鉆井液第五章

第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日概述配漿材料與處理劑發(fā)展與分類隨著鉆井液體系的不斷更新，配漿原材料和處理劑的品種也在不斷地增加。據(jù)統(tǒng)計，1972年我國鉆井液材料和處理刑總共只有21種，1975年以后開始取得突破性進展，到1983年底增至76種，1993年增加到16類共260種。近幾年在各種新型聚合物、正電膠和聚合醇等高效處理劑的研究方面,又分別取得了新的進展。

鉆井液配漿原材料：在配漿中用量較大的基本組分，例如膨潤土、水、油和重晶石等。

第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日配漿材料與處理劑發(fā)展與分類

處理劑則是指用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能，或為滿足鉆井液某種性能需要而加入的化學(xué)添加劑。處理劑是鉆井液的核心組分，往往很少的加量就會對鉆井液性能產(chǎn)生極大的影響。1）按其組成分類：鉆井液原材料、無機處理劑、有機處理劑和表面活性劑四大類。其中無機處理劑又可分為氯化物、硫酸鹽、堿類等。有機處理劑通?？煞譃樘烊划a(chǎn)品、天然改性產(chǎn)品和有機合成化合物。按其化學(xué)組分又可分為下列幾類：腐植酸類、纖維素類、本質(zhì)素類、丹寧酸類、瀝青類等。第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日配漿材料與處理劑發(fā)展與分類

2）按其在鉆井液中所起的作用或功能分類：(1)降濾失劑；(2)增粘劑；(3)乳化劑使油水乳化產(chǎn)生乳狀液；(4)頁巖抑制劑；(5)堵漏劑；(6)降粘劑；(7)緩蝕劑；(8)粘土類；(9)潤滑劑；(10)加重劑；(11)殺菌劑；(12)消泡劑；(13)泡沫劑；(14)絮凝劑；(15)解卡劑；(16)其它類等。第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)鉆井液配漿原材料一、粘土類膨潤土是水基鉆井液的重要配漿材料。膨潤土在淡水鉆井液中具有以下作用：(1)增加粘度和切力、提高井眼凈化能力；(2)形成低滲透率的致密泥餅。降低濾失量；(3)可改善井眼的穩(wěn)定性；(4)防止井漏。

第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料一、粘土類

海泡石、凹凸棒石和坡縷縞石是較典型的抗鹽、耐高溫的粘土礦物，主要用于配制鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液。在我國，由于目前這幾種抗鹽粘土的礦源相對較少，因此在鉆井液中的應(yīng)用尚不普遍。有機土是由膨潤土經(jīng)季胺鹽類陽離表面活性劑處理而制成的親油膨潤土。有機土可以在油中分散，形成結(jié)構(gòu)．其作用與水基鉆井液中的膨潤土類似。

第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料二：加重材料加重材料又稱加重劑，由不溶于水的惰性物質(zhì)經(jīng)研磨加工制備而成。為對付高壓地層和穩(wěn)定井壁、需將其舔加到鉆井液中提高鉆井液密度。加重材料應(yīng)具備自身密度大，磨損性小，易粉碎；并且應(yīng)屬于情性物質(zhì)，既不溶于鉆井液，也不與鉆井液中的其它組分發(fā)生相互作用等性能。第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料二：加重材料

鉆井液的常用加重材料有以下幾種

重晶石粉(Barite)：是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石，經(jīng)過加工后制成灰白色粉末狀產(chǎn)品。純品比重為4.3-4.6，現(xiàn)場使用一般為3.9-4.2。一般用于加重密度不超過2.30g/cm3的水基和油基鉆井液，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種鉆井液加重劑。為使其具有較好的懸浮性能，一般細度要求99.9%能通過200號篩。第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料二：加重材料

鉆井液的常用加重材料有以下幾種

石灰石粉(Limestone)：主要成分為CaCO3，純品為白色，含雜質(zhì)時呈灰色或淺黃色，常溫比重為2.2-2.9，溶于酸。優(yōu)點：不會堵死油氣層，即可采用油井酸化可以清除堵塞；缺點：密度較低，一般只能用于配制密度不超過1.688g/cm3的鉆井液和完井液。第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料二：加重材料鉆井液的常用加重材料有以下幾種

鐵礦粉(Hematite)和鈦鐵礦粉(Ilmenite)：前者的主要成分為Fe2O3，密度4.9-5.3；后者的主要成分為TiO2·Fe2O3，密度4.5-5.1。優(yōu)點：由于這兩種加重材料的硬度約為重晶石的兩倍，且耐研磨，在使用中顆粒尺寸保持較好，損耗率較低；易酸溶。缺點：對鉆具、鉆頭和泵磨損也較為嚴(yán)重。在我國，鐵礦粉用量僅次于重晶石的鉆井液加重材料。第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料二：加重材料鉆井液的常用加重材料有以下幾種

方鉛礦粉（Galena)：方鉛礦為鉛灰色有金屬光澤的顆?；驂K狀，常溫比重為7.5-7.6，硬度為2-3，容易加工成細粉末。不溶于水和堿，但能溶于酸，是酸溶性加重劑。由于比重較高，特備適用于配制超重鉆井液，密度達3.0g/cm3。由于該加重劑的成本高、貨源少、一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日加重材料用量的計算重晶石石為例,討論在各種情況下確定加重材料用量的方法。

