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不错的理论入门资料-水基钻井液及处理剂作用机理

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不错 理论 入门 资料 钻井 处理 作用 机理
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水基钻井液及处理剂作用机理第 1 页 共 37 页水基钻井液及处理剂作用机理蒲晓林1 课程简介本课程是“泥浆工艺原理” 、 “深井泥浆”的后续课程,是根据钻井液化学研究方向总结、整理的课程。着重从钻井液工艺性能和胶体化学的角度讲述钻井液处理剂作用原理。 程特点(1) 课程目前还在完善中①处理剂应用阐述多,作用机理研究少,在此研究领域还没有这样一门专门课程;②年来文章多,文献报道多,但不系统,各说各的;③都以产品、专利出现,有关理论研究的报道较少,尤其是许多研究还触及到许多商业秘密。因此,许多单位从机理出发,从理论出发去开发产品不多,缺乏理论指导。例如:中山大学、天津大学、山东大学、成都科大。④品成系列的仅两家:我院和勘探开发研究院。⑤理不清楚,研究失去方向。(2) 本课程目的主要从钻井液的发展和类型的角度讲述处理剂的作用机理。使学者掌握各种处理剂在不同钻井液条件下的作用原理和用途。程主要任务①示水基钻井液作用机理,学习进一步深入研究这种作用机理的方法和思路;②导机理研究入手,力求把处理剂研究、研制理论化、条理化,为有目的地、有针对性地研制处理剂和研究新型钻井液体系创造条件;③握使用规律。更好地指导产品应用和质量提高,把处理剂研制、生产和应用规律有机地结合起来。处理剂作用机理及其对钻井液宏观性能的影响; 处理剂作用性质和作用效果的实验研究方法。钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂适应钻井工程、地质勘探及其技术发展,钻井液性能应具备的性能要求;钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能通过什么样的(运用)处理剂,起什么作用,作用规律(机理)是什么?具有实现钻井液作用效能,处理剂应具有的性质,—如水溶性、抗盐性和抗温性,同粘土的作用规律等等。水基钻井液及处理剂作用机理第 2 页 共 37 井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。—最终落实到处理剂的分子结构设计。理剂的合成、研制要实现处理剂分子结构设计,所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。理剂应用规律和效能评价处理剂效能评价的原则:满足优质、安全、低成本钻井、完井和环保要求。于建立钻井液体系和指导应用是至关重要的。2 理剂的作用机理(包括作用原因、途径、效果)钻井液性能的微观本质(为什么具有这种性能、本质是什么?):水基钻井液组成:水+土+ 化学处理剂本质:分散相(粘土)的分散状态决定钻井液性能。量的体现:土含量加上分散状态数值大小。 粒 度结 合 方 式 、 形 式 、 程 度粒 子 的 结 合多 级 分 散 粒 子 的 级 配 为 粒 子 浓 度 )分 散 度 ( 土 量 相 同 时分 散 状 态 ,其中,分散状态测定方法:① 粒度分布:沉降天平,库尔特计数器,激光粒度仪等;② 电镜分析。然而,分散状态由粘土粒子表面状态决定。 