钻井液用降粘剂性能及发展分析

钻井液用降粘剂性能及发展分析

李艳芳1李晓娟2邓玉芝3

（1.大港油田化学有限责任公司，天津大港300280 2.大港油田化学有限责任公司，天津大港300280 3.大港油田化学有限责任公司，天津大港300280 ）摘要：介绍了目前市场上钻井液用降粘剂发展情况和处理剂的变化趋。将钻井液用降粘剂进行种类划分，包括产品主要原材料、产品名称、主要用途等进行了统计，并对处理剂的降粘机理、分子结构设计进行了综合分析，同时预测了处理剂的发展趋势。结果表明，研究并应用新型无毒、无污染能够替代铁铬盐使用的降粘剂仍然非常必要，对有效维护钻井液流变性、推广应用钻井液体系具有重要的意义。

关键词：降粘剂机理结构

前言

20世纪80年代初期使用的降粘剂仅有8种,年用量为14644.5t,以木质素类和单宁栲胶类为主,分别占总用量的80.9%和18.3%。1985年以后,低固相聚合物钻井液全面推广应用,进人20世纪90年代后具有强抑制性能的两性离子聚合物钻井液降粘剂XY-27研制成功并推广应用。使得单宁栲胶类和木质素类在总用量中的比重分别降为10.5%和74.4%。

20世纪90年代初石油工作者开始研制用于降低钻井液(特别是淡水钻井液)粘度的新型无毒降粘剂，即栲胶（栲胶碱液稀释剂）。它们在浅井低温淡水钻井液中使用效果好,但基本上不能消除聚合物之间及聚合物与粘土之间相互作用产生的提粘效应。

目前国内外钻井液降粘剂品种较多，按原料划分，主要有两大类。第一类是应用天然产物例如木质素、褐煤、栲胶等进行改性、接枝而成，由于资源丰富、价格低廉得到了广泛应用。如：目前国内有铁铬盐、磺化栲胶、铁锡栲胶—木质素磺酸盐、钻井液降粘剂单宁酸钾、木质素磺酸盐与AA的接枝产品等产品。铁铬木质素磺酸盐(FCLS)和磺化栲胶(SMK)是最常用的钻井液降粘剂。但由于FCLS含有有毒金属铬，对环境造成的污染问题已越来越引起人们的重视。因而油田已禁止使用FCLS。而SMK虽然具有较高的抗温能力，但抗盐能力弱，一般适用于深井淡水泥浆。因此，研制新型抗温抗盐能力强的无重金属的新型钻井液降粘剂一直是国内外的热门课题。

第二类是合成聚合物类降粘剂。自上个世纪八十年代以来国内外对该类

降粘剂开展了广泛的研究，主要以各种阴离子、非离子及阳离子单体为原料聚合而成，如XY-27等。合成聚合物类降粘剂不管从产品抗污染性能上，还是处理剂配伍、抗固相容限量方面，都比较弱，一般只用于聚合物钻井液体系，这是合成聚合物类降粘剂的缺陷。

一、降粘剂的作用机理

钻井液增稠主要归结于两个因素：一是钻屑的侵入并分散，引起固相含量的增加，导致体系增粘。这种情况无法用降粘剂来调整粘度，只能通过调整固相含量或加水的办法来解决。另一个因素是体系内网状结构的形成。钻井液中粘土矿物的晶片边缘，由于破碎作用而产生一些“断键”，这些部位都具有一定的“活性”，使粘土颗粒平面带负电、端面带正电，它们之间互相接触，在粘土颗粒之间形成边一边、边一面相联的空间网状结构。

降粘剂的降粘机理是集中在保护粘土颗粒边缘的这些“活性点”，增强该处的负电效应，使体系无法形成网架结构。对已形成的网架结构，也随着因吸附降粘剂而在运动中被解体拆散。关于粘土颗粒对降粘剂的吸附，一般有两种推测：一类是以聚磷酸盐为代表的降粘剂(如六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠等)。它们电离后，这些盐的大量负离子吸附于粘土颗粒边缘铝的位置上，从而形成负电保护。另一类是以栲胶、单宁和铁铬木质素磺酸盐为代表。含有多个苯羟基或苯氧基，它们可与粘土颗粒边缘的铝原子在断键的位置上产生配位吸附，这种降粘机理可称为负电保护粘土边缘作用，这类降粘作用都不可避免地会发生分散粘土的效果，故这类降粘剂往往又可称为分散剂。

