钻井液用降粘剂性能及发展分析.doc

1、钻井液用降粘剂性能及发展分析李艳芳 1 李晓娟 2 邓玉芝 3（ 1.大 港 油 田 化 学 有 限 责 任 公 司 ， 天 津 大 港 300280 2.大 港 油 田 化 学 有 限 责 任 公 司 ，天 津 大 港 300280 3.大 港 油 田 化 学 有 限 责 任 公 司 ， 天 津 大 港 300280 ）摘 要 ： 介 绍 了 目 前 市 场 上 钻 井 液 用 降 粘 剂 发 展 情 况 和 处 理 剂 的 变 化 趋 。 将 钻 井 液 用降 粘 剂 进 行 种 类 划 分 ， 包 括 产 品 主 要 原 材 料 、 产 品 名 称 、 主 要 用 途 等 进 行 了 统

2、 计 ， 并 对处 理 剂 的 降 粘 机 理 、 分 子 结 构 设 计 进 行 了 综 合 分 析 ， 同 时 预 测 了 处 理 剂 的 发 展 趋 势 。 结果 表 明 ， 研究并应用新型无毒、无污染能够替代铁铬盐使用的降粘剂仍然非常必要，对有效维护钻井液流变性、推广应用钻井液体系具有重要的意义。关键词：降粘剂 机理 结构前 言20 世 纪 80 年 代 初 期 使 用 的 降 粘 剂 仅 有 8 种 ,年 用 量 为 14644.5t,以 木 质素 类 和 单 宁 栲 胶 类 为 主 ,分 别 占 总 用 量 的 80.9%和 18.3%。 1985 年 以 后 ,低 固相 聚 合

3、物 钻 井 液 全 面 推 广 应 用 ,进 人 20 世 纪 90 年 代 后 具 有 强 抑 制 性 能 的 两 性离 子 聚 合 物 钻 井 液 降 粘 剂 XY-27 研 制 成 功 并 推 广 应 用 。 使 得 单 宁 栲 胶 类 和 木质 素 类 在 总 用 量 中 的 比 重 分 别 降 为 10.5%和 74.4%。20 世 纪 90 年 代 初 石 油 工 作 者 开 始 研 制 用 于 降 低 钻 井 液 (特 别 是 淡 水 钻 井液 )粘 度 的 新 型 无 毒 降 粘 剂 ， 即 栲 胶 （ 栲 胶 碱 液 稀 释 剂 ） 。 它 们 在 浅 井 低 温 淡水 钻

4、井 液 中 使 用 效 果 好 ,但 基 本 上 不 能 消 除 聚 合 物 之 间 及 聚 合 物 与 粘 土 之 间 相互 作 用 产 生 的 提 粘 效 应 。目 前 国 内 外 钻 井 液 降 粘 剂 品 种 较 多 ， 按 原 料 划 分 ， 主 要 有 两 大 类 。 第 一 类是 应 用 天 然 产 物 例 如 木 质 素 、 褐 煤 、 栲 胶 等 进 行 改 性 、 接 枝 而 成 ， 由 于 资 源丰 富 、 价 格 低 廉 得 到 了 广 泛 应 用 。 如 ： 目 前 国 内 有 铁 铬 盐 、 磺 化 栲 胶 、 铁 锡栲 胶 木 质 素 磺 酸 盐 、 钻 井 液

5、降 粘 剂 单 宁 酸 钾 、 木 质 素 磺 酸 盐 与 AA 的 接 枝 产品 等 产 品 。 铁 铬 木 质 素 磺 酸 盐 (FCLS)和 磺 化 栲 胶 (SMK)是 最 常 用 的 钻 井 液 降 粘剂 。 但 由 于 FCLS 含 有 有 毒 金 属 铬 ， 对 环 境 造 成 的 污 染 问 题 已 越 来 越 引 起 人 们的 重 视 。 因 而 油 田 已 禁 止 使 用 FCLS。 而 SMK 虽 然 具 有 较 高 的 抗 温 能 力 ， 但 抗盐 能 力 弱 ， 一 般 适 用 于 深 井 淡 水 泥 浆 。 因 此 ， 研 制 新 型 抗 温 抗 盐 能 力 强 的

