地质钻探常用钻井液材料和处理剂

加重材料 加重材料又称加重剂 , 添加到钻井液中以提高 钻井液的密度, 用于对付高压地层和稳定孔壁。常 用的加重材料有以下几种: ( 1) 重晶石粉 重晶石粉是一种以 BaSO4 为主要成分的天然 矿石。 API 标准为 : 密度 #4. 2g / cm 3 , 200 目筛的筛 余量 ∃ 3. 0% 。一 般用于 加重密 度不超 过 2. 30g/ cm 3 的钻井液 , 是目前应用最为广泛的一种钻井液 加重材料。 ( 2) 石灰石粉 主要成分为 CaCO3 , 密度 2. 7~ 2. 9g / cm 3 , 用于 配制密度 ∃ 1. 68g/ cm 3 的钻井液。 ( 3) 铁矿粉和钛铁矿粉 前者主要成分为 F e2 O3 , 密度 4. 9~ 5. 3g/ cm 3 ; 后者主要成分 为 T iO 2 ∋ F e2 O3 , 密度 4. 5~ 5. 1g/ 2 cm 3 。用于配制比重更高的钻井液。 配浆水 钻井液的性能与配浆水的水质密切相关 , 施工 现场配制钻井液大都就地取水, 因此 , 配制钻井液时 必须事先了解配浆水的水 质。若配浆 水矿化度较 高 , 应加适量的纯碱预先处理, 以免影响膨润土的造 浆量和泥浆处理剂的性能。 3 无机处理剂 ( 1) 纯碱 主要作用: 钠化作用、 沉淀作用。 应用: 钙膨润土 钠化; 钻水泥 塞或钻井 液受到 钙、 镁离子侵入时, 加入 适量纯碱可有 效沉除钙离 子 , 改善钻井液性能; 调节 pH 值。 ( 2) 烧碱 ( ( ( 碱度控制剂 主要作用 : 调节钻井液的 pH 值; 分散作用; 沉 4
10mL
表2
类别 加 量
水解聚丙烯腈类产品性能指标
指标 性能 参数 淡水钻井液 4% 盐水钻井液 滤失量 ( mL) 表观粘度( mPa ∋ s) 25 ∗ 2. 0 6. 0~ 8. 0 ∃ 12. 0 ∃ 10. 0 ∃ 14. 0 ∃ 8. 0 55 ∗ 3. 0 5. 0~ 7. 0 ∃ 18. 0 ∃ 12. 0 ∃ 30. 0 ∃ 8. 0
关键词 : 钻井液
钻井液由钻井液基础材料及化学处理剂两部分 组成。钻井液基础材料是指在配浆中用量较大的基 本组分, 如膨润土、 水、 油和重晶石等。处理剂是指 用于改善和稳定钻井液性能, 或为满足钻井液某些 性能要求需要加入的化学添加剂。 钻井液设计需要依据地层情况、 钻井液类型及 材料特性进行选择。 1 造浆材料 ( 1) 膨润土 膨润土是水基钻井液的重要配浆材料, 分钙膨 润土和钠膨润土两种。 膨润土在钻井液中的作用 : 增加粘度和切力 , 提高井眼净化能力; 形成低渗透率的致密泥饼, 降 低泥浆滤失量; ! 对于胶结不良的地层 , 可改善井眼 的稳定性 ; ∀ 防止井漏。 钙膨润土需加入纯碱使之转化为钠膨润土后方 可使用, 纯碱加量约为膨润土量的 5% 左右。 钠膨润土国家标准: 六速旋转粘度计 600r/ m in 的读数 #30, 常温中 压 ( 690kP a) 30 分钟 失水量 ∃ 15m L, 动 塑比 ( 动 切力/ 塑性粘度 ) ∃ 3, 75 m 湿筛 筛余 ∃ 4。 ( 2) 增效粉 增效粉是膨润土经化学改性后的升级产品。产 品名称为低粘增效粉 ( LBM 1) , 是一种集造浆土与 泥浆处理剂性能于一体的多功能% 方便面& 式产品 , 在复杂地层中的护壁效果十分显著。特别适用于金 刚石绳索取心钻探 , 可有效防止绳钻钻杆内壁结垢 问题。 水 + 3% L BM 1 泥浆 性 能达 到: 表 观 粘 度 ∃ 7 0m Pa ∋ s, 动塑比 0. 1~ 0. 4, AP I 滤失量 ∃ 15mL , 相对膨胀降低率 ( % ) #50。
( 详见 SY/ T 5062 94、 SY/ T5063 94、 SY/ T 5316 94) 。
表1
类别
钠羧甲基纤维素 ( Na CMC)
