钻井液工艺学5

重庆科技学院化工院
泥饼形成过程 钻井液流动
桥塞粒子 —— 在孔喉架桥的粒子 填充粒子 —— 在桥塞粒子间隙填充的粒子
2009年8月 ZHOUCY
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降失水剂作用机理
1. 水化膜护胶
—— 降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚 结稳定性的作用。 机理：水化膜增厚， 聚结阻力增大， 胶粒稳定性增强 ， Vf 降 低。
方
法：
钻井液 + 降粘剂（%）
测定性能
评价标准： s 、 0
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二、降失水剂
分析：
降失水途径： 提高泥饼质量（降低K）
增加滤液粘度
降低压差
改变固相含量、级配和表面性质等
要求： 胶体粒子浓度充足
保持体系聚结稳定性
有一定量的桥塞粒子
（护胶）
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（3）常用有机高分子絮凝剂
聚丙烯酰胺（PAM） 部分水解聚丙烯酰胺（PHP） 丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物（80 A - 51) 醋酸乙烯酯 — 顺丁烯二酸酐共聚物 （VAMA）
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(4) 絮凝剂选择方法
仪
器: 几个带塞量筒。
方
法：
10分钟 30分钟 60分钟
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（2）有机絮凝剂的二种作用 全絮凝作用 选择性絮凝作用
1.全絮凝作用 既絮凝钻屑，又絮凝膨润土的絮凝作用。
2. 选择性絮凝作用 只絮凝钻屑，不絮凝膨润土的絮凝作用。
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特点： 分子量较低、水溶性好。 用量较大（表面）。
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2. 静电稳定
—— 降失水剂吸附在粘土表面上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸 引力的作用。
结果：负电荷增加， 电势增加， 胶粒稳定性增强，失水降低。
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无机处理剂
有机处理剂
表面活性剂
有机处理剂按来源分类:
天然产品 天然改性产品 人工合成产品
有机处理剂按化学组成分类:
腐植酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉 类、聚合物类等。
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2. 按照处理剂的功能分类(我国钻井液标委会分类)
降粘剂 Thinner
仪
器: API静失水仪、HTHP静失水仪。
评价性能：静失水量、泥饼厚度。
方
法：
钻井液 + 降失水剂（%）
测定性能
评价标准：
API静失水 < 5ml/30min； h < 0.5mm.
HTHP静失水 < 15ml/30min h < 5mm.
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三、絮凝剂
—— 使单个粘土颗粒联结起来，最终失去重力稳定性的处理剂。 类型：无机絮凝剂；有机高分子絮凝剂。 （1）有机高分子絮凝剂作用机理： 实质；高分子敏化作用。 三个步骤： 1. 吸附 2. 桥连 3. 形成团块、团块下沉。
4.0 ~ 4.5 4.9 ~ 5.3 7.4 ~ 7.7
FeCO3 TiO2Fe2O3 CaCO3 Fe3O4
3.7 ~ 3.9 4.5 ~ 5.1 2.7 ~2.9 5.0 ~ 5.2
硬度 2.5 ~ 3.5 5.5 ~ 6.5 2.5 ~2.7 3.5 ~ 4.0 5.0 ~ 6.0
3 5.5 ~ 6.5
增粘剂 Viscosifier
降失水剂 Filtration Reducer 絮凝剂 Flocculant
加重剂 Weighting Agent 解卡剂 Pipe-Freeing Agent
堵漏剂 Lost Circulation Material 乳化剂 Emulsifier
消泡剂 Defoamer
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2. 降粘剂作用机理
降粘剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面
上，改变端面性质，拆散片架结构，从而降低钻井液结构粘度。
具体方法为：
（1） 使端面反号 由带正电性端面转变为负电性端面。即：
正负相吸
负负相斥
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（2） 增强端面水化膜厚度
无机处理剂作用原理
离子交换吸附 调控钻井液的pH值 沉淀作用 络合作用 与有机处理剂生成可溶性盐 抑制溶解的作用
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第三节、有机处理剂
一、降粘剂（又称解絮凝剂 、稀释剂）
1.钻井液稠化原因 由于粘土颗粒表面与端面性质不同：
带电情况不同 —— 表面带负电，端面带正电。
FCLS : NaOH = 3 ~ 5 :1
（FCLS + NaOH）/（FCLS + NaOH）混合碱液 = 1/5或1/10
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例题
40g FCLS碱液（3：1，1/5）中，含固体FCLS多 少克？NaOH多少克？
解：FCLS+NaOH总重为： 1/5 40 = 8 (g)
润滑剂 Lubricant
缓蚀剂 Corrosion Inhibitor 页岩抑制剂 Shale Inhibitor
粘土类 Clay
杀菌剂 Bactericide
起泡剂 Foaming Agent
其它类
Others
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二、处理剂研究内容和方法源自内容 提出功能要求
