【文章內(nèi)容簡介】 液可以水解，生成雙五倍子酸、五倍子酸（也叫沒食子酸）和葡萄糖。這些水解的酸性產(chǎn)物在NaOH溶液中生成雙五倍子酸鈉和五倍子酸鈉,通常統(tǒng)稱為丹寧酸鈉或丹寧堿液。它是鉆井液中較早使用的降粘劑。由于丹寧酸含有酯鍵，在NaOH溶液中易于水解，高溫水解加劇，降粘能力減弱。因此，丹寧堿液抗溫能力在100～120℃之間，僅用于淺井或中深井，現(xiàn)在已很少使用。為了提高丹寧酸鈉的抗溫性，通過丹寧與甲醛和亞硫酸鈉進行磺甲基化反應制備了磺甲基丹寧（SMT），再進一步與Na2Cr2O7發(fā)生氧化、螯合反應制得磺甲基丹寧鉻絡合物。熱穩(wěn)定性、降粘性能明顯提高，抗溫可達180～200℃。SMT成品為棕褐色粉末或細顆粒，吸水性強，易溶于水，水溶液呈堿性。在鉆井液中一般加0．5—1％就獲得較好的稀釋效果?；羌谆庍m用的 PH值范圍在 9—11之間?？笴a2+可達1000g/l，而抗鹽性較差，當含鹽量超過1％時稀釋效果就大幅度下降。丹寧類降粘劑的作用機理：丹寧類降粘劑通過相鄰的雙酚羥基與片狀粘土顆粒的邊斷鍵處的Al3+通過螯合鍵進行吸附，而剩余的NaO和COONa給粘土顆粒帶來較多的負電荷和水化層，增加了雙電層斥力和水化膜斥力，從而拆散和削弱了粘土顆粒間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，粘土顆粒處于分散狀態(tài)，使粘度、切力下降，起到了降粘作用。木質(zhì)素磺酸鹽類木質(zhì)素磺酸鹽是木材酸法造紙殘留下來的一種黑色廢液。通常造紙廠供應的廢液是一種巳濃縮的粘稠的棕黑色液體，其固體含量約為35～50%，～／cm3。其主要成分為木質(zhì)素磺酸鈉，是處理鉆井液的有效組分。故紙漿廢液實質(zhì)上是木質(zhì)素經(jīng)亞硫酸鹽磺化而成的一種鈉鹽。 紙漿廢液處理鉆井液必須與燒堿配成各種不同比例的堿液才能見效，紙漿廢液與燒堿的比值一般在1：～1:，處理鉆井液時，必須按當時鉆井液的性能來選擇堿比。一般加量較大（5%以上）。由于此種處理劑容易起泡，用量較大,抗溫性不夠理想等缺點，故目前巳很少單獨使用，為改性產(chǎn)品所代替。鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽(ferrochrome lignosulfonate)代號為FCLS,俗稱為鐵鉻鹽。它是由紙漿廢液，經(jīng)過發(fā)酵制取酒精后，～，再在60～80℃左右，加入預先配制好的硫酸亞鐵溶液和重鉻酸鈉溶液,充分攪拌,經(jīng)氧化、絡合反應約2小時后過濾除去CaSO4，噴霧、干燥即可。鐵鉻鹽分子結(jié)構(gòu)特點與性能的關(guān)系：（1）由于鐵鉻鹽分子中有磺酸基，F(xiàn)e2+和Cr3+與木質(zhì)素磺酸鹽又形成了較穩(wěn)定的螯合物，所以鐵鉻鹽是一種抗鹽、抗鈣的有效降粘劑；能用于淡水、海水和飽和鹽水鉆井液中，并可用于各種鈣處理鉆井液中。 （2）因為分子中磺酸基的硫原子直接與碳原子相連，加上鐵和鉻離子與木質(zhì)素磺酸之間有螯合作用（木質(zhì)素磺酸分子與金屬離子絡合時，一個分子同時有兩個官能團與同一個離子絡合稱螯合），所以鐵鉻鹽的熱穩(wěn)定性很高，可以抗150℃以上的高溫。 （3）鐵鉻鹽的水溶性決定于其磺化度，磺化度高，水溶性大。 （ 4）鐵鉻鹽具有弱酸性，加入鉆井液時會引起鉆井液的PH降低，所以必須配合燒堿使用。 鐵鉻鹽對鉆井液的稀釋作用包括兩個方面，（1）吸附在粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層，從而削弱粘土顆粒之間的邊一邊和邊一面連結(jié)，這樣就削弱或拆散空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使鉆井液的粘度和切力顯著降低。（2）鐵鉻鹽分子在泥、頁巖上的吸附，有抑制其水化分散的作用，這不僅有利于井壁穩(wěn)定，還可以防止泥頁巖造漿引起的鉆井液的粘度和切力上升。 