對于某一給定的鉆井液，加重前、后的體積關(guān)系可用下式表示：式中V1，V2和VB表示加重前、后的鉆井液及重晶石的體積，mB和ρB分別為重晶石的質(zhì)量和密度。與此同時，鉆井液在加重前、后的質(zhì)量關(guān)系可表示為：

式中，ρ1、ρ2分別為加重前、后的鉆井液密度。

(5-1)(5-2)第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日加重材料用量的計算由式（5-2），求出V2后，重晶石用量可由下式求得：然而有時因受現(xiàn)場泥漿池容積的限制，加重前必須排掉一部分鉆井液。這種情況下，首先根據(jù)加重后可以容納的體積V2，用下式求出應(yīng)保留的原漿的體積：(5-3)(5-4)將其代入式（5-1）可得到V2的計算式：

(5-5)然后仍用（5-4）求出重晶石的用量。第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日加重材料用量的計算例5-1使用重晶石將200m3密度為1.32g/cm3的鉆井液加重至密度為1.38g/cm3，如最終體積無限制時，試求重晶石的用量。

解：已知重晶石的密度為4.2g/cm3，由式（5-3）先求出加重后鉆井液的體積：

所需重晶石的質(zhì)量為：第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料三、配漿水水是配制各種鉆井液時不可缺少的基本組分。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗均表明，鉆井液的性能與配漿水的水質(zhì)密切相關(guān)。為了節(jié)約鉆井液成本，配制一般都是就地取水。水中含有無機鹽類、細菌和氣體等對鉆井液的性能有很大影響的物質(zhì)。例如，無機鹽會導(dǎo)致膨潤土的造漿率降低，以及鉆井液的濾失量增大；細菌可引起鉆井液中的淀粉類處理劑發(fā)酵，使某些聚合物處理劑容易降解等。因此，配制鉆井液時必須預(yù)先了解配漿水的水質(zhì)、不合格的水需經(jīng)過處理后才能使用。第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液配漿原材料三、配漿油

原油、柴油和低毒礦物油也是配制鉆井液時常用的原材料。在油基鉆井液中，常選用柴油和礦物油作為連續(xù)相。在水基鉆井液中。也?；烊胍欢康脑突虿裼?，以提高其潤滑性能，并起降低濾失量的作用。在使用過程中，應(yīng)注意油品的粘度不宜過高，否則鉆井液的流變性不易調(diào)控，對于探井，應(yīng)考慮其熒光度對油氣顯示的影響。第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)鉆井液無機處理劑按鉆井液標(biāo)準(zhǔn)委員會制訂的分類方法，無機處理劑被劃分在其它類。無機處理劑的數(shù)量較多，在此僅介紹較常用的幾種。一常用的無機處理劑

1．純堿碳酸鈉（SodiumCarbonate），又稱為小蘇打粉（SodaAsh），分子式為Na2CO3。無水碳酸鈉為白色粉末，密度為2.5g/cm3，易溶于水，水溶液呈堿性，在空氣中易吸潮結(jié)成硬塊，存放時要注意防潮。純堿在水中容易電離和水解，其反應(yīng)式如下：第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑純堿在水中容易電離和水解，其反應(yīng)式如下：

因此，其是一種一級水解較強的電解質(zhì)，在水中主要以Na+、CO32-、HCO3-以及OH-的形式存在。純堿能通過離子交換和沉淀作用使鈣粘土變?yōu)殁c粘土，即第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑由于上述反應(yīng)可有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入適量純堿可使新漿的濾失量下降，粘度、切力增大。但過量的純堿會導(dǎo)致粘土顆粒發(fā)生聚結(jié)，使鉆井液性能受到破壞。此外，在鉆水泥塞或鉆井液受到鈣侵時，加入適量純堿使Ca2+沉淀成CaCO3，從而使鉆井液性能變好。第19頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑2、燒堿燒堿即氫氧化鈉分子式為NaOH。其外觀為乳白色晶體，密度為2.0-2.28g/cm3，易溶于水，溶解時放出大量的熱。溶解度隨溫度升高而增大，水溶液呈強堿性。燒堿容易吸收空氣中的水分和二氧化碳，并與二氧化碳作用生成碳酸鈉，存放時應(yīng)注意防潮加蓋。燒堿主要用于調(diào)節(jié)鉆井液的PH值；與丹寧、褐煤等酸性處理劑一起配合使用．使之分別轉(zhuǎn)化為丹寧酸鈉、腐植酸鈉等有效成分。還可用于控制鈣處理鉆井液中Ca2+的濃度等。

第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑3．石灰生石灰即氧化鈣，分子式為CaO，吸水后變Ca(OH)2。CaO在溶解度低，其水溶液呈堿姓，隨溫度升高，溶解度降低。在鈣處理鉆井液中，石灰用于提供Ca2+，以控制粘土的水化分散能力，使之保持在適度絮凝的狀態(tài)；在油包水乳化鉆井液中，CaO用于使烷基苯磺酸鈉等乳化劑轉(zhuǎn)化為烷基苯磺酸鈣，并調(diào)節(jié)pH值。但需注意，在高溫條件下石灰鉆井液可能發(fā)生固化反應(yīng)，使性能不能滿足要求，因此在高溫深井中應(yīng)慎用。此外，石灰還可配成石灰乳堵調(diào)劑封堵漏層。第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日4．石膏石膏的化學(xué)名稱為硫酸鈣，分子式為CaSO4。吸濕后結(jié)成硬塊，存放時應(yīng)注意防潮。在鈣處理鉆井液中，石膏與石灰的作用大致相同，都用于提供適量的Ca2+。其差別在于石膏提供的鈣離于濃度比石灰高一些，此外用石膏處理可避免鉆井液的PH值過高。鉆井液無機處理劑

