【正文】 第四章 鉆井液配漿材料與處理劑鉆井液技術(shù)的發(fā)展是隨著整個鉆井行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，對鉆井液的要求越來越高。實(shí)際上，鉆井液在很大程度上決定了鉆井的成敗。因此，人們常用“鉆井液是鉆井的血液”來形象地比喻其在鉆井作業(yè)中的重要作用。而鉆井液技術(shù)的發(fā)展直接受到鉆井液配漿材料和處理劑制約。我國鉆井液配漿材料和處理劑發(fā)展較晚，近年才有較大進(jìn)步。1972年，鉆井液材料及其處理劑不過21種，直至1975年也只不過30種（包括無機(jī)鹽）。1975 年以后開始飛速發(fā)展，到1983年底增至76種，1985年底達(dá)到166種。1993年增加到16類260種,。近幾年更是得到飛速發(fā)展，在有些劑種研究和開發(fā)方面與國外基本同步。據(jù)《世界石油》雜志每兩年公布一次全世界鉆井液完井液及修井液處理劑的品種、用途和廠家等報道，目前商品牌號就有2700多種，這還不包括前蘇聯(lián)、東歐和中國的產(chǎn)品。我國從80年代以來，鉆井液技術(shù)發(fā)展很快，鉆井液處理劑的類別和品種已與國外相當(dāng)，某些處理劑的性能還優(yōu)于國外的產(chǎn)品?？偟恼f來，鉆井液處理劑是鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵、是核心，沒有新的處理劑就沒有新的鉆井液體系。第一節(jié) 鉆井液原材料配制鉆井液時所用的各種物質(zhì)稱為鉆井液材料，其中包括原材料及處理劑。鉆井液原材料是指那些用于配漿、用量較大構(gòu)成鉆井液的基本組分，臂如膨潤土、水、油和重晶石等。處理劑是指那些用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能或為滿足鉆井液某種特殊需要而加人鉆井液中的化學(xué)添加劑。它是鉆井液組分中的關(guān)鍵成分。隨著鉆井液技術(shù)的發(fā)展，處理劑的種類日益增多。一、鉆井液材料的分類鉆井液材料種類繁多，為了使用和研究的方便，有必要對它們予以分類。目前基本上有以下兩種分類方法。第一類分類方法是按鉆井液材料的化學(xué)性質(zhì)和組成分類。通常分為鉆井液原材料、無機(jī)處理劑、有機(jī)處理劑和表面活性劑四大類。這種方法容易掌握其主要組分和性質(zhì)，一般常為鉆井液研制單位和專業(yè)技術(shù)人員所使用。(1) 鉆井液原材料：粘土、水、油、加重材料等。(2) 無機(jī)處理劑：凡是用于鉆井液的無機(jī)化學(xué)藥劑均可劃入此類。按其它化學(xué)組分的不同尚可分為氯化物、硫酸鹽、堿類、碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和重鉻酸鹽等。應(yīng)該還包括混層金屬氫氧化物，即正電膠類。(3) 有機(jī)處理劑：凡是用于鉆井液的有機(jī)化合物均屬此類。通?？煞譃樘烊划a(chǎn)品、天然改性產(chǎn)品和有機(jī)合成化合物。按其化學(xué)組分又可分為下列幾類：腐殖酸類、纖維素類、木質(zhì)素類、丹寧酸類、丙烯酸鹽類、瀝青類、淀粉類和其它高聚物類，包括復(fù)合離子和陽離子聚合物。