作 用 相 关与 处 理 剂 在 粘 土 表 面 的水 化 膜表 面 状 态 吸 附 后 的 电 荷吸 附 后 的 状 态吸 附 量吸 附 键吸 附 作 用处 理 剂 作 用 )(吸附作用测定方法:① 主要测吸附量、厚度;② 波谱、红外、紫外、质谱。 处 理 剂 所 处 介 质 环 境交 换 性 阳 离 子粘 土 表 面 晶 型处 理 剂 的 分 子 结 构影 响 吸 附 作 用 的 因 素以上众多关系中,任意寻找或研究两者的关系即为机理研究。理剂的研制处理剂研制、研究包括以下内容:(1) 明确处理剂在钻井液中作用效能要求,以及处理剂实现这些效能要求的途径;(2) 研究具有这种作用的处理剂本身应该具有什么样的要求。如:水溶性、抗盐、抗钙、水溶液粘度、构型、构象、与粘土作用等。(3) 具有这种效能和性能的处理剂在分子结构上应该具有什么特征(分子量、基团种类和比例、位置、链形、含不含金属离子、金属离子怎么作用上去的等) ;水基钻井液及处理剂作用机理第 3 页 共 37 页(4) 实现这种分子结构所需要的化学途径;(5) 处理剂的应用规律和效果评价。 辅助钻井提高钻井速度。② 保证钻井井下安全,防止钻井过程中各种复杂问题发生,如井塌、卡钻、井喷、井漏等。③ 保护油气层,提高油气井产量。钻井液包括钻井液处理剂正是在不断满足钻井工程要求的基础上发展起来的。钻井液工艺的发展经历了四个发展时期:① 初步形成时期——1888~1928 年;② 快速发展时期——1928~1948 年;③ 高速发展时期——1948~1960 年;④ 科学化时期——1961 年~现在。步发展时期 ——自然造浆阶段主要解决问题: 携带钻屑 控制地层压力典型技术: 水+钻屑+地面土 使用重晶石、铁矿粉(>1920 年)特点:几乎未使用过化学处理剂。速发展时期 ——细分散泥浆阶段主要解决问题:泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术:性能测定仪器研制出来使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤特点:认识到胶体稳定性好的钻井液能够保证钻井的安全,开始发展和大量使用分散剂,于是形成了以细分散泥浆为主的淡水泥浆。速发展阶段 ——粗分散泥浆阶段主要解决问题:石膏、盐污染温度影响典型技术:各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种 16 大类特点:出现了新的一类钻井液处理剂—无机絮凝剂,主要是含钙离子的电解质,如石灰、石膏、氯化钙等。同时,经过适度絮凝的钻井液需要作用更强的稀释剂和降滤失剂才能有效地控制钻井液的流动性和滤失性。于是,一些抗盐抗钙能力强的处理剂发展起来,如铁铬木质素磺酸盐、钠羧甲基纤维素等。同时,本时期(1935~1936 年)还在天然化合物利用方面得到长足发展:——开始使用淀粉作为降低矿化度高的钻井液滤失控制剂。——单宁酸类稀释剂得到了应用。水基钻井液及处理剂作用机理第 4 页 共 37 页——研究并应用腐植酸类处理剂。——通过对天然沥青磺化、乳化,沥青类处理剂在抑制性方面见到良好效果。学发展时期 —聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题:快速钻井保护油气层典型技术:不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液特点:钻井液处理剂种类从天然高聚物类及其改性制品向合成高聚物和共聚物类方向发展,并由化学处理剂的单一功能向多功能方向发展,由低效能向高效能方向发展。