第十一章 钻井液材料和添加剂

第十一章泥浆配浆材料和处理添加剂配浆材料是指在配浆中用量较大的基本部分，如：膨润土、水、油、加重剂。

处理添加剂是指用于改善、调节钻井液性能的化学添加剂，一般用量很少。分无机处理剂和有机处理剂两大类。国内生产的泥浆配浆材料和处理添加剂分为19类，包括粘土类、加重材料、碱类、增稠/包被剂、降滤失剂、降粘剂、页岩抑制剂、胶凝剂、润滑剂、清洁剂、发泡剂、杀菌剂、堵漏剂、解卡剂、缓蚀剂、消泡剂、乳化剂、油基泥浆添加剂、无机添加剂、及其他类。

一、粘土类

1、膨润土：

含蒙脱石不少于85%，一般要求1吨膨润土至少能配制出粘度15mPa.S的钻井液16m3,膨润土分钠膨润土和钙膨润土两种。钙膨润土需要加入纯碱转化为钠膨润土后方可使用（纯碱用量为钙膨润土的6%）。膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。用来配制水基泥浆和提高其粘度和动切力。塔里木常用的是184团土和夏子街土，这两种均为钠膨润土，一般配制6-10% 的膨润土浆就能配得较高稠度的膨润土浆。配浆水要求为氯根小于1000mg/L的淡水，配浆前还应根据水质检测的Ca2+、Mg2+含量加入适量的烧碱和纯碱来除去水中的Ca2+、Mg2+。

2、抗盐、耐高温黏土：

主要成分为海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等黏土矿物。抗盐黏土配制的钻井液，一般形成的泥饼质量不好，必须配合使用降滤失剂。主要用于盐水泥浆体系。

3、有机土：

用季铵盐类阳离子表面活性剂处理后制成的亲油膨润土。用于配制油基钻井液。

二、加重材料

1、重晶石：

重晶石是一种最普遍使用的泥浆加重材料，主要成分是粉碎得很细的硫酸钡（BaSO4）粉末, 纯净的重晶石为白色粉末状，工业产品因杂质不同而呈淡粉色、褐色、灰色、微黄色，密度4.2g/cm3，粒度97%能通过200目筛，符合API 13 A标准，用于提高水基或油基泥浆的密度，用于加重密度小于2.3g/cm3的钻井液。

2、石灰石粉：

石灰石粉是钻井泥浆、完井液、修井液可酸溶的加重材料，产品为白色粉末状，因杂质不同而略带微红和微黄色，粒度97%能通过200目筛，化学成分为CaCO3，密度2.7—2.9g/cm3，用于加重钻储层钻井液。用于配制密度＜1.68 g/cm3的钻井液和完井液。它的另一个重要作用是用做屏蔽暂堵剂，用于防止油气层损害，这时其颗粒尺寸应由产层孔隙尺寸的分布来确定。这时应为CaCO3可溶于酸，可以酸化解堵。

CaCO3 + 2H+→ H2O + CO2↑ + Ca2+

3、赤铁矿粉：

赤铁矿粉是粉碎得很细的Fe2O3矿石粉末，他是一种加重材料，化学惰性，用来提高钻井液密度，密度4.9—5.3g/cm3，可溶于酸，硬度较高，主要用于加重密度1.8—3.1 g/cm3的泥浆。因为其硬度较高，所以用赤铁矿粉加重的泥浆具有较高的冲蚀性，对钻具、套管和泵的缸套和凡尔体具有较强的研磨冲蚀作用；再有用赤铁矿粉加重的泥浆（特别是盐水泥浆）还对钢材具有较强的电化学腐蚀作用；又由于赤铁矿粉密度较高，如果用于加重的泥浆如果结构力不好或护胶不好，很可能产生沉降；赤铁矿粉具有酸溶性可用于需要酸化作业的产层。

通过大量现场实践，重晶石和赤铁矿粉配合使用，既能配得密度需求较高的钻井泥浆，又能较大幅度的减小赤铁矿粉的冲蚀性和对钢材的电化学腐蚀作用；适当提高赤铁矿粉加重的泥浆的PH值也有利于减轻其对钢材的电化学腐蚀作用。

4、钛铁矿粉：

钛铁矿粉成分TiO2·Fe2O3，密度4.5—5.1g/cm3，主要用于配制高密度钻井液。具有酸溶性，可用于需要酸化作业的产层。

5、方铅矿：

成分PbS，密度7.4—7.7g/cm3用于配制超高密度钻井液。以控制地层出现的异常高压。

6、活性重晶石：

活性重晶石是通过对普通重晶石粉颗粒表面进行化学改姓而成的一种性能更优良的重晶石；用活性重晶石加重，同等密度的泥浆将具有更好的流动性、流变参数、热稳定性和沉降稳定性（即而且密度长时间稳定）；活性重晶石用于超高密度的钻井液加重，实验室中最高可加重至3.00 g/cm3而具有较好的流变性。现场应用一般可加重至2.60 g/cm3而具有较好的流变性。