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場使用經(jīng)驗表明：（1）鐵鉻鹽抗溫在150～180℃，可加入少量的Na2Cr2O7或K2Cr2O7可提高熱穩(wěn)定性。（2）～%之間。（3）鐵鉻鹽鉆井液的泥餅摩擦系數(shù)較高，深井中使用時要注意混油和添加有效的潤滑劑；（4）使用時如果產(chǎn)生泡沫，可加少量硬脂酸鋁、甘油聚醚等消泡劑，以消除泡沫。（5）與堿配合使用，鉆井液PH 以9～11最好。盡管鐵鉻鹽是目前公認為性能優(yōu)良的降粘劑，但仍存在不足。首先，使用時鉆井液的PH值要高稀釋效果才更好，這是不利于井壁穩(wěn)定的；其次，使用時引起鉆井液發(fā)泡；另外，鐵鉻鹽含重金屬鉻，在制造和使用過程中造成環(huán)境污染，這與環(huán)境保護的要求是相違背的。由于這一原因，國內(nèi)外已經(jīng)禁止使用鐵鉻鹽。3．無鉻降粘劑類 由于鉻有毒，國內(nèi)外已經(jīng)禁止使用。國內(nèi)外研制了許多無鉻的降粘劑，作了許多研究工作。有用聚丙烯酰胺類與木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚，也有用其它高價金屬離子鹽類與木質(zhì)素磺酸鹽氧化、螯合的，但所有產(chǎn)品降粘、抗鹽、抗鈣和抗溫性能都不如鐵鉻鹽，也有用磺化褐煤類作降粘劑。 DESCO: 一種微紅一棕色的片狀固料，在從淡水一直到飽和鹽水中都能很快溶解，不必使用燒堿。DESCO是一種堿性物質(zhì)，它在比較寬的PH值范圍里都有效，不過對于控制流變性比較理想的PH值是9至11。 DESCO是無刺激性的，對海洋生物沒有不良的影響。它的熱穩(wěn)定使它成為高溫鉆井液的極好的稀釋劑。用DESCO稀釋的鉆井液，其性能在要求的溫度下老化后常常是有所改善的。 DESCO是一種高效的多用途的鉆井液稀釋劑，是為了滿足深井鉆井要求而研制的。它在現(xiàn)場鉆井液中的性能優(yōu)于實驗室內(nèi)的數(shù)據(jù)。因為Desco是一種除氧劑，它降低了鉆井鉆井液中的腐蝕作用。它可與所有普通使用的有機的鉆井鉆井液添加劑配合使用。例如，Desco可與Drispac、Soltex、褐煤及木質(zhì)素磺酸鹽一齊使用。 Desco是一種多用途的鉆井液調(diào)節(jié)劑，適用于所有的水基鉆井液。在淡水鉆井液中作為分散劑的效力是目前所用的其它稀釋劑的三倍有余。 CT3—CT3—5：復合鈦鐵木質(zhì)素磺酸鹽。以木質(zhì)素磺酸鹽為主要原料，用無毒高價金屬離子鈦、鐵和鋁等與木質(zhì)素磺酸鹽經(jīng)置換反應、氧化反應、中和反應生成含有穩(wěn)定內(nèi)絡合物的CT3—4和CT3—5。適用于10 0～150℃；降粘效果與FCLS相當或略優(yōu)；處理費用與FCLS接近，能與其它藥劑配伍。該降粘劑可以在中深并中取代目前國內(nèi)常用的鐵格木質(zhì)素磺酸鹽降粘劑，改善對環(huán)境的影響。具有理想的降粘、降切作用、對改善鉆并依流動性、保證快速、安全鉆井發(fā)揮了直要作用而深受鉆井現(xiàn)場的重視。 有機硅降粘劑：有機硅降粘劑主要是利用有機硅生產(chǎn)過程中的下腳料與腐植酸鉀或木質(zhì)素磺酸鹽在一定溫度、堿性環(huán)境及催化劑作用下制備的縮聚產(chǎn)物。它既具有有機硅的強抑制性和高溫穩(wěn)定性、良好的潤滑性，又具有腐植酸類、木質(zhì)素磺酸鹽類處理劑的降粘、降失水作用。這類產(chǎn)品不僅抗溫降粘能力強且抑制性也很好。與硅穩(wěn)定劑復配使用時其降粘效果更好。硅穩(wěn)定劑是由有機硅和低分子量有機化合物制取的液態(tài)產(chǎn)品，用于改善泥餅質(zhì)量；并具有明顯的抑制能力和降粘效果。有機硅的主要成分為（CH3）2Si（OH）2或（CH3）Si（OH）3水解后縮合物。有機硅分子中的Si一OH鍵容易與粘土上的Si一OH鍵縮聚成Si—O—Si鍵，形成牢固的化學吸附，可在粘土表面上形成一層甲基朝外的吸附層，使粘土由親水表面反轉(zhuǎn)為親油表面，阻止或減緩了粘土表面和層間的水化作用；同樣也減弱了鉆井液中粘土顆粒間的相互作用力，削弱了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此有機硅不僅具有較好的抑制泥頁巖水化能力，而且也具有較好的鉆井液降粘能力和潤滑性能。