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表面活性剂

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表面活性剂

详细介绍

1钻井液滤失性的调整剂

滤失性是指钻井液滤失量大小,与井壁所形成滤饼质量有关。质量好的滤饼,薄而韧,结构致密,渗透性小,耐冲刷且摩擦因数小。据文献报道能显著降低钻井泥浆滤失量的多数为高分子化合物,它们都有吸附基和水化基,作为吸附基韵主要有-OH、-COOH、-CONH2等,依靠氢键吸附在粘土粒子上;作为水化基的主要有-C00-、-S03-等,能形成水化膜。

滤失剂有三类:①部分水解聚丙烯酰胺,相对分子质量为(10~50)万,水解度α=30%~60%为好;②淀粉和纤维素类产品,前者取代度0.2~0.4,后者为0.6~0.9;③磺化酚醛树脂(SMP),其分子结构式为:

    这种高分子含有苯环和磺酸基,故热稳定性好(180~200℃),抗盐能力强:可用于饱和盐水钻井液。   

   2钻井液流变性的调整剂

  表征钻井液流变性的主要指标有粘度、切应力、动塑比(μ0/μm)、流性指数竹和稠度系数k等。在钻井过程中通常出现粘度、切应力过大或过小问题,需要在钻井过程中不断调整。

    2.1钻井液流变性基本概念

    A.钻井液流态   

    钻井液流态可以分为层流、紊流、塞流以及两种过渡态,见图1。


图1钻井液的各种流态

B.钻井液表观粘度


式中μ表——表观粘度,Pa.s;

r——剪切应力,Pa.;

     γ一剪切_速率,s-1

这是著名的牛顿(Newton)公式。但是钻井液不符合牛顿流体,r停不是常数,而是γ的函数,用表观粘度μ表表示。   

在评估钻井液时,通常用剪切速率为l020s-1的表观粘度作为标准。   

C.钻井液常见流态模式

a.宾汉模式

   

    式中  ——动切应力(又称屈服值),Pa。流体所受剪切应力必须超过值时才开始流动;

*        一塑性粘度,mPa。s。

b.指数模式

   

    式中n——流性指数;    、

k——稠度系数。

c.卡森模式

前两种模式只适应于中剪切速率以下钻井液流变性的描述,而卡森模式则表达所有剪切速率下钻井液流变性,其表达式为:

   

式中  ——卡森屈服值,mPa,反映钻井液中结构强度的量度;

    ——极限剪切粘度,作为内摩擦的量度,即时的粘度,mPa·S。

2.2降粘剂

降粘剂主要降低钻井液中网架结构引起的粘度和切应力。这些结构可分两种:一种为粘土粒子之间形成的结构;另一种是高分子和粘土粒子之间形成的结构。因此降粘剂可分为分散型降粘剂(对于第一种结构)和聚合物型降粘剂(对于第二种结构)。      

A.  分散型降粘剂——单宁类降粘剂

单宁从植物中提取,属于多元酚衍生物。它们通过邻位双酚羟基,以配价键的形式吸附在粘土粒子断键的铝离子处,形成五元环的螯合物(图2),而剩下水化基团给粘土粒子带来厚的水化膜,并且使其粘土粒子的负电性大大增加。这样有利予拆散粘士粒子之间网状结构,致使钻井液的粘度和切应力显著降低。

图2单宁衍生物降粘机理

B.聚合物型降粘剂——磺化苯乙烯一顺丁烯二酸酐共聚物(SSMA)

    这类降粘剂必须有效地削弱高分子化合物与粘土粒子之间的网状结构。其作用原理:一是与已经被粘土粒子吸附的聚合物展开竞争吸附,随后与脱附高分子溶合起来,从而削弱与粘土粒子的结合;二是SSMA可与溶液中的高分子形成络合物,使分子卷缩起来,降低溶液中高分子的相互作用。

综上所述,不论哪种降粘剂都是拆散泥浆体系的网状结构,降低体系的结构粘度。因此它们改变的参数是表观粘度(μ表)和动切应力(l0),对μ和l。。的影响不大;使动塑比l0/μ比降低,n值提高。

2.3增粘剂

    提高钻井液的粘度,不能依靠增加粘土含量,而是依靠加入增粘剂。目前用得较多的有高粘度Na-CMC,羟乙基纤维素和生物聚合物黄原胶等。下面以Na-CMC为代表作个说明:在

25℃时Na-CMC的水溶液粘度不同,可划分为低特(2%水溶液粘度<50mPa.s),中粘(2%溶液粘度为50~270mPa.s)和高粘(l%溶液粘度为400~500ntPa·备)等三种。前两种作降失水剂用,后者作增粘荆用。‘它们引寇增粘的作用归纳为三点:①通过羟基使Na—CIVIC分子吸附在粘土粒子表面,加上分子的水化基团的水化膜增加粘土粒子的流体力学体积,提高粘度;②一个Na—CMC分子可吸附多个粘土粒子形成网状结构;③使钻井液液相粘度增大。