—1958 年,完全絮凝剂1960 年,选择性絮凝剂60 年代初,研制出具有特殊剪切稀释作用的生物聚合物,可用于钻井液、压裂液、聚合物驱提高采收率等方面;—70 年代,为解决深井抗高温问题,研究并应用磺化系列处理剂:磺化酚醛树脂(代号 、磺化褐煤(代号 、磺化单宁和栲胶(代号 ;—70 年代中期,研究并应用有机阳离子聚合物、两性离子聚合物等;—80 年代后,表面活性剂在钻井液中开始广泛使用;—90 年代后,聚合醇、合成基、甲酸盐等环保型强抑制钻井液开始使用。国钻井液技术突出发展的几个阶段四个阶段:处理钻井液阶段( 60 年代 代)利用无机盐:高井壁稳定性;利用:一些表面活性剂维持钻井液性能的稳定。磺钻井液阶段( 70 年代后期)主要用在深井。三磺处理剂:三磺) ,有效地降低钻井液高温高压失水,进而提高井壁稳定性。用这类处理剂成功钻成我国最深的两口井:关基井(7175 米) 、女基井(6011 米) 。——有人称这是我国钻井液技术的第一大进步。磺钻井液阶段( 70 年代末 代)聚磺钻井液:聚合物钻井液+三磺钻井液。即:在三磺水基钻井液基础上引入阴离子型丙烯酰胺类聚合物抑制剂。——有人称这是我国钻井液技术的第二大进步。离子、两性离子聚合物钻井液阶段( 80 年代末 代)阳离子聚合物钻井液:聚合物分子结构上引入阳离子基团:(阳离子聚丙烯酰胺、羟丙基三甲基氯化胺。两性离子聚合物钻井液:聚合物分子结构上引入阳离子和阴离子两种基团。如 。—有人称这是我国钻井液技术的第三大进步。井液处理剂发展趋势钻井液处理剂在发展过程中必须注意解决两个不能回避的问题:水基钻井液及处理剂作用机理第 5 页 共 37 聚”与“分”的矛盾或者“聚”与“磺”的矛盾对于所钻井的地层,为了快速、安全钻进,究竟是聚结为主或是分散为主始终贯穿在钻井液技术实施过程中,从而得到不同的技术方案、思路,相应地,采用不同的处理剂系列。聚 ”类处理剂:主要指抑制剂,包括无机盐和有机聚合物类。特点:抑制蒙脱土含量较高地层的水化、膨胀、造浆,有利于钻井时地层的稳定。 (主要是上部地层)缺点:不利于钻井液性能的稳定。分 ”类处理剂:主要是磺化聚合物、褐煤、纤维素及淀粉等。特点:有利于钻井液性能稳定,使钻井液成为稳定胶体并具有钻井工程所需要的流变性和造壁性。缺点:对地层的稳定有时不利。“聚”与“分”两者是辨证的共处于矛盾的统一体中,可以相互转化,是相辅相成的。因此,现场钻井液工程师根据地层沉积的特点(上部蒙脱土含量多,造浆严重,下部伊利石较多,坍塌严重) ,采用钻井液体系原则:上部地层:只聚不磺(分)下部地层:少聚多磺或者只磺不聚。专”与“配”的矛盾“专”是指在一类聚合物分子上,利用分子结构设计,获得所需要作用效果的处理剂。“配”是指利用多种处理剂的协同复配作用达到某个作用效果。3 分散性钻井液处理剂作用机理分散性钻井液概念(因无准确概念,则划分出一个细分散、粗分散):钻井液性能的维持和实现是靠处理剂在钻井液中对粘土粒子的分散作用实现的。特点:① 处理剂主要起分散作用,给钻井液带来分散环境,对所有粘土粒子均起分散作用。② 内部结构:以卡片式房子结构为主,即:E—E、E—F。散性钻井液的降粘剂—降低粘度处理剂最简单的是水,但不包括水。粘剂概念不降低钻井液粘土含量的情况下降低粘度、切力的处理剂(因为盐也可能降低粘度) 。——降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。井液粘度构成粘度=η 结 +η 粘剂定义通过降低钻井液结构粘度来降低钻井液表观粘度的处理剂。用机理首先降粘剂选择性或优先多点吸附在粘土粒子的端面,增加端面负电荷分布密度,提高粘土粒子 ζ,增加水化膜,阻止或削弱结构形成。水基钻井液及处理剂作用机理第 6 页 共 37 井液稠化原因a. 钻井液固相颗粒过多-→粘切增加b. 粘土粒子形成卡片式房子结构-→粘切增加c. 