【科普】｜钻井液流变性的调整——降粘剂和增粘剂

降粘剂：降低钻井液粘度和切力的流变性调整剂。

降粘剂的反应机理：

(1)通过与粘土表面羟基形成氢键而吸附在粘土颗粒表面，提高粘土表面的负电性并增加水化层厚度，将粘土颗粒联结而形成的结构拆散。如：改性单宁，改性木质素磺酸盐，烯类单体低聚物。

(2)低聚物与高聚物竞争吸附，将吸附在粘土表面的高聚物解离下来，而拆散粘土与聚合物形成的结构。如：烯类单体低聚物。

改性单宁主要分三种：单宁碱液、烤胶碱液、磺甲基单宁（SMT），羟基与粘土表面形成氢键而吸附极性基团-COONa, -SO3Na, -ONa在水中解离形成扩散双电层，增加粘土颗粒负电性和水化层厚度，将颗粒联结而成的结构拆散。

单宁碱液是由单宁和氢氧化钠配成，其主要成分为：双五倍子酸钠和五倍子酸钠，这两种成分可以合成为单宁酸钠（NaT）；烤胶碱液出自烤胶，但是主要成分还是单宁酸钠（NaT）。

磺甲基单宁（SMT），它是由单宁与甲醛和亚硫酸氢钠在碱性条件下反应制的，主要成分是磺甲基双五倍子酸钠和磺甲基五倍子酸钠。

木质素磺酸盐可参与三价金属离子Fe3+，Cr3+的多核羟桥络离子配位，形成铁铬木质素磺酸盐，铁铬木质素酸盐也是通过氢键吸附在粘士颗粒表面的，可提高粘土颗粒表面的负电性并增加水化层厚度，将黏土颗粒形成的结构拆散，起降低粘度和切力的作用。由于铁铬木质素磺酸盐比改性单宁有更多的极性基团，其中包括耐盐、耐温的碳酸盐基团，所以它比改性单宁有更好的降低粘度和切力的作用，而且耐盐、耐温使用时，铁铬木质素磺酸盐也存在起泡沫问题，也需要用消泡剂消泡。考虑到铁铬木质素碳酸盐中的铬对环境的污染，人们研制了一系列的无路木质素磺酸盐，如铁、钛等的木质素硫酸盐。

低聚物降粘剂作用机理：1增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构2低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来，破坏聚合物和粘土颗粒形成的结构。

改性纤维素也是钻井液降滤失剂主要是钠羧甲基纤维素CMC和羟乙基纤维素HEC聚合度越高，取代度越高的越好。增粘机理：1通过分子中极性基团的水化和分子间的互相纠缠，对钻井液中的水起稠化作用。2通过在粘土颗粒表面吸附，增加粘土颗粒体积，提高其流动时所产生的阻力。3通过桥接吸附，在粘士颗粒间形成结构，产生相应的结构粘度。

黄胞胶（Xanthan）分子式：C24H42O21，又称为XC生物聚合物，细菌将碳水化合物发酵制得，其机理与改性纤维素相同，长支链防蜷曲，更耐盐、耐钙，但易为细菌降解，所以需要加杀菌剂。由于黄胞胶分子中有长支链阻碍它采取蜷曲的构象，所以黄胞胶比改性纤维素有更好的提高粘度和切力的作用。相对分子质量一般在2106，有的高达13106~15106。

正电胶是混合金属盐溶液逐步用沉淀剂将金属离子沉淀出来的带正电的混合金属氢氧化物。正电胶增粘机理在于正电胶周围的扩散双电层离子都是水化了的。水分子在水化层中按其极性定向排列，其带正电的一端朝外，即正电胶表面的水化层外侧是带正电的，通过静电作用与带负电的粘土颗粒表面联结，形成结构。

正电胶增粘特点：1与粘土颗粒只形成结构，不产生电性中和，不会引起粘土颗粒聚沉。2在剪切作用下，结构易破坏，使钻井液的剪切稀释性更加突出。

当用沉淀剂沉淀金属盐时，二价金属盐和三价金属盐经历不同的变化。①对于二价金属盐，当沉淀剂加至该金属氢氧化物的溶度积时，即沉淀下来。生成的沉淀按 Fajans法则优先吸附二价和其他高价金属离子，生成表面带正电的沉淀。②对于三价金属盐，沉淀剂的加入可使它与水分子络合的离子通过水解、羟桥作用和进一步的水解、羟桥作用，生成该三价金属的多核羟桥络离子。继续加入沉淀剂，多核羟桥络离子中的核数增加，络离子的价数增加，直至达到三价金属氢氧化物的溶度积，生成沉淀。沉淀表面也按 Fajans法则吸附溶液中的高价金属离子(特别是多核羟桥络离子)，使沉淀表面带正电。

