泥浆处理剂及其作用机理第四天上午.ppt

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1、钻孔冲洗与护壁堵漏,姜明和山东冶金技师（技术）学院,泥浆处理剂,一、类别按处理剂在泥浆中的作用可分为十六类：(1)稀释和分散剂；(2)降失水剂；(3)絮凝剂；(4)增粘剂；(5)加重剂；(6)页岩稳定剂；(7)堵漏材料；(8)碱度和pH值控制剂；(9)除钙剂；(10)润滑剂；(11)表面活性剂；(12)起泡剂；(13)消泡剂：(14)乳化剂；(15)杀菌剂；(16)腐蚀抑制剂等。,二、无机处理剂无机处理剂多是电解质。无机处理剂在泥浆化学处理中的作用。1提高粘土分散度。泥浆粘度升高，失水量下降。常用的泥浆无机分散剂如纯碱(Na2CO3)、烧碱(NaOH)、三聚磷酸钠(Na5P3O10)和六偏磷酸

2、钠(NaPO3)6等,2抑制粘土的分散。泥浆中加入高价盐使粘土颗粒处于适度聚结状态(配合有机处理剂护胶)，即既不高度分散，又不高度聚结成团块，使泥浆呈稳定的粗分散状态。也可用于适当提高泥浆的切力和粘度，增大泥浆悬浮或携带岩屑的能力。,泥浆中加入高价无机盐以提高粘度和切力也可用于微漏失层钻进。无机盐的聚结作用是抑制孔壁泥页岩和岩屑水化膨胀与分散，维护孔壁稳定，防止坍塌掉块的依据。常用的泥浆无机聚结剂，如石灰Ca(OH)2、石膏CaSO4)和氯化钙(CaCL2)等，加入泥浆后，起到两种作用：一是抑制泥质钻屑分散造浆，并使泥浆中粘土保持较粗颗粒；二是抑制泥页岩孔壁的分散剥落，保护孔壁。,KCl也能起

3、到抑制粘土水化和防止泥页岩孔壁坍塌的作用。KCl提供的K+，因其有效半径小(约0.15nm)，容易进入粘土层间，进入后就不易出来，水化膨胀能力也弱，故能增强粘土层间结合力，从而降低粘土、泥质钻屑和泥页岩孔壁的分散性。同时，KCl中的Cl能提高泥浆中钙盐的溶解度，增加泥浆中Ca2+浓度，也有利增强抑制作用。,3调节泥浆pH值。泥浆中粘土颗粒的分散和稳定；有机处理剂在泥浆中的溶解度和处理效果；岩屑和孔壁泥页岩的水化膨胀和分散；泥浆对钻具的腐蚀等。每种泥浆都有自己较合适的pH值范围。泥浆中加碱或碱式盐可提高pH值，加酸或酸武盐可降低pH值。4沉淀除钙和络合作用泥浆中加入纯碱或碳酸氢钠可以形成碳酸钙沉

4、淀而除去泥浆中过多的钙离子。加入六偏磷酸钠(NaPO3)6，可以与泥浆中的Ca2+进行络合，形成水溶性络合物，,它在水中电离成钠离子和络离子。由于在络合离子中Ca2+便很难再电离出来，故可使泥浆中的钙离子减少。络合作用还可用于提高部分处理剂的抗温性能，如加少量重铬酸钠(Na2Cr2O7)可提高腐植酸盐和木质素磺酸盐的抗温性能,5使有机处理剂溶解或水解有些有机处理剂如丹宁酸、腐植酸等在水中的溶解度很小，粘土不易吸附，用烧碱液处理，配成丹宁碱液和煤碱剂(有用成分为丹宁酸钠和腐植酸钠)，成为水溶性处理剂，易被粘土颗粒吸附，起稀释和降失水作用和抑制热分解。另一些含有可水解的极性基(如酯基，腈基，酰胺基

