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文檔簡介

1、 油田化學劑 課程講稿授課題目(教學章、節(jié)或主題):第3講 鉆井液處理劑稀釋劑、絮凝劑和頁巖抑制劑授課方式(請打)理論課 討論課 實驗課 習題課 其他課時安排2教學要求(分掌握、熟悉、了解三個層次):1 掌握鉆井液稀釋劑、絮凝劑和頁巖抑制劑的作用原理及結(jié)構(gòu)2 熟悉鉆井液稠化的原因3 了解頁巖膨脹的原因教學重點、難點及關(guān)鍵知識點:本節(jié)課的重點和難點是鉆井液稀釋劑、絮凝劑和頁巖抑制劑的作用原理,以及主要種類。要講清在鉆井液中使用這些化學劑的必要性,通過具體實例說明稀釋劑、絮凝劑和頁巖抑制劑的作用原理。方法及手段板書教學基本內(nèi)容(教學過程)改進設(shè)想1 鉆井液稀釋劑2 鉆井液絮凝劑3 鉆井液頁巖抑制劑

2、 油田化學劑 課程講稿一 鉆井液稀釋劑(thinner for drilling fluid)稀釋劑是指能降低鉆井液粘度和切力的化學劑,也稱降粘劑。無論從使用的必要性,還是從使用的數(shù)量來說,稀釋劑都是鉆井液的重要處理劑之一。加入稀釋劑的目的是防止鉆井液的稠化,這是鉆井過程中遇到的大問題。稠化使鉆井液的粘度和切力增高。對于深井和高溫井,鉆井液的稠化引起的問題尤為突出。 鉆井液稠化的原因通常的鉆井液都是水和粘土配制而成,俗稱“水基泥漿”。泥漿中固相顆粒含量過高及粘土顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一般水基鉆井液稠化的主要原因。 粘土顆粒表面電荷分布不均勻粘土顆粒間形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由于晶格取代的原因,使粘土顆粒

3、表面帶有一定量的負電荷;又因斷鍵的緣故,粘土顆粒邊角局部地方帶正電荷,這樣就使得粘土顆粒不同部位的帶電情況和水化程度不同。 外界電解質(zhì)的影響鉆遇含鹽地層,如石膏層、鹽水層。 顆粒間形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(鉆井液凝膠) 這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中包裹大量的自由水,這些被包裹的自由水失去了流動性,只能隨著粘土顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)一起運動。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)引起的后果是自由水大量減少,使鉆井液稠化,表現(xiàn)為切力增大,粘度增高,流動困難,工藝上出現(xiàn)泵壓升高或憋泵,鉆具運動阻力增大等現(xiàn)象。當鉆井液固相含量增高,特別是膨潤土含量增高時,由于顆粒間距離縮短,有利于粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成,容易引起粘度和切力的增高。加入稀釋劑的目的就是拆散或防止

4、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成,那么稀釋劑是如何起作用的? 油田化學劑 課程講稿 稀釋劑作用原理在粘土顆粒表面吸附使粘土表面負電性增強,水化層。如聚磷酸鈉在粘土表面吸附,一般來說,要求稀釋劑應在結(jié)構(gòu)上滿足:含有較多的負電基團(吸附后仍能增加負電荷密度)具有較好的熱穩(wěn)定性分子量適中(M:103104)M太大易引起稠化,M太小不能提供足夠的負電荷。 常用的稀釋劑為控制鉆井液稠化,早在20世紀30年代末就開始使用聚磷酸鹽稀釋劑,在常溫和低溫下它們具有較好的稀釋效果,但在約65它們就開始分解失效。40年代單寧被廣泛地用作鉆井液稀釋劑,但也僅適用于中深井。50年代開始使用單寧和木質(zhì)素磺酸鈣處理的石灰鉆井液,以及鐵鉻木質(zhì)

5、素磺酸鹽處理的石膏鉆井液,但它們分別出現(xiàn)高溫固化和高溫稠化問題。從60年代起,鉆高溫井使用的稀釋劑主要是鉻木質(zhì)素磺酸鹽和鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽,它們比聚磷酸鹽和單寧有高得多的熱穩(wěn)定性,但在高溫下也減效。80年代初美國開發(fā)了SSMA稀釋劑,其熱穩(wěn)定性非常好。近年來美國使用的合成聚合物稀釋劑,多為具有不同磺化度的乙烯型聚合物。據(jù)報道,這類聚合物稀釋劑既抗鹽、抗污染,又有很好的稀釋和降濾失效果。目前我國常用的稀釋劑有: 改性單寧(栲膠)Tannins單寧是一大類多元酚衍生物的總稱,是有機弱酸,主要來源于植物的根莖、皮、葉、果實等。由不同植物得來的單寧,其化學組成不盡相同。我國四川、湖南、廣西等地盛產(chǎn)五倍子