第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑5．氯化鈣氯化鈣的分子式力CaCl2，通常含有六個結(jié)晶水。其外觀為無色斜方晶體、密度為1.688g/cm3，易潮解，且易溶于水(常溫下約為75％)。其溶解度隨溫度升高而增大。在鉆井液中，CaCl2主要用于配制防塌性能較好的高鈣鉆井液。用CaCl2處理鉆井液時常常引起PH值降低。第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑6．氯化鈉氯化鈉俗名食鹽，分子式為NaCl，為白色晶體，常溫下密度約為2.20g/cm3。食鹽主要用于配制鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液，以防止巖鹽井段溶解，并抑制井壁泥頁巖水化膨脹。此外，為保護油氣層，還可用于配制無固相清潔鹽水鉆井液、或作為水溶性暫堵劑使用。第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日7．氯化鉀氯化鉀的分子式為KCl，外觀為白色立方晶體，常溫下密度為1.98g/cm3，熔點為776℃，易溶于水，且溶解度隨溫度升高而增加。KCl是一種常用的無機鹽類頁巖抑制劑，具有較強的抑制頁巖滲透水化的能力。與聚合物配合使用、可配制成具有強抑制性的鉀鹽聚合物防塌鉆井液。

鉆井液無機處理劑

第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日8．硅酸鈉硅酸鈉俗名水玻璃或泡花堿。分子式為Na2O.nSiO2，式中n稱為水玻璃的模數(shù)，即二氧化硅與氧化鈉的分子個數(shù)之比。n值越大、堿性越弱。n值在3以上的稱為中性水玻璃，n值在3以下的稱為堿性水玻璃。水玻璃通常分為固體水玻璃、水合水玻璃和液體水玻璃?，F(xiàn)場使用的水玻璃的密度為1.5~1.68g/cm3，PH值為11.5~12，能溶于水和堿性溶液，能與鹽水混溶，可用飽和鹽水調(diào)節(jié)水玻璃的粘度。水玻璃在鉆井液中可以部分水解生成膠態(tài)沉淀，其反應(yīng)式為：鉆井液無機處理劑第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑該膠態(tài)沉淀可使部分粘土顆粒(或粉砂等)聚沉，從而使鉆井液保持較低的固相含量和密度。水玻璃對泥頁巖的水化膨脹有一定的抑制作用，故有較好的防塌性能。第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日水玻璃溶液PH值為9以下時，溶液會變成半固體狀的凝膠。其原因是水玻璃發(fā)生縮合作用生成較長的帶支鍵的-Si—O—Si-鏈，這種長鏈能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而包住溶液中的全部自由水，使體系失去流動性。隨著PH值的不同，其膠凝速度差別很大。因此，可以用水玻璃與石灰、粘土和燒堿等配成石灰乳堵漏劑，注入已確定的漏失井段進行膠凝堵漏。因此，水玻璃是一種堵漏劑。此外，水玻璃溶液遇Ca2+、Mg2+和Fe3+等高價陽離子會產(chǎn)生沉淀，與Ca2+的反應(yīng)可用下式表示：鉆井液無機處理劑第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑所以，用水玻璃配制的鉆井液一般抗鈣能力較差，也不宜在鈣處理鉆井液中使用。但它可在鹽水或飽和鹽水中使用。研究表明，利用水玻璃這個特點，還可使裂縫性地層的一些裂縫發(fā)生愈合或提高井壁的破裂壓力，從而起到化學(xué)固壁的作用。硅酸鹽鉆井液是防塌鉆井液的類型之一，在國內(nèi)外應(yīng)用中均取得很好的效果。配制硅酸鹽鉆井液的成本較低，且對環(huán)境無污染。第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑9．重鉻酸鈉和重鉻酸鉀兩種重鉻酸鹽的化學(xué)性質(zhì)相似，其水溶液均可發(fā)生水解而呈酸性，其化學(xué)反應(yīng)式為

在鉆井液中Cr042-能與有機處理劑起復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成的Cr3+極易吸附在粘土顆粒表面，又能與多官能團的有機處理劑生成絡(luò)合物(如木質(zhì)素磺酸鉻、鉻腐植酸答)。在抗高溫深井鉆井液中，常加入少量重鉻酸鹽以提高鉆井液的熱穩(wěn)定性，有時也用做防腐劑。但鉻酸鹽有毒，因而限制了它的廣泛使用。第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液無機處理劑10．酸式焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉酸酸式焦磷酸鈉的分子式為Na2H2P2O7，代號SAPP，無色固體，由磷酸二氫鈉加熱制得。六偏磷酸鈉的分子式為(NaPO3)6。外觀為無色玻璃狀固體，有較強的吸濕性，易溶于水。在溫水中溶解較快。溶解度隨溫度升高而增大。為早期使用的主要稀釋劑之一。對高粘土含量、Ca2+、Mg2+引起的絮凝有良好的稀釋作用。主要利用絡(luò)合與沉淀機理其作用，對消除水泥和石灰造成的污染有很好的效果，能使鉆井液的pH值適度降低。第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日

