胶体化学论文

胶体化学结课论文表面活性剂在钻井液领域的应用

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表面活性剂在钻井液领域的应用

摘要：钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。若利用表面活性剂对某种液体进行表面改性，即可制成具有特定功能的钻井液。

关键词：胶体表面活性剂钻井液双电层

引言：在石油工业的生产中，表面活性剂起着至关重要的作用，目前使用的钻井液均为分散体系，根据分散介质可分为水基钻井液（以水为分散介质）和油基钻井液（以油为分散介质）。目前应用最广泛、研究最深入的是水基钻井液，其主要组成有：（1）水，如淡水、盐水或海水等；（2）黏土，如钠膨润土、钙膨润土、高岭土等：（3）化学处理剂，如降滤失剂、降粘剂、絮凝剂和防塌剂等。根据起主要作用的处理剂的种类，钻井液又可分为若干类，如目前常用的聚合物钻井液和混合金属氢氧化物（MMH）钻井液等。

正文

一、表面活性剂

凡能显著改变体系表面(或界面)状态的物质都称为表面活性剂，如硬脂酸钠、烷基苯磺酸钠等物质，加到溶剂中会大大降低溶剂的表面张力，能够使体系的表面状态发生明显的变化

，这种作用称为表面活性，这些物质都称之为表面活性剂。

某些物质如乙醇等同样可以降低溶剂的表面张力，但对体系表面状态的影响并不明显，不属于表面活性剂的范畴。

根据对水的表面张力的影响，可把物质分为三类：

第一类是表面张力随物质浓度的增加而略有上升。如无机盐、酸和碱等；第二类是随浓度的增加表面张力缓慢下降。如低级醇、羧酸等；第三类是随浓度增加，表面张力先是急剧下降，到一定浓度后基本不再变比，如肥皂中的硬脂酸钠、洗衣粉中的烷基苯磺酸钠等。我们把第三类物质称为表面活性剂。第二类物质虽也能降低表面张力，但没有乳化、起泡、增溶等作用，因而通常不称之

为表面活性剂。

表面活性剂分子通常是含8个碳原于以上的有机物质，它们的表面活性和分子结构有着密切的关系。一般来说，表面活性剂分子是由亲油基及亲水基这样两个性质完全不同的部分组成。日常使用的肥皂是脂肪酸的钠盐。

表面活性剂分子由于既含亲油基，也含亲水基，因而具有两亲性，但是需要注意，并非两亲性分子都是表面活性剂。例如丁酸钠虽然是两亲性分子，但不具有表面活性，因而不是表面活性剂。实践表明，性能优良的表面活性剂，其亲油部分应是C10~C18的两亲分子。

表面活性剂的性能特征

（1）双亲性。

（2）溶解度。表面活性剂至少应溶于液相中的某一相。

（3）界面吸附。在达到平衡时，表面活性剂在界面上的浓度要大于其在溶液整体中的浓度。

（4）界面定性。表面活性剂在界面上会定向排列成分子层。

（5）生成胶束。当表面活性剂在溶剂中的浓度达到一定时，会产生聚集而生成胶束，这种浓度的极限值称为临界胶束浓度(critica1 mic1e concentration，简称CMC)。

（6）多功能性。表面活性剂的溶液通常具有多种复合的功能。如清洗、发泡、润湿、乳化、增溶、分散等。

表面活性剂的用途十分广泛，并且一种表面活性剂常常具有几种功能。故按应用将其分类是非常困难的。通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。表面活性剂一般按结构来分类。通常分为五大类。阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂、两性表面活性剂。二、钻井液

钻井液的主要功用：(1)清洗井底，携带岩屑；(2)冷却钻头和钻柱；(3)形成泥饼，保护井壁；(4)控制和平衡地层压力；(5)悬浮岩屑和加重剂；(6)将水功率传给钻头等。钻井液在钻井过程中至关重要，有“钻井血液”之称。

1、稳定性和流变性

钻井液必须具有良好的稳定性，才能保证安全钻井。影响钻井液稳定性的因素主要有以下几个方面：

（1）、粘土粒子的ξ电势

粘土颗粒分散在水中都带负电荷，电荷密度越高，ξ电势越大，粒子间的排斥作用越强，体系越稳定。

（2）、粘土粒子间的作用

膨润土为片状粒子，表面带负电荷而断裂面(边侧)上带少量正电荷，由于静电吸引在一定条件下可形成“端一面”接触的空间网架结构，这可提高体系的稳定性。

影响钻井液稳定性的因素：

（3）、聚合物的护胶作用

聚合物钻井液中，聚合物的加量超过临界絮凝浓度时，由于粒子表面吸附层的空间阻碍作用可提高钻井液的稳定性。目前油田现场使用的浓度在1—4g/L 左右。

（4）、正电溶胶的稳定作用

近年来发展起来的MMH钻井液具有独特的稳定机理。因为在粘土粒子和MMH （混合金属氢氧化物）正电胶体粒子之间的水被极化形成极化水链，构成空间网架结构，使整个体系保持良好的稳定性。