指标 项 目 蒸馏水 滤失量 ( mL) 60 ∗ 10 ∃ 6 8. 0 ∗ 1. 0 # 200 6. 0 # 15 ∃ 9. 0 盐水 90 ∗ 10 ∃ 6 # 150 14. 0 # 15 ∃ 9. 0 ∃ 7. 0 ∃ 4. 0 饱和盐水 100 ∗ 10 ∃ 6 # 160 35. 0 # 15 ∃ 8. 0 ∃ 10. 0 ∃ 6. 0
表3
项目 基浆 基浆中加 入 0. 3% 80A 51P 常温 120 ) 滚动 16h
改性沥青 : 经过改性的沥青与腐植酸钾的缩合 物。抑制、 降失水、 减摩降阻效果显著。如改性沥青 ( GL A) , 其主要性能指标为 : 视粘度 ∃ 基浆的视粘 度, API 滤失量 ∃ 12mL , 高温高压 ( 150 ) , 3. 45MPa) 滤失量 ∃ 25mL/ 30min, 相对膨胀降低率 #40% 。 沥青类产品的加量为: 1~ 3% 。 ( 2) 腐植酸钾 腐植酸钾: 页岩抑制剂 , 兼有降粘、 降滤失作用, 抗温 180 ) 。 重要指标: 相对膨胀降低率 #40% ( 腐植酸钠只 有 20~ 30% ) 。 加量: 1~ 3% 。 ( 3) 聚合物类抑制剂 聚丙烯酸钾 ( 或聚丙烯酰胺钾 , 俗称大钾 ) : 具 有抑制、 降滤失、 增粘作用。 主要技 术 指标 : 纯 度 # 75% , 水 解度 27. 0 ~ 35 0% , 钾含量 11. 0~ 15. 0% , 特性粘 度 #6. 0dl/ g , 相对膨胀降低率 #40% 。 加量: 0. 1~ 0. 3% 。 水解聚丙烯腈钾盐( K HPAN, 俗称钾盐) : 泥页 岩抑制剂, 兼有降滤失作用。抗温 150~ 180 ) 。主要 技术指标( 行业标准 SY/ T 5316 94) 见表 4。 加量: 0. 3~ 0. 5% 。
基浆 钠盐 铵盐
淡水 0. 2% 滤失量 ( mL) 盐水 1. 5% 表观粘度( mPa ∋ s) 淡水 0. 3% 滤失量 ( mL) 盐水 1. 5% 表观粘度( mPa ∋ s)
该类产品的参考加量 : 淡水泥浆 0. 3~ 1. 0% ; 盐水泥浆: 1~ 2% 。 ( 4) 淀粉类 常用的降滤失剂。在淡水、 海水和饱和盐水泥 浆中均可使用。 常用产品: 羧甲基淀粉、 接枝淀粉共聚物。 按 OCMA 标准, 4% 盐水 + 35. 0gOCMA 评价土 + 1. 0g 碳 酸氢钠 ( 基浆, API 滤失量 90 ∗ 10mL ) + 0 9% 试 样, 其 视 粘 度 应 ∃ 9. 0mPa ∋ s, 滤 失 量 ∃ 10mL; 饱和盐水 + 35. 0gOCMA 评价土+ 1. 0g 碳酸 氢钠( 基浆, API 滤失量 100 ∗ 10mL) + 1. 2% 试样, 其 视粘度应 ∃ 12. 0mPa ∋ s, 滤失量应 ∃ 10mL。 推荐加量: 淡水泥浆 0. 3~ 1. 0%, 盐水泥浆 1. 0~ 2 0% 。 ( 5) 树脂类 高温降滤失剂 ( 抗温 180~ 200 ) ) , 抗盐、 抗钙 能力较强。 常用产品 : 磺 甲基 酚 醛 树 脂、 磺化 褐 煤 树 脂 ( SP NH ) 。 产品加量为 3~ 5% 。 6 降粘剂 降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。根据其作用机
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胡继良等: 地质钻探常用钻井液材料和处理剂
第 11 卷
第5期
