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表面活性劑

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表面活性劑

  • 所屬分類:潤滑劑類

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  • 發布日期:2015/01/12
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詳細介紹

1鉆井液濾失性的調整劑

濾失性是指鉆井液濾失量大小,與井壁所形成濾餅質量有關。質量好的濾餅,薄而韌,結構致密,滲透性小,耐沖刷且摩擦因數小。據文獻報道能顯著降低鉆井泥漿濾失量的多數為高分子化合物,它們都有吸附基和水化基,作為吸附基韻主要有-OH、-COOH、-CONH2等,依靠氫鍵吸附在粘土粒子上;作為水化基的主要有-C00-、-S03-等,能形成水化膜。

濾失劑有三類:①部分水解聚丙烯酰胺,相對分子質量為(10~50)萬,水解度α=30%~60%為好;②淀粉和纖維素類產品,前者取代度0.2~0.4,后者為0.6~0.9;③磺化酚醛樹脂(SMP),其分子結構式為:

    這種高分子含有苯環和磺酸基,故熱穩定性好(180~200℃),抗鹽能力強:可用于飽和鹽水鉆井液。   

   2鉆井液流變性的調整劑

  表征鉆井液流變性的主要指標有粘度、切應力、動塑比(μ0/μm)、流性指數竹和稠度系數k等。在鉆井過程中通常出現粘度、切應力過大或過小問題,需要在鉆井過程中不斷調整。

    2.1鉆井液流變性基本概念

    A.鉆井液流態   

    鉆井液流態可以分為層流、紊流、塞流以及兩種過渡態,見圖1。


圖1鉆井液的各種流態

B.鉆井液表觀粘度


式中μ表——表觀粘度,Pa.s;

r——剪切應力,Pa.;

     γ一剪切_速率,s-1

這是著名的牛頓(Newton)公式。但是鉆井液不符合牛頓流體,r停不是常數,而是γ的函數,用表觀粘度μ表表示。   

在評估鉆井液時,通常用剪切速率為l020s-1的表觀粘度作為標準。   

C.鉆井液常見流態模式

a.賓漢模式

   

    式中  ——動切應力(又稱屈服值),Pa。流體所受剪切應力必須超過值時才開始流動;

*        一塑性粘度,mPa。s。

b.指數模式

   

    式中n——流性指數;    、

k——稠度系數。

c.卡森模式

前兩種模式只適應于中剪切速率以下鉆井液流變性的描述,而卡森模式則表達所有剪切速率下鉆井液流變性,其表達式為:

   

式中  ——卡森屈服值,mPa,反映鉆井液中結構強度的量度;

    ——極限剪切粘度,作為內摩擦的量度,即時的粘度,mPa·S。

2.2降粘劑

降粘劑主要降低鉆井液中網架結構引起的粘度和切應力。這些結構可分兩種:一種為粘土粒子之間形成的結構;另一種是高分子和粘土粒子之間形成的結構。因此降粘劑可分為分散型降粘劑(對于第一種結構)和聚合物型降粘劑(對于第二種結構)。      

A.  分散型降粘劑——單寧類降粘劑

單寧從植物中提取,屬于多元酚衍生物。它們通過鄰位雙酚羥基,以配價鍵的形式吸附在粘土粒子斷鍵的鋁離子處,形成五元環的螯合物(圖2),而剩下水化基團給粘土粒子帶來厚的水化膜,并且使其粘土粒子的負電性大大增加。這樣有利予拆散粘士粒子之間網狀結構,致使鉆井液的粘度和切應力顯著降低。

圖2單寧衍生物降粘機理

B.聚合物型降粘劑——磺化苯乙烯一順丁烯二酸酐共聚物(SSMA)

    這類降粘劑必須有效地削弱高分子化合物與粘土粒子之間的網狀結構。其作用原理:一是與已經被粘土粒子吸附的聚合物展開競爭吸附,隨后與脫附高分子溶合起來,從而削弱與粘土粒子的結合;二是SSMA可與溶液中的高分子形成絡合物,使分子卷縮起來,降低溶液中高分子的相互作用。

綜上所述,不論哪種降粘劑都是拆散泥漿體系的網狀結構,降低體系的結構粘度。因此它們改變的參數是表觀粘度(μ表)和動切應力(l0),對μ和l。。的影響不大;使動塑比l0/μ比降低,n值提高。

2.3增粘劑

    提高鉆井液的粘度,不能依靠增加粘土含量,而是依靠加入增粘劑。目前用得較多的有高粘度Na-CMC,羥乙基纖維素和生物聚合物黃原膠等。下面以Na-CMC為代表作個說明:在

25℃時Na-CMC的水溶液粘度不同,可劃分為低特(2%水溶液粘度<50mPa.s),中粘(2%溶液粘度為50~270mPa.s)和高粘(l%溶液粘度為400~500ntPa·備)等三種。前兩種作降失水劑用,后者作增粘荊用。‘它們引寇增粘的作用歸納為三點:①通過羥基使Na—CIVIC分子吸附在粘土粒子表面,加上分子的水化基團的水化膜增加粘土粒子的流體力學體積,提高粘度;②一個Na—CMC分子可吸附多個粘土粒子形成網狀結構;③使鉆井液液相粘度增大。