遼河油田（MSO）、大港油田（GKHm）和江蘇油田等都使用了有機硅類降粘劑。可用硅酸鹽、聚合物等一起使用，抗溫能力可達200℃以上，但抗鹽、抗鈣能力差。二、聚合物型降粘劑聚合物型降粘劑主要是低分子量的丙烯酸類或丙烯酰胺類聚合物，主要用于聚合物鉆井液。1 X－40系列降粘劑：X－40系列降粘劑產(chǎn)品包括X－A40及X－B40兩種。 X－A40是低分子量聚丙烯酸鈉，其結(jié)構(gòu)式為： （CH2CHCOONa）n 在水溶液中采用氧化一還原引發(fā)體系，游離基鏈式聚合制得液體產(chǎn)品，烘干后呈藍色顆?；虬咨勰?。平均分子量為5，000左右。在鉆井液中加量為0．3％時，可抗0．2％CaSO；、0．3％水泥、1％NaCI，可抗150℃的高溫。 X－B40是丙烯酸鈉與丙烯磺酸鈉的低分子量共聚物，其結(jié)構(gòu)式為： （CH2CHCOONa）x（CH2CHCH2SO3Na—）y 其中丙烯磺酸鈉占總單體量的5一20mol％。小角度光衍射法測得的重均分子量為2340，說明平均分子量相當?shù)汀? X－B40的聚合方法同X－A40。由于在分子中引進了一SO3Na，X－B40的抗溫性和抗無機電解質(zhì)的能力都優(yōu)于X－A4O。但成本比X－A40高。如前所述，為了使降粘劑分子能在粘土顆粒上進行多點吸附，并能給粘土顆粒帶來高的負電荷分布密度，要求降粘劑分子有一定的分子量；但不能高，否則會提高鉆井液的粘度。X－40系列的稀釋機理：X－40系列作為聚合物鉆井液的稀釋作用，主要是由它們的線型結(jié)構(gòu)及強陰離子官能團引起的，但主要的是因它們的平均分子量低，這樣可以在水基鉆井液中拆散由高聚物與粘土顆粒之間形成的“橋接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”，達到降低粘度、降低切力的目的。若其聚合度過大，反而會使粘度、切力增加。2． XY27：含有陰離子和陽離子基團的兩性離子聚合物，屬于乙烯基單體多元共聚物。既是降粘劑又是抑制劑，它具有較強的降粘、抑制粘土水化膨脹的能力，既可用于聚合物鉆井液體系，而且對于分散型鉆井液體系在低濃度條件下優(yōu)于陰離子聚合物和分散型降粘劑。是目前使用量較大的一種聚合物降粘劑。幾乎全國各個油田都在使用。幾種降粘劑性能對比見表。基漿的組成：10%膨潤土+%PAC141 兩性離子降粘劑降粘機理：在常規(guī)聚合物鉆井液中，陰離子型聚合物降粘劑一方面由于其分子量低，它通過與粘土粒子表面氫鍵吸附優(yōu)先吸附在粘土顆粒上，從而頂替掉原已吸附在粘土顆粒上的大分子主體聚合物，從而拆散了聚合物與粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；另一方面，小分子量的降粘劑與主體聚合物大分子間的交聯(lián)作用，阻礙了聚合物與粘土間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而實現(xiàn)降粘作用。對兩性離子型聚合物降粘劑XY27來說，它的分子鏈中引人了陽離子和非離子基團，使其在與粘土顆粒間的相互作用中增加了陽離子基因與粘土的靜電吸附，故XY27能比較高分子聚合物在粘土顆粒上更快更牢地吸附。而且XY27 的特有結(jié)構(gòu)致使與大分子之間的交聯(lián)或絡合機會增加，再加之分子鏈中擁有大量水化基團，從而兩性離子聚合物降粘劑XY27的降粘效果優(yōu)于陰離子型合物。 兩性離子降粘劑抑制機理：分子鏈中的有機陽離子基團通過靜電吸附于粘土表面，一方面中和了粘土表面負電荷，減弱粘土的水化趨勢，增強抑制，另一方面這種特殊分子結(jié)構(gòu)使聚合物鏈間更容易發(fā)生締合，從而使在具有較低分子量的時候，仍能對粘土顆粘進行包被，不減弱體系抑制性。此外分子鏈中帶有大量的水化基因形成的水化膜，阻止自由水分子與粘土表面接觸和提高粘粒的抗剪切強度。有效地增強體系抑制性。