常见的钻井液体系王宝田

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5．粗分散钻井液分类介绍
• （1）石灰钻井液 • （2）石膏钻井液 • （3）氯化钙钻井液 • （4）盐水钻井液
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1、石灰钻井液
• 用石灰作钙的来源时，称石灰钻井液。钻井液的pH值
应控制在11．5以上，使Ca2+含量保持在120～200mg ／L，石灰过量时为3000～6000mg／L。
• 石灰钻井液，有高碱性石灰钻井液与低碱性石灰钻井
主要原理是：Ca2+＋2Na土→Ca土＋2Na+中。 Na土周围吸附水半径可达100Å，Ca土周围吸
附水的半径为15Å，粘土水膜变薄，粘土颗粒发生 絮凝，因而形成适度絮凝的体系。
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2．NaOH及Ca(OH)2的作用
加碱可起到控制Ca(OH)2溶解的作用，当OH-增加 ，Ca2+向减小的方向发展，石灰钻井液的pH值在10.5 ～12，pH值过低，钙离子浓度增大，粘度与切力增大 ，pH值过高，钙离子浓度减小。
• 因此腐植酸钠在钙处理钻井液中有控制Ca+浓度的作用。上 述平衡在Ca2十浓度高时往左移动，当Ca2+浓度低时往右移 动，即加煤碱液可降低Ca2+浓度，有利于抗石膏侵和水泥 侵等钙侵。而在抑制粘上水化和稳固井壁上，当Ca2+因吸 附消耗时，腐植酸钙可以补充部分Ca2+。
• 细分散钻井液有一定局限性，粘土侵不易消除，对Ca2+、 Na+等盐的侵污敏感，不能耐高温。遇到以上的情况易稠化 、滤失量较大、钻井液排量减少、泵压增高、对井眼安全 及快速钻进均有不利影响。
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3．铁铬木质素磺酸盐的作用
• 铁铬盐的性质如下：
（1）铁铬盐基本不电离，它能溶于碱性、中性和酸性的水溶液 当中，有较高的抗污染能力。
（2）铁铬盐的水溶性取决于磺化度，磺化度愈高水溶性愈大， 牡丹江化工厂铁铬木质素磺酸盐木质素磺化度为5％～6％， 也有的磺化度为9％。磺化度低于某一极限值，铁铬盐就不 能溶于水。
（2）醋酸乙烯酯与丁烯二酸酐共聚物：国内尚未 提供丰富的产品。 （3）生物聚合物钻井液：主要以XC聚合物为主体 的钻井液，这种聚合物在国内已开始生产应用。
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聚丙烯酰胺的絮凝机理
无机盐（CaC12、AIC13等）絮凝粘土的机理主要用扩散双 电层理论来解释。粘上本身带负电，粘土与阳离子发生交换吸 附以后，由于电中和作用粘土排斥力下降，表面水膜变薄，因 而产生絮凝，一般称作聚集。有机絮凝剂，有时也是带负电的 聚电解质，但它的絮凝机理却不能用电中和的理论解释。它具 有用量少、絮凝能力强的特点。现在比较为人们所接受的是“ 架桥理论”或“桥联理论”，即长链的高聚物，同时吸附在几个 粘上颗粒上，在它们之间架起桥来，然后通过大分子的卷曲使 这些颗粒产生絮凝和聚集。根据这样一个设想，高聚物产生絮 凝作用，
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三、不分散低固相钻井液
• 使用情况 • 无机絮凝剂与有机絮凝剂的比较 • 聚丙烯酰胺的絮凝机理
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• 最常用的处理剂有三大类： （1）聚丙烯酰胺及其衍生物：此种处理剂产品较 多，分子量与水解度也是变化多端，且可形成不同 无机盐类，如钠、钾、钙等，亦可进行磺化形成磺 化产品，从功用上来看，有的是全絮凝剂，有的作 选择性絮凝剂，还有的作为降滤失剂及流变性调节 剂。我国主要采用以这类剂为主的不分散聚衔镒昃
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1．Na0H、Na2C03的作用
（1）提供Na+和OH-离子 （2）对聚合物的溶解作用 （3）控制Ca2+等的浓度 （4）调节pH值 （5）对Ca2+、Mg2+的沉淀作用
Ca2++Na2C03一→CaC03↓+2Na+ Ca2++2Na0H一→Ca(OH)2↓+2Na+ Mg2++2NaOH一→Mg(OH)2↓+2Na+ 所以，可起除Mg2+、Ca2+的作用。
②对各种处理剂，如CMC、丹宁酸钠、煤碱剂、拷胶碱 液、水解聚丙烯睛等处理剂，有不同程度的沉淀作用 ，降低了处理剂的使用效果。
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（4）盐水钻井液
其优点是： ①高矿化度可抑制水敏性粘土分散而防塌； ②有足够的密度压住盐水层，避免污染； ③含有抗盐处理剂，得以维持良好性能； ④对保持低固相、保护产层有良好作用，但对电测有一 定的影响。