6、單寧,它是五倍子酸(沒食子酸)葡萄糖的酯式縮合物,其分子式可簡寫成:5(C14H9O9)·C6H7O?,F(xiàn)場中使用的通常是單寧堿液,就是單寧在堿性條件下的水解產(chǎn)物(雙五倍子酸鈉) (五倍子酸鈉) 油田化學劑 課程講稿水解產(chǎn)物是雙五倍子酸鈉和五倍子酸鈉。這兩種鈉鹽對鉆井液都有稀釋作用。在氫氧化鈉濃度高時,兩種鈉鹽的酚羥基亦可變成酚鈉鹽。他們主要是通過相鄰的酚羥基與粘土顆粒表面斷鍵處的鋁離子發(fā)生吸附,而羧基的負電性和水化作用使粘土顆粒表面負電性,水化層。結(jié)果可拆散或消弱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使鉆井液粘度降低、切力降低。單寧堿液的優(yōu)點是價格便宜,原料易得,缺點是耐鹽性和耐溫性都較差。后來改性的磺甲基單寧

7、具有很好的耐鹽和耐溫性??光}可達1000mg/L,耐溫180-200。另外,栲膠堿液也是一種單寧改性產(chǎn)物。栲膠是由橡宛、紅柳根或落葉松樹皮加工制成,含單寧48-70%,與燒堿配成栲膠堿液后,其中起稀釋作用的主要成份仍是單寧酸鈉。 改性木質(zhì)素磺酸鹽木質(zhì)素廣泛地存在于各種植物中,是構(gòu)成植物骨架的主要成分之一,在數(shù)量上僅次于地球上存在的有機物中號稱最大量的纖維素。木質(zhì)素是一種結(jié)構(gòu)極其復雜的無定形高分子化合物,主要由碳、氫、氧三種元素組成。各種元素的含量隨原料品種和分離方法不同而略有不同。一般含碳量可高達6066%,而含氫量僅為56.5%,顯示出木質(zhì)素的芳香族物質(zhì)特性。木質(zhì)素具有的紫外吸收光譜和較高的

8、折射率也表明它屬于芳香族化合物。木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)單元是帶正丙基側(cè)鏈的苯環(huán)碳骨架,苯環(huán)上含有羥基和甲氧基,正丙基側(cè)鏈上也含有羥基。近代分析方法證實,木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)單元有許多種,常見的有(a)愈瘡木基丙基、(b)紫丁香基丙基、(c)對羥基苯丙基。(a)愈瘡木基丙基 (b)紫丁香基丙基 (c)對羥基苯丙基 油田化學劑 課程講稿鉆井液中使用的主要是木質(zhì)素磺酸鹽的改性產(chǎn)物鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽,簡稱鐵鉻鹽(Ferro Chromo Lignosulfonate-FCLS)。木質(zhì)素磺酸鹽是亞硫酸鹽造紙法中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,其基本結(jié)構(gòu)可表示為: M=Na 或 1/2Ca含有大量木質(zhì)素磺酸鹽的亞硫酸紙漿廢液經(jīng)過發(fā)酵并

9、濃縮成黑褐色液體后,在7080下與硫酸亞鐵和重鉻酸鹽反應,即得到液體鐵鉻鹽制品,如果將液體鐵鉻鹽過濾除去硫酸鈣沉淀,再經(jīng)噴霧干燥,即可得到鐵鉻鹽干粉。在反應過程中,F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+,而Cr6+ 被還原成Cr3+,最后是Fe3+和Cr3+與木質(zhì)素磺酸絡(luò)合成鐵鉻鹽。由于木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)相當復雜,至今尚未完全弄清楚,因此鐵鉻鹽的結(jié)構(gòu)也不十分清楚。趙福麟認為,在鐵鉻鹽分子中,鐵、鉻離子先生成多核羥橋絡(luò)離子,然后再與木質(zhì)素磺酸作用形成所謂鐵鉻鹽。鐵鉻鹽的稀釋作用包括兩個方面,一是吸附在粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層,削弱或拆散空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使鉆井液粘度和切力顯著降低;二是鐵鉻鹽分子在泥頁巖上的吸

