第五章钻井液原材料与处理剂

• 有机士在油基钻井液中加量为6～40kg／m3， 这取决于钻井液的密度及滤失量要求范围。 在较高滤失的油基钻井液里要使用较高的 浓度，这种油基钻井液要比一般油基钻井 液获得更高的转速。在北极地区可以采用 有机土含量高达140kg／m3的油基钻井液。
• 为了提高油基钻井液的流变性而使用有机 粘土，其缺点是塑性粘度、屈服值与切力 全都增加了。加入氨基树脂到有机士中， 有可能在提高切力的同时，不使塑性粘度 升高。
• 发展了混合金属层状氢氧化物（MMH）钻井液（又称为 正电胶钻井液）技术。这类钻井液有其独特的流变特性， 还具有强抑制性、防漏、减少油气层损害程度、有利于 提高钻速等性能，目前已在全国多个油田上千口井上推 广使用； • 发展了水平井钻井液配套技术，成功地解决了钻水平井 时所遇到的携岩、井壁稳定、防漏堵漏、钻井液润滑性 和保护油气层等技术难题，其成果在总体上达到90年代 国际先进水平。 • 钻井液处理剂继续以较快速度发展，并逐步形成系列。 1993年，我国钻井液处理剂已有16个门类，共计246种。
钻井液原材料—加重材料
1、作用 • 其一是提高钻井液的密度，有效地控制地 层压力，防止钻井过程出现的井塌、井漏、 井涌、井喷等复杂情况。 • 其二是在完井、修井作业中能减少工作液 中液相的漏失，减轻油层污染程度等。
2、种类
加重材料主要有无机盐和悬浮固体两类：
（1）无机盐加重材料主要有氯化钠、氯化钙、氯化 钾、溴化钾、溴化钠、溴化钙等可溶性盐粒。它 们主要用于提高无固相清洁盐水钻井完井液和修 井液的密度，目的是有效保护油气层。 （2）悬浮固体加重材料主要有重晶石粉、石灰石粉、 方铅矿粉、碳酸钡粉等。
钻井液配浆材料与处理剂
钻井液的原材料和处理剂是钻井液必 不可少的重要组成部分，而不同原材料和 处理剂对钻井液性能的影响不同。钻井液 原材料和处理剂的种类繁多，为了便于使 用和研究，通常将它们进行分类。
按其组成来分，可分为：钻井液原材料、 无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四类 按其在钻井液中的作用或功能来分，通常 将其分为以下16类：降滤失剂、增粘剂、乳 化剂、页岩抑制剂、堵漏剂、降粘剂、缓蚀 剂、粘土类、润滑剂、加重剂、杀菌剂、消 泡剂、泡沫剂、絮凝剂、解卡剂和其它类
• 纯碱在钻井液中的作用在于： 1、提供Na+离子，使钙土转变为钠粘土，促 使粘土水化分散； 2、钻井液受钙、镁离子污染时，用纯碱可 以除去钙镁离子，使钻井液性能得以改善； 3、调节pH值。
二、烧碱
• 烧碱即氢氧化钠（NaOH），它的外观为乳 白色晶体，易溶于水，溶解时放出大量的 热，故在配制水溶液时要注意防止烫伤， 并注意搅拌，否则易在药池的底部产生重 结晶。烧碱的水溶液呈碱性，pH值为14， 属于强碱。烧碱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， 因此存放时应注意防潮和变质，要密封加 盖处理。
石膏在钻井液中的作用： 1、提供钙离子，控制粘土的水化分散，使粘 土保持适度的絮凝状态； 2、用石膏处理钻井液，避免钻井液的pH值过 高；
3、用于配制石膏钻井液（中钙钻井液）。
五、氯化钙
• 氯化钙（CaCl2）通常含有六个结晶水，外 观为无色斜方结晶体，易潮解，且易溶于 水，溶解度随温度的升高而增大。氯化钙 在钻井液中的作用： 1、用于配制氯化钙钻井液（高钙钻井液）； 2、用作水泥速凝剂。
2、抗盐粘土在钻井液中的作用
抗盐粘土有海泡石、凹凸棒石、坡缕 石等，都属于典型的抗盐、抗高温粘土， 主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井 液。它们在钻井液中的作用是： （1）提高盐水钻井液和饱和盐水钻井液的粘 度和切力； （2）提高钻井液的高温稳定性； （3）海泡石在保护油气层钻井液中可用作酸 溶性暂堵剂。