所谓钻井泥浆是把膨润土以小颗粒分散在水中所形成的溶胶 悬浮体，通过化学处理剂配置而成。膨润土是配制钻井液的主要原料 ，膨润土俗称白土粉。以蒙脱石为主要成分，膨润土外观特征是适当 粒度的粉末，因含杂质的不同，有白色、灰色、灰和紫红色等颜色， 易吸潮，吸潮后结块。听说有个洲际 样品可以去看看，钠基膨润土的造浆率较高，而钙基膨润土需要 经过人工改性处理才能使用。

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　　一口油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性质和性能。钻井液始终是为钻井工程服务的，它的发展与钻井工程的发展紧密相关。由于初期的钻井液是由最简单的泥土和水组成，“泥浆”就成为钻井液沿用至今的代名词。实际上，这种称呼既不正确更不准确。钻井液的定义是指具有各种各样功能以满足钻井工程需要的循环流体。

　　第一节 钻井液的功能、组成和类型

　　一、钻井液的功能

　　油气钻井的基本功能是打开找油、找气和采油、采气的通道，是实现油气勘探开发的重要工程手段。为油气钻井、完井服务是钻井液的目的，钻井、完井的需要是钻井液发展的动力。因此，钻井液的功能就体现在油气井钻井、完井的两个方面，即在整个钻进过程中，要保持安全优质快速低成本钻井；在进入油气层时，要具有保护储层的作用。所以，钻井液的功用也就是钻井、完井对钻井液的基本要求。

　　在钻井方面，钻井液的主要功能有

　　① 清洗井底，携带岩屑。

　　② 冷却、润滑钻头和钻柱。

　　③ 形成泥饼，保护井壁。

　　④ 控制和平衡地层压力。

　　⑤ 悬浮岩屑和加重材料。

　　⑥ 提供所钻地层的地质资料。

　　⑦ 传递水功率。

　　⑧ 防止钻具腐蚀。

　　在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功用是保护油气层的渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。主要表现在以下两方面：

　　① 控制固相粒子含量及级配，防止固相粒子对油气层的损害。

　　② 保持液相与地层的相容性。

　　二、钻井液的组成和类型

　　钻井液属于复杂的多相多级胶体-悬浮体分散体系。它既可以是固体分散在液体中，或者是液体分散在另一种液体中，也可以是气体分散在液体中，或者是液体分散在气体中所形成的分散体系。钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。各相具体成分可以是：

　　处理剂（各种维护分散体系稳定和调整分散体系性能的化学添加剂）。

　　在以水为连续相的水基钻井液中，通常用重量体积百分含量表示钻井液配方中各组分，不考虑处理剂本身的体积。例如，某种水基钻井液组分为：1000ml水 + 50g膨润土 + 20g处理剂。用组分表示的钻井液配方为：5%膨润土浆+2%处理剂。

　　随着钻井工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液已有各种不同的分类方法，其中较简明的分类方法有以下几种：

　　按照密度大小可将钻井液分为高密度钻井液和低密度钻井液，高低密度的界限一般为135g/cm3。

　　按照与粘土水化作用强弱程度可将钻井液分为抑制性钻井液和非抑制性钻井液；按照连续相性质可将钻井液分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液。

　　根据美国石油学会(API)和国际钻井承包商协会(IADC)认可的钻井流体共有九个类别：①不分散钻井液；②分散钻井液；③钙处理钻井液；④聚合物钻井液；⑤低固相钻井液；⑥盐水钻井液；⑦油基钻井液；⑧合成基钻井液；⑨空气、雾、泡沫和充气钻井流体（俗称低压钻井液）。

　　1不分散钻井液（Non-dispersed Drilling Fluids）

　　该类型钻井液特指未经处理的天然泥浆或者仅仅轻度处理的泥浆，用在浅井或者上部井段钻进。一般不添加处理剂或者用极少量处理剂处理。需要说明的是，此处的“不分散”是指不作任何处理（或少量处理）的意思，与我国定义钻井液中