与盐盐水水混混溶溶，可可用用饱饱和和盐盐水水调调节节水水玻玻璃璃的的粘粘度度。水水玻玻璃璃在在钻钻井井液液中中可可以以部部分分水水解解生生成成胶胶态态沉沉淀淀，反应式为：反应式为：1/25/202328石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 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)聚聚沉，使钻井液保持较低的固相含量和密度。水沉，使钻井液保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的抑制作用，玻璃对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，有较好的防塌性能。有较好的防塌性能。1/25/202329石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 水水玻玻
32、璃璃溶溶液液PHPH值值为为9 9以以下下时时，溶溶液液会会变变成成半半固固体体状状的的凝凝胶胶。主主要要是是水水玻玻璃璃发发生生缩缩合合作作用用生生成成较较长长的的带带支支键键的的-Si-O-Si-Si-O-Si-链链，-Si-O-Si-Si-O-Si-链链能能形形成成网网状状结结构构包包住住溶溶液液中中的的全全部部自自由由水水，使使体体系系失失去去流流动动性性。随随着着PHPH值值的的不不同同，胶胶凝凝速速度度差差别别很很大大。可可以以用用水水玻玻璃璃与与石石灰灰、粘粘土土和和烧烧碱碱等等配配成成石石灰灰乳乳堵堵漏漏剂剂，注注入入已已确确定定的的漏漏失失井井段段进进行行胶胶凝凝堵漏。水玻璃
33、是一种堵漏剂。堵漏。水玻璃是一种堵漏剂。水水玻玻璃璃溶溶液液遇遇CaCa2+2+、MgMg2+2+和和FeFe3+3+等等高高价价阳阳离离子子会会产产生生沉淀，与沉淀，与CaCa2+2+的反应可用下式表示：的反应可用下式表示：1/25/202330石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 用水玻璃配制的钻井液一般抗钙能力较差，不宜用水玻璃配制的钻井液一般抗钙能力较差，不宜在钙处理钻井液中使用，可在盐水或饱和盐水中使用。在钙处理钻井液中使用，可在盐水或饱和盐水中使用。利用利用水玻璃溶液遇高价阳离子会产生沉淀水玻璃溶液遇高价阳离子会产生沉淀这个特点，这个特点，可使裂可使裂缝缝性地层的一些裂
34、缝发生愈合或提高井壁的破性地层的一些裂缝发生愈合或提高井壁的破裂压力，起到化学固壁的作用。裂压力，起到化学固壁的作用。硅酸盐钻井液是防塌钻井液的类型之一，在国内硅酸盐钻井液是防塌钻井液的类型之一，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外应用中均取得很好的效果。配制硅酸盐钻井液的成本低，且对环境无污染。本低，且对环境无污染。1/25/202331石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院9 9重铬酸钠和重铬酸钾重铬酸钠和重铬酸钾 两两种种重重铬铬酸酸盐盐的的化化学学性性质质相相似似，水水溶溶液液均均可可发发生生水解呈酸性，化学反应式为水解呈酸性，化学反应式为 在在钻钻井井液液
35、中中Cr0Cr04 42-2-能能与与有有机机处处理理剂剂起起复复杂杂的的氧氧化化还还原原反反应应，生生成成的的CrCr3+3+极极易易吸吸附附在在粘粘土土颗颗粒粒表表面面，又又能能与与多多官官能能团团的的有有机机处处理理剂剂生生成成络络合合物物(如如木木质质素素磺磺酸酸铬铬、铬铬腐腐植植酸酸酸酸)。在在抗抗高高温温深深井井钻钻井井液液中中，加加入入少少量量重重铬铬酸酸盐以提高钻井液的热稳定性。盐以提高钻井液的热稳定性。铬酸盐有毒铬酸盐有毒，限制了使用。，限制了使用。1/25/202332石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院1010酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠酸
