油田化学赵雄虎 第四章第一节_第三章油田化学
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第一节 钻井液原材料
配制钻井液时所用的各种物质称为钻井液材料，其中包括原材料及处理剂。
钻井液原材料是指那些用于配浆、用量较大构成钻井液的基本组分，比如膨润土、水、油和重晶石等。
处理剂是指那些用于改善和稳定钻井液性能或为满足钻井液某种特殊需要而加人钻井液中的化学添加剂。比如水解聚丙烯酰胺，羧甲基纤维素等。
一、钻井液材料的分类
钻井液材料种类繁多，为了使用和研究的方便，有必要对它们予以分类。目前基本上有以下两种分类方法。
第一类分类方法是按钻井液材料的化学性质和组成分类。
(1)钻井液原材料：粘土、水、油、加重材料等。
(2)无机处理剂：凡是用于钻井液的无机化学药剂均可划入此类。按其它化学组分的不同尚可分为氯化物、硫酸盐、碱类、碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐和重铬酸盐等。应该还包括混层金属氢氧化物，即正电胶类。
(3)有机处理剂：凡是用于钻井液的有机化合物均属此类。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：腐殖酸类、纤维素类、木质素类、丹宁酸类、丙烯酸盐类、沥青类、淀粉类和其它高聚物类，包括复合离子和阳离子聚合物。
(4)表面活性剂：阴、阳、非、两性离子表面活性剂。
这种方法容易掌握其主要组分和性质，一般常为钻井液研制单位和专业技术人员所使用。
第二类分类方法是按材料在钻井液中所起的作用或功能分类。
在1986年以前，国外把钻井液材料分为16大类，得到了美国石油学会（API）和国际钻井承包商协会（IADC）的认可，但各钻井液专业公司还另有自己的分类方法。依据我国国情并便于与国际接轨，吸取了国外分类方法的特点，于1986年经原中国石油天然气总公司钻井液标准化委员会研究决定把钻井液材料按在钻井液中的作用分为16类。
（1）降滤失剂：Filtration reducer: 减少钻井液的液相向地层渗漏，褐煤、沥青、淀粉、CMC、聚丙烯酰胺类等。
（2）增粘剂：Viscosifier：提高钻井液的粘度及切力，使其具有适宜的流变性及悬浮能力。膨润土、水浮性聚合物、XC等。
（3）乳化剂：emulsifier：使油水乳化产生乳状液。
（4）页岩抑制剂：shale inhibitor：抑制泥岩水化、膨胀和坍塌，沥青、KCL、KOH、CaCL2、阴、阳离子聚合物。
（5）堵漏剂：Lost circulation materials 防止钻井液漏失进入地层，果木壳、云母、矿渣、DF-1（单向压力封闭剂）。
（6）降粘剂：thinner：降低体系的粘度和切力，使其具有合适的流变性，木质素磺酸盐类、褐煤类、丹宁或栲胶、聚丙烯酸盐。
（7）缓蚀剂：corrosion inhibitor 防止或减轻井下管柱和钻具腐蚀。胺类：以以成膜胺类为主，季胺盐醇胺、非胺类、磷酸酯、锌的碱式盐、氧化铁粉。
（8）粘土类：clay：主要用于提粘降失水、膨润土、海泡石、有机土。
（9）润滑剂：lubricant：减少钻具与井壁的摩擦阻力，降低扭矩，减少磨损和提高有效马力，减少卡钻风险。动植物油改性。
（10）加重剂：weighting agent：调节钻井及完井液密度以控制液柱压力，重晶石、铁矿粉、石灰石。
（11）杀菌剂：bactericide：抑制多糖类聚合物的发酵及因细菌活动引起多胺类、季胺盐、醛类的腐蚀作用。
（12）消泡剂：defoamer：消除循环过程中产生的泡沫，低级醇（辛醇、异丁醇）、聚醚。
（13）泡沫剂：foaming agent：用于钻井液中配制稳定泡沫。
（14）絮凝剂：flocculatant：提高钻井液切力，同时减少钻井液中的微小AlCl3等，PAM、HPAM颗粒，防止钻屑分散。
（15）解长剂：pipe-freeing agent ：抑制岩石矿物膨胀，降低磨阻增加润滑性使钻柱恢复活动。