钻井液性能控制在所需要的范围以内并保持稳定性，即形
成盐水钻井液。
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• 粗分散钻井液有其适用范围，也有一定的优点，在钻
井历史上发挥了应有的作用。但不足之处在于对泥、 页岩的抑制性和固相的控制较差，剪切变稀性能和保 护油气层方面也存在一定的缺陷，所以从70年代以来 又发展了各类钻井液体系特别是不分散聚合物钻井液 体系及原材料处理剂。
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2．单宁碱（NaT）降粘剂
单宁是白坚木（Quebracho）等植物的提取物，提取的植 物不同化学组成也不同，但总是没食子酸和揉酸的复杂衍生 物。
单宁碱的降粘作用机理：单宁酸钠一方面通过其相邻的双 酚羟基，吸附在粘土片状晶体颗粒的断键边缘的铝离子上； 另一方面，通过分子上的其它极性基的水化，Baidu Nhomakorabea粘土边缘造 成吸附水化层，结果可以削弱或拆散钻井液中粘土颗粒间的 网状结构，增加体系中颗粒自由化，减少颗粒间的摩擦。
单宁碱液亦可起到降滤失量作用。单宁粉直接加入钻井液 ，可以提高切力和粘度。
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3．腐植酸钠（NaC）或煤碱液
该剂的主要作用为降粘作用和降滤失量作用。它由褐 煤、烧碱和水配成。由于腐植酸含有较多可与粘土吸附的 官能团，特别是含有邻位双酚羟基，又含有水化作用较强 的羧钠基，使腐植酸钠既具有降滤失量作用，又具有降粘 作用。作降粘剂用的煤碱液一般比作降滤失剂作用的煤碱
常见的钻井液体系王宝田
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常见的几种钻井液类型
• 细分散钻井液体系
• 粗分散钻井液体系 • 不分散低固相钻井液 • 阳离子聚合物钻井液 • 两性离子聚合物钻井液 • 深井钻井液 • 聚合醇钻井液 • 油基钻井液 • 气体型钻井流体
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一、细分散钻井液体系
细分散钻井液最常用的处理剂为：NaOH（烧碱）； Na2C03（纯碱）；NaT（丹宁酸钠）；NaC（腐植酸钠） 。
（3）铁、铬和木质素形成的螫合物是五圆或六圆环，稳定性较 高。
（4）铁铬盐耐温性好。可耐温180℃左右，一方面因为它形成 Fe、Cr螫合物，比较稳定；其次磺酸基中的硫与碳直接联结 ，因此，具有较高的热稳定性。
（5）有较强的水化能力。
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3．铁铬木质素磺酸盐的作用
（6）有较强的稀释作用。另外，铁铬盐的吸附作用使粘土 水化膨胀率受到抑制，吸附作用愈强大，抑制作用也愈强 烈，对稳定泥、页岩井壁有较好的效果。 （7）室内及现场实践指出：铁铬盐在130℃以上效果有下 降趋势，可加入少量重铬酸钾或重铬酸钠以恢复其稀释作 用，热稳定性可恢复到177℃，若温度超过177℃后可能分 解出硫化物而对钻具套管发生腐蚀。pH值维持在9～11间 效果较好。钻井液中加量超过3％以后，抑制粘土水化膨 胀性能显著。铁铬盐摩擦系数较高，深井中要注意加润滑 剂或混油。使用时如果发生泡沫，可加入少量硬脂酸铝或 甘油聚醚等。
液之分，低碱性石灰钻井液是从高碱性石灰钻井液发 展来的，高碱性石灰钻井液在高温下有固化的缺点， 一般只能用到4000米以内的井，而低碱性、低石灰钻 井液，pH值应控制在11．5以内，用抗高温的处理剂 可耐温200～230C。
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（2）石膏钻井液
• 用石膏作Ca2+离子来源的钻井液称为石膏钻井液。该钻井液
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高聚物产生絮凝作用，必须具备以下几个条件
（1）高聚物必须是可溶性的。 （2）高聚物分子必须能和悬浮体颗粒发生吸附，因此要求大
分子上有能产生吸附的基团，如羧基、胺基、羟基、醚胺基 等。 （3）高聚物必须是线型的，并有一个适合于分子伸展的条件 。 （4）高聚物必须有一定的长度，使其能将一部分吸附于颗粒 上，而另一部分则伸进溶液中，以便吸附另外的颗粒，产生 桥联。 （5）悬浮颗粒表面必须有空缺位置，以供高聚物架桥时吸附 。
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淡水钻井液体系由于双电层电动势和水化膜的存在，
减少了颗粒聚集，使体系具有一定的稳定性。但随着液体
中NaCl浓度的增加，钻井液体系中Na+离子浓度愈来愈高，
于是产生挤压双电层的现象，使粘土胶粒电动势降低，水
化膜变薄。在这种情况下，由于粘土胶粒的热运动，互相
碰撞聚集变大的几率增加，粘土颗粒开始由细分散向粗分
以上高温井段使用，不会发生固化。但由于石膏比石灰溶解