這是集降粘同時又增強抑制的作用機理：兩性離子聚合物所具有的特殊結(jié)構(gòu)，使其能同各種類型處理劑相匹配或兼容，如可以配合使用磺化瀝青或磺化酚醛樹脂類等處理劑，改善泥餅質(zhì)量，提高封堵效果和抗溫能力。 降粘劑 XY—27對鉆井液性能的影響:在加有FA367的膨潤土漿中，加入少量XY27，鉆井液粘度，切力就急劇下降，鉆井液濾失量降低，泥餅變得致密，且隨著XY27的加入，鉆井液抑制性非但沒有下降，反而增強了。XY27處理的鉆井液對不同類型粘土礦物的泥巖均具有較強的抑制性，回收率隨XY27加量增大而增高，現(xiàn)有的各種陰離子型降粘劑雖然具有較好的降粘效果，但均會引起鉆屑與膨潤土分散，削弱了鉆井液抑制性（從表 13可以看出，用 FCLS或 XB40處理膨潤土漿，其顆粒平均直徑變小，比表面積增大），表 16列出用 FA367處理的膨潤土漿中加人 XY27后，隨其加量的增加鉆井液容納鉆屑的能力亦增強抗鉆屑污染能力增強。當 0．l％XY27與 0．1％FA367相配合時，鉆屑粉加量達20％時，鉆井液粘度、切力仍然變化不大。（sulfonated styrene maleic anhydride copolymer）：由苯乙烯、馬來酸酐、磺化試劑、溶劑（甲苯）、引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑（硫醇）通過共聚、磺化和水解后制得。分子量1000～5000，抗溫200℃以上。這種產(chǎn)品由于成本較高，僅在高溫油井或地熱井使用。第四節(jié) 濾失控制劑鉆井液中液相在鉆井過程中侵入地層，造成泥頁巖水化、膨脹和垮塌，引起井下事故或損害產(chǎn)層。加入降失水劑的目的就是要形成好的濾餅，即滲透率低、柔韌、薄而致密的濾餅。濾餅的形成過程及濾失方程鉆井液濾失過程和濾失規(guī)律通常用濾失量和濾餅厚度來定量描述。實際上，在鉆井過程中鉆井液在鉆頭破碎井底巖石形成井眼的瞬間，鉆井液及其液相向地層孔隙滲透，固相滯留逐漸形成濾餅。濾餅不斷增厚，直至平衡。鉆井液侵入地層形成濾餅的過程見圖：鉆井液在井壁表面形成外濾餅，穿過井壁進入地層的顆粒形成內(nèi)濾餅，鉆井液侵入地層的前緣地帶稱為初損侵入帶，而鉆井液未進入的地層稱為未受損地層。劉志明等人認為外濾餅滲透率遠低于巖心內(nèi)濾餅滲透率，而內(nèi)濾餅滲透率有明顯低于巖心滲透率。通常將鉆井液濾失量可分為三種類型，濾液未形成之前的濾失量稱為瞬時濾失量，若鉆井液停止循環(huán)處于靜止狀態(tài)的濾失量稱為靜態(tài)濾失量，而鉆井液在循環(huán)過程中的濾失量稱為動態(tài)濾失量。這三種失水量的大小與濾餅的質(zhì)量密切相關(guān)。周風山等人利用濾餅針入度儀（filter cake penetrometer）FCP評價了濾餅的質(zhì)量，提出了濾餅結(jié)構(gòu)模型。他們認為泥餅的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其強度及密實程度的不同分為（自上而下）虛泥餅、可壓縮層泥餅，密實層泥餅及致密層泥餅共四層（如圖所示）。從泥餅的微觀結(jié)構(gòu)來看，在泥餅的任一點處，其均質(zhì)性是相對的，其不均質(zhì)的特性時絕對的。在這兒濾餅和泥餅是同一概念。張達明等人利用冷凍干燥技術(shù)（即，用液氮快速冷凍樣品，并在真空狀態(tài)下抽空干燥，保持樣品的微觀結(jié)構(gòu)不變，得到的干樣可用于電鏡分析。）分析了膨潤土基漿、鹽水基漿、不同配比的聚合物鉆井液及相應泥餅的微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：在膨潤土淡水基漿中，粘土片以端一面和端一端相連形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)或卡片房子結(jié)構(gòu)圖3；在聚合物鉆井液中，聚合物吸附在粘土表面上，并相互連接形成了網(wǎng)狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)圖4；基漿和聚合物鉆井