36、酸 酸酸式式焦焦磷磷酸酸钠钠的的分分子子式式为为NaNa2 2H H2 2P P2 2O O7 7，代代号号SAPPSAPP，无色固体，由磷酸二氢钠加热制得。无色固体，由磷酸二氢钠加热制得。六六偏偏磷磷酸酸钠钠的的分分子子式式为为(NaPO(NaPO3 3)6 6。外外观观为为无无色色玻玻璃璃状状固固体体，有有较较强强的的吸吸湿湿性性，易易溶溶于于水水。在在温温水水中中溶溶解解较较快。溶解度随温度升高而增大。快。溶解度随温度升高而增大。1/25/202333石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 在钻井液技术发展的早期，磷酸盐类处理在钻井液技术发展的早期，磷酸盐类处理剂是用于钻井液的
37、主要稀释剂之一剂是用于钻井液的主要稀释剂之一 。对高粘土。对高粘土含量、含量、CaCa2+2+、MgMg2+2+引起的絮凝有良好的稀释作用。引起的絮凝有良好的稀释作用。主要利用络合与沉淀机理，消除水泥和石灰造主要利用络合与沉淀机理，消除水泥和石灰造成的污染有很好的效果，能使钻井液的成的污染有很好的效果，能使钻井液的pHpH值适值适度降低。度降低。1/25/202334石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 磷磷酸酸盐盐类类稀稀释释剂剂的的主主要要缺缺点点是是抗抗温温性性差差。超超过过8080度度稀稀释释性性能能急急剧剧下下降降，主主要要是是因因为为在在高高温温下下磷磷酸酸盐盐类类稀稀
38、释释剂剂会会转转化化为为正正磷磷酸酸盐盐，成成为为一一种种絮絮凝凝剂剂。一一般般在在深深部部井井段段，改改用用抗抗温温性性较较强强的的其其它它类类型型的的稀稀释释剂剂。抗抗温性差，温性差，磷酸盐类稀释剂磷酸盐类稀释剂较少使用。较少使用。1/25/202335石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 1111混合金属层状氢氧化物混合金属层状氢氧化物 混混合合金金属属层层状状氢氢氧氧化化物物，简简称称为为MMHMMH，由由一一种种带带正正电的晶体胶粒所组成，常称为正电胶。电的晶体胶粒所组成，常称为正电胶。混混合合金金属属层层状状氢氢氧氧化化物物对对粘粘土土水水化化有有很很强强的的抑抑制制作
39、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。1/25/202336石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院二、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 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NaNa+与与CaCa2+2+之间的交换。在配之间的交换。在配制预水化膨润土浆时、常加入适量制预水化膨润土浆时、常加入适量NaNa2 2COCO3 3。通过。通过增加增加NaNa+浓度，使浓度，使NaNa+与钙蒙脱土颗粒表面的与钙蒙脱土颗粒表面的CaCa2+2+发生交换，发生交换，
40、提高提高粘土的水化和造浆性能，分散成更小的颗粒，钻井液的粘土的水化和造浆性能，分散成更小的颗粒，钻井液的粘度、切力升高，滤失量降低；在分散钻井液中加入粘度、切力升高，滤失量降低；在分散钻井液中加入Ca(OH)Ca(OH)2 2和和CaSOCaSO4 4等处理剂，一部分等处理剂，一部分CaCa2 2+与吸附在粘土颗与吸附在粘土颗粒上的粒上的NaNa+发生交换，钻井液体系转变为适度絮凝的粗发生交换，钻井液体系转变为适度絮凝的粗分散状态，控制粘土的水化与分散。分散状态，控制粘土的水化与分散。1/25/202337石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 2 2调控钻井液的调控钻井液的pHpH
