钻井液配浆原材料与处理剂.ppt
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1、,第五章 钻井液原材料与处理剂,蔡记华,第五章 钻井液原材料与处理剂,上一内容,下一内容,回主目录,返回,本章要点: 1、钻井液配浆原材料与常见处理剂有哪些; 2、钻井液加重剂的用量计算; 3、钻井液常用处理剂作用机理,随着钻井液体系的不断更新,配浆原材料和处理剂的品种也在不断地增加,处理剂的性能、质量和技术水平实际上代表了钻井液工艺技术的发展水平。,钻井液配浆原材料是指在配浆中用量较大的基本组分,处理剂则是指用于改善和稳定钻井液性能,或为满足钻井液某种性能需要而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核心组分,往往很少的加量就会对钻井液性能产生极大的影响。,钻井液处理剂的分类方法: 第一类分类方法
2、是按其组成分类。通常分为钻井液原材料、无机处理剂、有机处理剂和表面活性剂四大类。 其中无机处理剂又可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐和混合金属层状氢氧化物(即正电胶)类等。 有机处理剂按其来源通常可分为天然产品、天然改性产品和有机合成化合物;按其化学组分又可分为下列几类:腐植酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类和聚合物类等。,第二类分类方法是按其在钻井液中所起的作用或功能分类。我国钻井液标准化委员会根据国际上的分类法,并结合我国的具体情况,将钻井液配浆材料和 处理剂共分为以下16类,即(1)降滤失剂;(2)增粘剂;(3)乳化剂,使油水乳化产生乳状液;(4
3、)页岩抑制剂 ;(5)堵漏剂;(6)降粘剂;(7)缓蚀剂;(8)粘土类;(9)润滑剂;(10)加重剂;(11)杀菌剂;(12)消泡剂;(13)泡沫剂;(14)絮凝剂;(15)解卡剂;(16)其它类等。,这16类处理剂所起的作用各不相同,但在配制和使用钻井液时,并不同时使用这些处理剂,而仅仅根据需要使用其中的几种。有时,一种处理剂在钻井液中同时具有几种作用。例如,有的降失水剂同时兼有增粘或降粘作用,絮凝剂同时兼有增粘剂的作用等。 本章将以上两种分类方法结合起来,除介绍常用的配浆原材料和无机处理剂外,重点介绍几类重要的有机处理剂,即降粘剂、降滤失剂、页岩抑制剂、絮凝剂和堵漏剂等。,实验指导书,推荐
4、参考书,油田化学品,张光华,顾玲主编北京:化学工业出版社,2005,656页; 油田化学品实用手册,王中华,北京:中国石化出版社,2010; 钻井液及处理剂评价手册,穆剑主编北京:石油工业出版社,2007.11,502页; 钻井液处理剂及其作用原理,王平全、周世良编著北京:石油工业出版社,2003,312页,美国世界石油(World Oil)每年6月出版的杂志都刊登一版世界石油钻井液、完井液和修井液指南(World Oils Guide of Drilling Fluids and Work over-completion)。其内容是按开头字母顺序排列的全世界钻井液、完井液产品综合表,包括生产
5、厂家的名称、产品的商业名称、主要成分和主要使用体系及主要用途等。,第一节 钻井液配浆原材料,一、粘土类 膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。有的文献将膨润土定义为具有蒙脱石的物理化学性质,含蒙脱石不少于85的粘土矿物。评价膨润土好坏的标准是造浆率,即每吨膨润土可以配制粘度为15mPas的钻井液的体积数,m3。一般要求1 t膨润土至少能够配制出粘度为15mPas的钻井液16m3。钠膨润土的造浆率一般较高,而钙膨润土则需要通过加入纯碱使之转化为钠膨润土后方可使用。目前我国将配制钻井液所用的膨润土分为三个等级:一级为符合API标准的钠膨润土;二级为改性土,经过改性符合OCMA标准要求;三级为较次的配浆
6、土,仅用于性能要求不高的钻井液。,由于无机盐对膨润土的水化分散具有一定的抑制作用,因此膨润土在淡水和盐水中的造浆率不同,盐水造浆率一般要低一些。将膨润土先在淡水中预水化,然后再加入盐水中,可以提高其在盐水中的造浆率。 膨润土在淡水钻井液中具有以下作用: 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。,海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石是较典型的抗盐、耐高温的粘土矿物,主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液。用抗盐粘土配制的钻井液一般形成的泥饼质量不好,滤失量较大。因此,必须配合使用降滤失剂。海泡石有很强的造浆能力,用它配制