• 80年代初期，研制成功了油包水乳化加重 钻井液，并在华北、新疆和中原等油田得 到成功应用，有效地解决了钻遇大段岩膏 层和水敏性泥、页岩地层时所遇到的各种 问题。 •钻井液处理剂、原材料品种迅速增加，质 量不断提高。1978年，我国钻井液处理剂 仅有40多种，1983年增至76种，1985年已 达到16个门类，共129种。
钻井液原材料
• 粘土类 • 加重材料
钻井液原材料—粘土类
钻井液中常用的粘土主要有：膨润土 （主要成分是蒙脱石）；普通粘土（蒙脱
石含量较低，高岭石和伊利石含量较高）；
抗盐粘土和有机土。
–2）膨润土的特性与作用 • 形状和尺寸 • 表面电荷与水化性能 • 在泥浆中的状态（分散、絮凝、聚结） • 在泥浆中的作用（悬浮能力、造壁性能）
六、氯化钠
• 氯化钠（NaCl）俗称食盐，为白色晶体， 纯净的氯化钠不潮解，通常因含有杂质 （MgCl2、CaCl2）而潮解。易溶于水，其水 溶液呈中性。
• 氯化钠在钻井液中的作用： 1、用于配制盐水钻井液或饱和盐水钻井液； 2、用于配制无固相清洁盐水钻井液； 3、用于提高钻井液的密度； 4、在保护油气层钻井液中可作为水溶性暂堵 剂使用。
•研制出应用于深井、超深井的聚磺钻井液体 系。该体系兼有聚合物钻井液和三磺钻井液 的优点，既有很强的抑制性，又改善了高温 高压条件下钻井液的性能。并大大地减少了 井下复杂情况的发生，提高了机械钻速。
1991～1995年（“八五”期间）
我国钻井液技术又上了一个新的台阶。主要 体现在： • 聚合物钻井液技术又有了新的进步。其中两性离 子聚合物钻井液技术更加成熟，据统计，该体系 已在我国15个油田的数千口井上推广使用，并成 功研制出两性离子聚合物加重钻井液，最高密度 可达2.03/cm3。阳离子聚合物钻井液技术亦更加 配套、完善。
–2）膨润土的的特性与作用 • 粘土(Clay): 小于2微米，具有塑性的矿物原料。 • 粘土矿物: 构成粘土的主体矿物。大都具有晶体本性， 其化学成份是含水（镁）硅酸盐。 • 粘土矿物的结构：层状（二层、三层、混层）；链状 （纤维状）。 • 膨润土 (Bentonite) ：主要成分为蒙脱石的粘土矿物。 • 蒙脱石 (Montmorillonite)：三层(2:1)型粘土矿物， 层间为O和O层相接，因只有范氏力层间引力弱，表面 吸附能力强，易水化膨胀和分散。
烧碱在钻井液中的作用： 1、调节钻井液的pH值； 2、提供Na+离子，使钙粘土转变为钠粘土， 提高其水化分散性； 3、与某些处理剂配合使用提高处理剂的效能； 4、控制钙处理钻井液中钙离子的含量和石灰 的溶解度，同时还可以沉淀过剩钙离子和 镁离子。
三、石灰
• 生石灰即氧化钙（CaO），遇水后成熟石灰 即氢氧化钙[Ca（OH）2]。生石灰在水中溶 解，但溶解度很小，且溶解度随温度的升 高而降低。其水溶液呈碱性。熟石灰为白 色粉末状固体，在空气中能吸收二氧化碳 生成碳酸钙，它在水中的溶解度很小，且 随温度的升高而降低。
• 为保护油气层，提高钻速，实现欠平衡压力钻 井，发展了泡沫和充气钻井液技术。其中使用 泡沫钻成的油井的井深达到3232m。
• 为了有效地解决井壁失稳问题，系统地研究了 各类钻井液及其处理剂与井壁稳定性的关系， 研制出了各种具有强抑制性的防塌钻井液体系， 并研制出可对付复杂盐膏层的过饱和盐水钻井 液和油包水乳化钻井液等。
e 碳酸钡粉（BaCO3）的密度为4.28~4.35 g/cm3，不溶于水，溶于酸，可在需要酸化 作业的油气层中代替重晶石粉对工作液进 行加重，有利于保护油气层。
常用的无机处理剂
一、纯碱 • 纯碱即碳酸钠（Na2CO3），又称苏打粉。无 水碳酸钠为白色粉末，密度为2.53 g/cm3， 在空气中易吸潮结成硬块，故存放时应注 意防潮。纯碱易溶于水，水溶液呈碱性， pH值为11.5；且在水中能电离和水解，其 水溶液中主要存在Na+、CO32-、HCO3-和OH-。
3、有机土在钻井液中的作用
有机土是由膨润土或凹凸棒石制备的。将有 机阳离子表面活性剂添加到粘土悬浮液中以铵基 取代粘土表面钠、钙等阳离子，同时以碳氢链替 换先前吸附的水分子，这样粘土再也不被水湿润， 所以就沉淀出来。经分离，冲洗与干燥而成有机
土。通过阳离子交换过程亲水粘土与脂肪胺盐和