钻井液中自由水含量大幅度减少-→粘切增加总粘度可用 典悬浮液粘度公式和 剂化理论公式联合表示出来:220)1()(1式中:—稀溶液粘度; —稠溶液粘度;xc、 —纯溶液粘度; k 、k 1、k 2—均为常数;0—固相体积百分数; S—固相比表面积; h—颗粒溶剂化膜厚度。这样,就比较清楚地表示出钻井液体系粘度的胶体化学性质与组成,它是由①、钻井液体系液相粘度;②、总固相产生的粘度;③、固相粒子分散带来的粘度;④、固相粒子间相互作用产生的粘度四部分构成。显然,各部分粘度参数在不同程度上对总粘度值产生影响。减小或削弱其中任何一项粘度,均要降低体系粘度。降粘剂主要是降低固相粒子间相互作用产生的粘度 η G。分散 ”、 “解絮凝 ”、 “聚结 ”概念分散 分散 聚结絮凝状态向聚结 粘剂降粘机理稀释剂的降粘稀释机理为:稀释剂分子通过吸附(静电吸附、配位键吸附)在粘土颗粒端面上,改变端面性质,拆散网架结构,从而降低钻井液结构粘度。具体途径有两条: 使端面电性反转:由带正电性端面转变为负电性端面,使正负相吸改变为负负相斥。 增强端面水化膜厚度:由于稀释剂分子的吸附基吸附在粘土颗粒端面上,水化基给端面带来丰厚的水化层,从而削弱边—-边、边-—面连接,拆散了网架结构,同时放出自由水,使粘度降低。根据稀释剂的减稠稀释机理可以认识到稀释剂的三个作用特点:作用在粘土颗粒的端面;用量少、效果显著(因为端面少) ;主要降低钻井液的 、 ’,不降 粘剂吸附于端面的实验证明a、电泳速度增加——吸附了降粘剂的粘土颗粒负电荷密度增加,导致它向阳极运动速度加快。b、c 轴间距变化小——如果处理剂吸附于晶层内表面将使 C 轴间距增大。但降粘剂几乎不会使粘土 C 轴间距增大。表 1 安丘膨润土吸附降粘剂前后 C 轴间距变化偏磷酸钠()6 十二烷基三甲基溴化铵吸附前 C 轴间距 轴间距 页 共 37 页由表 1 可见,六偏磷酸钠分子没有进入粘土晶层间。但带有阳离子的十二烷基三甲基溴化铵进入了粘土层间。粘剂分子结构特点任何钻井液处理剂应该有两大部分基团:吸附基团和水化基团。(1) 应与粘土端面:—+、—+发生吸附基团。 (典型的如酚羟基:发生络合吸附) ;(2) 能够在—发生沉淀反应基团。如磷酸根(多聚磷酸盐:既有吸附基,又有水化基,但多聚磷酸盐不抗温,升温 80℃后热降解为正磷酸盐,降粘能力下降;磷酸钠()则不行,无水化基) 。粘剂与分散剂的区别(1) 降粘剂:只能在端面,不能在表面和层间(分散)作用。①. 用量少(因优先吸附在端面) ,但逐次使用效果下降;②. 用量多时,端面饱和,吸附在平面起另外一种作用;③. 几乎不增加和减少粘土粒子浓度。(2) 分散剂:①. 促使粘土粒子对面分开;②. 使已经分开的保持稳定;③. 使粘土粒子浓度增加。粘剂概念的发展粘度=η 结 +η 非结能否在拆散内部结构同时,降低粘土粒子浓度,即:被拆散结构的粘土粒子发生合并(前面的聚结,大幅度降低粘度。反过来说,只要使粘土粒子不分散,也可以降粘。降粘剂降低粘度方法有以下三种:a) 加入无机盐使粘土粒子面—面聚结合并,如:+、+。使粘土粒子浓度降低。b) 只拆散内部结构(传统降粘剂) 。粘土粒子浓度几乎不变。c) 以上两种方法的结合(现在的降粘剂) 。现在的降粘剂特点:(1) 加少量见效(2) 加多也见效(关键有高价金属离子)(3) 长效性很好(4) 加多了也作为降滤失剂(本质上为分散剂)子量分子量不能太大。太大分子量可能造成液相粘度太大,且可能达到高聚物范畴,产生另外一种新的类型结构。但分子量又不能太小,太小不能给粘土带来足够的水化膜,并且,由于水化基与吸附基之间也应该有距离,所以,分子量应该适当。一般地,降粘剂分子量为:几千 殊情况也有超过 1 万的,如: 万,因为其分子结构不为链形。