在粘土——水系统中，粘土颗粒由于破键和晶格内置换等原因而带负电，它对水化阳离子的吸附随着粘土与阳离子之间的距离增大而减弱，又由于水化阳离子本身的热运动，因此，粘土表面阳离子的吸附不可能整齐地排列在一个面上，而是随着与粘土表面距离增大，阳离子分布由多到少。如图l所示。

图1 双电层示意图

在外电场作用下，粘土质点与一部分吸附牢固的水化阳离子(BB面以内)随粘土质点向正极运动，这一层称为吸附层；而另一层水化阳离子不随粘土质点运动，向负极移动，这层称为扩散层。因为吸附层与扩散层各带有相反的电荷，所以相对移动时两者之间存在着电位差，称为电动电位或ζ电位。在粘土－水系统中，ζ电位越高，粘土胶粒之间的排斥力越大，从而泥浆的粘度减小而流动性增加。

阳离子的影响

对于降粘剂中阳离子的水化能力来说，一价离子大于二价离子，二价离子大于三价离子，其吸附能力则正好相反。当降粘剂加入泥浆以后，由于一价离子(除H＋外)吸附能力弱，进入胶团的吸附层离子数较少，整个胶粒呈现的电荷较多。又因为一价离子的水化能力较强，使胶团的扩散层增大，水化膜加厚，促使系统ζ电位增加，泥浆流动性增强。此外，降粘剂的阴离子能与粘土颗粒上的有害离子(如Ca2+、Mg2+)作用会生成难溶盐或稳定的络合物，并能促进K+的交换作用，生成更多的K粘土，也会改善泥浆流动性。

pH值的影响

粘土——水系统中的粘土颗粒，一般带有负电。若分散介质的pH值发生变化，则粘土颗粒所带的电荷也能改变，即在酸性介质中也可以带正电荷。如果加入稀释剂把系统变成碱性的，则可防止颗粒表面因带不同电荷而互相吸引导致聚沉。相反使颗粒都带负电荷，或者起着中和正电荷的作用，使斥力加大，ζ电位增加，促使泥浆稀释，流动性增大。

降粘剂加量的影响

降低泥浆粘度与降粘剂的加入量有关。稀释剂加入量过少，不能充分置

换粘土中吸附的阳离子；若加入量过多，泥浆中阳离子的浓度过高，中和粘土胶团的负电荷，从而ζ电位下降，泥浆流动性降低。因此降粘剂加入量应控制在一定范围内，经过生产实践证明选用降粘剂的加量。分散类用量为0.5％～2％，聚合物及能生成保护胶体的有机类用量为0.3％～1％。

由于降粘剂主要在粘土颗粒的端面起作用，因此与降滤失剂相比，其用量一般较少。当加大其用量时，也会在一定程度上起降滤失的作用。这是由于随着结构的拆散和钻土颗粒双电层斥力和水化作用的增强，有利于形成更为致密的泥饼。

二、降粘剂分子结构设计

从钻井液降粘剂的作用机理出发，研发抗高温、抗盐优良的钻井液新型降粘剂的分子结构应具备以下条件：

1、分子链具有高的负电荷密度，同时具备一定的分子量。以保证在粘土的颗粒表面和断键边缘形成多点吸附，增加吸附强度，又给粘土颗粒表面和断键边缘带来高的负电荷密度，阻止网架结构的形成。另外，高的负电荷密度产生的静电力使分子伸展，使起作用的基团充分暴露，较柔顺的分子链使氢键或螯合作用更容易发生；

2、具有高温稳定性。分子链的主链应该由—C—C—、—C—N—、—C—S—和C等价键（基团）组成，或者在侧基上有较大的基团，提高抗高温能力；

-和-COO-基团。分子侧链上引入

3、具有抗高温、抗盐性，分子中含有-SO

3

-，因为磺酸基团对盐不敏感，因此具有良好的抗温、抗亲水能力较强的-SO

3

盐能力，尤其是抗高价金属离子的能力。而-COO-基团，它对Ba2+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cu2+等离子具有较强的螯合能力，从而会达到分散的目的；

4、具有合适的分子量。分子量过小不能形成多点吸附，分子量过大会引起钻井液的稠化，一般在1000～50000之间；

5、含有适量的阳离子基团。能与负电性的粘土粒子发生正、负电荷的静电吸附，具有一定的抑制性，以降低粘土进一步分散。

三、钻井液用降粘剂发展趋势