(4) 表面活性劑：陰、陽、非、兩性離子表面活性劑。第二類分類方法是按材料在鉆井液中所起的作用或功能分類。這種分類法的優(yōu)點(diǎn)是可以讓使用者按需采購，適應(yīng)性較強(qiáng)，多為鉆井液公司及生產(chǎn)廠家所采用。本章主要介紹第二種分類法。在1986年以前，國外把鉆井液材料分為16大類，得到了美國石油學(xué)會（API）和國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）的認(rèn)可，但各鉆井液專業(yè)公司還另有自己的分類方法。依據(jù)我國國情并于國際接軌，吸取了國外分類方法的特點(diǎn)，于1986年經(jīng)原中國石油天然氣總公司鉆井液標(biāo)準(zhǔn)化委員會研究決定把鉆井液材料按在鉆井液中的作用分為16類。 （1）降濾失劑：Filtration reducer: 減少鉆井液的液相向地層滲漏，褐煤、瀝青、淀粉、CMC、聚丙烯酰胺類等。（2）增粘劑：Viscosifier：提高鉆井液的粘度及切力，使其具有適宜的流變性及懸浮能力。膨潤土、水浮性聚合物、XC等。（3）乳化劑：emulsifier：使油水乳化產(chǎn)生乳狀液。（4）頁巖抑制劑：shale inhibitor：抑制泥巖水化、膨脹和坍塌，瀝青、KCL、KOH、CaCL陰、陽離子聚合物。（5）堵漏劑：Lost circulation materials 防止鉆井液漏失進(jìn)入地層，果木殼、云母、礦渣、DF1（單向壓力封閉劑）。（6）降粘劑：thinner：降低體系的粘度和切力，使其具有合適的流變性，木質(zhì)素磺酸鹽類、褐煤類、丹寧或栲膠、聚丙烯酸鹽。（7）緩蝕劑：corrosion inhibitor 防止或減輕井下管柱和鉆具腐蝕。胺類：以以成膜胺類為主，季胺鹽醇胺、非胺類、磷酸酯、鋅的堿式鹽、氧化鐵粉。（8）粘土類：clay：主要用于提粘降失水、膨潤土、海泡石、有機(jī)土。（9）潤滑劑：lubricant：減少鉆具與井壁的摩擦阻力，降低扭矩，減少磨損和提高有效馬力，減少卡鉆風(fēng)險。動植物油改性。 （10）加重劑：weighting agent：調(diào)節(jié)鉆井及完井液密度以控制液柱壓力，重晶石、鐵礦粉、石灰石。 （11）殺菌劑：bactericide：抑制多糖類聚合物的發(fā)酵及因細(xì)菌活動引起多胺類、季胺鹽、醛類的腐蝕作用。 （12）消泡劑：defoamer：消除循環(huán)過程中產(chǎn)生的泡沫，低級醇（辛醇、異丁醇）、聚醚。 （13）泡沫劑：foaming agent：用于鉆井液中配制穩(wěn)定泡沫。 （14）絮凝劑：flocculatant：提高鉆井液切力，同時減少鉆井液中的微小AlCl3等，PAM、HPAM顆粒，防止鉆屑分散。 （15）解長劑：pipefreeing agent ：抑制巖石礦物膨脹，降低磨阻增加潤滑性使鉆柱恢復(fù)活動。 （16）其它：others（包括無機(jī)處理劑）。當(dāng)然，鉆井液處理劑的分類方法，還有IADC（國際承包協(xié)商會）和API法，大同小異，不在此一一講述了。