[工学]《油田化学》

•
③ 分子中大量水化基团所形
•
成的水化膜，能阻止自由水
•
分子与粘土表面的接触。
h
42
• （3）磺化苯乙烯—马来酸酐共聚物（SSMA）
• SSMA是由苯乙烯、马来酸酐、磺化试剂、 溶剂（甲苯）、引发剂和链转移剂（硫
醇）通过共聚、磺化和水解后制得的。
相对分子质量为1000~5000的SSMA在钻 井液中，抗温可达2000C以上，可在高温 深井中使用。但成本较高。
• 流体中各层的流速不同，层与层之间必 然存在相互作用，即流速快的液层会带 动流速慢的相邻液层。同时，流速慢的 液层又会阻碍流速快的相邻液层。这样 在流速不同的各液层之间就产生成对的 内摩擦力（剪切力）。
h
8
• 牛顿内摩擦力（F）：F=μsγ
• 式中：μ—粘度；γ—剪切速率；s—面积。
• 剪切应力（τ）：τ= F/s=μγ。
• 主要特点：
• ① 降粘的同时还具有抑制泥页岩水化的作用；
•
② 用量少（0.1%~0.3%）
•
③ 适用范围广；
•
④ 与其它类型处理剂能相互
•
兼容。
h
40
• 降粘机理：① 分子链中的阳离子基团，能与 粘土发生离子型吸附；
• ② 低相对分子质量的线性聚合物比高分子聚 合物能更快、更牢固地吸附在粘土颗粒上；
• 剪切速率越大，则表示液流中各层之间流速的变 化大。
• 钻井液在循环过程中： • 沉砂池处的剪切度率最低，约为10~20 s-1；
• 环行空间内：50~250 s-1；
•
钻杆内：100~1000 s-1；
•
钻头喷嘴处最高，约为10000~
•
10 0000s-1。
h
7
• （2）剪切应力（τ）（简称剪切力）
• 单位：Pa或KPa
• 牛顿流体：将τ与γ的关系遵守牛顿内摩擦定律 的流体称为牛顿流体。
• 如：水、酒精等纯液体、低分子化合物溶液及 低速流动的气体。
•
非牛顿流体：τ与γ的关系不遵守
•
牛顿内摩擦定律的流体。
•
如：高分子聚合物的浓溶液和悬浮
•
液等。大多数钻井液都属于非牛顿
•
流体。
h
9
• 2、流变模式和流变曲线 • （1）流变模式（流变方程）： • 用数学关系表示τ与γ的关系。 • 如：牛顿流体的流变模式 τ=μγ • （2）流变曲线 • 用曲线表示τ与γ的关系。 • 如图2—4中曲线1所示 。直线的斜率 • 代表其粘度，既tanα代表粘度， • α越大,μ越大。
h
33
• 单宁酸钠在高浓度的NaCl、CaCl2、 Na2SO4等无机盐溶液中会发生盐析或沉 淀。所以，单宁酸钠的抗盐、抗钙能力 较差。
• 单宁经磺甲基化，可生成磺甲基单宁 （SMT）。若再进一步与Na2Cr2O7发生氧
化与螯合反应，可制得磺甲基单宁的
•
铬螯合物。
h
34
• SMT及其铬螯合物的热稳定性和降粘性 都比NaT强，在钻井液中加入0.5%~1%就 能取得较好的效果。
h
27
• 将上式的每一项分别除以γ1/2,可得另一表达
式
1
1
1
1
2
2
2
2
0
• 在平方根坐标系中，卡森流变曲线是一条直
线。其斜率tanα分别为
； 1 2 0
和
1截距分别为
2
和 1
1
2
2
0
h
28
• 卡森模式的主要特点：
• ① 适用于各种类型的钻井液；
• ② 能够近似地描述钻井液在高剪切速率 下的流变性。
• 由于τ0/γ具有与粘度相同的单位，并且和钻井液 层流流动时形成网架结构的能力有关，
• 习惯上称τ0/γ为结构粘度。
h
16
• 假塑性流体的表观粘度为：
V Kn1
• 5．钻井液的几种基本流态： • ① 静止； • ② 塞流（柱流）； • ③ 准层流（平板型）； • ④ 层流（线形）； • ⑤ 紊流。
•
以河水的流动为例（见图2-1）
•
分析水流的流速分布情况。
•
靠近河岸流速很小，靠近河中
•
心流速很大，且呈梯度变化。
h
5
水在河面的流速分布
vdv
v
图2 -1 水在河面的流速分布
图2 - 2 水在管路的流速分布
h
6
• （1）剪切速率 （γ） • dv/dx 表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增
量，即剪切速率（速率梯度）。单位：s-1
• 其抗温可达180~2000C，抗钙可达 1000g/L。但是，抗盐性较差，当含盐量 超过1%时稀释效果明显下降。
h
35
• 注意：① 单宁类降粘剂主要是通过拆散 结构起降粘作用的，对塑性粘度ηp的影响 较小。若要降低ηp，应通过固相控制来实 现。
• ② 单宁酸钠用量少时起降粘作用，加入 量大时也能起降滤失作用。
h
10
3
/ Pa
2
0
1
4
s
0
/ s 1
图2 - 4 四种基本流型的曲线
1—牛顿流体 2—； 假塑性流体； 3—塑性流体 4—； 膨胀流体
h
11
• 3．触变性
• 定义：是指钻井液经搅拌后会变稀 （切力下降），静止后又会变稠（切 力上升）的性质。
• 测量方法：用旋转粘度计，将充分搅 拌后的钻井液静置1min（或10s）和
•
除以上三种类型外，还有磷酸
•
盐类降粘剂，腐植酸类处理剂
•
也可用作降粘剂。
h
43
（二）．增粘剂
• 增粘剂均为高分子聚合物。除了起增粘 作用外，往往还起页岩抑制剂（包被 剂）、降滤失剂及流型改进剂的作用。 因此，使用增粘剂常常有利于改善钻井 液的流变性和井壁稳定。
• 结构式为： [CH2CH]x [CH2CH]y
CH2SO3Na COONa
•.
