鉆井液配漿材料與處理劑

一般來講，鉆井液配漿原材料是指在配漿中用量較大的基本組分，例如膨潤土、水、油和重晶石等。處理劑則是指用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能，或為滿足鉆井液某種性能需要而加人的化學(xué)添加劑。處理劑是鉆井液的核心組分，往往很少的加量就會對鉆井液性能產(chǎn)生極大的影響。但配漿原材料與處理劑之間并無嚴(yán)格的界限，有的文獻(xiàn)將配漿原材料也歸類在處理劑中。

鉆井液原材料和處理劑的種類品種繁多。為了使用和研究方便，有必要將它們進(jìn)行分類。目前主要有以下兩種分類方法。

第一類分類方法是按其組成分類。通常分為鉆井液原材料、無機處理劑、有機處理劑和表面活性劑四大類。其中無機處理劑又可分為氯化物、硫酸鹽、堿類、碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和重鉻酸鹽和混合金屬層狀氫氧化物(即正電膠)類等。有機處理劑通?？煞譃樘烊划a(chǎn)品、天然改性產(chǎn)品和有機合成化合物。按其化學(xué)組分又可分為下列幾類：腐植酸類、纖維素類、木質(zhì)素類、丹寧酸類、瀝青類、淀粉類和聚合物類等。

第二類分類方法是按其在鉆井液中所起的作用或功能分類。我國鉆井液標(biāo)  準(zhǔn)化委員會根據(jù)國際上的分類法，并結(jié)合我國的具體情況，將鉆井液配漿材料和處理劑共分為以下“類，即(1)降濾失劑(Filtration Reducer)；(2)增粘劑(Viscosifier)；(3)乳化劑(Emulsifier)使油水乳化產(chǎn)生乳狀液；(4)頁巖抑制劑  (Shale inhibitor)；(5)堵漏劑(lost Circulation Material)；(6)降粘劑(Thinner)；(7)緩蝕劑(Corrosion inhibitor)；(8)粘土類(Clay)；(9)潤滑劑(Lubricant)；(10)加重劑(Weighting Agent)；(11)殺菌劑(Bactericide)；(12)消泡劑(Defoamer)；(13)泡沫劑(Foaming Agent)；(14)絮凝劑(Flocculant)；(15)解卡劑(Pipe-Freeing Agent)；(16)其它類(Others)等。

這16類處理劑所起的作用各不相同，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)需要使用其中的幾種。有時，一種處理劑在鉆井液中同時具有幾種作用。例如，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的作用等。本章將以上兩種分類方法結(jié)合起來，除介紹常用的配漿原材料和無機處理劑外，重點介紹幾類重要的有機處理劑，即降粘劑、降濾失劑、頁巖抑制劑、絮凝劑和堵漏劑等。

鉆井液配漿原材料

一、粘土類

膨潤土是水基鉆井液的重要配漿材料。有的文獻(xiàn)將膨潤土定義為具有蒙脫石的物理化學(xué)性質(zhì)，含蒙脫石不少于85％的粘土礦物。評價膨潤土好壞的標(biāo)準(zhǔn)是造漿率，即每噸膨潤土可以配制粘度為15mpa·s的鉆井液的體積數(shù)，m³。一般要求1 t膨潤土至少能夠配制出粘度為15mpa·s的鉆井液16m³。鈉膨潤土的造漿率一般較高，而鈣膨潤土則需要通過加入純堿使之轉(zhuǎn)化為鈉膨潤土后方可使用。目前我國將配制鉆井液所用的膨潤土分為三個等級：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。

由于無機鹽對膨潤土的水化分散具有一定的抑制作用，因此膨潤土在淡水  和鹽水中的造漿率不同，鹽水造漿率一般要低一些。將膨潤土先在淡水中預(yù)水化，然后再加入鹽水中，可以提高其在鹽水中的造漿率。