团降粘剂的基团要有能与粘土粒子端面强烈吸附的吸附基团。如:络合吸附;① 与+离子配位的基团;② 与+离子发生沉淀的基团;③ 含有邻酚羟基的基团。子上有带负电荷的强水化极性基团阴离子基团:—、—2-、— 页 共 37 页非离子基团:—、—种基团比例应适当吸附基与水化基之间应有最佳组配关系,如果吸附基的吸附能力很强,水化基多,则效果最好。但是,水化基↗→处理剂化学位↘→吸附量↘。吸附基与水化基比例:H 相关。规律:矿化度↗→要求水化基比例↗。化基团与其类型有关,亲水基的亲水性强(如 20% 可达到 50% ,则可选择较低的比例。无机盐在钻井液中会削弱亲水基团的亲水性,减薄水化基团的溶剂化层,降低使用效能。高价金属离子且应与有机处理剂发生络合降粘剂处理剂分子应该含有高价金属离子且应与有机处理剂发生络合反应,如不与有机处理剂发生络合反应,就相当于与有机处理剂复配。从引起钻井液粘度增加的结构粘度和非结构粘度(η 结构 和 η 非结构 )因素分析,尽可能降低钻井液中粘土粒子浓度,是降低钻井液粘度的另一条重要途径。高价金属离子 有较强的促使粘土颗粒形成 F-F 方式聚结的能力,大大降低了粘土颗粒的分散度,再通过降粘剂的吸附和形成的溶剂化层,减少颗粒形成 E-F 和 E—E 结构的趋势,同时,还维持体系的稳定。高价金属离子一般是通过络合的方式结合在降粘剂分子上。一般说来络合度越高,降粘效果越好。但在重复使用的过程中,降粘效果变差,原因在于吸附量大,形成了面加了体系的粘度。所以,应有一个适当的络合度。如:其络合度就有要求。降粘剂中的高价金属离子存在三种平衡关系:+ + R↔+ + +n(OH)n↓n↔C + M +降粘剂中的高价金属粒子应遵循以下两条原则: 降粘剂研制途径必须选用种类、比例适当的亲水基团、吸附基团和络合能力不同的各种高价金属离子。粘剂与粘土粒子表面的作用a. 作用在端面b. 作用在平面(如含有高价金属离子的降粘剂)粘剂吸附键性质a. 最常见:氢键(电子云强烈发生偏转)b. 范德华力(分子量较高者)c. 静电作用d. 络合吸附(高价金属离子吸附在表面,而处理剂又对其发生络合)水基钻井液及处理剂作用机理第 9 页 共 37 粘剂的评价方法降粘剂的评价方法与处理剂的作用机理紧密相关。采用降粘率的概念进行相对评价: %10'降 粘 率也可以采用 100 转时的表观粘度进行评价:10'降 粘 率公式使用条件:钻井液粘度高是由于结构粘度高所引起,若为非结构粘度所引起,公式不适用。一般来讲,降粘率如能达到85%即可。在直角坐标系上,可以“加量—降粘率”关系表征降粘效果。如图2所示。在实验室内,降粘剂的选择方法还可以采用漏斗粘度计、旋转粘度计进行评价选择。评价指标是钻井液的静切力G、动切力效粘度 ’这几项流变性参数。具体方法为:在钻井液中加入稀释剂(W/V%) ,充分搅拌均匀后,测定流变性能,以加入降粘剂前后钻井液的G、、 ’降低幅度作为稀释剂效果强弱的评价标准。粘剂的发展现状a. 降 粘 剂制 得 含络 合磺 化缩 聚接 枝 共 聚材 料 为 原 料以 不 同 水 溶 性 天 然 改 性 植酸、木质素、淀粉、单宁栲胶、水解聚丙烯晴。型产品:A、 木质素类1) 铁铬木质素磺酸盐(代号质素是来源丰富、价格低廉的一种天然资源。从造纸废液中分离出的木质素磺酸盐制得的铁铬木质素磺酸盐是最有效的一种降粘剂,适用于各种类型的钻井液。a. 铁铬木质素磺酸盐的生产将木质素磺酸钙[()2硫酸铁[(]和重铬酸钠(用时,即可生成铁铬木质素磺酸盐,其化学反应为:3(+)3(r•3b. 铁铬木质素磺酸盐的使用0万范围内。+与木质素磺酸分子链形成稳定的螯合物(内络合物) ,基本不电离,属于非离子性高聚物。