6、 无重 金 属 的 新 型 钻 井 液 降 粘 剂 一 直 是 国 内 外 的 热 门 课 题 。第 二 类 是 合 成 聚 合 物 类 降 粘 剂 。 自 上 个 世 纪 八 十 年 代 以 来 国 内 外 对 该 类 降粘 剂 开 展 了 广 泛 的 研 究 ， 主 要 以 各 种 阴 离 子 、 非 离 子 及 阳 离 子 单 体 为 原 料 聚 合而 成 ， 如 XY-27 等 。 合 成 聚 合 物 类 降 粘 剂 不 管 从 产 品 抗 污 染 性 能 上 ， 还 是 处理 剂 配 伍 、 抗 固 相 容 限 量 方 面 ， 都 比 较 弱 ， 一 般 只 用 于 聚 合 物 钻

7、井 液 体 系 ， 这是 合 成 聚 合 物 类 降 粘 剂 的 缺 陷 。一 、 降 粘 剂 的 作 用 机 理钻 井 液 增 稠 主 要 归 结 于 两 个 因 素 ： 一 是 钻 屑 的 侵 入 并 分 散 ， 引 起 固 相 含量 的 增 加 ， 导 致 体 系 增 粘 。 这 种 情 况 无 法 用 降 粘 剂 来 调 整 粘 度 ， 只 能 通 过 调整 固 相 含 量 或 加 水 的 办 法 来 解 决 。 另 一 个 因 素 是 体 系 内 网 状 结 构 的 形 成 。 钻井 液 中 粘 土 矿 物 的 晶 片 边 缘 ， 由 于 破 碎 作 用 而 产 生 一 些 “断 键

8、 ”， 这 些 部 位都 具 有 一 定 的 “活 性 ”， 使 粘 土 颗 粒 平 面 带 负 电 、 端 面 带 正 电 ， 它 们 之 间 互相 接 触 ， 在 粘 土 颗 粒 之 间 形 成 边 一 边 、 边 一 面 相 联 的 空 间 网 状 结 构 。降 粘 剂 的 降 粘 机 理 是 集 中 在 保 护 粘 土 颗 粒 边 缘 的 这 些 “活 性 点 ”， 增 强该 处 的 负 电 效 应 ， 使 体 系 无 法 形 成 网 架 结 构 。 对 已 形 成 的 网 架 结 构 ， 也 随 着因 吸 附 降 粘 剂 而 在 运 动 中 被 解 体 拆 散 。 关 于 粘 土 颗

9、 粒 对 降 粘 剂 的 吸 附 ， 一 般 有两 种 推 测 ： 一 类 是 以 聚 磷 酸 盐 为 代 表 的 降 粘 剂 (如 六 偏 磷 酸 钠 、 三 聚 磷 酸 钠 、焦 磷 酸 钠 等 )。 它 们 电 离 后 ， 这 些 盐 的 大 量 负 离 子 吸 附 于 粘 土 颗 粒 边 缘 铝 的 位置 上 ， 从 而 形 成 负 电 保 护 。 另 一 类 是 以 栲 胶 、 单 宁 和 铁 铬 木 质 素 磺 酸 盐 为 代表 。 含 有 多 个 苯 羟 基 或 苯 氧 基 ， 它 们 可 与 粘 土 颗 粒 边 缘 的 铝 原 子 在 断 键 的 位 置上 产 生 配 位 吸

10、附 ， 这 种 降 粘 机 理 可 称 为 负 电 保 护 粘 土 边 缘 作 用 ， 这 类 降 粘 作 用都 不 可 避 免 地 会 发 生 分 散 粘 土 的 效 果 ， 故 这 类 降 粘 剂 往 往 又 可 称 为 分 散 剂 。在 粘 土 水 系 统 中 ， 粘 土 颗 粒 由 于 破 键 和 晶 格 内 置 换 等 原 因 而 带 负 电 ，它 对 水 化 阳 离 子 的 吸 附 随 着 粘 土 与 阳 离 子 之 间 的 距 离 增 大 而 减 弱 ， 又 由 于 水 化阳 离 子 本 身 的 热 运 动 ， 因 此 ， 粘 土 表 面 阳 离 子 的 吸 附 不 可 能 整