（16）其它：others（包括无机处理剂）。这种分类法的优点是可以让使用者按需采购，适应性较强，多为钻井液公司及生产厂家所采用。
十六类处理剂各有各的作用，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几种。另外，一个处理剂在钻井液中同时具有几种剂的作用。比如说：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作用等等。
二、钻井液原材料
第一类分类方法中的钻井液原材料包括粘土类、加重剂类和其他类的油和水等。它们的主要作用如下：
（1）形成较稳定的胶体；
（2）接受各种化学剂处理，进一步改善钻井液性能，满足钻井液各种需要；（3）在井壁上形成泥饼，减少滤失量，稳定井壁；（4）形成钻井液的粘度、切力、悬浮固相，携带钻屑；（5）调节钻井液密度，控制地层压力． 1．粘土
在钻井液中大量使用的粘土为膨润土Bentonite。
Grim和Niiren将膨润土定义为任何一种具备蒙脱石的物理性质，其成分以蒙脱石矿物为主的粘土矿物。
膨润土也曾被定义为含有不少于85%蒙脱石的细颗粒粘土矿物。（1）钠膨润土及钙膨润土
是配制水基钻井液的基础原料。其主要矿物成分是蒙脱石。一般要求1吨土可配制粘
3度为15mPa.S的钻井液 16 m。钠膨润土的造浆率较高，而钙膨润土则需要经过改造处理才能使用。目前我国把水基钻井液工艺技术所用的土分为三个等级： 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（Oil ComPany’ Materialsl Aociation）标准要求；
三级为较次的配浆土,仅用于性能要求不高的钻井液,如堵漏用的钻井液等。膨润土加人淡水或淡水钻井液里，有下列一个或多种作用: ①提高井眼的清洁能力；
②减少水渗人或滤失到渗透性地层;③形成低渗透率的薄泥饼;④在胶结不良的地层里，改善井眼的稳定性;⑤为了避免或防止井漏。（2）抗盐粘土
包括海泡石、凹凸棒石及坡缕搞石，是铝和镁的水硅酸盐。其晶体构造为纤维状或棒状。
特点：抗盐且抗高温，在盐水甚至饱和盐水中亦能配出具有相当粘切的钻井液，要求3造浆率达到 12～16 m／T，常用来钻盐岩层。海泡石钻井液具有较高的耐温特性，热稳定性好，其晶体结构在350℃高温下仍无变化。故常用来打地热井或超深井。其缺点是滤失量大，必须配合滤失量降低剂才能使用。
（3）有机土
有机土是由膨润土或凹凸棒石制备的。将有机阳离子表面活性剂添加到粘土悬浮液中以铵基取代粘土表面钠、钙等阳离子，同时以碳氢链替换先前吸附的水分子，这样粘土再也不被水湿润，所以就沉淀出来。经分离，冲洗与干燥而成有机土。通过阳离子交换过程亲水粘土与脂肪胺盐和季铰盐或碱反应生成，此种产物可以分散在油里以提供悬浮性能。
3有机士在油基钻井液中加量为6～40kg／cm，这取决于钻井液的密度及滤失量要求范围。在较高滤失的油基钻井液里要使用较高的浓度，这种油基钻井液要比一般油基钻井液获
3得更高的转速。在北极地区可以采用有机土含量高达140kg／m的油基钻井液。
为了提高油基钻井液的流变性而使用有机粘土，其缺点是塑性粘度、屈服值与切力全都增加了。加入氨基树脂到有机士中，有可能在提高切力的同时，不使塑性粘度升高。2．加重剂
表5—1列出了可以用作钻井液加重剂的各种磨细的固相材料。
显然加重剂的密度是最重要的，特别是极重的钻井液。添加的固相所占有的体积在其使用中是一种限制因素。加重材料密度对加重钻井液固相浓度的影响见图5—l。
33例如，用一种密度为 4.2g／cm的材料将钻井液加重到2.28 g／cm,其固相含量占体
3积的39.5%。而比较之下，使用密度为5.2g／cm的加重材料，固相含量仅占体积的3O％。
表5—l钻井液的加重材料
一种物质作为加重材料使用除了考虑化学惰性与密度外，还要来源广泛，易加工成所需要的颗粒尺寸分布，而且应当相对地没有磨损性，价格适度，并且对钻工及环境无害。到目前为止，国内外大量采用重晶石来提高钻井液密度。