膨潤土在淡水鉆井液中具有以下作用：(1)增加粘度和切力，提高井眼凈化能力；(2)形成低滲透率的致密泥餅，降低濾失量；(3)對于膠結(jié)不良的地層，可改善井眼的穩(wěn)定性；(4)防止井漏。

海泡石、凹凸棒石和坡縷縞石是較典型的抗鹽、耐高溫的粘土礦物，主要用  于配制鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液。用抗鹽粘土配制的鉆井液一般形成的泥  餅質(zhì)量不好，濾失量較大。因此，必須配合使用降濾失劑。海泡石有很強的造漿能力，用它配制的鉆井液具有較高的熱穩(wěn)定性。此外，海泡石還具有一定的酸溶性(在酸中可溶解60％左右)，因此，在保護(hù)油氣層的鉆井液中，還可用做酸溶性暫堵劑。在我國，由于目前這幾種抗鹽粘土的礦源相對較少，因此在鉆井液中的應(yīng)用尚不普遍。

有機土是由膨潤土經(jīng)季銨鹽類陽離子表面活性劑處理而制成的親油膨潤  土。有機土可以在油中分散，形成結(jié)構(gòu)，其作用與水基鉆井液中的膨潤土類似。關(guān)于有機土的性能及應(yīng)用將結(jié)合油基鉆井液再進(jìn)行討論。

 二、加重材料

1．常用的鉆井液加重材料

加重材料(Weighting Material)又稱加重劑，由不溶于水的惰性物質(zhì)經(jīng)研磨加工制備而成。為了對付高壓地層和穩(wěn)定井壁，需將其添加到鉆井液中以提高鉆井液的密度。加重材料應(yīng)具備的條件是自身的密度大，磨損性小，易粉碎；并且應(yīng)屬于惰性物質(zhì)，既不溶于鉆井液，也不與鉆井液中的其它組分發(fā)生相互作用。

鉆井液的常用加重材料有以下幾種：

(1)重晶石粉(Barite)

重晶石粉是一種以BaSO₄為主要成分的天然礦石，經(jīng)過機械加工后而制成的灰白色粉末狀產(chǎn)品。按照API標(biāo)準(zhǔn)，其密度應(yīng)達(dá)到4.2g/cm³，粉末細(xì)度要求通過200目篩網(wǎng)時的篩余量<3.0％。重晶石粉一般用于加重密度不超過2.30 g/cm³的水基和油基鉆井液，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種鉆井液加重劑。

(2)石灰石粉(Limestone)

石灰石粉的主要成分為CaCO₃，密度為2.7～2.9 g/cm³。易與鹽酸等無機酸類發(fā)生反應(yīng)，生成CO₂、H₂O和可溶性鹽，因而適于在非酸敏性而又需進(jìn)行酸化作業(yè)的產(chǎn)層中使用，以減輕鉆井液對產(chǎn)層的損害。但由于其密度較低，一般只能用于配制密度不超過1. 68 g/cm³ (14ppg)的鉆井液和完井液。

(3)鐵礦粉(Hematite)和鈦鐵礦粉(Ilmenite)

前者的主要成分為Fe₂O₃，密度4.9～5.3 g/cm³；后者的主要成分為TiO₂•Fe₂O₃，密度4.5~5.1 g/cm³。均為棕色或黑褐色粉末。因它們的密度均大于重晶石，故可用于配制密度更高的鉆井液。如果將某種鉆井液加重至某一給定的密度，當(dāng)選用鐵礦粉時，加重后鉆井液中的固相含量(常用體積分?jǐn)?shù)表示)顯然要比選用重晶石時低一些。例如，用密度為4.2 g/cm³的重晶石將某種鉆井液加重到2.28 g/cm³，其固相含量為39.5％；而使用密度為5.2 g/cm³的鐵礦粉將該鉆井液加至同樣密度時，固相含量僅為30.0％。加重后固相含量低有利于流變性能的調(diào)控和提高鉆速。此外，由于鐵礦粉和鈦鐵礦粉均具有一定的酸溶性，因此可應(yīng)用于需進(jìn)行酸化的產(chǎn)層。