• 作用：抗温、抗盐、抗钙能力均优于
•
X-A40。但成本也高于X-A40。
h
39
• （2）两性离子聚合物降粘剂（XY-27）
• XY-27是由乙烯单体多元共聚而成的，在其分 子链中含有阳离子基团、阴离子基团、非离子 基团。
h
3
• 描述流变性的要素： • ①钻井液的流变曲线； • ② 塑性粘度； • ③ 动切力； • ④ 静切力； • ⑤ 表观粘度等。
h
4
一、流体流动的基本概念
• 1、剪切速率和剪切应力
• 液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性， 只要力的作用时间相当长，即使用很小的力就 能使液体发生很大的变形。
• 用来描述塑性流体的流变模式
• • 式中 •
τ=τ0+ ηPγ τ0——动切力，Pa； ηP——塑性粘度，Pa·s；
h
24
• 2、假塑性流体
• 部分钻井液、高分子化合物的水溶液以 及乳状液等均属于假塑性流体。
• （1）、流变曲线 见图 2—4（2）
• 特点：施加极小的剪切力就能产生流动， 不存在静切应力，它的粘度随剪切应力 的增大而减小。
h
19
• 1．塑性流体
• 一般钻井液属于塑性流体。
• （1）流变曲线[图2—4（3）
• 由曲线看出，当γ=0时，τ≠0。即只有施 加的力超过一定值的时候，塑性流体才 开始流动。
• 静切应力（τs）：这种使流体开始流动
•
的最低剪切应力称为
•
静切应力（又称静切
•
力、切力、凝胶强度）
h
20
3
/ Pa
•
此时，流变曲线变成了直线。
•
该直线的斜率称为塑性粘度
•
（ηP或PV）。
h
22
• 延长直线段与剪切应力轴相交于一点τ0。 通常将τ0称为动切应力（动切力或屈服力） 也可用YP表示。
• 动切应力反映钻井液在流动时，粘土颗 粒之间及聚合物分子间的相互作用（形 成空间网状结构的能力）。
h
23
• （2）、宾汉模式（又称宾汉方程）
2
0
1
4
s
0
/ s 1
图2 - 4 四种基本流型的曲线
1—牛顿流体 2—； 假塑性流体； 3—塑性流体 4—； 膨胀流体
h
21
• 当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切 应力与剪切速率并不呈直线关系，表明 此时塑性流体还不能均匀地被剪切，粘 度随剪切速率增大而降低（图中的曲线 段）。继续增大剪切应力，当其数值大 到一定程度之后，粘度不再随剪切速率 增大而发生变化，
h
36
• （2）木质素类
• 此类产品中曾使用最多的是鉄铬木质素 磺酸盐（俗称鉄铬盐，代号：FCLS）
• 缺点：
• ① 要求PH值较高，不利于井壁稳定；
• ② 容易引起钻井液发泡，需加入消泡剂
• ③ 形成的泥饼摩擦系数较高，需加入润滑剂；
•
④ 含重金属铬，对人体健康不
•
利，对环境有污染，现已很少使
•
• 常用的流变性调整剂主要有增粘剂和降 粘剂两类
h
31
（一）．降粘剂（稀释剂）
• （1）单宁（栲胶）类
• 单宁广泛存在于植物的根、茎、叶、皮、
果实和果壳中。从不同植物中提取的单
宁具有不同的化学组成，所以，单宁有
很多种。四川、广西、湖南一带盛产五
倍子单宁，云南、陕西河南一带盛产栲
胶。
栲胶是用以单宁为主要成分
用。
h
37
• （3）聚合物类 • ① X-40系列降粘剂
• ① X-A40：是相对分子质量较低（5000左右） 的聚丙烯酸钠
• 结构式为： [CH 2CH ]n
COONa
•
作用：加入0.3%时，可抗
•
0.2%CaSO4和1%NaCl，抗温达
•
1500C。
h
38
• ② X-B40：是丙烯酸钠和丙烯磺酸钠的 共聚物。
h
25
• （2）幂律模式（又称幂律方程）
• 用来描述假塑性流体的流变模式 • τ=Kγn（n<1）
• 式中 K—稠度系数，Pa·s2；
•
n—流性指数，
h
26
• 3．卡森模式 • 卡森模式是一个经验式，表达式为