因此,其抗盐抗钙能力较强。温可达170这是因为磺酸基团能较强,而且又是热稳定性较高的络合物。量大时引起钻井液时会产生泡沫。故要配成) 无铬木质素磺酸盐降粘率%加量图2 降粘效果表征图水基钻井液及处理剂作用机理第 10 页 共 37 页由于生产成生产环境的污染;使用钻井液中仍然含有一定量的铬离子,对农田、海洋也会造成环境污染,此,研制出无污染降粘剂,即不含铬离子的无铬木质素磺酸盐降粘剂成为必要。产品类型:质素磺酸+天然高分子+无毒金属离子(钛、铁等)络合B、 单宁类产品类型:K、种多元酚衍生物组成的复杂混合物。主要是水溶性多元酚。分子量:500羟基水化基团:—、—过邻位双酚羟基以配位键或电价键吸附在粘土粒子断键边缘的成五元环的螯合物,同时,其余的水化基团的水化,给粘土粒子边缘带来吸附溶剂化水,提高电位,斥力增大,从而削弱了粘粒间端散卡片式房子结构,并放出大量自由水,致使钻井液粘度、切力显著降低。单宁酸钠在粘粒边角上的吸附以不同合成单体通过均聚、共聚的途径制得降粘剂。典型产品:磺化苯乙烯号。散性钻井液的降滤失剂(静失水方程)降失水的原理——达西渗滤定律: )1(2低泥饼渗透性是最重要的降失水途径。与形成泥饼,通过减小泥饼渗透率降失水(特指外泥饼) ——主要作用。例如:地层岩石的渗透率通常为:10 之间。未经过处理的膨润土钻井液泥饼渗透率为:10 之间。钻井液中加入降滤失剂后,泥饼渗透率为:10 。高液相粘度,饼形成过程与泥饼控制泥饼形成过程始终是一个架桥并逐级填充的过程。需要三种粒子:① 架桥粒子:第一次与孔隙大小相当粒子(浓度低、易找)② 逐级填充粒子:以后减小孔隙的粒子(易找)③ 最小填充粒子:最后一级填充粒子。决定泥饼最后渗透率(1) 。难找!水基钻井液及处理剂作用机理第 11 页 共 37 页三种粒子对微裂缝的填充模拟数据如表4所示。表4 架桥和填充粒子级配表架桥粒子m 一级填充粒子m 二级填充粒子m 三级填充粒子 径 100 35 12 4数量百分比% 0万)降失水剂作用机理高分子量降失水剂作用机理的实质为高分子保护作用。即高分子链上吸附粘土粒子,使粒子随高分子链一起运动,而不易自动聚集起来(有些人叫空间位置稳定作用) 。但是,若高分子量少,与粒子浓度不匹配(一个链上挂满,再互相结合,使得失去重力稳定性,称为敏化作用) 。1) 高分子量降失水剂使用特点:a. 用量少(只要挂在链上即可) ,分子量越大,用量越少,但有一个下限。b. 随分子量增大,絮凝趋势明显增强。c. 由于是高分子保护作用原理,则钻井液性能表现出聚合物溶液性质,如:高聚物抗盐,则钻井液抗盐。d. 提高液相粘度。e. 不易达到吸附平衡,即使达到平衡也不一定是单分子吸附。f. 吸附主要为氢键吸附,再发生下去可以有静电吸附。① 氢键吸附降滤失水剂分子中的-等基团同粘土晶体边缘的氧原子、氢氧基团形成氢键。② 静电吸附例如通过有机阳离子、无机+、 +等正电离子把带负电荷的粘土颗粒同电离后带电荷降滤失剂分子通过静电联系在一起。③ 螯合吸附如铁铬木质素磺酸盐、单宁酸钠、腐植酸类,在它们的分子结构中存在多羟基苯酚或多氧基苯这样的基团,它们可与粘土侧面断键处的铝原子配位形成螯合状态的吸附。水基钻井液及处理剂作用机理第 12 页 共 37 页这些吸附作用不仅可使处理剂吸附于大的粘土颗粒表面形成一层保护膜,而且可以使细微的(土颗粒吸附在大分子处理剂的链节上,从而在钻井液体系中形成空间网状结构,起到护胶作用。被保护起来的粘土颗粒在钻井液中不容易聚结,可在泥饼中以不同大小的颗粒互相填充成为一个密实的泥饼,从而降低泥饼的渗透率。g. 吸附形态:一个链上吸附多个粒子,容易发生包被。h. 分子量大小:国外:>50万;国内:>20万。i. 