理的不同, 可分为分散型稀释剂和聚合物型稀释剂。 ( 1) 单宁类 主要产品有 : 单宁酸钠、 磺甲基单宁 ( SM T ) 、 磺 甲基栲胶 ( SMK) 。 ( 2) 铁铬木素磺酸盐 ( 铁铬盐 F CL S) 在淡水、 饱和盐水、 高钙钻井液中均具有良好的 稀释效果 , 抗温可达 170~ 180 ) 。 铁铬盐的缺点: 必须在较高 pH 值下使用 , 需将 钻井液的 pH 值调至 9~ 11, 不利于 孔壁稳定 ; pH 值较低时会产生大量泡沫 ; 泥饼摩擦系数较高 ; 对环 境有污染。 推荐加量: 淡水泥浆 0. 3~ 0. 5% ; 盐水泥浆 0. 5~ 2 0%。 ( 3) 聚合物稀释剂 主要是相对分子质量较低的丙烯酰胺或丙烯酸 类聚合物 , 是非分散型降粘剂。 聚合物类稀释剂具有稀释和抑制作用, 但在实际 使用中其固相承载能力和抗污染能力均较铁铬盐差。 ( 4) 腐植酸类 大多数腐植酸类产品都具有较好的稀释作用 , 如腐植酸钠、 腐植酸钾、 磺化褐煤、 硅腐植酸等 , 主要 用于不含其它泥浆处理剂的膨润土泥浆。 7 增粘剂 ( 1) 生物聚合物 主要特点: 增粘、 降失水效果显著; 抗污染能力 强, 用其配制盐水泥浆, 可有效提高泥浆的动切力 ; 与其他化学处理剂配合能抑制强粘土页岩的水化、 膨胀 ; 用量小; 抗冻性好, 可在 0 ) 以下使用。 ( 2) 羧甲基纤维素( H V CMC) ( 3) 聚合物类增粘剂 ( 80A51) 技术指标见表 3。
基浆 HV CM C M V CM C
表观粘度 ( mPa ∋ s) pH 造浆率 ( m 3 / t ) 加量 ( g/ L) 表观粘度 ( mPa ∋ s) 滤失量 ( mL) 滤失量为 加量 ( g/ L) 表观粘度 ( mPa ∋ s)
8. 0 ∗ 1. 0 8. 0 ∗ 1. 0
L V CM C
2010 年 10 月
地质装备
ห้องสมุดไป่ตู้39
淀作用。 注意 : 对泥页岩地层而言, 加入过量的烧碱 ( 即 pH 值大于 10) , 会加速泥页岩的水化膨胀 , 缩径造 浆。从防止泥页岩水化膨胀角度 , 建议使用低碱度 钻井液, pH 值不超过 9。 ( 3) 氢氧化钙、 石膏、 氯化钙 ( ( ( 无机絮凝剂及 页岩抑制剂 作用 : 提供钙离子 , 主要用于配制抑制型钻井 液。用氢氧化钙配制低钙钻井液 , 滤液中钙离子含 量为 120~ 200m g/ L ; 用石膏配制中钙基钻井液, 滤 液中钙离子含量为 300~ 500mg/ L; 用氯化 钙配制 高钙 钻 井 液 , 滤 液 中 钙 离 子 含 量 大 于 1200 ~ 4000mg/ L。 胶凝堵漏。钻井液中加入大量钙离 子, 可提高其结构粘度 和切力, 堵塞岩石的细 小裂 缝, 减少漏失。 ( 4) 氯化钠 ( ( ( 无机絮凝剂及页岩抑制剂 主要用于配制盐水钻井液。 ( 5) 氢氧化钾、 氯化钾 ( ( ( 页岩抑制剂 用于配制钾基钻井液 , 氯化钾加量一般 #4% 。 ( 6) 硅酸钠 ( ( ( 页岩抑制剂 用于配制硅酸盐泥浆 , 一般加量 3~ 5% 。 主要作用: 抑制泥页岩水化膨胀 , 可吸附在井 壁表面形成坚固的薄摸 , 防止滤液向地层渗透。 对于胶结较差的破碎及松散地层 , 具有较好的稳定 孔壁作用 ; ! 凝胶堵漏, 加入到钻井液或水泥浆中 , 可立即形成冻胶状物质。 5 降滤失剂 ( 1) 腐植酸钠、 磺化褐煤( 磺甲基化褐煤) 特点 : 具有降失水、 稀释作用; 热稳定性高 ( 抗温 200~ 230 ) ) , 抗盐能力差。 加量 : 一般为 0. 5~ 2. 0% 。 ( 2) 纤维 素 类: 主 要指 钠 羧 甲基 纤 维 素 ( Na CM C) , 有低粘、 中粘及高粘三种产品。其行业标准 见表 1。 钠羧甲基纤维素具有降滤失和增粘作用, 抗盐 能力强。 参考加量: 淡水泥浆 0. 1~ 0. 6% , 盐水泥浆 0. 5~ 1. 0%。 ( 3) 聚合物类 主要产品: 水解聚丙烯腈钠盐和水解聚丙烯腈 铵盐。该类产品是优良的降滤失剂 , 热稳定性好, 抗 温可达 200~ 230 ) 。水解聚丙烯腈钠盐 , 抗盐能力 强, 抗钙能力差 ; 水解聚丙烯腈铵盐具有降滤失、 抑 制粘土水化分散作用。该类产品的性能指标见表 2