（1）重晶石（barite）纯净的重晶石（BaSO4。）含有58.8％钡，密度为4.5g/cm3。通常使用的重晶石含有杂
3质，密度要低一些，大约在4.2g/cm。
重晶石是完全不溶于水的，并且不与钻井液中的其它物质反应。CaSO4有时以石膏或硬石膏形式伴随在重晶石里，它是淡水钻井液的有害污染物。硫化物矿物，如黄铁矿与闪锌矿存在，可能与钻井液或地层可溶性盐起氧化反应。
重晶石的消耗量受需要控制的井底压力、钻井液的体积（由井眼直径及井深决定）以及钻井所费的时间等因素的影响，其它的因素如钻屑分离的效果、加重钻井液的重复使用也影响重晶石的用量。
3重晶石还有另一项功能，即制备重晶石在水中的浆液，密度可达2.65g/cm，形成高密
33度段塞。这种浆液中重晶石最大浓度约2.1g/cm。重晶石的最小浓度可以低至0.028g/cm，但通常要高许多。
中国海洋南海西部石油公司在南海海域高温高压气井勘探过程中多次成功地使用了高密度重晶石塞。
（2）铁矿物
铁矿物密度大，具有惰性，作钻井液加重剂比较多。主要有氧化铁、菱铁矿和钛铁矿。A．氧化铁
天然铁的氧化物（主要是赤铁矿粉Fe203）是用来提高钻井液密度的首要材料。它的优
33点是具有比重晶石更大的密度（赤铁矿粉是5.1g/cm，而重晶石是4.5g/cm）。
由于赤铁矿有较高的密度，在钻井液中加重材料的体积要比相同重量的钻井液体积小，因此可以得到较高的钻速，铁的氧化物比重晶石硬得多（赤铁矿粉莫氏硬度为5～6，而重晶石莫氏硬度为3相比），优点是磨损小，因而在钻井过程中只产生很少的细颗粒，钻井液粘度增加较小。
另一方面，它远比重晶石腐蚀性大，对于泵及钻头的磨损比较严重，特别是用于水基钻井液时。
铁的氧化物的其它缺点是其润湿性与发泡性增加，这是由于处理矿石时，使用的表面活性剂造成的。
德国的一种氧化铁加重材料是由硫酸生产的残余黄铁矿焙烧而成。由黄铁矿残余经淬火、中和、浸出与干燥制得。产品分为小于75微米的颗粒尺寸以及小于10微米的颗粒含量
3＜50％的两种规格。该产品的优点包括：密度4.71g/cm；低的腐蚀性以及与天然铁矿石相比磁性较低；85％溶于盐酸内并与H2S反应形成非腐蚀性、不溶性的多硫化物。
B．菱铁矿
菱铁矿由FeCO3组成。其矿物通常含有少量氧化铁、白云岩、方解石与石英。菱铁矿的3密度（3.7～3.9g/cm）高于方解石。
菱铁矿易溶于热盐酸和甲酸，作为完井液，用它是很理想的。菱铁矿可以作为水基钻井
3液和油基钻井液的加重剂，可以将钻井液密度加到2.28g/cm。修井液与砾石填充液可以用各种盐水、聚合物以及方解石与碳酸铁的混合物来制备，碳酸铁单独地作为加重材料使用，对砂岩岩心所做的试验表明酸化后渗透率恢复值较高。
C．钛铁矿
3钛铁矿即 FeTiO3，棕黑色粉末，密度为4.5～5.1g/cm，莫氏硬度 5～6。具有较低磨蚀作用。Blomberg发现控制大于 45 微米的粒子含量小于 3％以内，可把磨蚀降低到能接受的程度。因为钛铁矿是溶于酸的，来源也广，适合用于修井液和完井液内。
（3）碳酸钙
3碳酸钙即CaCO3，密度为2.7g/cm，莫氏硬度为3。用石灰岩或蛙壳磨碎得到。它比重晶石更易分散在油钻井液里，易溶于酸。通常使用的碳酸钙有粗、中等和细颗粒三种规格。用碳酸钙作为加重剂，因为它的泥饼可以用盐酸处理清除掉。常用于油基钻井液、修井液和完井液中。
（4）方铅矿
3方铅矿即PbS,密度为密度为7.4～7.7g/cm，莫氏硬度2.5。仅用于制备特重钻井液，以控制异常高压井。我国云南、甘肃等地有方铅矿。方铅矿很贵，因此，在制备密度为密度33为3.6g/cm的钻井液时与重晶石一起使用，密度高于3.8g/cm的钻井液可以单独使用方铅矿作为加重剂。方铅矿质量不稳定,并且由于成矿原因,钻井液难以维持在碱性环境，耗碱量大,维护困难。
正常钻井液的加重剂一般不用方铅矿。滇黔桂石油勘探局在官3井勘探过程中在研制密3度为3.0g/cm的高密度钻井液时使用了方铅矿。