10、附,有抑制其水化膨脹和分散作用,這不僅有利于井壁穩(wěn)定,還可防止泥頁巖造漿引起的鉆井液粘度和切力上升。鐵鉻鹽是目前公認的抗鹽、抗鈣、溫性能較優(yōu)良的稀釋劑,但由于其分子中含有重金屬鉻,在制備和使用過程中易對環(huán)境造成污染。隨著人們環(huán)保意識的增強,鐵鉻鹽的使用已經(jīng)受到了限制。因此,至80年代以來國內(nèi)外都在致力于研制能替代鐵鉻鹽的無鉻稀釋劑。(鈦、鋯、鐵、錳、錫等替代鉻) 油田化學劑 課程講稿國內(nèi)外對于無鉻木質(zhì)素類鉆井液添加劑的研制工作一直在進行著,但迄今尚未能開發(fā)出能完全代替FCLS的稀釋劑產(chǎn)品,一些配方的產(chǎn)物雖具有與FCLS相當?shù)男?,但因生產(chǎn)工藝要求高或成本太高而未能形成工業(yè)化產(chǎn)品.上述兩類稀釋劑

11、都具有酚的結(jié)構(gòu),又都來自植物,所以也統(tǒng)稱植物酚類鉆井液處理劑。 聚合物稀釋劑聚合物稀釋劑適用于低固相或無固相聚合物鉆井液。由于常規(guī)的分散性稀釋劑雖能有效地降低鉆井液的動切力,但不能使塑性粘度降低,因而導致鉆井的動塑比減小,同時還削弱了鉆井液抑制巖屑分散的能力。近年來開發(fā)的聚合物稀釋劑不僅能同時降低鉆井液的動切力和塑性粘度,而且還能增強鉆井液抑制泥頁巖造漿的能力。比較重要的聚合物稀釋劑有:(聚丙烯酸鈉)聚丙烯酸鈉的商品代號為X-A40,其平均相對分子質(zhì)量為5000左右,在鉆井液中的加入量為0.3%時,可抗0.2%硫酸鈣和1%的氯化鈉,并可抗150的高溫。(丙烯酸鈉與丙烯磺酸鈉共聚物)丙烯酸鈉與丙

12、烯磺酸鈉共聚物的商品代號為X-B40,其重均相對分子質(zhì)量為2340。由于其分子中引入了磺酸基,故抗溫性、抗鹽和抗鈣能力均優(yōu)于X-A40。丙烯酸鈉與(2-甲基-2-丙烯酰胺基)丙磺酸鈉共聚物AA/AMPS 油田化學劑 課程講稿丙烯酸鈉與(2-甲基-2-丙烯酰胺基)丙磺酸鈉共聚物的商品代號為CPD,其平均相對分子質(zhì)量小于5000,抗溫極限可達到260,鈣離子濃度高達1800mg/L時,它所處理的鉆井液仍有良好的流動性。 (磺化苯乙烯順酐共聚物)磺化苯乙烯順酐共聚物的商品代號為SSMA,它是由苯乙烯和順酐共聚后經(jīng)磺化和水解得到的產(chǎn)物。其相對分子質(zhì)量為10005000,可抗400以上的高溫,不污染環(huán)境

13、,是一種極有發(fā)展前景的稀釋劑,特別適合于深井鉆井液。二 鉆井液絮凝劑絮凝劑:能使鉆井液中粘土顆粒聚集、沉降或適度絮凝的化學劑。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展,人們更加重視鉆井液組成對鉆速的影響。研究表明,鉆井液的類型組成和性能是直接影響鉆速和成本的重要因素,尤其是鉆井液中的固相類型和含量是影響鉆速和成本的關(guān)鍵因素。20世紀60年代末期國外將高分子絮凝劑引入鉆井液,不分散無固相、低固相聚合物優(yōu)質(zhì)鉆井液得到應用,從而使鉆速大幅度提高。國內(nèi)70年代開始研制和試用該類鉆井液和絮凝劑,目前這類鉆井液已經(jīng)成為噴射鉆井技術(shù)中不可缺少的必要條件。 鉆井液中固相對鉆速的影響鉆井液中的固相含量、固相類型、固相顆粒大小對鉆速都