鉆井液無機處理劑磷酸鹽類稀釋劑的主要缺點是抗溫性差。超過80度稀釋性能急劇下降，這是出于它們在高溫下會轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，成為一種絮凝劑。因此，一般在深部井段，應(yīng)改用抗溫性較強的其它類型的稀釋劑。正是由于這一原因．近年來該類稀釋劑已較少使用。第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日

鉆井液無機處理劑11．混合金屬層狀氫氧化物混合金屬層狀氫氧化物，簡稱為MMH，由一種帶正電的晶體膠粒所組成，常稱為正電膠。目前，其產(chǎn)品有溶膠、濃膠和膠粉等三種劑型。實驗表明、該處理劑對粘土水化有很強的抑制作用，與膨潤土和水所形成的復(fù)合體具有獨特的流變性能。MMH化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、抑制頁巖水化的機理、以及在鉆井液中的應(yīng)用等將在第六章闡述。第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日二、無機處理劑在鉆井液中的作用機理1、離子交換吸附主要是粘土顆粒表面的Na+與Ca2+之間的交換。例如，在配制預(yù)水化膨潤土漿時、常加入適量Na2CO3。其目的是，通過Na+濃度的增加，使之能夠與鈣蒙脫土顆粒表面的Ca2+發(fā)生交換，從而使粘土的水化和造漿性能提高，分散成更小的顆粒，表現(xiàn)為鉆井液的粘度、切力升高，濾失量降低；相反地，若在分散鉆井液中加入Ca(OH)2和CaSO4等處理劑，隨濾液中Ca2+濃度的提高，一部分Ca2+會與吸附在粘土顆粒上的Na+發(fā)生交換，致使鉆井液體系轉(zhuǎn)變?yōu)檫m度絮凝的粗分散狀態(tài)，從而控制粘土的水化與分散。第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日無機處理劑在鉆井液中的作用機理

2．調(diào)控鉆井液的pH值每種在鉆井液體系均有其合理的pH值范圍。然而在鉆進過程中，鉆井液的PH值會因發(fā)生鹽侵、鹽水侵、水泥侵和井壁吸附等各種原因而發(fā)生變化，其中pH值趨于下降的情況更為常見。因此，為了使鉆井液性能保持穩(wěn)定，應(yīng)隨時對pH值進行調(diào)整。添加適量的燒堿等無機處理劑是提高PH值的最簡單的方法。第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日無機處理劑在鉆井液中的作用機理

3．沉淀作用Ca2+或Mg2+侵入鉆井液，將會削弱粘土的水化和分散能力，破壞鉆井液的性能。此時，可先加入適量燒堿除去Mg2+，然后用適量純堿除去Ca2+。這種沉淀作用還可用來使因受到污染而失效的有機處理劑恢復(fù)其作用。例如褐煤堿液和水解聚丙烯酸，如受鈣侵會分別生成難溶于水的腐植酸鈣和聚丙烯酸鈣。加入適量純堿，可使處理劑的鈣鹽重新轉(zhuǎn)變?yōu)殁c鹽，恢復(fù)其作用效果。這是由于所生成的CaCO3的溶解度比腐植酸鈣和聚丙烯酸鈣的溶解度小得多。第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日4絡(luò)合作用

利用某些無機處理劑的絡(luò)合作用，可以有效除去鉆井液的Ca2+、Mg2+等污染離子。例如，在受到鈣侵的鉆井液中加入足量的六偏磷酸鈣，通過下面的絡(luò)合反應(yīng)除去Ca2+Ca2++（NaPO3)6=[CaNa2(PO3)6]2-+4Na+

該反應(yīng)所生成的絡(luò)離子[CaNa2(PO3)6]2-相當(dāng)穩(wěn)定，將Ca2+束縛起來，相當(dāng)于從鉆井液的濾液中除掉Ca2+無機處理劑在鉆井液中的作用機理第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日無機處理劑在鉆井液中的作用機理５、與有機處理劑生成可溶性鹽丹寧、腐植酸等有機處理劑在水中溶解度很小，不易吸附在粘土顆粒上，因此不能發(fā)揮其效能。加入適量燒堿，可轉(zhuǎn)化為可溶性鹽，才能充分發(fā)揮其效能。6．抑制溶解的作用

在鉆遇巖鹽和石膏地層時，常使用鹽水鉆井液、飽和鹽水和石膏處理的鉆井液；其目的一是為了增強鉆井液抗污染的能力，二是為了抑制和防止上述可溶性巖層的溶解，使井徑保持規(guī)則。

以上介紹的是無機處理劑最基本的作用機理，它們之間往往是互相聯(lián)系的第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)鉆井液有機處理劑

一、降粘劑降粘劑又稱為解絮凝別和稀釋劑。鉆井液常常由于溫度升高、鹽慢或鈣侵、固相含量增加或處理劑失效等原因，使鉆井液形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強，鉆井液粘度、切力增加,進而會造成開泵困難、鉆屑難以除去或鉆井過程中激動壓力過大等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致各種井下復(fù)雜情況。因此，在鉆井液使用和維護過程中，經(jīng)常需要加入降粘劑，以降低體系的粘度和切力，使其具有適宜的流變性。第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鉆井液有機處理劑