7、的钻井液具有较高的热稳定性。此外,海泡石还具有一定的酸溶性(在酸中可溶解60左右),因此,在保护油气层的钻井液中,还可用做酸溶性暂堵剂。在我国,由于目前这几种抗盐粘土的矿源相对较少,因此在钻井液中的应用尚不普遍。 有机土是由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土。有机土可以在油中分散,形成结构,其作用与水基钻井液中的膨润土类似。,二、加重材料 1常用的钻井液加重材料 加重材料又称加重剂,由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。为了对付高压地层和稳定井壁,需将其添加到钻井液中以提高钻井液的密度。加重材料应具备的条件是自身的密度大,磨损性小,易粉碎;并且应属于惰性物质,既不溶于钻井
8、液,也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。 钻井液的常用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,经过机械加工后而制成的灰白色粉末状产品。按照API标准,其密度应达到4.2g/cm3,粉末细度要求通过200目筛网时的筛余量3.0。重晶石粉一般用于加重密度不超过2.30 g/cm3的水基和油基钻井液,它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。,(2)石灰石粉(Limestone) 石灰石粉的主要成分为CaCO3,密度为2.72.9 g/cm3。易与盐酸等无机酸类发生反应,生成CO2、H2O和可溶性盐,因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用,以减轻
9、钻井液对产层的损害。但由于其密度较低,一般只能用于配制密度不超过1. 68 g/cm3 的钻井液和完井液。 (3)铁矿粉(Hematite)和钛铁矿粉(Ilmenite) 前者的主要成分为Fe2O3,密度4.95.3 g/cm3;后者的主要成分为TiO2Fe2O3,密度4.55.1 g/cm3。均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均大于重晶石,故可用于配制密度更高的钻井液。此外,由于铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性,因此可应用于需进行酸化的产层。 由于这两种加重材料的硬度约为重晶石的两倍,因此耐研磨,在使用中颗粒尺寸保持较好,损耗率较低。但另一方面,对钻具、钻头和泥浆泵的磨损也较为严重。在我国
10、,铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。,(4)方铅矿粉(Galena) 方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末,一般呈黑褐色。由于其密度高达7.47.7 g/cm3,因而可用于配制超高密度钻井液,以控制地层出现异常高压。由于该加重剂的成本高、货源少,一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方铅矿,配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液。,2加重材料用量的计算 以重晶石为例,对于某一给定的钻井液体系,确定加重材料用量的方法。加重前、后的体积关系可用下式表示:,式中,V1、V2、VB:分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶石的体积,mB
11、,B为重晶石的质量和密度。与此同时,钻井液在加重前、后的质量关系,其中:l和2分别为加重前、后的钻井液密度。 由式(2),mB2V2-lVl,将其代入式(1)可得到V2的计算,求出V2后,重晶石用量可由下式求得: mB=(V2-V1) B (4),(1),(2),(3),然而有时因受现场泥浆池容积的限制,加重前必须排掉一部分钻井液,或者希望在加重之前先排掉一部分不加重钻井液,这样就不会造成加重剂的浪费,这种情况下,首先根据加重后可以容纳的体积V2,用下式求出应保留的原浆的体积:,然后仍用式(3)求出重晶石的用量。,(5),如:用重晶石(B=4.2g/cm3)把200 m3钻井液由密度1=1.1