三、碱类

1、烧碱

烧碱又称火碱或苛性钠，乳白色晶体，密度为2-2.2 g/cm3；极易溶于水，溶解时放热，水中溶解度随着温度的升高而增大，水溶液呈强碱性（PH值为14），烧碱容易吸收空气中水分和CO2，并和CO2反映生产碳酸钠（纯碱），存放时应注意防潮加盖。它在钻井液中主要用于调节控制钻井液PH值，可用于控制钙处理钻井液中Ca2+浓度，还可以用于增加钻井液中膨润土的分散度，烧碱还能增强泥浆中化学添加剂的处理效果（大部分泥浆处理剂在碱性条件下效果为佳PH值8-10）。它对人体器官和皮肤具有灼烧性，对金属有腐蚀性。

2、氢氧化钾

氢氧化钾为白色半透明晶体，呈块状或颗粒状，极易溶于水，溶解时放热，水溶液呈强碱性（碱性比烧碱更强），容易吸收空气中水分和CO2，并和CO2反映生产碳酸

钾，存放时应注意防潮加盖。它在钻井液中主要用于调节控制钻井液PH值和提供钾离子，钾离子对膨润土的水化分散具有很强的抑制性。它一般用于高密度情况下需对膨润土含量控制要求较高的泥浆中。他对人体器官和皮肤具有灼烧性，对金属有腐蚀性。

3、纯碱

纯碱化学名称为碳酸钠（Na2CO3），俗称又名大苏打，无水碳酸钠为白色粉末，比重2.5 g/cm3；易溶于水，在接近36℃时溶解度最大，水溶液呈碱性（PH≈11.5），在空气中易吸收水分结成结晶体硬块。存放时要注意防潮。

纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙质膨润土转化为易水化的钠质膨润土：

Ca-膨润土 + Na2CO3 = Na-膨润土 + CaCO3↓

从而有效的改善膨润土的水化分散性能；因此，加入适量的纯碱能使新浆失水下降，粘度、切力上升，但过量的纯碱要产生压缩双电层的聚结作用，反而使失水增大，而且造成碳酸根污染；其适合的加量要通过造浆实验来确定。此外，由于CaCO3↓溶解度极小，在钻水泥赛和泥浆受到钙侵时，可以加入适量的纯碱来除钙。

含羧基钠官能团（-COONa）的有机处理剂因钙侵或钙离子浓度较高而导致其处理效果下降时，一般可以加入少量的纯碱来除钙恢复其作用。

4、小苏打

碳酸氢钠又名小苏打或食用苏打，能用于去除泥浆中的钙离子和调节泥浆的PH 值，主要用于钻水泥赛时对泥浆进行预处理和处理水泥污染。

5、生石灰

生石灰是氧化钙，吸水后反应生成熟石灰（氢氧化钙，化学成分Ca（OH）2），常温下在水中溶解度不大，为0.16%，温度升高溶解度降低。石灰可以提供钙离子，控制膨润土的分散能力使之保持适度的粗分散；配合稀释剂和降失水剂进行钙化处理，可得性能比较稳定，对可溶性盐侵污不敏感、对硬脆性泥岩和页岩防塌性能较好的钙处理泥浆；在油包水乳化钻井液中，CaO用于使烷基苯磺酸钠等乳化剂转化为烷基苯磺酸钙，并调节pH值。但石灰浆在高温情况下可能产生固化，因此超深井和异常高温的井慎用，且必须做好抗高温老化实验。

石灰还可以用于配制石灰乳堵漏剂。

四、增稠/包被剂

1、部分水解聚丙烯酰胺（PHPA）

部分水解聚丙烯酰胺是一种白色水溶性聚合物粉末或水溶液，主要用于做水基钻井液的增稠剂、包被剂。它可以直接加入钻井液，但最好配成0.5%-1%的水溶液使用。水解聚丙烯酰胺产品可分为两种：分子量为3×106的常规产品和分子量（8-12）106的高分子量产品。高分子量产品有更强的包被和增稠效果。

PHPA(部分水解聚丙烯酰胺)钻井液以独特的抑制性，被广泛应用于易造浆的泥岩、水敏性页岩、石灰岩地层。PHPA钻井液能保持良好的井眼轨迹，避免发生井下复