5、等)的有机化合物，必须用无机化合物进行中和或水解，变成水溶性的有机物，才能发挥其效用。,6交联和胶凝作用链状多官能团的高分子化合物，可通过加入适当的高价无机盐进行交联，改善其失水特性和护壁性能，如聚丙烯酰胺，与FeCl3，A12(S04)3等进行交联而得的交联液，是小口径钻进用的无粘土相冲洗液的一种。一些无机盐在一定条件下起化学反应，可形成胶冻状的凝胶，用于堵漏。如水玻璃与石灰、水玻璃与硫酸铝，可形成凝胶用于堵漏。,7其他作用如配制饱和盐水泥浆以抑制盐层的溶解；用作加重剂如重晶石(BaSO4)，方铅矿(PbS)，磁铁矿(Fe2O3)和石灰石(CaCO3)等。用于堵漏的材料，如云母片，蛭石等。,

6、三、有机处理剂(一)有机处理剂的种类和特点1有机处理剂的种类按有机处理剂在泥浆中起的作用来分，稀释降粘剂；降失水剂；絮凝剂；增粘剂；润滑减阻剂；起泡和消泡剂；页岩稳定剂等。按有机处理剂分子结构的特点，非离子型的；阴离子型的；阳离子型的和混合型的(混合型的可同时含有能电离的和不能电离的官能团，或含有阴离子和阳离子两种官能团)。,按有机处理剂含的成分不同，它可分为：丹宁类；木质素类；纤维素类；腐植酸类；丙烯酸类；多糖类和特种树脂类等。2有机处理剂的特点(1)分子量大，且往往由多个链节组成(2)分子的结构和形态复杂在溶液状态，无规线团的形态在不断变化着，时而卷曲收缩，时而扩张伸长，显得十分柔顺。(3

7、)有多种作用基团(4)液相粘度大(5)pH值应控制 不同的有机处理剂应控制在不同的pH值时使用，才能发挥其较好的效用。,(二)有机处理剂在泥浆处理中起的作用1.稀释剂拆散泥浆结构，释放结构中包裹的自由水，使泥浆在外观上就变稀了。常用的稀释剂品种有：(1)丹宁和栲胶类稀释剂。常用的有:丹宁碱液、栲胶碱液、磺甲基化丹宁、磺甲基化栲胶、丹宁木质素磺酸钠等。这些处理剂的主要成分是丹宁，在泥浆处理中起稀释或胶溶作用。,丹宁的水溶液的PH值为56，是较弱的有机酸。因此，当把它直接加到泥浆中时，会降低泥浆的PH值，降低粘土的水化作用，结果反而会使泥浆的粘度和切力增高。在泥浆处理中，通常使用单宁酸钠，丹宁酸钠

8、具有良好的稀释作用。丹宁酸钠还有一定的降失水作用。丹宁碱液主要用在分散型泥浆中，其抗盐抗钙性能差。磺甲基化丹宁是一种新型稀释剂，在180200下仍能有效控制淡水泥浆的粘度，适用于深井高温下使用。,(2)木质素磺酸盐类。常用的有：木质素磺酸钠、铬木质素磺酸盐、铁铬木质素磺酸盐（简称铁铬盐，代号FCLS）及无铬木质素磺酸盐缩合物等。这些处理剂中的主要成分是木质素磺酸盐，在泥浆中起稀释作用，同时具有一定的降失水的作用。铁铬盐，成品为褐黑色粉末。通常可用作淡水、盐水和钙处理泥浆的稀释剂；热稳定性较高，抗温可达170180；铁铬盐也具有一定的降失水作用,铁铬盐的使用：铁铬盐可以水溶液或粉末状加入泥浆中，