鉆井液降鉆劑的種類很多。根據(jù)其作用機理的不同，可分為兩種類型：分散型稀釋劑和聚合物型稀釋劑。分散型稀釋劑：丹寧類和木質(zhì)素磺酸鹽類；聚合物型稀釋劑：共聚型聚合物降粘劑和低分子聚合物降粘劑等。第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧類降粘劑(1)單寧的來源和性質(zhì)單寧存在于植物的根、芝、葉、皮、果殼和果實中，是多元酚衍生物，屬于弱有機酸。

①帶色的非晶形固體，可溶于水、也部分溶于丙酮、甘油和乙酸乙酯等溶劑，但不溶于無水乙醇、乙醚、氯仿和苯等溶劑。②單寧水溶液液呈酸性，味苦澀，與強酸反應(yīng)時會使單寧沉淀。③單寧酸鈉在高濃度NaCl、CaCl2等無機鹽溶液中會發(fā)生鹽析或沉淀；抗鹽、鈣能力較差。

第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧類降粘劑

(1)單寧的來源和性質(zhì)④由于丹寧酸含有酯鍵，在NaOH溶液個易于水解?？垢邷匦阅懿?。⑤丹寧分子在水中有締合現(xiàn)象，且締合程度隨其濃度的增大而增加。⑥單寧酸在水溶液中也可以發(fā)生水解，生成雙五倍子酸(或稱雙沒食子酸)和葡萄搪。雙五倍子酸進一步水解，可生成五倍子酸。第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧酸在水溶液中水解單寧類降粘劑第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧類降粘劑為了提高單寧酸鈉的使用效果，通過單寧與甲醛和亞硫酸鈉進行磺甲基化反應(yīng)可制備磺甲基丹寧(SMT)。還可再進一步與Na2Cr2O7，發(fā)生氧化與螯合反應(yīng)制得磺甲基單寧的鉻螯合物。這兩種產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和降粘性能比單寧酸鈉有明顯提高，抗溫達180一200℃?；羌谆帪樽睾稚勰┗蚣氼w粒，易溶于水，水溶液呈堿性。在一般加0.５％-1％就獲得較好的稀釋效果。然而抗鹽性較差，當(dāng)含鹽量超過1％時稀釋效果就明顯下降。第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧的稀釋機理單寧類降粘劑的作用機理是：單寧酸鈉苯環(huán)上相鄰的雙酚羥基可通過配位鍵吸附在粘土顆粒斷鍵邊緣的Al3+處，如下圖：剩余的—ONa和—COONa均為水化基，它們又能給粘土顆粒帶來較多的負(fù)電荷和水化層，使粘土顆粒端面處的雙電層斥力和水化膜厚度增加，從而拆散和削弱了粘土顆粒問通過端—面和端—端連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使粘度和切力下降。因此，單寧類降粘劑主要是通過拆散結(jié)構(gòu)而起到降粘作用。也就是說，降低的主要是動切力，而對塑性粘度的影響較小。第45頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日單寧的稀釋機理由于降粘劑主要在粘土顆粒的端面起作用，因此與降濾失劑相比，其用量一般較少。當(dāng)加大其用量時，單寧堿液也會在—定程度上起降濾失的作用。這是由于隨著結(jié)構(gòu)的拆散和粘土顆粒雙電層斥力和水化作用的增強，有利于形成更為致密的泥餅。第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日木質(zhì)素磺酸鹽類降粘劑木質(zhì)素磺酸鹽是木材酸法造紙殘留下來的一種廢液。由于木質(zhì)素的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止也尚未完全搞清。但研究表明，木質(zhì)素磺酸的主要結(jié)構(gòu)單元可用下式表示：第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日木質(zhì)素磺酸鹽類降粘劑按照這種結(jié)構(gòu)單元，鐵鉻鹽的主要結(jié)構(gòu)可表示為這種帶有螯環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)絡(luò)合物(又稱螯合物)有很好的穩(wěn)定性，其中的中心離子一般不易電離出來，因此不易以單個離子參與粘土顆粒表面的離子交換。第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日木質(zhì)素磺酸鐵鉻鹽的性質(zhì)①由于鐵鉻鹽分子中有磺酸基，與Fe3+和Cr3+又形成了相當(dāng)穩(wěn)定的螯合物，所以是一種抗鹽、抗鈣的有效降粘劑；能用于淡水、海水和飽和鹽水鉆井液中，且可用于各種鈣處理鉆井液中。②因為分子中磺酸基的硫原子直接與碳原子相連，F(xiàn)e3+和Cr3+與木質(zhì)素磺酸之間有螯合作用，所以鐵鉻鹽的熱穩(wěn)定性很高，可以抗150℃以上的高溫。