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3. 常见降粘剂
单宁酸钠（NaT） 磺甲基单宁（SMT） 铁铬木质素磺酸盐 (FCLS) 两性离子聚合物降粘剂（XY -27） SSMA(磺化聚苯乙烯顺丁烯二酸酐钠盐）
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铁铬木质素磺酸盐 (FCLS)的使用 —— 通常配制成碱液使用。 FCLS碱液的配制
处理剂分子结构分析与设计 处理剂在粘土颗粒上的吸附规律研究 所处理的钻井液性能的变化：
处理剂抗温、抗盐钙能力评价，毒性、生物降解 性测试。
方法：分子量、基团及结构的化学和仪器分析、钻
井液性能测试等。
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第五章、钻井液原材料和处理剂
本章要求：
1. 钻井液处理剂的分类。 2. 降粘剂、降失水剂、絮凝剂的作用原理。 3. 常见降粘剂、降失水剂、絮凝剂、加重剂。 4. 降粘剂、降失水剂、絮凝剂的选择方法。
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钻井液处理剂----调配、维护和恢复钻井 液工艺性能的添加剂。
FCLS重量为： 3/(1+3) 8 = 6(g) NaOH重量为：1/(1+3) = 2 (g)
答：含FCLS重量为 6 g，NaOH重量为 2 g。
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4. 降粘剂选择方法
仪
器: 漏斗粘度计、旋转粘度计。
评价指标： s 、 0 、漏 、 ’
发展概况：
五十年代仅几种：纯碱、烧碱、褐煤、栲胶等。 现有几百种商品牌号，分十六大类，国内产值超过二
十亿，有大量专业公司、厂家。
发展方向：抗温、抗盐钙、无毒、多功能、 可生物降解。
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一、钻井液处理剂的分类
1.按照处理剂组成分类:
钻井液原材料
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煤碱剂（NaC）的使用 —— 通常配制成碱液使用。
主要成分：腐植酸钠 （利用NaOH提取出来）。
NaC碱液的配制
褐煤：烧碱：煤碱液（水） =
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10 ~ 15 ：2 ：50 ~ 100
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5. 降失水剂选择方法
3. 高分子保护
敏化作用
高分子保护1
高分子保护2
大分子浓度低时， 不足以形成混合网 架结构，颗粒失去 重力稳定性。
吸附粘土粒子的高分子 链之间形成网架结构, 粒子被隔离开不易
聚结，保证体系中 胶粒含量。
许多高分子吸附 在胶粒表面，形成 包蔽层，阻止胶粒
聚结。
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第一节 原材料
1、粘土类 2、加重剂
—— 用于提高钻井液密度的物质材料。
要求：
密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。
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常见固体加重材料的物化性质
材料名称 重晶石 铁矿粉 方铅矿 菱铁矿 钛铁矿 石灰石粉 磁铁矿
化学成分
密度g/cm3
BaSO4 Fe2O3 PbS
酸溶性 难溶 溶 溶 溶 溶 溶 溶
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第二节 无机处理剂
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常用产品
纯碱 烧碱 石灰 石膏 氯化钙 氯化钠 氯化钾 硅酸钠及硅酸钾 重铬酸钾和重铬酸钠 六偏磷酸钠 混合金属层状氢氧化物
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水化程度不同 —— 表面水化膜厚，端面水化膜薄。
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钻井液稠化原因： 当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，
极易形成：端-端、端 — 面联结的空间片架结构， 从而造成： 钻井液结构粘度增加； 片架结构包住大量自由水，流动阻力增加。
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4. 几种常见的降失水剂
钠羧甲基纤维素（Na - CMC） 煤碱剂（NaC） 磺甲基褐煤(SMC) 磺甲基酚醛树脂（SMP） 磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（SLSP） 水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐(Na-、NH4-、Ca-HPAN ) 褐煤与树脂共聚产品（如PSC SPNH ） 淀粉类
—— 吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱 端-端、端 -面连接，拆散了片架结构，同时放出自由水，使粘度降低。
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降粘剂作用特点
主要作用于端面 用量少、效果显著（因为端面少）。 降失水与降粘作用有时相一致，有时不同。 主要降低 0，不降 s。
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有机高分子絮凝剂作用机理
长链高分子中的吸附基能够与粘土粒子表面氧、氢氧发生 氢键吸附，由于高聚物分子链很长，可以吸附在几个粘土粒子上， 使它们桥联在一起。同时，这种吸附了几个粘土颗粒的长链分子 相互间通过共同吸附粘土颗粒彼此互相缠绕在一起，形成絮凝团 块。这种絮凝团块容易脱水收缩、密度增高，从而容易下沉，失 去沉降稳定性。
评价标准： 指定时间内絮凝物下降的高度。
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