9、加入的数量，作稀释剂时淡水中加量为0210，盐水泥浆中可达5。抑制泥页岩水化膨胀时加量达3。由于铁铬盐呈弱酸性，使用时应配合加碱，调节pH值在910之间，先加铁铬盐，后加烧碱调pH值。锆铁木质素磺酸盐(ZFLS)和钛铁木质素磺酸盐(TFLS)与铬木质素磺酸盐相比有更好的粘度控制作用，而且无毒。,(3)低分子聚丙烯酸钠。目前有两种产品：XA40和XB40。X-A40抗盐性较好，抗钙性差；XB40抗盐、抗钙、抗温性都较好。它们主要用作不分散泥浆的稀释剂。(4)有机磷，如乙二胺四甲叉磷酸钠。其抗钙、抗盐效果都较好，尤其适合于在泥浆受钙侵后稀释泥浆。它主要用在不分散聚合物泥浆中。（5）低分子量（小于1

10、0万）丙烯酰胺和丙烯酸类。,2.降失水剂常用的降失水剂有：纤维素类、淀粉类、丙烯酸衍生物类、腐植酸类、聚醣类。降失水作用是（1）减少泥浆中可滤失的自由水数量；（2）降低了泥皮的渗透性。(1)丙烯酸衍生物类。常用的有水解聚丙烯腈(HPAN)、水解聚丙烯腈钙盐(CPAN)聚丙烯酸钙和分子量不高、水解度高的聚丙烯酰胺(PHP，其水解度H60，分子量M100万)。,水解聚丙烯腈（HPAN）水解聚丙烯腈(HPAN)的降失水能力，主要决定于水解度(H)和聚合度(n)。水解度是分子中羧钠基(-COONa)与酰胺基(-COONH2)之比。一般作为降失水剂时水解度为60左右。聚合度n是指总链节数，表示分子链长短

11、。一般n=23503760，相应地，其分子量在12.520万之间。水解聚丙烯腈的水解度保持一定值（60%左右）和聚合度较大时，降失水能力越强，提高粘度的作用大。,水解聚丙烯腈（HPAN）的特点是抗温能力强(可达200230)，抗盐能力强，抗钙能力较差。它主要用作不分散泥浆的降失水剂。水解聚丙烯腈在泥浆中的加量要视其水解溶液的浓度而定，一般为0.7%1%。水解聚丙烯腈钙(CPAN)是对水解聚丙烯腈再做CaCl2等处理后而得。它比HPAN的抗钙性好。水解聚丙烯腈钠、水解聚丙烯腈铵,(2)纤维素类纤维素类泥浆处理中常用的纤维素类产品为钠羧甲基纤维素(Na-CMC)，它有高、中、低粘度三种和我国研制的

12、速溶CMC。此外使用的有聚阴离子纤维素(PAC)、羟乙基纤维素(HEC)，羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)等。钠羧甲基纤维素Na-CMC。它的两个重要性能指标是聚合度和取代度。聚合度n即链节数，表示纤维素分子链的长短，一般聚合度在200600左右(分子量为4.513.5万)。聚合度是决定其水溶液粘度的重要因素，一般聚合度越大，水溶液的粘度也越大。,纤维素每个链节中有三个羟基(OH)。三个羟基上的氢被钠羧甲基(-CH2COONa)取代的程度，叫取代度。因而，最大的取代度为3。取代度越大，则表示Na-CMC的水溶性越好。取代度小于0.3的产品，不溶于水。市售产品的取代度一般为05085。Na-CM

13、C抗温性能不高(90140)，抗盐性能较强，有一定的抗钙能力，它还具有分散稳定、增粘、润滑、乳化等作用。适宜于配制淡水、海水、饱和盐水泥浆和钙处理泥浆。,我国研制成的速溶CMC，有高粘度和低粘度两种，高粘度速溶CMC，水溶液浓度0.5，溶解时间不大于15min；低粘度速溶CMC，水溶液浓度2，溶解时间不大于15min。Na-CMC是当代名列前矛的降失水剂用低粘度或中粘度Na-CMC降失水时，淡水泥浆中Na-CMC的干粉加量一般为泥浆量的05以下；钙处理和盐水泥浆时，加量要高于淡水泥浆；饱和盐水泥浆Na-CMC的加量达25%。,(3)淀粉 淀粉类处理剂有预胶化淀粉、不发酵淀粉、改性淀粉、羧甲基淀