如果一種處理劑能夠大幅度提高l0,即增加泥漿體系的結構,而本身用量很少,即對濾液本身粘度影響很小,必然導致鉆井液的l0/μ上升,n值下降。這二類增粘劑,稱為流型調節劑。它們既能提高泥漿剪切稀釋作用,有利于提高鉆井速度;又能使泥漿流態保持平板型,有利于攜帶巖屑。   

3鉆井液潤滑劑

在鉆井過程中1,鉆柱與鉆井液之間,鉆柱與井壁接觸點之間以及鉆井液與井壁之間處于不斷運動狀態而產生摩擦,衡量指標是摩擦因數。對于打定向井和水平井,鉆井潤滑性尤其重要。鉆井潤滑劑通常為表面活牲劑。

    表面活性劑的作用主要在摩擦界面上形成一層吸附膜,降低固體表面自由能。例如金屬和巖石的表面能在100~500mj/m2,而非極性有機物的表面能<100mj/m2。后者表面不易被液體潤濕,也不容易發生粘附。表面活性劑形成的吸附膜,分子極性基吸附在固體表面,而疏水基形成一層非極性表面,必然使其表面能降低,使摩擦因數下降。常用的表面活性劑有十二烷基磺酸鈉、油酸鈉、氧化石蠟皂、環烷酸鈉皂、聚氧乙烯蓖麻油等。

另外還可加入表面活性劑使泥漿中礦物油形成0/w型乳狀液,并以細小油珠分散在泥漿中作為潤滑劑用。

4鉆井液乳化劑

    4.1O/W型乳化劑

    水基鉆井液中混入油相形成0/W型乳化泥漿,在實際過程中產生這種泥漿有兩種情況:一種是人為加入柴油或原油,配制成混油鉆井液,其目的是提高鉆井速度和井壁潤滑性以防止粘附卡鉆;另一種是在鉆井過程受到油浸,以及解卡而泡的油對泥漿的污染,為此加入乳化劑形成混油鉆井液。

    通常使用的表面活性劑有Tween類、0P系列等非離子表面活性劑,以及油酸鈉和松香酸鈉等陰離子表面活性劑。

    4.2 W/0型乳化劑

    在鉆井過程中碰到下列三種情況:①在超深井鉆探;②遇到水敏性地層;③通過產油層,就需要使用w/o型鉆井乳狀液。這種乳化劑,由相對分子質量為475的石油磺酸鹽和磺化鯨蠟油復配,在82℃下長期保持穩定。另外為高價陽離子皂,妥爾油脂肪酸鈣、松香鈣和環烷酸鈣等都能單獨使用或者復配使用。

    5起泡劑和泡沫鉆井液

    泡沫鉆井液的目的是大幅度降低鉆井液密度,從而降低井孔內的液柱壓力。這種泥漿的優點如下:①提高巖石的可鉆性系數,據文獻報道,泡沫泥漿的鉆速提高24%;②減少對產層’污染,由于液柱壓力低,鉆井液滲入地層的深度和數量大大減少,防止對產層毛細孔的堵塞。這樣得到油井,通常可使原油產率提高1~2倍;③濾失量的降低,使井壁穩定,防止井漏和井塌事故。

    常用起泡劑有α一烯基磺酸鈉和非離子表面活性劑等,具體見表l。

表1  幾種常用表面活性劑對泡沫泥漿性能的影響

表面活性劑

 

類  別

 

泡沫特性

 

相對最大泡沫于度

抗壓強度/MPa

a-烯基磺酸鈉

聚氧乙烯烷基酚硫酸鈉

聚氧乙烯脂肪醇硫酸鈉

烷基甜菜堿

烷基酰胺甜菜堿

陰離子型

陰離子型

陰離子型

兩  性

兩  性

厚且不規則

薄且均勻

規則網孔結構

薄和氣泡可見

薄和氣泡大

250

175

450

300

285

1.74

1.52

2.0l

1.39

2.18

①密度為0.96g/cm3泡沫泥漿,在37.8℃養護24h的抗壓強度。

6鉆井液中消泡劑

鉆井液在循環過程中,由于某些處理劑(如鐵鉻木質素磺酸鹽等)兼有起泡作用,當鉆井遇到高壓油氣層,如果鉆井液密度降到一定程度,就會出現井噴事故;若遇到高壓水層,就會出現涌水。因此從安全出發,必須及時消除鉆井液中起泡現象。常用消泡劑有硬脂酸鋁、甘油聚氧乙烯聚氧丙烯醚(泡敵)、聚甲基硅氧烷等。

7鉆井液中緩蝕劑

    鉆井液對鉆具的腐蝕是嚴重的,為防止腐蝕采取兩種措施:一是消除腐蝕源如加去氧劑、去硫劑、提高pH值等;二是加有機胺或有機磷酸類的緩蝕劑。它們緩蝕的機理是吸附在金屬表面形成致密的薄膜,防止有害物質的侵蝕。


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