十六類處理劑各有各的作用，但在配制和使用鉆井液時，并不同時使用這些處理劑，而僅僅根據(jù)需要使用其中幾種。另外，一個處理劑在鉆井液中同時具有幾種劑的作用。比如說：有的降失水劑同時兼有增粘或降粘作用，絮凝劑同時兼有增粘劑作用等等。本章我們重點(diǎn)介紹幾種無機(jī)處理劑和幾種重要有機(jī)處理劑：降粘劑、降濾失劑、頁巖抑制劑和絮凝劑。絮凝劑在聚合物鉆井液一章將作介紹，本章不再贅述。二、鉆井液原材料第一類分類方法中的鉆井液原材料包括粘土類、加重劑類和其他類的油和水等。它們的主要作用如下： （1）形成較穩(wěn)定的膠體； （2）接受各種化學(xué)劑處理，進(jìn)一步改善鉆井液性能，滿足鉆井液各種需要； （3）在井壁上形成泥餅，減少濾失量，穩(wěn)定井壁； ｛4）形成鉆井液的粘度、切力、懸浮固相，攜帶鉆屑； （6）調(diào)節(jié)鉆井液密度，控制地層壓力．(一)、粘土粘土主要是由粘土礦物組成，許多粘土中還含有非晶質(zhì)的膠體礦物，如蛋白質(zhì)氫氧化鋁、氫氧化鐵等。有些粘土中還含有不定量的石英、長石等。通常認(rèn)為粘土是由極細(xì)的粘土礦物組成，其顆粒小于2u。在水中具有分散性、帶電性和離子交換性。粘土礦物就是通常構(gòu)成巖石和土壤細(xì)粒部分（2um）的主要成分的礦物。一般情況下粘土礦物是細(xì)分散的、含水的層狀構(gòu)造硅酸巖礦物和層鏈狀構(gòu)造硅酸巖礦物及含水的非晶質(zhì)硅酸巖礦物的總稱。通過對粘土進(jìn)行化學(xué)分析表明粘土主要含有氧化硅SiO氧化鋁Al2O3和水，還含有少量的鐵，堿金屬和堿土金屬。實(shí)際上粘土礦物就是含水的鋁硅酸鹽?？梢?，粘土這個術(shù)語包含三個方面的含義：①作為一種不同粒度組合的晶體礦物；②作為一種巖石類型；③作為一種顆粒尺寸術(shù)語。從鉆井液技術(shù)觀點(diǎn)來看，粘土在水中的特性比它的化學(xué)組分顯得更為重要。在本書第四章對粘土礦物學(xué)與膠體化學(xué)特性以作了介紹，這一節(jié)僅限于粘土在鉆井液中的應(yīng)用。
在引人失水儀評價鉆井液特性前，多用地面粘土制備鉆井液，這些粘土濾失特性極差，造成粘土沉積報廢，同時繼續(xù)用一些“低造漿率”粘土來提鉆井液密度至1．26g／cm3）。在 50年代中期，試驗室與現(xiàn)場研究證實(shí)粘土固相對鉆速有不良影響，由于這一發(fā)現(xiàn)，限制了劣質(zhì)粘土的使用?，F(xiàn)在，唯一大量在淡水鉆井液中使用的粘土為膨潤土。Grim和Niiren將膨潤土定義為任何一種具備蒙脫石的物理性質(zhì)，其成分以蒙脫石礦物為主的粘土礦物。膨潤土也曾被定義為含有不少于85%蒙脫石的細(xì)顆粒粘土礦物。下面分別介紹三種主要的粘土類型。1. 鈉膨潤土及鈣膨潤土，是配制水基鉆井液的基礎(chǔ)原料。其主要礦物成分是蒙脫石。 16 m3。鈉膨潤土的造漿率較高，而鈣膨潤土則需要經(jīng)過改造處理才能使用。目前我國把水基鉆井液工藝技術(shù)所用的土分為三個等級：一級為符合API標(biāo)準(zhǔn)的鈉膨潤土；二級為改性土，經(jīng)過改性符合 OCMA（Oil ComPany’ Materialsl Association）標(biāo)準(zhǔn)要求；三級為較次的配漿土,僅用于性能要求不高的鉆井液,如堵漏用的鉆井液等。