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粗分散泥漿

粗分散泥漿是指粘土顆粒較粗的分散泥漿。實踐證明,粗分散泥漿比細分散泥漿有更多的優點和適應性(適用於粘土侵蝕、鹽侵蝕、鈣侵蝕)。它是用無機絮凝法(用鈣、鈉等無機鹽類絮凝劑)對粘土顆粒進行適度絮凝而使顆粒變粗。同時,如果有機稀釋劑對粗化的顆粒進行分散並保持分散體系的穩定性,必要時還可加入減少失水劑。目前應用的鈣處理泥漿和鹽水泥漿就是這類泥漿。

粗分散泥漿是在石油鉆井實踐中逐漸發展起來的。當時人們發現,用有機處理劑處理的淡水細分散泥漿鉆進鹽、鈣侵蝕的地層後,泥漿性能並沒有變壞,仍能保持穩定和分散,而且這類泥漿能抵抗鹽、鈣、粘土的侵蝕。人們總結這壹認識加以改進,就有意識地在泥漿中加入鈣鹽或鈉鹽,同時加入相應的有機處理劑,就形成了粗分散泥漿體系。

(壹)鈣處理泥

如果單純用石灰來處理淡水細分散泥漿,由於鈣離子的增加,會使泥漿的粘度、切割力和失水率大大增加,使泥漿變得粘稠,甚至流不動。這是用來堵漏的 "石灰乳泥漿",而不是鈣處理泥漿。

鈣處理泥漿除了加入鈣鹽(石灰、石膏或氯化鈣提供的鈣離子),使粘土顆粒適度絮凝為較粗顆粒外,另壹方面還要加入有機稀釋分散劑(保護劑),使泥漿中的粗顆粒分散而不結成網狀結構,從而得到鈣處理泥漿。鈣處理泥漿流動性好,粘度大,切削力低,加入失水減少劑後,可保持較低的失水率。這些性能,是石灰乳泥所不具備的。

鈣離子可提供無機鹽石灰、石膏和氯化鈣。由於它們各自的溶解度不同,提供的鈣離子量也不壹樣。石灰的溶解度小,所以石灰漿中的鈣離子含量也小,壹般維持在 120×10-6~300×10-6 之間,屬於低鈣鈣處理漿。此時可加入燒堿來控制漿液中鈣離子的濃度。由於鈣離子較少,可加入抗鈣能力較弱的單寧或堅木液作為泥漿的稀釋分散劑。石膏的溶解度比石灰大,石膏漿中的鈣離子壹般在 300×10-6 至 500×10-6,甚至高達 1000×10-6。此時,需要加入鉻鐵鹽等抗鈣性較強的有機分散劑,或較大的煤堿溶液作為護膠劑,並用 Na-CMC 減少水分的損失。氯化鈣的溶解度最大,可配制成千分之幾鈣含量的高鈣處理漿,但有機分散劑消耗量大。目前,用石灰配制的鈣處理泥漿較多。石膏配制的鈣處理泥漿可用於鉆石膏層。

用石灰配制的鈣處理泥漿,通過加入燒堿來調節泥漿的pH值,從而控制石灰的溶解度(鈣離子量)。由於燒堿能電離泥漿中的 Na+ 和 OH-:

NaOH→Na++OH- (2-2)

石灰還能電離泥漿中的 Ca2+ 和 OH-:

Ca(HO)2→Ca2++2OH-(2-3)

因此,可以通過增加燒堿的用量來增加 OH- 的濃度,利用相同的離子效應,降低石灰的溶解度式(2-3),達到控制泥漿中鈣離子濃度的目的。同時,燒堿中電離出的 Na+ 還能起到調節泥漿中鈉離子和鈣離子比例的作用,使泥漿中粘土顆粒對鈣的吸附減少。

當泥漿中的鈣逐漸被粘土或鉆屑消耗時,即泥漿中的鈣離子減少時,式(2-3)就會發生逆轉,增加石灰的水解程度,不斷補充泥漿中的鈣離子(Ca2+),進而起到調節鈣濃度的作用。

石灰鈣處理泥漿的pH值壹般控制在11左右,以穩定泥漿。而在石膏泥和氯化鈣泥中加入燒堿時,會產生氫氧化鈣沈澱,使泥漿中鈣離子濃度降低。其特點是要求鈣離子濃度較高,因此泥漿的 pH 值不能太高。

簡單的石灰處理泥漿配方是:

石灰加入量為泥漿體積的 0.3% 至 0.5%,即每立方米泥漿加入石灰 3-5kg ;

苦堿液 0.5% 至 1%,即、每立方米泥漿中加入堅木堿液 5-10L ;

燒堿(濃度為 20%)的用量,以及調節泥漿酸堿度的用量,然燒堿的用量(濃度為20%),其加入量以調節泥漿的pH值在11左右為好;

Na-CMC為0%~0.1%,即每立方米泥漿加入0~1kg.

對於鈣基膨潤土制成的泥漿,在加入上述處理劑之前,先加入壹定量的純堿使其先分散,再加入鈣使其適度絮凝。純堿的加入量取決於不同的粘土條件。

處理劑的添加順序並不嚴格,壹般是先加純堿和有機分散劑,再加石灰,在確定泥漿性能後,再確定是否添加失水還原劑,追加燒堿調節pH值。

鉆進中,由於鉆屑和孔壁巖石的吸附作用,泥漿中的鈣含量和處理劑量會逐漸減少,應適時補充。

(2)含鹽泥漿

泥漿中含鹽量超過1%的泥漿,稱為含鹽泥漿。含鹽量已達飽和(含鹽量約 35%)的淤泥,稱為飽和鹽水淤泥。

經測試泥漿中含鹽量小於 1%(淡水泥漿的範圍)時,泥漿的粘度、切削力和失水量都有所增加。泥漿中含鹽量大於1%時,粘度、切削力和失水量迅速增加,含鹽量達到3%時,泥漿的粘度、切削力達到最大值。這說明泥漿中鈉離子過多,雙層的壓縮使粘土顆粒表面的水化膜變薄,泥漿形成網狀結構。當含鹽量超過 3% 時,泥漿的粘度和剪切力下降,而失水率卻持續上升,說明泥漿中的粘土顆粒產生了聚集和沈澱。

上述情況是指沒有有機稀釋分散劑(保護劑)而出現的。在團聚之前,加入稀釋分散劑和失水還原劑,可以打破網狀結構,使粘土顆粒達到適度絮凝,成為粗分散泥漿。

鹽水泥流動性好,失水小。稀釋劑以鐵鉻鹽為好,也可用栲膠或栲膠堿。

如果配制飽和鹽水泥漿,處理劑的用量會增加很多。此外,海水也可以用來配制鹽水漿。海水的總礦化度為 3.3%~3.7%,其中 78.32%是鹽,其他為鈣、鎂、鉀鹽。因此,可用海水配制鹽水泥漿,並加入鐵鹽和鉻鹽、Na-CMC 和燒堿處理,根據需要調整泥漿的性能。

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