11、齐 地 排 列 在 一 个面 上 ， 而 是 随 着 与 粘 土 表 面 距 离 增 大 ， 阳 离 子 分 布 由 多 到 少 。 如 图 l 所 示 。图1 双电层示意图在 外 电 场 作 用 下 ， 粘 土 质 点 与 一 部 分 吸 附 牢 固 的 水 化 阳 离 子 (BB 面 以 内 )随 粘 土 质 点 向 正 极 运 动 ， 这 一 层 称 为 吸 附 层 ； 而 另 一 层 水 化 阳 离 子 不 随 粘 土 质点 运 动 ， 向 负 极 移 动 ， 这 层 称 为 扩 散 层 。 因 为 吸 附 层 与 扩 散 层 各 带 有 相 反 的 电荷 ， 所 以 相 对 移 动

12、时 两 者 之 间 存 在 着 电 位 差 ， 称 为 电 动 电 位 或 电 位 。 在 粘土 水 系 统 中 ， 电 位 越 高 ， 粘 土 胶 粒 之 间 的 排 斥 力 越 大 ， 从 而 泥 浆 的 粘 度减 小 而 流 动 性 增 加 。阳离子的影响对 于 降 粘 剂 中 阳 离 子 的 水 化 能 力 来 说 ， 一 价 离 子 大 于 二 价 离 子 ， 二 价 离子 大 于 三 价 离 子 ， 其 吸 附 能 力 则 正 好 相 反 。 当 降 粘 剂 加 入 泥 浆 以 后 ， 由 于 一 价离 子 (除 H 外 )吸 附 能 力 弱 ， 进 入 胶 团 的 吸 附 层 离

13、 子 数 较 少 ， 整 个 胶 粒 呈 现 的电 荷 较 多 。 又 因 为 一 价 离 子 的 水 化 能 力 较 强 ， 使 胶 团 的 扩 散 层 增 大 ， 水 化 膜 加厚 ， 促 使 系 统 电 位 增 加 ， 泥 浆 流 动 性 增 强 。 此 外 ， 降 粘 剂 的 阴 离 子 能 与 粘土 颗 粒 上 的 有 害 离 子 (如 Ca2+、 Mg2+)作 用 会 生 成 难 溶 盐 或 稳 定 的 络 合 物 ， 并能 促 进 K+的 交 换 作 用 ， 生 成 更 多 的 K 粘 土 ， 也 会 改 善 泥 浆 流 动 性 。pH值的影响粘 土 水 系 统 中 的 粘 土

14、颗 粒 ， 一 般 带 有 负 电 。 若 分 散 介 质 的 pH 值 发 生变 化 ， 则 粘 土 颗 粒 所 带 的 电 荷 也 能 改 变 ， 即 在 酸 性 介 质 中 也 可 以 带 正 电 荷 。如 果 加 入 稀 释 剂 把 系 统 变 成 碱 性 的 ， 则 可 防 止 颗 粒 表 面 因 带 不 同 电 荷 而 互 相 吸引 导 致 聚 沉 。 相 反 使 颗 粒 都 带 负 电 荷 ， 或 者 起 着 中 和 正 电 荷 的 作 用 ， 使 斥 力 加大 ， 电 位 增 加 ， 促 使 泥 浆 稀 释 ， 流 动 性 增 大 。降粘剂加量的影响降 低 泥 浆 粘 度 与

15、降 粘 剂 的 加 入 量 有 关 。 稀 释 剂 加 入 量 过 少 ， 不 能 充 分 置换 粘 土 中 吸 附 的 阳 离 子 ； 若 加 入 量 过 多 ， 泥 浆 中 阳 离 子 的 浓 度 过 高 ， 中 和 粘 土胶 团 的 负 电 荷 ， 从 而 电 位 下 降 ， 泥 浆 流 动 性 降 低 。 因 此 降 粘 剂 加 入 量 应 控制 在 一 定 范 围 内 ， 经 过 生 产 实 践 证 明 选 用 降 粘 剂 的 加 量 。 分 散 类 用 量 为0.5 2 ， 聚 合 物 及 能 生 成 保 护 胶 体 的 有 机 类 用 量 为 0.3 1 。由 于 降 粘 剂 主

16、 要 在 粘 土 颗 粒 的 端 面 起 作 用 ， 因 此 与 降 滤 失 剂 相 比 ， 其 用 量一 般 较 少 。 当 加 大 其 用 量 时 ， 也 会 在 一 定 程 度 上 起 降 滤 失 的 作 用 。 这 是 由 于 随着 结 构 的 拆 散 和 钻 土 颗 粒 双 电 层 斥 力 和 水 化 作 用 的 增 强 ， 有 利 于 形 成 更 为 致 密的 泥 饼 。二、降粘剂分子结构设计从 钻 井 液 降 粘 剂 的 作 用 机 理 出 发 ， 研 发 抗 高 温 、 抗 盐 优 良 的 钻 井 液 新 型降 粘 剂 的 分 子 结 构 应 具 备 以 下 条 件 ：1、 分