水化基比例一定要大于吸附基(因为水化基少了易发生絮凝) 。2) 状和疏水型三类。线型如聚丙烯酸钠、水解聚丙烯腈等。网状型如腐植酸类、淀粉类、木质素类、纤维素类和树脂类。这几类从整体看是不规则的线型,但因为每个链节都很大并成环状,它们在钻井液中主要表现出明显的网状结构特性。疏水型主要是油溶性树脂和改性沥青等类型产品。要求分子量适中,一般是几万到几十万。分子量太高会变成絮凝剂,使钻井液胶体体系破坏。分子量太低不能迅速在泥饼中形成网状复合物。此,降滤失水剂的制备过程是调整分子中各基团比例的过程。作为吸附基团,主要有-、醇羟基和阳离子基团等,都是非离子型强吸附基团,并有一定极性,容易被粘土粒子吸附,形成一定的溶剂化水膜,能较好的起到稳定胶体的作用。吸附的最主要形式是氢键和静电吸附。作为水化基团主要是-(22- 等,水溶性好,在高分子链节上可以形成较强的溶剂化水化膜。关于研究各种基团比例对失水影响的文献较多,普遍认为:水化基过大或过小,都会对降失水和在粘土表面吸附带来影响。因此,应根据吸附量、电荷密度和吸附形态等所产生的综合效应决定降失水效果。一般羧基含量在60%~70%为好。磺酸基和羧基的对比:就水化水的数目而言,直链上的磺酸基的水化能力比羧基强,而苯环上的磺酸基水化能力则比羧基弱。常用的环之所以减少了磷酸基的水化水数,可能由于位阻效应,即大的苯环空间阻碍了水分子的排列。但苯环上的硝酸基虽然水化水的数目少,却很牢固,不易脱除。李卓美通过用和做脱除水化膜试验证明了这一点。聚丙烯酸很容易破坏水化膜,聚苯乙烯磺酸盐就很难去除水化膜。而在去水化作用中,二价的+、 +离子比一价的强,+又比2+强。因此钙和耐温性。在淡水钻井液中且温度不太高时, H 4-为后者具有更厚的水化膜,因此它们的用量比有在深井和钙盐污染严重的情况下,外,吸附基团与水化基团的数量和分布也很重要,如:非水解的聚丙烯酰胺,分子链上几乎全部是酰胺基(—) ,只能作为全絮凝剂。水基钻井液及处理剂作用机理第 13 页 共 37 有高温解吸的一面,也有高温降解的一面。为了使高聚物具有高温稳定性,在设计处理剂合成时,主链联结方式应该是:—C—C—、—C—S—、—C—N—等,而应该避免引入—O—键。主要原因在于—O—键键能较低。性降失水剂主要解决最后一级填充粒子问题。这一类是能在钻井液中“高度”分散,基本不溶或完全不溶于水,以固相颗粒、液滴(乳状液滴或胶体物质) ,在泥饼构成中形成堵塞和封堵孔道的物质。主要品种有:磺化沥青、乳化沥青、氧化沥青粉、白碳黑、细目碳酸钙粉、分散性石蜡和水解纤维粉末等。惰性降失水剂的作用特点: 既不与粘土粒子,也不与处理剂发生反应。 本身在水中不溶解而又能高度分散,同时,有些产品具有疏水性质。 在一定温度和压差下可以变形(软化点) 。难点在本身在水中不溶解而又能高度分散,因为溶解易发生反应。目前用得最好的为:超细碳酸钙、磺化沥青、乳化石蜡。1) 超细碳酸钙——目数可达1200目和2500目(150mg/l) ,且生物降解性弱。2) 磺化沥青制取方法:将沥青加入盛有溶剂的反应釜中,加入磺化剂进行磺化,然后用氢氧化钠溶液中和、烘干、研细,得到磺化沥青。沥青原料中含有沥青质、胶质、芳香烃、饱和烃四种组分。适合制造磺化沥青产品的原料沥青,应该具有这些族组成:沥青质+胶质=50%芳香烃=30%饱和烃=0且应具有较高软化点。磺化沥青由水溶性和油溶性两部分组成。水溶性部分使磺化沥青能够分散在水中,油溶性颗粒则堵塞泥饼孔隙,在一定温度下变形,进一步堵塞孔隙,降低钻井液失水量。因此,控制磺化度和软化点,是磺化沥青作用效果好坏的关键。磺化沥青处理剂有膏状胶体(代号、粉剂产品(代号种类型,各产品依其组分的差异各具特色。3) 乳化石蜡将碳12得到无荧光降失水剂。