41、值值 每种在钻井液体系均有合理的每种在钻井液体系均有合理的pHpH值范围。在钻进值范围。在钻进过程中，钻井液的过程中，钻井液的PHPH值会因发生盐侵、盐水侵、水泥值会因发生盐侵、盐水侵、水泥侵和井壁吸附等各种原因发生变化，侵和井壁吸附等各种原因发生变化，常见常见PHPH值趋于下值趋于下降。为使钻井液性能保持稳定，应对降。为使钻井液性能保持稳定，应对PHPH值进行调整。值进行调整。添加适量的烧碱等无机处理剂是提高添加适量的烧碱等无机处理剂是提高PHPH值的最简单的值的最简单的方法。方法。1/25/202338石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 3 3沉淀作用沉淀作用 CaCa2 2
42、+或或MgMg2+2+侵入钻井液，削弱粘土的水化和分散能侵入钻井液，削弱粘土的水化和分散能力，破坏钻井液的性能。可先加入适量烧碱除去力，破坏钻井液的性能。可先加入适量烧碱除去MgMg2+2+，然后用适量纯碱除去然后用适量纯碱除去CaCa2+2+。沉淀作用可用来使因受到污染而失效的有机处理剂沉淀作用可用来使因受到污染而失效的有机处理剂恢复作用。如褐煤碱液和水解聚丙烯酸，受钙侵会分别恢复作用。如褐煤碱液和水解聚丙烯酸，受钙侵会分别生成难溶于水的腐植酸钙和聚丙烯酸钙。加入适量纯碱，生成难溶于水的腐植酸钙和聚丙烯酸钙。加入适量纯碱，使处理剂的钙盐重新转变为钠盐。使处理剂的钙盐重新转变为钠盐。1/25/
43、202339石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院4 4 络合作用络合作用 利用某些无机处理剂的络合作用除去钻井液的利用某些无机处理剂的络合作用除去钻井液的CaCa2+2+、MgMg2+2+等污染离子。如在受到钙侵的钻井液中加入足量等污染离子。如在受到钙侵的钻井液中加入足量的六偏磷酸钙，通过络合反应除去的六偏磷酸钙，通过络合反应除去CaCa2+2+Ca Ca2+2+（NaPONaPO3 3)6 6 =CaNa=CaNa2 2(PO(PO3 3)6 6 2-2-+4Na+4Na+反应所生成的络离子反应所生成的络离子CaNaCaNa2 2(PO(PO3 3)6 6 2-2-相当稳定，相当
44、稳定，束缚束缚CaCa2+2+，从钻井液的滤液中除掉，从钻井液的滤液中除掉CaCa2+2+1/25/202340石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院、与有机处理剂生成可溶性盐、与有机处理剂生成可溶性盐 丹宁、腐植酸等有机处理剂在水中溶解度很小，丹宁、腐植酸等有机处理剂在水中溶解度很小，不易吸附在粘土颗粒上，因此不能发挥其效能。加入不易吸附在粘土颗粒上，因此不能发挥其效能。加入适量烧碱，可转化为可溶性盐，才能充分发挥其效能。适量烧碱，可转化为可溶性盐，才能充分发挥其效能。6 6抑制溶解的作用抑制溶解的作用 在钻遇岩盐和石膏地层时，使用盐水钻井液、饱在钻遇岩盐和石膏地层时，使用盐水钻井
45、液、饱和盐水和石膏处理的钻井液；一是增强钻井液抗污染和盐水和石膏处理的钻井液；一是增强钻井液抗污染的能力，二是抑制和的能力，二是抑制和岩盐和石膏岩盐和石膏岩层的溶解，井径保持岩层的溶解，井径保持规则。规则。1/25/202341石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院第三节第三节 钻井液有机处理剂钻井液有机处理剂 一、降粘剂一、降粘剂 降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。钻井液常常由于降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。钻井液常常由于温度升高、盐慢或钙侵、固相含量增加或处理剂失效等温度升高、盐慢或钙侵、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、切原因，使钻井液形成的网