第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日木質(zhì)素磺酸鐵鉻鹽的性質(zhì)③鐵鉻鹽的水溶性與其磺化度有關(guān)?；腔仍礁?，水溶性則越大。④鐵鉻鹽具有弱酸性，加入鉆井液時會引起鉆井液的pH使降低，因此需配合燒堿使用。一般情況下，應(yīng)將鐵鉻鹽鉆井液的PH值控制在9一11的范圍。第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鐵鉻鹽的稀釋機理及現(xiàn)場應(yīng)用鐵鉻鹽稀釋機理包括兩個方面：1、在粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層，從而削弱粘土顆粒之間的端—面和端—端連接，從而削弱或拆散空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，致使鉆井液的粘度和切力顯著降低；2、鐵鉻鹽分子在泥頁巖上的吸附，有抑制其水化分散的作用，這不僅有利于井壁穩(wěn)定，還可以防止泥頁巖造漿所引起的鉆井液粘度和切力上升。第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日鐵鉻鹽的稀釋機理及現(xiàn)場應(yīng)用盡管鐵鉻鹽是一種性能優(yōu)良的降粘劑，但也存在著某些不足。1、使用時要求鉆井液的pH值保持較高，不利于井壁穩(wěn)定的；2、容易引起鉆井液發(fā)泡；3、鐵鉻鹽鉆井液的泥餅?zāi)Σ料禂?shù)較高，在深井中使用時往往需要混油或添加一些潤滑劑。4、鐵鉻鹽含重金屬鉻，在制備和使用時均會造成一定的環(huán)境污染，對人體健康不利。因此，目前國內(nèi)外都在致力于研制能夠替代鐵鉻鹽的無鉻降粘劑。第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日聚合物型降粘劑除上述分散型降粘劑外，近年來還研制出多種聚合物型降粘劑。聚合物型降鉆劑主要是相對分子質(zhì)量較低的丙烯酰胺類或丙烯酸類聚合物，主要用于聚合物鉆井液。第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日聚合物型降粘劑研制聚合物型降粘劑出自以下兩個原因：1、常規(guī)的分散型降粘劑只能有效地降低鉆井液的動切力(即所謂結(jié)構(gòu)粘度)，而不能使塑性粘度降低，導(dǎo)致鉆井液的動塑比減小；2、某些分散型降粘劑還會使鉆井液抑制鉆屑分散的能力削弱；而聚合物型降粘劑能使動切力、塑性粘度同時降低，與此同時還能增強鉆井液抑制地層造漿的能力、從而可為聚合物鉆井液真正實現(xiàn)低固相和不分散創(chuàng)造條件。下面僅介紹幾種比較重要的聚合物降粘劑：第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日聚合物X—40系列降粘劑X—40系列處理劑稀釋機理：主要是由于其線型結(jié)構(gòu)、低相對分子質(zhì)量及強陰離子基團所決定的。1、由于其分子量低，可通過氫鍵優(yōu)先吸附在粘上顆粒上，頂替已吸附在粘土顆粒上的高分子聚合物，拆散了高聚物與粘土顆粒之間形成的”橋接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”；2、低分子量的降粘劑與高分子主體聚合物交聯(lián)，阻礙了聚合物與粘土之間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形成，達到降低粘度和切力的目的。但若相對分子質(zhì)量過高，反而會使粘度、切力增加，第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日聚合物XY—27兩性離子聚合物稀釋劑XY—27是相對分子質(zhì)量約為2000的兩性離子聚合物稀釋劑。分子鏈中同時含有陽離子基團、陰離子基團和非離子基團，屬于乙烯基單體多元共聚物。其主要特點是，既是降粘劑又是頁巖抑制劑。兩性離子聚合物降粘劑的降粘機理是：1、在XY—27的分子鏈中引入了陽離子基團，能與粘土發(fā)生離子型吸附，又由于是線性相對分子質(zhì)量較低的聚合物，故它比高分子聚合物能更快、更牢固地吸附在粘土顆粒上。2、XY—27特有結(jié)構(gòu)，與高聚物之間的交聯(lián)或絡(luò)合機會增加，比陰離子聚合物降粘劑降粘效果更好。第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日磺化苯乙烯—馬來酸酐共聚物

磺化苯乙烯—馬來酸酐共聚物磺化苯乙烯—馬來酸酐共聚物：是由苯乙烯、馬來酸酐、磺化試劑、溶劑(甲苯)、引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑(硫醇)通過共聚、磺化和水解后制得的，其代號為SSMA。相對分子質(zhì)量5000，抗溫可達200℃以上。它是一種性能優(yōu)良的抗高溫稀釋劑，國外已在高溫深井中廣泛使用。但這種產(chǎn)品的成本較高，我國也在進行研究和試制。