膨潤土加人淡水或淡水鉆井液里，有下列一個或多種作用:①提高井眼的清潔能力；②減少水滲人或濾失到滲透性地層。③形成低滲透率的薄泥餅。④在膠結(jié)不良的地層里，改善井眼的穩(wěn)定性。⑤為了避免或克服井漏。當(dāng)然添加的量要根據(jù)特定的條件而變化,通常在1～15%之間。膨潤土作為一種鉆井液添加劑用量僅次于重晶石，列居第二。為了增加稠化效果，在加工期間把有機(jī)聚合物添加到膨潤土里面做成的產(chǎn)品，用于開鉆鉆井液、低固相鉆井液及那些運(yùn)輸費(fèi)用極高的場所里，用量相當(dāng)于 API規(guī)范膨潤土的一半以下。比較典型的聚合物是丙烯酸及其類似的產(chǎn)品衍生物。在粉碎前把選擇的聚合物與干燥的膨潤土相混合，聚合物的加量隨聚合物的不同而異，隨聚合物對特定膨潤土的效果而變化，但通常為膨潤土重量的0．l％～ 2％，濃度更高可能效果不好，甚至有害。因為在此條件下，聚合物已變?yōu)樾跄齽┝恕?．抗鹽粘土，包括海泡石、凹凸棒石及坡縷搞石，是鋁和鎂的水硅酸鹽。其晶體構(gòu)造為纖維狀或棒狀。這種土的特點(diǎn)是抗鹽且抗高溫，在鹽水甚至飽和鹽水中亦能配出具有相當(dāng)粘切的鉆井液，要求造漿率達(dá)到 12～16 m3／T，常用來鉆鹽巖層。海泡石鉆井液具有較高的耐溫特性，熱穩(wěn)定性好，其晶體結(jié)構(gòu)在350℃高溫下仍無變化。故常用來打地?zé)峋虺罹?。其缺點(diǎn)是濾失量大，必須配合濾失量降低劑才能使用。凹凸棒石具有纖維結(jié)構(gòu)。作為一種鉆井液材料，主要作為一種懸浮劑，在鹽水、鹵水里，用于提高鹽水及鹵水的切力。就化學(xué)組成而言，它是一種結(jié)晶的水化的硅酸鎂，一部分鎂被鋁鐵及其它元素所代替。顆粒針狀而晶體結(jié)構(gòu)是由鎂與鈣連結(jié)的硅氧雙鏈。電子顯微鏡顯示松散，針狀填充的毛刷狀堆積的外觀特點(diǎn)。 當(dāng)置于水里時，綠坡縷石不象膨潤土那樣膨脹，但為了使成捆板條式的晶體破裂需用強(qiáng)有力的攪拌使之分散。由圈閉水的任意結(jié)構(gòu)并以大面積吸附極性水分子而形成穩(wěn)定懸浮液。在鉆井液中主要是利用其懸浮性質(zhì)，它的懸浮性能不受溶解鹽的壞影響，事實(shí)上，在飽和NaCI溶液里比純水里的粘度還高。凹凸棒石無控制濾失作用。利用這個特征可制備高濾漿液，用于堵漏。從井內(nèi)除去鉆屑或懸浮加重鉆井液里的重晶石所需要的凹凸棒石量為1～６％。海泡石是一種水合的硅酸鎂，與凹凸棒石相比含有較少的被置換的鋁，它產(chǎn)生于纖維的細(xì)長條板式顆粒里，它的晶體結(jié)構(gòu)類似于凹凸棒石，單元晶粒大一些，分子般尺寸的溝紋決定了它的吸附能力。鉆井作業(yè)中海泡石是鹽水膠凝劑。 高溫下海泡石穩(wěn)定性的報導(dǎo)促使CarnCy與Meyer研究海泡石在地?zé)峋@井液內(nèi)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)把淡水海泡石漿液加熱到400℃時，稠度只有適度的增加。為了促進(jìn)海泡石的分散，需用高剪切的裝置。