【科普】|鉆井液流變性的調整——降粘劑和增粘劑

鉆井液變性的調整主要是調整鉆井液的粘度(表觀粘度)和切力(靜切力和動切力),調整鉆井液的粘度和切力可以通過調整固相含量,但是此方法有一定限度,因為固相的變化會影響鉆井液的其他性能,所以這里主要介紹通過兩種流變性調整劑。

一.降粘劑

降粘劑:降低鉆井液粘度和切力的流變性調整劑。

降粘劑的反應機理:

(1)通過與粘土表面羥基形成氫鍵而吸附在粘土顆粒表面,提高粘土表面的負電性并增加水化層厚度,將粘土顆粒聯(lián)結而形成的結構拆散。如:改性單寧,改性木質素磺酸鹽,烯類單體低聚物。

(2)低聚物與高聚物競爭吸附,將吸附在粘土表面的高聚物解離下來,而拆散粘土與聚合物形成的結構。如:烯類單體低聚物。


高聚物解離

1.1改性單寧

改性單寧主要分三種:單寧堿液、烤膠堿液、磺甲基單寧(SMT),羥基與粘土表面形成氫鍵而吸附極性基團-COONa, -SO3Na, -ONa在水中解離形成擴散雙電層,增加粘土顆粒負電性和水化層厚度,將顆粒聯(lián)結而成的結構拆散。

改性單寧

單寧堿液是由單寧和氫氧化鈉配成,其主要成分為:雙五倍子酸鈉和五倍子酸鈉,這兩種成分可以合成為單寧酸鈉(NaT);烤膠堿液出自烤膠,但是主要成分還是單寧酸鈉(NaT)。

單寧酸鈉

磺甲基單寧(SMT),它是由單寧與甲醛和亞硫酸氫鈉在堿性條件下反應制的,主要成分是磺甲基雙五倍子酸鈉和磺甲基五倍子酸鈉。

SMT成分

1.2改性木質素磺酸鹽

木質素磺酸鹽可參與三價金屬離子Fe3+,Cr3+的多核羥橋絡離子配位,形成鐵鉻木質素磺酸鹽,鐵鉻木質素酸鹽也是通過氫鍵吸附在粘士顆粒表面的,可提高粘土顆粒表面的負電性并增加水化層厚度,將黏土顆粒形成的結構拆散,起降低粘度和切力的作用。由于鐵鉻木質素磺酸鹽比改性單寧有更多的極性基團,其中包括耐鹽、耐溫的碳酸鹽基團,所以它比改性單寧有更好的降低粘度和切力的作用,而且耐鹽、耐溫使用時,鐵鉻木質素磺酸鹽也存在起泡沫問題,也需要用消泡劑消泡??紤]到鐵鉻木質素碳酸鹽中的鉻對環(huán)境的污染,人們研制了一系列的無路木質素磺酸鹽,如鐵、鈦等的木質素硫酸鹽。

鐵鉻木質素磺酸鹽,F(xiàn)CLS

1.3烴類單體低聚物

低聚物降粘劑作用機理:1.增加粘土顆粒表面負電和水化層厚度,拆散粘土顆粒連接所產生的結構2.低聚物通過競爭吸附使吸附在粘土顆粒表面的聚合物解吸下來,破壞聚合物和粘土顆粒形成的結構。

二.增粘劑

2.1改良纖維素

改性纖維素也是鉆井液降濾失劑主要是鈉羧甲基纖維素CMC和羥乙基纖維素HEC聚合度越高,取代度越高的越好。增粘機理:1.通過分子中極性基團的水化和分子間的互相糾纏,對鉆井液中的水起稠化作用。2.通過在粘土顆粒表面吸附,增加粘土顆粒體積,提高其流動時所產生的阻力。3.通過橋接吸附,在粘士顆粒間形成結構,產生相應的結構粘度。

羥乙基纖維素HEC

2.2黃胞膠

黃胞膠(Xanthan)分子式:C24H42O21,又稱為XC生物聚合物,細菌將碳水化合物發(fā)酵制得,其機理與改性纖維素相同,長支鏈防蜷曲,更耐鹽、耐鈣,但易為細菌降解,所以需要加殺菌劑。由于黃胞膠分子中有長支鏈阻礙它采取蜷曲的構象,所以黃胞膠比改性纖維素有更好的提高粘度和切力的作用。相對分子質量一般在2*10**6,有的高達13*10**6~15*10**6。

2.3正電膠

正電膠是混合金屬鹽溶液逐步用沉淀劑將金屬離子沉淀出來的帶正電的混合金屬氫氧化物。正電膠增粘機理在于正電膠周圍的擴散雙電層離子都是水化了的。水分子在水化層中按其極性定向排列,其帶正電的一端朝外,即正電膠表面的水化層外側是帶正電的,通過靜電作用與帶負電的粘土顆粒表面聯(lián)結,形成結構。

正電膠增粘特點:1.與粘土顆粒只形成結構,不產生電性中和,不會引起粘土顆粒聚沉。2.在剪切作用下,結構易破壞,使鉆井液的剪切稀釋性更加突出。

當用沉淀劑沉淀金屬鹽時,二價金屬鹽和三價金屬鹽經歷不同的變化。①對于二價金屬鹽,當沉淀劑加至該金屬氫氧化物的溶度積時,即沉淀下來。生成的沉淀按 Fajans法則優(yōu)先吸附二價和其他高價金屬離子,生成表面帶正電的沉淀。②對于三價金屬鹽,沉淀劑的加入可使它與水分子絡合的離子通過水解、羥橋作用和進一步的水解、羥橋作用,生成該三價金屬的多核羥橋絡離子。繼續(xù)加入沉淀劑,多核羥橋絡離子中的核數(shù)增加,絡離子的價數(shù)增加,直至達到三價金屬氫氧化物的溶度積,生成沉淀。沉淀表面也按 Fajans法則吸附溶液中的高價金屬離子(特別是多核羥橋絡離子),使沉淀表面帶正電。

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