第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日二、降濾失劑

降失劑又稱為濾失控制劑、降失水劑。在鉆井過程中，鉆井液濾液侵入地層會引起泥頁巖水化膨脹，嚴(yán)重時導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定和各種井下復(fù)雜情況，鉆遇產(chǎn)層時會造成油氣層損害。加入降濾失劑后可在井壁上形成低滲透率、柔韌、薄而致密的濾餅，盡可能降低鉆井液的濾失量。降濾失劑是鉆井液處理劑的重要劑種，主要分為纖維素類、腐植酸類、丙烯酸類、淀粉類和樹脂類等。由于其品種繁多，下面僅選擇每一類中具有代表性的產(chǎn)品進行介紹。第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日纖維素類降濾失劑纖維素是由許多環(huán)式葡萄糖單元構(gòu)成的長鏈狀高分子化合物．以纖維素為原料可以制得一系列鉆井液降濾失劑，其中使用最多的是鈉羧甲基纖維素，簡稱CMC，其結(jié)構(gòu)式可表示為：第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日CMC在鉆井液中電離生成長鏈的多價陰離子。1、羥基和醚氧基通過與粘土顆粒表面上的氧形成氫鍵或與粘土顆粒端面邊緣上的Al3+之間形成配位鍵使CMC能吸附在粘土上；2、多個羧鈉基通過水化使粘土顆粒表面水化膜變厚，粘土顆粒表面ζ電位的絕對值升高，負(fù)電量增加、從而阻止粘土顆之間因碰撞而聚結(jié)成大顆粒(護膠作用)。鈉羧甲基纖維素降濾失原理第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日3、多個粘土細顆粒同時吸附在CMC的一條分子鏈上，形成布滿整個體系的混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了粘土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，有利于保持鉆井液中細顆粒的含量，形成致密的濾餅、降低濾失量(見圖5-2)。鈉羧甲基纖維素降濾失原理第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日4、此外，具有高粘度和彈性的吸附水化層對泥餅的堵孔作用和CMC溶液的高粘度也在一定程度上起降濾失的作用。作用效果影響因素：1、分子量：選用中低分子量。2、取代度：大于0.53、添加順序4、應(yīng)用環(huán)境：如溫度、PH值、礦化度等鈉羧甲基纖維素降濾失原理第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日通過改性以提高其抗溫、抗鹽能力。1、引入抗氧劑：有機胺、硫化物、2、引入一些基團：如腈乙基、磺酸基等鈉羧甲基纖維素改性第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日腐植酸類降濾失劑腐植酸源于褐煤，不是單一的化合物，而是一種復(fù)雜的、相對分子質(zhì)量不均一的羥基苯羧酸的混合物。主要的官能團有胺基、酚羥基、醇羥基、醌基、甲氧基和碳基等。由于其中有較多可與粘土吸附的官能團、特別是鄰位雙酚羥基，同時又含有水化作用較強的羧鈉基等水化基團，使腐植酸鈉不但具有很好的降濾失作用、還兼有降粘作用。腐植酸難溶于水，但易溶于堿溶液。它溶于NaoH溶液生成的腐植酸鈉是作為鉆井液降濾失劑的有效成分。

第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日腐植酸類降濾失劑主要性質(zhì)腐植酸類降濾失劑主要性質(zhì)：1、難溶于水，水溶液為酸性。與氫氧化鈉反應(yīng)后生成腐殖酸鈉，水溶解性能較強。2、由于其基本骨架為碳鏈或碳環(huán)，因此，熱穩(wěn)定性較高，抗溫性能可達232℃。3、腐殖酸鈉遇到鈣鎂離子時可產(chǎn)生腐殖酸鈣、腐殖酸鎂沉淀，因此，其抗鈣鎂能力較差。

第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日腐植酸類降濾失劑常用的腐植酸類降濾失劑：褐煤堿液、硝基腐植酸鈉、鉻腐植酸、磺甲基褐煤。在腐植酸類處理劑中，還有防塌效果較好的K21，其中含有約55％的硝基腐植酸鉀，腐植酸鉀也可應(yīng)用于防塌鉆井液體系。此外，由腐植酸與液氮反應(yīng)制得的腐植酸酰胺可用做油包水乳化鉆井液的輔助乳化劑。第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日丙烯酸類聚合物降濾失劑丙烯酸類聚合物是低固相聚合物鉆井液的主要處理劑類型之一，制備這類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。根據(jù)所引入官能團、相對分子質(zhì)量、水解度和所生成鹽類的不同，可合成一系列鉆井液處理劑。這里僅介紹較常用的降濾失劑水解聚丙烯腈及其鹽類、PAC系列產(chǎn)品和丙烯酸鹽SK系列產(chǎn)品。第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日水解聚丙烯腈降濾失劑水解聚丙烯腈是由聚丙烯腈在堿性條件下水解而得到的。由于水解時所用的堿、溫度和反應(yīng)時間不同，最后所得的產(chǎn)物及其性能也會有所差別。在95—100℃溫度下，聚丙烯腈在NaOH溶液中容易發(fā)生水解，生成的水解聚丙烯腈常用代號Na—HPAN表示。水解反應(yīng)式可表示如下：第68頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日水解聚丙烯腈降濾失劑其中腈基（一CN)和酰胺基(一ONH2)為吸附基團，羧鈉基(一COONa)為水化基團。腈基在井底的高溫和堿性條件下、通過水解可轉(zhuǎn)變?yōu)轷０坊?，進一步水解則轉(zhuǎn)變?yōu)轸肉c基，但水解接近完全時，其降濾失性能下降。因此，在配制水解聚丙烯腈鉆井液時，可以少加一點燒堿，以便保留一部分酰胺基和腈基，使吸附基團與水化基團保持合適的比例。一般最高時為2.5:1，最低時為1:1。第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日影響水解聚丙烯腈降濾失劑因素影響水解聚丙烯腈降濾失劑因素水解聚丙烯腈處理鉆井液的性能，主要取決于聚合度和分子中的羧鈉基與酰胺基之比(即水解度)。聚合度較高時，降濾失性能比較強，并可增加鉆井液的粘度和切力；而聚合度較低時，降濾失和增粘作用均相應(yīng)減弱。為了保證其降濾失效果，羧鈉基與酰胺基之比最好控制在2：1—4：1。第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日水解聚丙烯腈降濾失劑性能水解聚丙烯腈降濾失劑性能