度大，滤液含钙量高，钻井液絮凝程度大，处理钻井液时，
需要大量的高效降粘剂，配合一定降滤失剂，才能取得稳定
的钻井液性能。
• •（3）氯化钙钻井 液
用氯化钙作Ca2+离子来源者称为氯化钙或高钙钻井液。该 钻井液中Ca2+含量较高（3000-4000 mg／L），控制泥、页 岩水化膨胀作用强，通过现场应用具有以下优点： ①粘度低、切力小、易于沉砂，有利维持钻井液低密度。
②滤失量小、泥饼薄、滤液矿化度高，有利防止泥、页岩水 化膨胀。
③泥饼润滑性好，减少了泥饼卡钻的可能。
④固相含量低，流动性好，钻井泵上水效率高，有利于强化 钻井。
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• 氯化钙钻井液的缺点是：
①钻井液滤液含钙量高，严重影响粘土胶团的絮凝稳定 性。处理时，粘度、切力易上升，因此，对氯化钙溶 液Ca+离子浓度及加量需要注意控制。
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二、粗分散钻井液体系
粗分散体系是一种适度絮凝而又相对稳定的体系，它 由无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。 粗分散体系的优点是：（1）流动性好；（2）性能稳定时 间长；（3）pH值适当；（4）泥饼薄、滤失量较低；（5 ）起下钻时钻井液不沾钻杆；（6）可以承受一定的盐侵 、钙侵而性能不变坏。 现场常用的粗分散体系有：铁铬盐-石膏钻井液、褐煤-氯 化钙钻井液、石灰-单宁钻井液、CMC铁铬盐-盐水钻井液 、海水钻井液等。
的pH值可保持在9.5～
10.5。其Ca2+含量保持在600～
1200mg／L，过量石膏浓度为6000～12000mg／L。体系中
要求含有未溶解的石膏，以便自动地、及时地补充被钻屑所
消耗的Ca2+，才能保持钻井液性能的稳定。
• 石膏钻井液在抗高温、抗盐侵、抗石膏侵以及对付泥、页岩
坍塌及保护油气层方面，都比石灰钻井液更优越，在5000m
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粗分散体系主要化学剂的作用原理：
1．石膏（CaSO4）、石灰（Ca（OH）2）、氯 化钙（CaC12）提供Ca2十离子
2．NaOH及Ca(OH)2的作用 3．铁铬木质素磺酸盐的作用 4．钠羧甲基纤维素的作用
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1．石膏（CaSO4）、石灰（Ca（OH）2）、氯 化钙（CaC12）提供Ca2十离子
散转变。表现在钻井液的性能上是粘度、切力上升很快，
含盐3％时达到最大值。NaC1量继续增加时，挤压双电层
现象更严重，电动势进一步降低，水化膜变得极薄。到7％
以后粘土颗粒发生聚集沉降，在这种情况下，粘度切力降
至很低。滤失量一直上升。钻井液稳定性丧失。如果在粘
土颗粒发生聚集下沉以前的粗分散状态时，加化学试剂把
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4．钠羧甲基纤维素的作用
钠竣甲基纤维素代号Na-CMC，它是链状水溶性高分子化合物 ，1945年Na-CMC开始引进用于钻井液。
Na-CMC水溶液性质如下： （1）pH对溶解度的影响较大 （2）热稳定性较差 （3）Na-CMC有一定的抗盐、抗钙能力
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Na-CMC降滤失量机理：
Na-CMC降滤失量作用主要有三条。改善泥饼性质；增 加分散介质粘度；减少自由水。Na-CMC在钻井液中电 离生成多价负离子，它有多种官能团，-COONa、-OH 可与粘上边缘断键处铝离子相吸，-OH和土粒氧形成氢 键，使CMC能吸附在粘土颗粒形成水化层，同时增大土 粒的了电势，细粘土粒亦可与大分子吸附粘结，参与网 状结构的形成，避免土粒接触（护胶作用），从而大大 提高粘土颗粒的稳定性，形成致密的泥饼，起到降低滤 失量的作用。
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在淡水钻井液中，加入不同量的盐以后，钻井液主要性 能变化分为三个阶段： ①含盐量小于1％时，粘度、切力、滤失量随着含盐量 增加而上升，这个范围即淡水钻井液。 ②含盐量大于1％时，粘度、切力、滤失量随着含盐量 增加上升很快，含盐量3％时，粘度、切力达到极大值 。 ③含盐量大于3％时，粘度、切力随着含盐量增加而下 降，滤失量继续上升。
腐植酸结构中的主链骨架都是碳环结构，因此腐植酸 的热稳定性比单宁和Na-CMC的要高得多，抗温可达180 ～190℃。腐植酸钠可抗Ca2+500～600mg／L抗NaCl可达4 ％～5％，腐植酸钠（NaC）遇到Ca2+以后发生下列可逆 反应，生成腐植酸钙沉淀。
2NaC十Ca2+→CaC2十2Na+
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