在鉆井中，海泡石的作用有：①代替鹽水鉆井液里的凹凸棒石；②為了在井內(nèi)清除段塞代替石棉；③用在含有膨潤土、氧化瀝青的組分中；④作封隔液。在高溫下對海泡石穩(wěn)定性的進(jìn)一步研究表明：把鉆井液加熱到150℃以上時，海泡石就轉(zhuǎn)化成蒙脫石，在轉(zhuǎn)化中溫度是關(guān)鍵因素： 205℃， 24h轉(zhuǎn)換在10％以上，氯化物或氫氧化鈉、氫氧化鈣或氫氧化鎂的存在對轉(zhuǎn)化影響不大。有機(jī)土是由膨潤土或凹凸棒石制備的。將有機(jī)陽離子表面活性劑添加到粘土懸浮液中以銨基取代粘土表面鈉、鈣等陽離子，同時以碳?xì)滏溙鎿Q先前吸附的水分子，這樣粘土再也不被水濕潤，所以就沉淀出來。經(jīng)分離，沖洗與干燥而成有機(jī)土。通過陽離子交換過程親水粘土與脂肪胺鹽和季鉸鹽或堿反應(yīng)生成粘土一一有機(jī)產(chǎn)物，此種產(chǎn)物可以分散在油里以提供懸浮性能。 有機(jī)士在油基鉆井液中加量為6～40kg／cm3，這取決于鉆井液的密度及濾失量要求范圍。在較高濾失的油基鉆井液里要使用較高的濃度，這種油基鉆井液要比一般油基鉆井液獲得更高的轉(zhuǎn)速。在北極地區(qū)可以采用有機(jī)土含量高達(dá)140kg／m3的油基鉆井液。 為了提高油鉆井液的流變性而使用有機(jī)粘土，其缺點(diǎn)是塑性粘度、屈服值與切力全都增加了。加入氨基樹脂到有機(jī)士中，有可能在提高切力的同時，不使塑性粘度升高。（二）、加重劑 鉆井液的一個重要功能是控制地層流體壓力以防止井噴。有時必須提高密度以穩(wěn)定軟地層。任何比水密度大、對鉆井液性能沒有壞影響的物質(zhì)都可以加人鉆井液，并在一定程度上提高鉆井液密度。加重材料的選擇還受成本等因素限制。鹽的溶解度限制了它們的使用范圍，以及其它一些伴隨這些體系使用的問題。表5—1列出各種磨細(xì)的固相材料可以成功地用來提高鉆井液的密度。顯然加重劑的密度是最重要的，特別是極重的鉆井液。添加的固相所占有的體積在其使用中是一種限制因素。圖5—l顯示了加重材料密度對加重鉆井液固相濃度的影響，例如，用一種密度為 ／ g／cm3,%。而比較之下，／cm3的加重材料，固相含量僅占體積的3O％。表5—l鉆井液的加重材料一種物質(zhì)作為加重材料使用除了考慮化學(xué)惰性與密度外，還要來源廣泛，易加工成所需要的顆粒尺寸分布，而且應(yīng)當(dāng)相對地沒有磨損性，價格適度，并且對鉆工及環(huán)境無害。到目前為止，國內(nèi)外大量采用重晶石來提高鉆井液密度。1．重晶石（barite） 純凈的重晶石（BaSO4。）％鋇。通常使用的重晶石含有雜質(zhì)，密度要低一些。國外稱為“heavy spar”或“tiff”是一種密度較低的重晶石，它含有像石英、隧石、硬石膏、隕石及各種硅酸鹽之類的其它礦物。此外，通常它含有幾種鐵礦物，其中有些增加產(chǎn)品的平均密度。重晶石是完全不溶于水的，并且不與鉆井液中的其它物質(zhì)反應(yīng)。CaSO4有時以石膏或硬石膏形式伴隨在重晶石里，它是淡水鉆井液的有害污染物。硫化物礦物，如黃鐵礦與閃鋅礦存在，可能與鉆井液或地層可溶性鹽起氧化反應(yīng)。重晶石的消耗量受需要控制的井底壓力、鉆井液的體積（由井眼直徑及井深決定）以及鉆井所費(fèi)的時間等因素的影響，其