【科普】|钻井液流变性的调整——降粘剂和增粘剂
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发布时间：2022-11-11 07:09
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时间：2024-10-22 04:47
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2*10**6，有的高达13*10**6~15*10**6。
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。