12、0g/cm3加重到2=1.50g/cm3,并且每100kg重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过度增稠,试求: 若最终体积无限制,需加入重晶石多少吨? 若最终体积为200 m3,需加入重晶石多少吨,放掉钻井液多少方?,最终体积无限制,需加入重晶石133.8吨。 最终体积为200 m3,需加入重晶石110吨,放掉钻井液36方。,第一节 钻井液配浆原材料,三、配浆水和油 水是配制各种钻井液都不可缺少的基本组分。 实践证明,钻井液性能与配浆水的性质密切相关。多数情况下,为节约成本,都是就地取材,但是地区不同水质相差很大,水中的各种杂质、无机盐类、细菌和气体等对钻井液的性能有很大影响。 例如:无机盐:会
13、导致膨润土的造浆率降低,以及钻井液的滤失量增大;细菌:淀粉类处理剂发酵,聚合物处理剂容易降解,细菌的大量繁殖还会对油气层造成损害;气体的存在则会加剧钻具的腐蚀等。二氧化碳的气蚀、碳酸腐蚀等。因此,配制钻井液时必须预先了解配浆水的水质,不合格的水需经过适当处理后才能使用。,原油、柴油和低毒矿物油也是配制钻井液时常用的原材料。在油基钻井液中,常选用柴油和矿物油作为连续相。在水基钻井液中,也常混入一定量的原油或柴油,以提高其润滑性能,并起降低滤失量的作用。 在使用过程中,应注意油品的粘度不宜过高,否则钻井液的流变性不易调控。 此外,还应考虑油品的价格和对环境可能造成的影响。 对于探井,应考虑其荧光度
14、对油气显示的影响。,第二节 钻井液的酸碱度,1、增加钻井液中粘土的分散程度 2、适当控制Ca2+、Mg2+等离子的存在状态 3、减轻钻具腐蚀,铁的活性比氢强,容易与氢离子发生反应造成腐蚀 4、一些处理剂的要求,在弱碱性状态才能充分发挥作用。,钻井液的酸碱性直接影响钻井液中粘土的分散程度、处理剂的性能发挥,以及Ca2+、Mg2+等离子的存在状态等,另外,钻井液的酸碱性与它的流变性和对钻具的腐蚀性密切相关。 钻井液的pH值一般保持在810之间,弱碱性,为什么?,第三节 无机处理剂,一、常用的无机处理剂 1纯碱 学名碳酸钠,又称苏打粉,分子式为 Na2CO3。白色粉末,密度为2.5g/cm3,易溶于
15、水。易吸潮结块,注意防潮,水溶液呈碱性(pH值为11.5), 在水中容易电离和水解。其中电离和一级水解较强,所以纯碱水溶液中主要存在Na+、CO32 、HCO3和OH离子,其反应式为: Na2CO32Na+CO32 CO32+H2OHCO3+OH 纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙粘土变为钠粘土,即 Ca粘土+Na2CO3Na粘土+CaCO3,作用: 改善粘土的水化分散性能,因此加入适量纯碱可使新浆的滤失量下降,粘度、切力增大。 过量的纯碱会导致粘土颗粒发生聚结,使钻井液性能受到破坏。 在钻水泥塞或钻井液受到钙侵时,加入适量纯碱使Ca2+沉淀成CaCO3,从而使钻井液性能变好,即含羧钠基官能团(
16、COONa)的有机处理剂在遇到钙侵(或Ca2+浓度过高)而降低其溶解性时,一般可采用加入适量纯碱的办法恢复其效能。,2烧碱 烧碱即氢氧化钠,分子式为NaOH。 特性:外观乳白色晶体,密度2.02.2g/cm3,易溶于水,溶解时放出大量的热。水溶液呈强碱性。烧碱容易吸收空气中的水分和二氧化碳,并与二氧化碳作用生成碳酸钠,存放时应注意防潮加盖。 作用: a. 主要用于调节钻井液的pH值; b. 与丹宁、褐煤等酸性处理剂一起配合使用,使之分别转化为丹宁酸钠、腐植酸钠等有效成分 ; c. 还可用于控制钙处理钻井液中Ca2+的浓度等。,3石灰 生石灰即氧化钙,分子式为CaO。吸水后变成熟石灰,即氢氧化钙
17、Ca(OH)2 。 特性:在水中的溶解度较低,常温下为0.16,其水溶液呈碱性。并且随温度升高溶解度降低。 作用: a. 在钙处理钻井液中,石灰用于提供Ca2+,以控制粘土的水化分散能力,使之保持在适度絮凝的状态; b. 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。 注意事项:在高温条件下石灰钻井液可能发生固化反应,使性能不能满足要求,因此在高温深井中应慎用。此外,石灰还可配成石灰乳堵漏剂封堵漏层。,4、石膏 石膏的化学名称为硫酸钙,分子式为CaSO4。有熟石膏(CaSO42H2O)和无水石膏(CaSO4)两种。 特性:石膏是白色粉末,密度为2.31
18、2.32gcm3。常温下溶解度较低(约为0.2),但稍大于石灰。40以前,溶解度随温度升高而增大;40以后,溶解度随温度升高而降低。吸湿后结成硬块,存放时应注意防潮。 作用:在钙处理钻井液中,石膏与石灰的作用大致相同,都用于提供适量的Ca2+。其差别在于石膏提供的钙离子浓度比石灰高一些,此外用石膏处理可避免钻井液的pH值过高。,5. 氯化钙 氯化钙的分子式为CaCl2, 特性:无水氯化钙的吸水性极强,通常含有六个结晶水。其外观为无色斜方晶体,密度为1.68 gcm3,易潮解,且易溶于水(常温下约为75)。溶解度极大。 作用:其溶解度随温度升高而增大。在钻井液中,CaCl2主要用于配制防塌性能较