季胺盐或碱反应生成，此种产物可以分散在油里 以提供悬浮性能。
c 铁矿粉（Fe2O3）和钛铁矿粉（TiO2•Fe2O3） 的密度均大于重晶石粉，故用于配制密度 更高的钻井液和完井液；同时二者具有一 定的酸溶性，可用来配制在需要进行酸化 作业的油气层中使用的钻井完井液。在我
国这类加重剂的用量仅次于重晶石粉。
d 方铅矿粉（PbS）的密度高达 7.4~7.7g/cm3，可以用于配制密度在3.0 g/cm3以上的超高密பைடு நூலகம்的钻井液；它既不溶于 水，也不容于碱，而能溶于酸，可用于需要 进行酸化作业的油气层中使用的钻井完井液 和修井液的加重剂。但该加重剂成本高、货 源少，一般仅用于高压层特殊作业中加重。 但硬度较高，易对钻头、钻具、阀门、钻井 液泵及配件造成磨损。
a 重晶石粉（BaSO4）的价格便宜、资源丰 富、是一种硬度较低的加重材料，大多数 油气田普遍使用它来加重。由于其密度为 4.20g/cm3左右，所以一般用于加重密度不 超过2.30g/cm3的水基钻井液和油基钻井液
的加重。
b 石灰石粉（CaCO3）常温下的密度为 2.20~2.90 g/cm3，加重时要求密度大于 2.70 g/cm3。它适合于配制密度不超过1.68 g/cm3的钻井液和完井液；石灰石的主要成 分是碳酸钙，易与盐酸发生反应，生成可 溶性盐类、水和二氧化碳，因此适应于在 非酸敏性而要求进行酸化作业的油气层中 用作钻井、完井液的加重剂，以减轻钻井 完井液对产层的损害。
–2）膨润土的的特性与作用 • 扩散双电层：
–ξ电位 –电解质对双电层的影响
粘 土 在 泥 浆 中 的 状 态
1、膨润土在钻井液中作用
膨润土主要用来配制淡水钻井液。 它在淡水钻井液中作用如下： （1）增加钻井液的粘度和切力，提高钻井 液的井眼净化能力； （2）形成致密的滤饼，降低钻井液的滤失 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。
石灰在钻井液中的作用： 1、提供钙离子，以控制粘土的水化分散，使 粘土保持适度的絮凝状态； 2、调节钻井液的pH值； 3、配制石灰乳堵漏剂或石灰钻井液（低钙钻 井液）； 4、处理钻井液的CO32-、HCO3-污染。
四、石膏
• 石膏的化学名称是硫酸钙（CaSO4）。它有 两种，即生石膏和熟石膏。处理钻井液时 一般用熟石膏。石膏能溶解于水，其溶解 度较小但比石灰大，同时容易吸潮结块， 存放时应注意防潮。
我国钻井液技术 发展概况
70年代-80年代中期
70年代初， •低固相铁铬盐混油（或盐水）钻井液 •褐煤氯化钙钻井液 •褐煤石膏钻井液 •低固相饱和盐水钻井液 •高分子有机处理剂已广泛应用于钻井液中。
70年代末至80年代中期 我国钻井液技术有了很大的发展。主要表现在： • 三磺（磺化丹宁或烤胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂）钻 井液在全国推广使用后，创下了钻超深井7175m的纪录。 • 低固相不分散聚合物钻井液技术在我国得到全面推广。 开始时仅使用聚丙烯酰胺单一型聚合物絮凝剂，以后陆 续研制成功不同基团、不同分子量的聚合物处理剂，形 成了多种聚合物钻井液体系。聚合物钻井液主要应用于 井深4000m以内的井，在当时曾有力地配合了高压喷射 钻井，大大地提高了钻井速度。由于聚合物处理剂具有 良好的护壁作用，所研制的钾基聚合物钻井液在很大程 度上解决了泥、页岩地层的坍塌问题。
1986-1990年（“七五”期间） 在新的起点上对聚合物钻井液进行了全面、系 统的研究，研制出两性离子聚合物钻井液和阳离子 聚合物钻井液等新体系，并在全国许多油田推广使 用，取得良好效果。将聚合物处理剂的类型从阴离 子扩展到阳离子、两性离子，并对大、中、低分子 量聚合物处理剂及其复配作用在抑制性、降滤失、 降粘作用机理方面进行了系统研究。在此基础上研 制出以FA-367、XY-27和JT-888等处理剂组成的两 性离子聚合物钻井液体系，和由阳离子包被剂、降 滤失剂、降粘剂、防塌剂等组成的全阳离子聚合物 钻井液体系；