1、由于Na—HPAN分子的主鏈為C—C鍵，還帶有熱穩(wěn)定性很強的腈基，因此可抗200℃以上高溫。2、該處理劑的抗鹽能力也較強，但抗鈣能力較弱。當(dāng)鈣離子濃度過大時，會產(chǎn)生絮狀沉淀。第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日PAC系列降濾失劑PAC系列產(chǎn)品是指各種復(fù)合離子型的聚丙烯酸鹽(PAC)聚合物，即具有不同取代基的乙烯基單體及其鹽類的共聚物，通過在高分子鏈節(jié)上引入不同含量的羧基、羧鈉基、羧胺基、酰胺基、氰基、磺酸基和羥基等共聚而成。由于各種官能團的協(xié)同作用，在各種復(fù)雜地層和不同的礦化度、溫度條件下均能發(fā)揮其作用。只要調(diào)整好聚合物分子鏈節(jié)中各官能團的種類、數(shù)量、比例、聚合度及分子構(gòu)型，就可設(shè)計和研制出一系列的處理劑，以滿足降濾失、增粘和降粘等要求。其中應(yīng)用較廣的是PACl41、PACl42和PACl43等三種產(chǎn)品。第72頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日PAC系列降濾失劑PACl4l是丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸鈉和丙烯酸鈣的四元共聚物。它在降濾失的同時，還兼有增粘作用，并且還能調(diào)節(jié)流型，改進鉆井液的剪切稀釋性能。該處理則能抗180℃的高溫，抗鹽可達飽和。

PACl42是丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈和丙烯磺酸鈉的共聚物。在降濾失的同時，其增粘幅度比PACl41小。主要應(yīng)用于淡水、海水和飽和鹽水鉆井液中。淡水鉆井液推薦加量為0.2％一0.4％，飽和鹽水鉆井液推薦加量為1.0％一1.5％。第73頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日PAC系列降濾失劑

PACl43是由多種乙烯基單體及其鹽類共聚而成的水溶性高聚物，其相對子質(zhì)量為150萬一200萬，分子鏈中含有羧基、羧鈉基、羧鈣基、酰胺基、腈基和碳酸基等多種官能團。該產(chǎn)品為各種礦化度的水基鉆井液的降濾失劑，并且能抑制泥頁巖水化分散。在淡水鉆井液中的推薦加量為0.2％一0.5％；在海水和飽和鹽水鉆井液中，推薦加量為0.5％一2％。第74頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日其他降粘劑產(chǎn)品簡介樹脂類：該類產(chǎn)品是以酚醛樹脂為主體，經(jīng)磺化或引入其它官能團而制得。其中磺甲基酚醛樹脂是最常用的產(chǎn)品，同時還有磺化木質(zhì)素磺甲基酚醛樹脂縮合物(SLSP)、磺化褐煤樹脂等?；羌谆尤渲?5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日其他降粘劑產(chǎn)品簡介磺甲基酚醛樹脂分子主鏈由亞甲基橋和苯環(huán)組成，又引入了大量磺酸基，故熱穩(wěn)定性強，可抗180一200℃的高溫。引入磺酸基的數(shù)量不同，抗無機電解質(zhì)的能力也不同。另外還能改善濾餅的潤滑性，對井壁也有一定的穩(wěn)定作用。其加量通常在3％一5％之間。磺甲基基酚醛樹脂第76頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日其他降粘劑產(chǎn)品簡介淀粉類：淀粉的結(jié)構(gòu)與纖維素相似，也屬于碳水化合物，是最早使用的鉆井液降濾失劑之一。淀粉的降濾失機理一方面是吸收水分，減少了鉆井液中的自由水；另一方面是形成的囊狀物可進入泥餅的細縫中，堵塞水的通路，進一步降低了泥餅的滲透性。淀粉在使用時，鉆井液的礦化度最好大一些，并且PH值最好大于11.5，否則淀粉容易發(fā)酵變質(zhì)。在高溫下，淀粉容易降解，效果變差。為此，人們對其進行了改性研究，并研制出一系列的產(chǎn)品，如羧甲基淀粉（CMS）、羥丙基淀粉(HPS）綜上所述，降濾失劑的種類和品種很多，性能和生產(chǎn)成本也各不相同，在進行鉆井液配方設(shè)計時，必須根據(jù)地層情況和鉆井的要求，合理選用降濾失劑。還有一些近年來研制的較新產(chǎn)品，如陽離子聚合物降濾失劑和兩性離子聚合物降濾失劑等。第77頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日增粘劑在鉆井液流變性一章已闡述了鉆井液流變性與攜帶巖屑的關(guān)系。為了保證井眼清潔和安全鉆進，鉆井液的粘度和切力必須保持在一個合適的范圍。增加粘度的方法：1、增大膨潤土含量：引起鉆井濃密度的固相含量增大，不利于實現(xiàn)低固相和提高機械鉆速，對油氣層保護也有不利影響2、添加增粘劑的方法。增粘劑均為高分子聚合物，由于其分子鏈很長，在分子鏈之間容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此能顯著地提高鉆井液的粘度。第78頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日三增粘劑增粘劑除了起增粘作用外，還往往兼作頁巖抑制劑(包被劑)、降濾失劑及流型改進劑。因此，使用增粘劑常常有利于改善鉆井液的流變性，也有利于井壁穩(wěn)定。增粘劑種類很多，如XC生物聚合物、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺及其衍生物、醋酸乙烯酯-順丁烯二酸酐共聚物、磺化苯乙烯—順丁烯二酸酐共聚物。第79頁，共87頁，2023年，2月20日，星期日XC生物聚合物XC生物聚合物又稱做黃原膠，是由黃原