钻井液用降粘剂性能及发展分析

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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3002802.大港油田化学有限责任公司，天津大港3002803.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

2、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

3、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

4、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”，这些部位都具有一定的“活性”，使粘土颗粒平面带负

5、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附，这种降粘机理可称为负电保护

6、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，所以相对移动时

7、两者之间存在着电位差，称为电动电位或ζ电位。在粘土－水系统中，ζ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ζ电位增加，