乳化分散剂可以使用司盘、吐温、平平加、聚乙二醇高级脂肪酸酯、聚氧乙烯季胺盐、聚氧乙烯脂肪酸胺缩合物等表面活性剂。降失水原理同磺化沥青。水基钻井液及处理剂作用机理第 14 页 共 37 甲基纤维素( 聚阴离子纤维素( 甲基纤维素主要是羧甲基纤维素的钠盐,其分子结构是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物,是钻井液中应用较为广泛的一种降滤失剂。1) 合度和醚化度,聚合度是决定相同温度、浓度条件下,钻井液界,将V-、中粘(低粘(种产品。例如,将度的水溶液,用粘度计在25℃测定:用作增粘剂)00用作降滤失剂兼增粘剂)00用作降滤失剂)子量在3万代度(α)又称醚化度,即纤维素的葡萄糖链节上羟基经过醚化后被—萄糖一个链节中的三个羟基全部被取代,则α=3。若两个链节中只有一个被取代,则α=代度(醚化度)是决定代度与水溶性的关系是: 溶于水2) a. 提高粘土粒子的ζ电位甙键(—O)与粘粒表面上的氧(O -)和羟基(成氢键吸附,而—粘粒间静电斥力增大,结果提高了粘粒的聚结稳定性,于是容易形成薄而致密的泥饼,故降低滤失量。b. 形成结构网—包住大量自由水c. 提高滤液粘度以下三方面: 提高聚合度——聚合度提高到600以上 加入水溶性的硅酸钠、硅酸钾,生产出加入抗氧化剂——主要为酚类:苯二酚、邻苯二酚、硫化钠等。它的羧甲基在分子链中的分布更加均匀,取代度也稍有提高(。它的抗温、抗盐能力都比较高。此外,纤维素的接枝共聚物也有较强的热稳定性,如:N—羟甲基丙烯酰胺—丙烯酸接枝羧甲基纤维素、改性纤维素与丙烯晴接枝等产品。甲基酚醛树脂(磺化酚醛树脂)主要由苯酚、甲醛在酸或碱的作用下,缩聚反应生成酚醛树脂,并通过磺甲基化剂(甲醛与亚硫酸氢钠)的合成,引入磺甲基基团,具有抗高温和抗盐能力强的降失水剂。水基钻井液及处理剂作用机理第 15 页 共 37 页在我国应用最为广泛。磺甲基酚醛树脂有Ⅰ和Ⅱ型产品(代号,其主要差别是在磺化度(磺甲基基团的取代度上)和聚合度上,Ⅰ型主要用于淡水和低矿化度的盐水,其抗盐可达11×105 ,Ⅱ型可应用于饱和盐水中。与粘土粒子表面上的氧进行氢键吸附;亲水基团为磺甲基—降失水原理主要是:水化膜护胶和静电稳定作用。它能与很多高价金属离子配合使用,以提高其作用效能。粉及其衍生物淀粉是一种天然高分子物质,由直链淀粉和支链淀粉组成。由于淀粉颗粒的外层主要由支链淀粉构成,内层由直链淀粉构成,故原淀粉在冷水中既不溶解,也不容易溶胀分散,但是,淀粉分子中含有大量的醇羟基,通过改性(预胶化、羧甲基化、羟乙基化、阳离子化和部分氧化等) ,引入强吸水性的亲水基团后,可以使它成为良好的提粘、降失水剂。直链淀粉的大分子是由α支链存在,其基本链节是右旋葡萄糖中的α链淀粉的主链也是由α是骨架上有许多1在市场上改性淀粉的品种有羧甲基淀粉(代号、羟乙基淀粉、羟丙基淀粉(代号阳离子淀粉等。改性淀粉的降失水机理与原因可能是改性后使淀粉的分子增大,同时在大分子结构上改变了淀粉分子的立体有序性排列,使之成为立体无规结构,致使淀粉衍生物形成沉淀的倾向减弱。解聚丙烯腈主要有四个牌号的产品。三种是常温水解产品,包括钠盐(、钙盐(钾盐(K-;一种高温水解的产品为胺盐(-。a-与K-H 4-与本身水解厂来的形成-,所以也具有抑制性,并有更好的耐温性。据报导水解聚丙烯腈在淡水钻井液中可耐温240℃,但尚有一定争议,要耐此高温,恐怕还要对钻井液提出一些前提条件。植酸盐类以褐煤为原料生产的腐植酸盐降滤失剂牌号很多,大致有腐植酸钠、腐植酸钾、腐植酸铁、腐植酸
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