14、產(chǎn)生影響。 固相含量的影響鉆井液中固相含量為零時鉆速最高,隨著固相含量增加,鉆速顯著下降,特別是在低固相含量范圍內(nèi)鉆速下降更快。隨著鉆井液中固相含量增加,鉆井液的密度隨之增加。因此可以說其他條件相同時,鉆井液密度是影響鉆速的主要因素。按密度可分為:高密度鉆井液 2.7g/cm3 低密度鉆井液 2.7g/cm3 研究表明,鉆井液密度降低,鉆速隨之提高。 油田化學劑 課程講稿 固相類型的影響一般認為,砂石、重晶石等惰性固體對鉆速影響較小,鉆屑、低造漿率的劣質(zhì)土影響居中,高造漿率的粘土影響較大。室內(nèi)研究表明,在不改變靜水壓力的條件下,粘土含量為2%(體積)的鉆井液,其鉆速為3.35m/h,當粘土含量

15、增至12%時,鉆速降到大約0.91m/h。 固相顆粒尺寸的影響實驗結(jié)果表明,固相顆粒尺寸越小,對鉆速影響越大,尤其是亞微米顆粒對鉆速影響最大。在鉆井液固相含量相同時,小于1微米的亞微米顆粒對鉆速的影響是1微米以上顆粒的13倍,所以鉆井液中亞微米顆粒越多,鉆速下降越快。不分散聚合物鉆井液中粗顆粒含量比分散型鉆井液中的多,而細固相顆粒比分散型鉆井液中少。所以使用不分散聚合物鉆井液比使用分散型鉆井液有更高的鉆速。2 鉆井液固相含量控制方法因此,控制鉆井液中的固相是提高鉆速的關(guān)鍵問題。固相控制有兩種方法:一是機械方法,通過使用振動篩、除砂器、除泥器、高速離心機等固控設(shè)備除去鉆井液中較粗的固相顆粒;二是

16、化學方法,在鉆井液加入高分子絮凝劑,利用絮凝劑分子吸附架橋作用,將鉆井液中的細固相顆粒絮凝成粗的團塊,然后在重力作用下沉降,從鉆井液除去。在實際應用中,將這兩種方法結(jié)合起來,能有效地控制鉆井液中的固相。3 鉆井液絮凝劑 聚丙烯酰胺(PAM) 包括非離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺(共聚物) 醋酸乙烯酯-順酐共聚物(VA/MA)VAMA的分子結(jié)構(gòu)如下,它在堿性鉆井液中可發(fā)生水解反應: 油田化學劑 課程講稿這種水解產(chǎn)物的羥基為吸附基團,可通過氫鍵吸附在粘土顆粒上,而水化和帶電基團仍是鈉羧基。VAMA適于作鉆井液的選擇性絮凝劑。 陽離子聚合物丙烯酰胺-二甲基二烯丙基氯化銨共聚物丙烯酰胺-三甲基烯丙基

17、氯化銨共聚物丙烯酰胺-羥甲基丙烯酰胺-丙烯酰胺基亞甲基三甲基氯化銨共聚物這些絮凝劑中,由于結(jié)構(gòu)不同,其絮凝機理也不完全相同,非離子和陰離子型聚合物主要通過架橋作用,即聚合物分子可同時吸附兩個或兩個以上的固體顆粒,通過分子卷曲和“痙攣”,使其形成絮狀沉淀;陽離子聚合物除了架橋作用外,還可通過典型中和機理來起作用,因此具有更好的絮凝效果。此外,上述絮凝劑由于結(jié)構(gòu)不同,絮凝的特點也不同。非離子的聚丙烯酰胺,它是一種非選擇性絮凝劑,也稱完全絮凝劑。也就是說,無論對表面電荷量較多的優(yōu)質(zhì)土(膨潤土),還是表面電荷很少的鉆屑(劣質(zhì)土),都有絮凝作用。HPAM和VAMA,則是一種選擇性絮凝劑,由于其分子中含有