由于這兩種加重材料的硬度約為重晶石的兩倍，因此耐研磨，在使用中顆粒尺寸保持較好，損耗率較低。但另一方面，對鉆具、鉆頭和泥漿泵的磨損也較為嚴(yán)重。在我國，鐵礦粉是用量僅次于重晶石的鉆井液加重材料。

(4)方鉛礦粉(Galena)

方鉛礦粉是一種主要成分為PbS的天然礦石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高達(dá)7.4～7.7 g/cm³，因而可用于配制超高密度鉆井液，以控制地層出現(xiàn)異常高壓。由于該加重劑的成本高、貨源少，一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。如我國滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方鉛礦，配制出密度為3.0g/cm³的超高密度鉆井液。

三、配漿水和油

水是配制各種鉆井液都不可缺少的基本組分。在水基鉆井液中，水是分散介質(zhì)，大多數(shù)處理劑均通過溶解于水而發(fā)揮作用；在泡沫鉆井液中水也是作為連續(xù)相，空氣在起泡劑和穩(wěn)泡劑的作用下分散在水中；在油包水乳化鉆井液中，水是分散相，往往水中又含有一定量的無機鹽，如氯化鈉和氯化鈣等。在霧流體中，是作為分散相，成小顆粒狀分散于氣中。

實踐證明，鉆井液性能與配漿水的性質(zhì)密切相關(guān)。多數(shù)情況下，為節(jié)約成本，都是就地取材，但是地區(qū)不同水質(zhì)相差很大，水中的各種雜質(zhì)、無機鹽類、細(xì)菌和氣體等對鉆井液的性能有很大影響。

例如：無機鹽：會導(dǎo)致膨潤土的造漿率降低，以及鉆井液的濾失量增大；

細(xì)菌：淀粉類處理劑發(fā)酵，聚合物處理劑容易降解，細(xì)菌的大量繁殖還會對油氣層造成損害；

氣體的存在則會加劇鉆具的腐蝕等。二氧化碳，氣蝕、碳酸

因此，配制鉆井液時必須預(yù)先了解配漿水的水質(zhì)，不合格的水需經(jīng)過適當(dāng)處理后才能使用。

自然界的水分類

1、按來源分：地面水和地下水；

2、按其酸堿性分：酸性水、中性水和堿性水；

3、按所含無機鹽的類別分：NaCl型、CaCl₂型、MgCl₂型、Na₂SO₄型和NaHCO₃型水等。

在鉆井液工藝中，根據(jù)水中可溶性無機鹽含量的多少，一般將配漿水分為以下三類：含鹽量較少(總鹽度低于10 000mg／1)的淡水，鉆井液稱做淡水鉆井液

含鹽量較多的鹽水，與之對應(yīng)鉆井液稱作鹽水鉆井液

含鹽量達(dá)飽和的飽和鹽水，與之對應(yīng)鉆井液飽和鹽水鉆井液。

此外，常將含Ca²⁺、Mg²⁺較多的水稱為硬水。

原油、柴油和低毒礦物油也是配制鉆井液時常用的原材料。在油基鉆井液中，常選用柴油和礦物油作為連續(xù)相。在水基鉆井液中，也常混入一定量的原油或柴油，以提高其潤滑性能，并起降低濾失量的作用。在使用過程中，應(yīng)注意油品的粘度不宜過高，否則鉆井液的流變性不易調(diào)控。此外，還應(yīng)考慮油晶的價格和對環(huán)境可能造成的影響。對于探井，應(yīng)考慮其熒光度對油氣顯示的影響。在選用原油時，應(yīng)考慮其凝固點以及石蠟、瀝青質(zhì)含量等，以免對油氣層造成不良的影響。