14、粉、羟丙淀粉等。预胶化淀粉其特点是降失水的同时泥浆的粘度增加不大，使用时要提高浆液的PH值或加防腐剂。羧甲基淀粉，降失水时，增加粘度，对动切力影响大，有利于携带岩粉。羟丙淀粉为非离子型高分子材料，对高价阳离子不敏感。(4)腐植酸盐类。腐植酸类常用的品种有：煤碱剂、硝基腐植酸、铬褐煤、磺甲基褐煤、腐植酸钾、磺化褐煤与特种树脂的混合物等。腐植酸有较高的热稳定性。,泥浆处理剂及其作用机理,得到煤碱剂（代号NaC），主要成分为腐植酸钠（代号代号NaHm），煤碱剂加入泥浆中的量，一般占泥浆体积的1030。腐植酸钠除具有一定的抗盐（小于45%），抗钙（小于600毫克/升）能力外，同时还可以控制调节泥浆中的

15、钙离子浓度。腐植酸钠的热稳定性比丹宁好，能抗180190高温。,硝基腐植酸处理泥浆时，需用用火碱改性，得到的硝基腐植酸碱剂，其具有良好的降失水作用和稀释作用。抗盐能力较强，含盐2030时仍能有效地控制失水量和粘度。热稳定性可达200以上，抗钙能力也较强，并具有良好的乳化性。铬腐植酸的溶解性、抗盐、抗钙能力都比腐植酸钠强。铬腐植酸既有降失水作用，也有稀释作用。但是抑制水敏性地层的效果差。当铬腐植酸与铁铬盐(FCLS)协同作用(常用配比为铁铬盐：铬腐植酸=2：1)时，可取得较好的效果。铬腐植酸适用于配制淡水、盐水泥浆。,磺化硝基腐植酸与Na-CMC配合使用时，能抑制CMC的热氧化分解，提高其耐热性

16、能。铬制剂 铬制剂的主要成分为铬腐植酸、铬木质素、碱纤维素等，产品为棕黄色粉末，有臭味，易吸潮，易溶于水，其溶液呈碱性，在酸性条件下则产生沉淀。铬制剂不仅抗盐、抗钙、抗温性能好，而且对水敏性地层的抑制作用也很好。具有良好的降失水和稀释作用。由于铬制剂水溶性好，因此，它不需要碱溶，可直接用干粉处理泥浆，也可配成水溶液，以细流加入。,腐植酸钾 产品为黑褐色粉末，水溶液的PH为9。腐植酸钾在泥浆中的作用主要有以下几方面：a降失水和稀释作用：不仅提高了泥浆的聚结稳定性，而且起到了降低失水量和切力的作用。实验证明，当腐植酸钾加量为1时，就有明显的降失水效果。b防塌作用：防止泥、页岩水化坍塌是腐植酸钾的最

17、大特点。这种特性主要是因为钾离子的直径(2.66)与粘土矿物晶片的六角环(直径2.88)大小相似，,所以，钾离子进入六角形网格后，就好象楔子一样，不仅能使其空穴形成封闭结构，阻止水分子进入；同时还有助于粘土矿物片与片之间的紧密联结，从而表现出良好的防塌作用。C抗污染能力。腐植酸钾的抗钙能力强，腐植酸与钙离子作用生成的腐植酸钙胶粒沉淀，在泥皮上还能起堵孔作用，因此，当泥浆中钙离子适量时，腐植酸钾可以改善泥皮质量，增强降失水的效果。,腐植酸钾的抗盐能力较差，一般情况下，腐植酸钾泥浆中侵入食盐12，对性能影响不大；但是，当食盐量达到37时，则会引起失水量猛增。d腐植酸钾能抗200的高温，可用于钻进超