18、負電基團,所以不易與帶負電的粘土顆粒發(fā)生吸附,而是通過酰胺基或羥基吸附在負電荷量較少的鉆屑表面,即它們只絮凝劣質(zhì)土而不絮凝優(yōu)質(zhì)土。 油田化學劑 課程講稿而陽離子聚合物,除酰胺基和羥基可發(fā)生吸附外,而陽離子基團可通過靜電作用吸附在帶負電荷量較多的粘土表面,也是一種完全絮凝劑,并且絮凝效果要優(yōu)于非離子型和陰離子型聚合物。三 頁巖抑制劑能夠抑制頁巖水化、膨脹、分散的化學劑稱為頁巖抑制劑。在鉆遇頁巖地層時,易發(fā)生井壁坍塌,即井壁不穩(wěn)定,這是鉆井工程中的一個重要問題。井壁坍塌雖然與地質(zhì)條件有關(guān),但從工藝上講,直接與鉆井液性能有關(guān)。井壁能否穩(wěn)定不僅影響鉆井的速度和質(zhì)量,有時甚至關(guān)系到一口井的成敗。 井壁穩(wěn)

19、定性井壁穩(wěn)定性是指井壁保持其原始狀態(tài)的能力,若井壁能保持其原始狀態(tài)稱為井壁穩(wěn)定,否則稱為井壁不穩(wěn)定。井壁能否穩(wěn)定與許多因素有關(guān)。 地質(zhì)因素高壓地層的壓力釋放,高構(gòu)造應力地層的應力釋放,或地層本身松散等都會造成井壁不穩(wěn)定。這種情況,可通過提高鉆井液密度來解決。平衡壓力 工程因素鉆井液流量過大,從而對井壁造成過度沖刷,起下鉆過程中鉆頭對井壁的碰撞等。這是可以通過調(diào)整鉆井工藝參數(shù)來防止,如鉆速和流量。 物理化學因素頁巖是沉積在海相盆地內(nèi)的沉積巖,主要是粘土和淤泥形成的巖層,屬于質(zhì)地疏松、不堅硬的巖石。其主要化學成份是硅鋁酸鹽,根據(jù)硅鋁酸鹽組成的不同,又分為蒙脫石、高嶺石、伊利石和綠泥石,統(tǒng)稱為粘土礦

20、物。粘土礦物遇水后易發(fā)生膨脹和分散,從而使井壁不穩(wěn)定。這種情況只能通過添加頁巖抑制劑來解決。 頁巖抑制劑及其作用原理 無機鹽效果最好的無機鹽有KCl、(NH4)2SO4。 油田化學劑 課程講稿 固定作用在蒙脫石等粘土礦物中,相鄰的硅氧四面體共用氧原子,可組成六角環(huán)狀結(jié)構(gòu),六角環(huán)內(nèi)切圓直徑為0.288nm,而未水化的鉀離子與銨離子的直徑均小于內(nèi)切圓內(nèi)徑,因此這兩種離子可鑲嵌到相鄰兩層硅氧四面體組成的六角環(huán)中,將帶負電的粘土片緊緊連接在一起,增加了粘土層間的引力,稱為固定作用。鉀離子與銨離子的水化能力差,故水化結(jié)合的水分子少。粘土礦物在沉積時,會結(jié)合大量鈉離子(與沉積環(huán)境有關(guān)),鉀離子與鈉離子交換

21、后,可減少粘土的水化,從而抑制了粘土水化膨脹。 壓縮雙電層厚度 加入無機鹽,相當于增加了電解質(zhì)的濃度,從而壓縮了雙電層厚度,即降低了粘土表面的負電性,抑制其膨脹。常用的是鉀鹽,因銨鹽在堿性條件下不穩(wěn)定。 陽離子表面活性劑可通過在粘土礦物表面吸附,一方面中和了表面負電性,另一方面在粘土表面形成疏水膜使粘土層表面變成親油表面,阻止水的進一步進入。 陽離子聚合物陽離子聚合物主要通過吸附,中和粘土表面負電性。并且由于其分子較大,可通過架橋作用,使粘土片狀結(jié)構(gòu)排列緊密。聚2-羥基-1,3亞丙基二甲基氯化銨 聚乙撐二甲基氯化銨 油田化學劑 課程講稿聚二烯丙基二甲基氯化銨 聚對芐乙烯基三甲基氯化銨丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨共聚物 聚合醇自上世紀90年代以來,隨勘探領(lǐng)域逐漸向惡劣地區(qū)擴展,鉆探地區(qū)日趨復雜,井壁不穩(wěn)定造成的鉆井速度下降、鉆井成本升高的現(xiàn)象屢見不鮮,同時期發(fā)展起來的水平井、定向井、大

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