17、 子 链 具 有 高 的 负 电 荷 密 度 ， 同 时 具 备 一 定 的 分 子 量 。 以 保 证 在 粘 土的 颗 粒 表 面 和 断 键 边 缘 形 成 多 点 吸 附 ， 增 加 吸 附 强 度 ， 又 给 粘 土 颗 粒 表 面 和 断键 边 缘 带 来 高 的 负 电 荷 密 度 ， 阻 止 网 架 结 构 的 形 成 。 另 外 ， 高 的 负 电 荷 密 度 产生 的 静 电 力 使 分 子 伸 展 ， 使 起 作 用 的 基 团 充 分 暴 露 ， 较 柔 顺 的 分 子 链 使 氢 键 或螯 合 作 用 更 容 易 发 生 ；2、 具 有 高 温 稳 定 性 。 分 子

18、 链 的 主 链 应 该 由 CC、 CN、 CS和 等 价 键 （ 基 团 ） 组 成 ， 或 者 在 侧 基 上 有 较 大 的 基 团 ， 提 高 抗C高 温 能 力 ；3、 具 有 抗 高 温 、 抗 盐 性 ， 分 子 中 含 有 -SO3-和 -COO-基 团 。 分 子 侧 链 上 引入 亲 水 能 力 较 强 的 -SO3-， 因 为 磺 酸 基 团 对 盐 不 敏 感 ， 因 此 具 有 良 好 的 抗 温 、抗 盐 能 力 ， 尤 其 是 抗 高 价 金 属 离 子 的 能 力 。 而 -COO-基 团 ， 它 对Ba2+、 Ca2+、 Mg2+、 Fe3+、 Cu2+等

19、离 子 具 有 较 强 的 螯 合 能 力 ， 从 而 会 达 到 分 散 的目 的 ；4、 具 有 合 适 的 分 子 量 。 分 子 量 过 小 不 能 形 成 多 点 吸 附 ， 分 子 量 过 大 会 引起 钻 井 液 的 稠 化 ， 一 般 在 1000 50000 之 间 ；5、 含 有 适 量 的 阳 离 子 基 团 。 能 与 负 电 性 的 粘 土 粒 子 发 生 正 、 负 电 荷 的 静电 吸 附 ， 具 有 一 定 的 抑 制 性 ， 以 降 低 粘 土 进 一 步 分 散 。三 、 钻 井 液 用 降 粘 剂 发 展 趋 势一 直 以 来 ， 钻 井 液 用 降 粘

20、剂 铁 铬 盐 在 钻 井 液 处 理 剂 系 列 产 品 中 占 有 不 可 替代 的 地 位 ， 由 于 铁 铬 盐 含 重 金 属 铬 会 对 环 境 造 成 污 染 ， 国 家 环 境 保 护 “十 五 ”计 划 提 出 “钻 井 作 业 禁 止 使 用 含 有 铁 铬 盐 等 重 金 属 成 分 的 泥 浆 ”， 国 内 众 多厂 家 和 科 研 院 所 都 对 能 替 代 铁 铬 盐 使 用 的 降 粘 剂 进 行 了 广 泛 的 研 究 ， 涌 现 出 一批 能 替 代 铁 铬 盐 使 用 的降粘剂产品。但目前使用的无铬钻井液降粘剂，或价格昂贵，或抗温、抗污染能力弱，或性能上仍然不能达到铁铬盐使用效果，应用受到限制，因此研究并应用新型无毒、无污染降粘剂仍然非常必要，对有效维护钻井液流变性、推广应用钻井液体系具有重要的意义。参考文献：1 鄢捷年主编，钻井液工艺学；2 张高波、王善举等，我国钻井液用降粘剂的研究应用现状，油田化学，第17卷第1期；3 齐宁 张贵才 马涛，栲胶类钻井液处理剂的应用及前景，钻井液与完井液，第21卷第6期。4 孙德军、张春光、侯万国等，聚合物泥浆稀释机理和稀释剂的研究；