19、好的高钙钻井液。用CaCl2处理钻井液时常常引起pH值降低。,分类:,Ca2+,6氯化钠 氯化钠俗名食盐,分子式为NaCl 特性:为白色晶体,常温下密度约为2.20gcm3。纯晶不易潮解,但含MgCl2和CaCI2等杂质的工业食盐容易吸潮。常温下在水中的溶解度较大(20时为36.0g100g水),且随温度升高,溶解度略有增大。 作用:食盐主要用于配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液,以防止岩盐井段溶解,并抑制井壁泥页岩水化膨胀。此外,为保护油气层,还可用于配制无固相清洁盐水钻井液,或作为水溶性暂堵剂使用。,7氯化钾 氯化钾的分子式为KCl。 特性:外观为白色立方晶体,常温下密度为1.98 gcm3,
20、熔点为776。易溶于水,且溶解度随温度升高而增加。 作用:KCl是一种常用的无机盐类页岩抑制剂,具有较强的抑制页岩渗透水化的能力。若与聚合物配合使用,可配制成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。与聚合醇配和使用,能够明显提高聚合醇的防塌能力,另外,钾离子的防塌能力与阴离子有关。,8硅酸钠 硅酸钠俗名水玻璃或泡花碱,分子式为Na2OnSiO2,式中n称为水玻璃的模数,即二氧化硅与氧化钠的分子个数之比。n值越大,碱性越弱。n值在3以上的称为中性水玻璃,n值在3以下的称为碱性水玻璃。 分类:水玻璃通常分为固体水玻璃、水合水玻璃和液体水玻璃等三种。 现场使用的水玻璃的密度为1.51.6g/cm3,pH
21、值为11.512,能溶于水和碱性溶液,能与盐水混溶,可用饱和盐水调节水玻璃的粘度。水玻璃在钻井液中可以部分水解生成胶态沉淀,该胶态沉淀可使部分粘土颗粒(或粉砂等)聚沉,从而使钻井液保持较低的固相含量和密度。水玻璃对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用,故有较好的防塌性能。,当水玻璃溶液的pH值降至9以下时,整个溶液会变成半固体状的凝胶。利用这一特点,可以将水玻璃与石灰、粘土和烧碱等配成石灰乳堵漏剂,注入已确定的漏失井段进行胶凝堵漏。因此,水玻璃是一种堵漏剂。 此外,水玻璃溶液遇Ca2+、Mg2+和Fe3+等高价阳离子会产生沉淀。所以,用水玻璃配制的钻井液一般抗钙能力较差,也不宜在钙处理钻井液中使用
22、。但它可在盐水或饱和盐水中使用。研究表明,利用水玻璃这个特点,还可使裂缝性地层的一些裂缝发生愈合或提高井壁的破裂压力,从而起到化学固壁的作用。 硅酸盐钻井液是最重要的防塌钻井液体系之一,在国内外应用中均取得很好的效果。配制硅酸盐钻井液的成本较低,且对环境无污染。 SPE 35059,亦可参考中国期刊网上其他文献。,9混合金属层状氢氧化物 混合金属层状氢氧化物(简称为MMH)由一种带正电的晶体胶粒所组成,常称为正电胶。 对粘土水化有很强的抑制作用,与膨润土和水所形成的复合体具有独特的流变性能。,第三节 无机处理剂,二、无机处理剂在钻井液中的作用机理 1离子交换吸附 主要是粘土颗粒表面的Na+与C
23、a2+之间的交换。 通过Na+浓度的增加,使之能够与钙蒙脱土颗粒表面的Ca2+发生交换,从而使粘土的水化和造浆性能提高,分散成更小的颗粒,表现为钻井液的粘度、切力升高,滤失量降低; 相反地,若在分散钻井液中加入适量Ca(OH)2和CaSO4等处理剂,随滤液中Ca2+浓度的提高,一部分Ca2+会与吸附在粘土颗粒上的Na+发生交换,致使钻井液体系转变为适度絮凝的粗分散状态,从而控制粘土的水化与分散。,每种钻井液体系均有其合理的pH值范围。然而在钻进过程中,钻井液的pH值会因发生盐侵、盐水侵、水泥侵和井壁吸附等各种原因而发生变化,其中pH值趋于下降的情况更为常见。因此,为了使钻井液性能保持稳定,应随
24、时对pH值进行调整。 添加适量的烧碱等无机处理剂是提高pH值的最简单的方法,而使用酸式焦磷酸钠(SAPP)、CaSO4或CaCI2等无机处理剂时,则会使钻井液的pH值有所下降。,2调控钻井液的pH值,如果有过多的Ca2+或Mg2+侵入钻井液,将会削弱粘土的水化和分散能力,破坏钻井液的性能。此时,可先加入适量烧碱除去Mg2+,然后用适量纯碱除去Ca2+。 这种沉淀作用还可用来使某些因受到污染而失效的有机处理剂恢复其作用。例如褐煤碱液和水解聚丙烯腈,如遇钙侵会分别生成难溶于水的腐植酸钙和聚丙烯酸钙。此时,可以加入适量纯碱,使上述处理剂恢复其作用效果,这是由于所生成的CaCO3的溶解度比腐植酸钙和聚
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