18、深井、地热井。(5)野生植物胶类1)雷公蒿叶粉雷公蒿叶粉水溶性好，有较高的抗盐能力和一定的抗温能力，它是我国曾经广泛采用的增粘降失水剂。,雷公蒿叶粉多用于处理低固相泥浆或盐水泥浆，在高固相泥浆中易引起粘土絮凝。2)瓜尔胶粉瓜尔胶不仅具有高效增粘和降失水的作用，而且还能改善泥浆的流变性，因此，它特别适宜于处理低固相泥浆。国外认为，这是一种最好的降失水剂。通常加量为0.30.6。3)海藻胶粉可以作为高矿化泥浆的降失水剂，一般用量为12.5，如配合0.10.6纯碱处理，抗盐可达20，抗温达100。,聚阴离子纤维素（PAC）些列产品：PAC141、PAC142、PAC143聚丙烯酸盐SK系列，为丙烯酸

19、盐的多元共聚物，产品有SK-1、SK-2、SK-3。3.絮凝剂凡是能使泥浆中的固体颗粒聚结的处理剂，称为絮凝剂。根据其作用的不同，絮凝剂可分为两大类：完全絮凝剂和选择性絮凝剂。完全絮凝剂不能用来配浆，它可用于泥浆的净化。选择性絮凝剂用于不分散低固相泥浆，它是不分散低固相泥浆的主要作用成分，其作用有两个方面：首先是选择絮凝作用。,即，使劣质粘土和钻屑絮凝沉淀，不分散到泥浆中，而使优质粘土颗粒不再分散，保持一定粒度；其次对孔壁不起分散作用而起胶结护壁作用。完全絮凝剂：PAM水解度5%以下，分子量800万以上的聚丙烯酰胺。常用的选择性絮凝剂有：水解聚丙烯酰胺(PHP，水解度30%，分子量300-60

20、0万)和丙烯酰胺丙烯酸钠共聚物(80A51)。（1）聚丙烯酰胺在泥浆中的作用选择性絮凝作用，防塌和稳定孔壁的作用，有一定的抗盐、抗钙能力,影响聚丙烯酰胺絮凝的因素a.分子量的影响一般认为，分子量在300万600万范围内絮凝效果最好，小于100万的絮凝效果不明显；b.水解度的影响水解度大于60的PHP，主要起增粘降失水作用。分子量在300万500万，水解度在30左右的PHP的选择性絮凝效果最好。,c.浓度的影响随聚丙烯酰胺的浓度的增加，聚丙烯酰胺的作用要经历一个“絮凝不佳一絮凝最佳一重新分散”的过程。当PHP加量太少、浓度太低时，因缺乏足够的分子链同粘土颗粒吸附“架桥”，所以，其絮凝效果不佳。但

21、是，PHP浓度太高，又会使粘土颗粒表面被高分子过多地覆盖，以致空余处太少，给“架桥”带来困难。因此，浓度太高时，PHP将从絮凝作用变为重新分散。据有关资料介绍，当浓度超过1000PPm时，PHP主要表现为降失水、增粘作用。,d.酸碱度的影响PH值在79之间较为合适。PH太高，不仅会使聚丙烯酰胺继续水解，吸附基团继续减少；而且粘土也易于分散，选择性絮凝难以进行。但PH值也不宜太小，太小则致使PHP的水化能力减弱、分子链卷曲，影响絮凝效果。e.电解质的影响解质在水中能电离生成阳离子(如Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等)，这些高价的阳离子，它们的含量过多，会使PHP分子链卷曲、聚凝的效果降低