如果一种处理剂能够大幅度提高l0,即增加泥浆体系的结构,而本身用量很少,即对滤液本身粘度影响很小,必然导致钻井液的l0/μ上升,n值下降。这二类增粘剂,称为流型调节剂。它们既能提高泥浆剪切稀释作用,有利于提高钻井速度;又能使泥浆流态保持平板型,有利于携带岩屑。   

3钻井液润滑剂

在钻井过程中1,钻柱与钻井液之间,钻柱与井壁接触点之间以及钻井液与井壁之间处于不断运动状态而产生摩擦,衡量指标是摩擦因数。对于打定向井和水平井,钻井润滑性尤其重要。钻井润滑剂通常为表面活牲剂。

    表面活性剂的作用主要在摩擦界面上形成一层吸附膜,降低固体表面自由能。例如金属和岩石的表面能在100~500mj/m2,而非极性有机物的表面能<100mj/m2。后者表面不易被液体润湿,也不容易发生粘附。表面活性剂形成的吸附膜,分子极性基吸附在固体表面,而疏水基形成一层非极性表面,必然使其表面能降低,使摩擦因数下降。常用的表面活性剂有十二烷基磺酸钠、油酸钠、氧化石蜡皂、环烷酸钠皂、聚氧乙烯蓖麻油等。

另外还可加入表面活性剂使泥浆中矿物油形成0/w型乳状液,并以细小油珠分散在泥浆中作为润滑剂用。

4钻井液乳化剂

    4.1O/W型乳化剂

    水基钻井液中混入油相形成0/W型乳化泥浆,在实际过程中产生这种泥浆有两种情况:一种是人为加入柴油或原油,配制成混油钻井液,其目的是提高钻井速度和井壁润滑性以防止粘附卡钻;另一种是在钻井过程受到油浸,以及解卡而泡的油对泥浆的污染,为此加入乳化剂形成混油钻井液。

    通常使用的表面活性剂有Tween类、0P系列等非离子表面活性剂,以及油酸钠和松香酸钠等阴离子表面活性剂。

    4.2 W/0型乳化剂

    在钻井过程中碰到下列三种情况:①在超深井钻探;②遇到水敏性地层;③通过产油层,就需要使用w/o型钻井乳状液。这种乳化剂,由相对分子质量为475的石油磺酸盐和磺化鲸蜡油复配,在82℃下长期保持稳定。另外为高价阳离子皂,妥尔油脂肪酸钙、松香钙和环烷酸钙等都能单独使用或者复配使用。

    5起泡剂和泡沫钻井液

    泡沫钻井液的目的是大幅度降低钻井液密度,从而降低井孔内的液柱压力。这种泥浆的优点如下:①提高岩石的可钻性系数,据文献报道,泡沫泥浆的钻速提高24%;②减少对产层’污染,由于液柱压力低,钻井液渗入地层的深度和数量大大减少,防止对产层毛细孔的堵塞。这样得到油井,通常可使原油产率提高1~2倍;③滤失量的降低,使井壁稳定,防止井漏和井塌事故。

    常用起泡剂有α一烯基磺酸钠和非离子表面活性剂等,具体见表l。

表1  几种常用表面活性剂对泡沫泥浆性能的影响

表面活性剂

 

类  别

 

泡沫特性

 

相对最大泡沫于度

抗压强度/MPa

a-烯基磺酸钠

聚氧乙烯烷基酚硫酸钠

聚氧乙烯脂肪醇硫酸钠

烷基甜菜碱

烷基酰胺甜菜碱

阴离子型

阴离子型

阴离子型

两  性

两  性

厚且不规则

薄且均匀

规则网孔结构

薄和气泡可见

薄和气泡大

250

175

450

300

285

1.74

1。52

2.0l

1.39

2.18

①密度为0.96g/cm3泡沫泥浆,在37.8℃养护24h的抗压强度。

6钻井液中消泡剂

钻井液在循环过程中,由于某些处理剂(如铁铬木质素磺酸盐等)兼有起泡作用,当钻井遇到高压油气层,如果钻井液密度降到一定程度,就会出现井喷事故;若遇到高压水层,就会出现涌水。因此从安全出发,必须及时消除钻井液中起泡现象。常用消泡剂有硬脂酸铝、甘油聚氧乙烯聚氧丙烯醚(泡敌)、聚甲基硅氧烷等。

7钻井液中缓蚀剂

    钻井液对钻具的腐蚀是严重的,为防止腐蚀采取两种措施:一是消除腐蚀源如加去氧剂、去硫剂、提高pH值等;二是加有机胺或有机磷酸类的缓蚀剂。它们缓蚀的机理是吸附在金属表面形成致密的薄膜,防止有害物质的侵蚀。


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