钻井液的流变性是重要的研究内容之一，它与优质、快速、安全钻井密切相关。

三、降滤失剂及作用机理

钻井过程中、钻井液中的水分易渗入地层，渗入的多少常用滤失量标征。滤失量大时，易引起泥岩的膨胀和垮塌，造成井壁不稳定，损害油气层等，所以在现场使用的钻井液配方中都有降滤失剂来控制滤矢量。常用的降滤失剂有羧甲基纤维素(CMC)、羧甲基淀粉(CMS)、预胶化淀粉、磺甲基褐煤(SMC)、磺甲基酚醛树脂(SMP)、磺化褐煤树脂、水解聚丙烯脂的钠盐(或铵盐、钙盐)及丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯胺钠和丙烯酸钙的多元共聚物(PAC)、超细CaCO3等。

降滤失剂的功效是通过降低泥饼的渗透率来实现的。作用机理主要有以下几

个方面：

（1）使钻井液中粒子具有合理的粒度分布，使泥饼致密。

（2）提高粘土颗粒的水化程度。降滤失剂分子中带有的负电基团水化能力很强，可增加粘土粒子表面的水化膜，能有效地阻止水的渗透。

（3）降滤失剂溶解后的尺寸在胶体颗粒的范围内，本身对泥饼起堵孔作用，使泥饼致密，

（4）降滤失剂可提高滤液粘度，从而降低滤失量。

四、降粘剂及作用机理

钻井液中的结构主要有粘土粒子与粘土粒子、粘土粒子与聚合物和聚合物与聚合物之间的相互作用组成。当粘土颗粒过多或钻遇盐层时，粘度增高，难以流动，必须加降粘剂进行处理。

目前常用的降粘剂有铁铬木质素磺酸盐(FCLS)、磺甲基化丹宁(SMT)、磺甲基化褐煤(SMC)、磺甲基化拷胶(SMK)、磺化苯乙烯顺丁烯二酸酐共聚物(SSMA)、乙酸乙烯酯—顺丁烯二酸酐共聚合物(VAMA)，聚丙烯睛铵盐(NH4PAN)等。

降粘剂的作用机理主要有以下几个方面：(1) 降粘剂可吸附在粘土的带正电荷的边缘上使其反转成带负电荷，同时形成厚的水化层，从而拆散粒子间的“边-面”、“边—边”结构，放出包着的自由水。同时降粘剂的吸附还可提高粒子的ξ电势，使粒子间相互排斥作用增强，从而消弱相互作用，(2) 低分子量聚合物稀释剂(如SSMA、VAMA等)与钻井液的主体聚合物(如PHPA)形成氢键络合物时．因与粘土争夺吸附基团，可有效地拆散粘土与聚合物间的结构，同时能使聚合物形态收缩，减弱聚合物分子间的相互作用，所以降粘效果显著。这为新型高效降粘剂的合成工作提供了依据。

钻井液的固相含量对钻井速度影响很大。固相含量增加，钻井速度会显著降低。固相颗粒的大小对钻速也有影响。细颗粒越多，钻速下降越大，特别是小于1μm的胶体颗粒影响最大。所以，目前现场多采用低固相不分散钻井液。

钻井液中的固相包括：

①钻屑和劣质土——是有害固体，需除去；

②蒙脱土——是有用固体，应保持一定的含量，以维护钻井液适当的粘度和切力。

根据对各种固体的絮凝效果和钻井液性能的变化，絮凝剂又可分为二类：

(1) 全絮凝剂——同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土。

(2) 选择性絮凝剂——它们只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土。当絮凝剂能提高钻井液粘度和屈服值时，称为增效型选择性絮凝剂，影响不大时称为非增效型选择性絮凝剂。

产生选择性絮凝的机理是：钻屑和劣质土粒子的ξ电势低，而蒙脱土的ξ电势高。絮凝剂带负电，易于在ξ电势低的钻屑和劣质土上吸附，通过“桥联”结构把粒子联在一起并聚集成团而下沉，絮凝剂在蒙脱土粒子上的吸附量较少，同时由于粒子间的静电排斥作用太大而不能聚集成团块，相反，由于“桥联”而形成的空间网架结构，还能提高蒙脱土的稳定性。由于絮凝剂在蒙脱土粒子表面的吸附包被作用，可阻止蒙脱土的进一步分散，从而减少细粒子的比例。，

结尾

钻井液技术，作为一种应用技术，在人们印象中，似乎不太能与高新技术挂上钩，但近几年来，钻井液技术的发展越来呈现出高新技术的特点。现在国内外对钻井液性能评价，更多体现的是它的宏观使用性能。尚不能充分体现钻井液特殊性能和微观性能，有时达不到准确评价的目的。

新的钻井液产品的出现，必然需要由相应的新标准去界定、判断和评价。所以，钻井液性能评价定会出现体现高新技术特色的新标准。

参考文献：

《界面、胶体化学及应用》杨小庆

《表面及胶体化学》黄志宇，何雁

《钻井液工》杨虎，郭健康，张建卿

《深水钻井液与完井液》岳前升·胡友林

《钻井液》孙焕引，刘亚元