wenku.baidu.com
1
1
11
2
2
22
0
• 式中
•
τ0—卡森动切力（卡森屈服值），
Pa；
•
η∞—极限剪切粘度，Pa·s。
• ③ 本身特殊的结构使它与高聚物分子之间的 交联或络合机会增加。
•
因此，XY-27比阴离子聚合
•
物降粘剂有更好的降粘效果。
h
41
• 抑制泥页岩水化作用机理：
• ①分子链中的阳离子基团吸附在粘土表 面之后，中和了粘土表面的部分负电荷， 削弱了粘土的水化作用；
• ② 本身特殊的结构使聚合物链之间更容 易发生缔合，而更好地对粘土颗粒进行 包被。
静置10min，分别测量其初切值和终
•
切值，并用初切和终切的差值表
•
示钻井液触变性的大小。
h
12
• 4．钻井液的粘度
• 现场用的粘度有：漏斗粘度、塑性粘度、 表观粘度和稠度系数。
• ① 漏斗粘度
• 是指将一定体积（500ml）的钻井液从漏 斗下端流出所经历的时间。单位：s。
•
特点：方法简单，可直观反
•
映钻井液粘度的大小。
h
13
• ② 塑性粘度（ηP或pV）
• 反映了在层流情况下，钻井液中网架结 构的破坏与恢复处于动态平衡时，悬浮 的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间 以及液相内部的内摩擦力作用的强弱。
• 特点： 是塑性流体的一种性质，不随剪 切速率而变化；
h
14
• ③ 稠度系数（K） • 是假塑性流体的性质，也是运动质点之
1
1
2
2
1
2 0
tan
1
2
1
2
tan
1
2 0
1
1
(a)
2
2
(b)
图26 卡森流变曲线的两种形 式
h
29
三、钻井液流变性的调整
• 钻井液流变性的调整主要调整钻井液的 表观粘度和切力（静切力和动切力）。
• 在钻井过程中，钻井液粘度和切力过大 或小都会产生不利的影响。
h
30
• 调整钻井液粘度和切力的方法： • ① 调整钻井液的固相含量； • ② 使用流变性调整剂。
•
的物料提取制成的浓缩产品。
h
32
• 单宁是多元酚的衍生物，属于弱有机酸。 分子中含有酯键，在碱溶液中易水解。 高温下水解加剧，降粘能力减弱 （100~1200C），单宁碱液仅适用于在浅 井或中深井内降粘。
• 在NaOH溶液中生成双五倍子酸钠和五倍 子酸钠，统称为单宁酸钠或单宁碱液， 是钻井液中的有效成分，代号为NaT。
h
1
• 流变性是钻井液的一项基本性能，在解 决许多钻井问题时，都起着十分重要的 作用。掌握钻井液流动的基本特性，能 使我们更科学地维护和处理钻井液。
• 流变性：是指在外力作用下，钻井液发 生流动和变形的特性。
h
2
• 流变性在钻井中的作用： • ① 携带岩屑、保证井底和井眼的清洁； • ② 悬浮岩屑与重晶石； • ③ 提高钻速； • ④ 保证井眼规则和井下安全等。
间的内摩擦力。
• K值反映其可泵性，k值越大，粘度越高。 • K值过大，将造成重新开泵困难， • k值太小，对携岩不利。 • K应保持在合适的范围内。
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15
• ④ 表观粘度（又称有效粘度或视粘度） （ηV或 AV）
• 是指在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率
的比值。
•
塑性流体的表观粘度为：
V
0
P
• 不同流型的钻井液其携岩能力各不相 同，对井壁的稳定性作用不同。
h
17
• 不同流型的钻井液其携岩能力各不相同， 对井壁的稳定性作用不同。
剪 紊
切 流
应
力
层流（线型）
D s
准层流（平板型）
塞流（柱流） 钻 具
井 壁
静止区
剪切速率
环形空间
h
18
二、非牛顿流体的基本流型
• 按照流体流动时τ与γ的关系，可将流体 分为不同的类型（即流型）。除牛顿流 型外，根据所测出的流变曲线形状不同， 又可将非牛顿流体的流型分为：塑性流 型、假塑性流型和膨胀流型。