46、状结构增强，钻井液粘度、切力增加力增加,造成开泵困难、钻屑难以除去或钻井过程中激造成开泵困难、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情况。动压力过大等现象，严重时会导致各种井下复杂情况。在钻井液使用和维护过程中加入降粘剂，降低体系的粘在钻井液使用和维护过程中加入降粘剂，降低体系的粘度和切力，具有适宜的流变性。度和切力，具有适宜的流变性。1/25/202342石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 钻井液降粘剂的种类很多，分为两种类型：分散钻井液降粘剂的种类很多，分为两种类型：分散型稀释剂和聚合物型稀释剂。型稀释剂和聚合物型稀释剂。分散型稀释剂：丹宁类和木
47、质素磺酸盐类；分散型稀释剂：丹宁类和木质素磺酸盐类；聚合物型稀释剂：共聚型聚合物降粘剂和低分子聚聚合物型稀释剂：共聚型聚合物降粘剂和低分子聚合物降粘剂等。合物降粘剂等。1/25/202343石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院1.1.单宁类降粘剂单宁类降粘剂 (1)(1)单宁的来源和性质单宁的来源和性质 单宁单宁存在于植物的根、芝、叶、皮、果壳和果实中，存在于植物的根、芝、叶、皮、果壳和果实中，是多元酚衍生物，属于弱有机酸。是多元酚衍生物，属于弱有机酸。带色的非晶形固体，可溶于水、也部分溶于丙酮、带色的非晶形固体，可溶于水、也部分溶于丙酮、甘油和乙酸乙酯等溶剂，不溶于无水乙醇、乙醚
48、、氯甘油和乙酸乙酯等溶剂，不溶于无水乙醇、乙醚、氯仿和苯等溶剂。仿和苯等溶剂。单宁水溶液液呈酸性，与强酸反应时会使单宁沉单宁水溶液液呈酸性，与强酸反应时会使单宁沉淀。淀。单宁酸钠在高浓度单宁酸钠在高浓度NaClNaCl、CaClCaCl2 2等无机盐溶液中会等无机盐溶液中会发生盐析或沉淀；抗盐、钙能力较差。发生盐析或沉淀；抗盐、钙能力较差。1/25/202344石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院丹宁酸含有酯键，在丹宁酸含有酯键，在NaOHNaOH溶液中易于水解。抗高温性溶液中易于水解。抗高温性能差。能差。丹宁碱液抗温能力在丹宁碱液抗温能力在100100120120之间，用于浅井之
49、间，用于浅井或中深井。或中深井。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搪。双五倍子酸进一步水解，可生成五倍子酸。和葡萄搪。双五倍子酸进一步水解，可生成五倍子酸。1/25/202345石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院单宁酸在水溶液中水解单宁酸在水溶液中水解 水解的酸性产物在水解的酸性产物在NaOHNaOH溶液中生成双五倍子酸钠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，单宁在和五倍子酸钠，统称为丹宁酸钠或丹宁碱液，单宁在钻井液中的有效成分，简化符号为钻井液中的有效成分，简化符号为NaTNaT。1/25/
50、202346石油工程学院石油工程学院石油工程学院石油工程学院 通过单宁与甲醛和亚硫酸钠进行磺甲基化反应可制通过单宁与甲醛和亚硫酸钠进行磺甲基化反应可制备磺甲基丹宁备磺甲基丹宁(SMT)(SMT)。再进一步与。再进一步与NaNa2 2CrCr2 2O O7 7，发生氧化与发生氧化与螯合反应制得磺甲基单宁的铬螯合物。螯合反应制得磺甲基单宁的铬螯合物。磺甲基丹宁和磺磺甲基丹宁和磺甲基单宁的铬螯合物甲基单宁的铬螯合物的热稳定性和降粘性能比单宁酸钠的热稳定性和降粘性能比单宁酸钠有明显提高，抗温达有明显提高，抗温达180180200200。磺甲基丹宁为棕褐色。磺甲基丹宁为棕褐色粉末或细颗粒，易溶于水，水溶