22、,f.搅拌程度的影响搅拌可以使聚丙烯酰胺在泥浆中混合均匀，避免产生局部过浓的现象，但是也不应搅拌过甚，否则，不仅会影响“架桥作用的发挥，并且还有可能拆散已絮凝的团块。为此，我们应根据目的要求来确定搅拌程度。一般开始快速搅拌，然后慢搅，对絮凝比较有利。,4.增粘剂增粘剂的作用机理一是增加液相粘度；二是增加泥浆流动时的内摩擦阻力和聚合物一粘土间的结构粘度。增粘剂的分子结构特点应是：聚合物的水溶液浓度高。降失水剂在一定程度上均可作为增粘剂。但良好增粘剂与降失水剂相比，其分子量高，亲水性强，水溶液粘度高，分子量100万左右，高于降失水剂；常用的增粘剂有高粘度Na-CMC，共聚型聚丙烯酸盐(PAC141

23、)、野生植物胶(田菁胶、魔芋胶、钻井粉等)、生物聚合物(XC)等。,常用的Na-CMC为白色纤维状粉末，市售产品分低粘，中粘、高粘三种，即，其2的水溶液粘度为l030mPas属低粘；为300600alPas属于中粘；为2001200mPas属高粘产品。高粘产品用作增粘剂，而低、中粘产品一般作为降失水剂。四、惰性材料惰性材料是指在水中不能分散，不影响粘土水化与分散的泥浆添加剂。它按作用可分为四类：堵漏材料、泥浆加重剂、增粘材料、润滑材料。(1)堵漏材料(2)泥浆加重剂。其作用是增加泥浆密度，平衡高压地层压力，以防止井喷和井涌。,(3)增粘材料。加蛇纹石石棉纤维可提高泥浆粘度和携带钻屑的能力,在泥

24、浆中的加量一般为0.53.0%。(4)润滑材料。为提高泥浆的润滑性能，降低泥皮的摩擦系数，在泥浆中可加入无机润滑材料，如二硫化钼(MoS2)和石墨粉等。硫化钼(MoS2)是银白色或浅灰黑色粉末，它在泥浆中的加量一般为0.2%左右。,五、抗温降失水剂和防塌剂。(1)磺甲基酚醛树脂它与磺甲基褐煤和磺甲基丹宁配合使用，在180200高温下，仍能使饱和盐水泥浆具有合适的失水量和流动性，抗盐可达饱和，抗钙镁可达2000ppm。(2)磺化褐煤树脂在pH为714的各种水基泥浆中均可使用。它是抗盐的降失水剂，在盐水泥浆中抗温可达230，抗盐可达11万ppm,在含钙量2000ppm的情况下，仍能保持泥浆性能的稳

25、定。降失水时不会增大泥浆的粘度，高温条件下不会产生胶凝作用。,(3)改性褐煤与沥青的复配物商品名称为BH的抗温降失水，稀释分散剂，其抗温可达200250，可用于深井及地热井钻井。(4)磺化沥青磺化沥青它可部分溶于水和油，用于控制高温失水量，抑制岩层分散，稳定井壁，并有较好的润滑性能，是有效的抗高温井壁稳定剂。,(5)磺甲基酚醛树脂与亚硫酸纸浆废液的缩合物按合成原料的配比不同，可以有三种产品，分别用于盐水泥浆，饱和盐水泥浆和海水泥浆中降低失水量。此产品的抗温可达190，抗盐可达饱和，抗CaCl2可达1。,六、抑制剂1、有机阳离子聚合物国内外试用有机阳离子聚合物的经验，说明有机阳离子聚合物有很强的抑制作用，它将逐步成为无固相钻井液，完井液的主要处理剂。（1）小阳离子：聚丙烯酸钾、水解聚丙烯腈钾（K-PAN）、环氧丙基三甲基氯化铵（NW-1）（2）大阳离子：阳离子聚丙烯酰胺，具有较强的抑制岩屑分散和絮凝作用。,沥青类：氧化沥青、磺化沥青、改性沥青钾盐腐植酸类：腐植酸钾、硝基腐植酸钾、磺化腐植酸钾、有机硅腐植酸钾等，其中腐植酸钾使用最为广泛。,谢谢,