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高温对钻井液处理剂的影响

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钻井液中的处理剂包括无机处理剂和有机处理剂两种,高温对无机处理剂的作用主要是加剧了无机离子的热运动从而增强了其穿透能力。本文着重描述高温对有机处理剂的影响。

高温降解

有机高分子化合物因高温而产生分子链断裂的现象称为高温降解。对于钻井液处理剂,高温降解包括高分子主链断裂,亲水基团与主链联接链的断裂两个方面。前者使处理剂分子量降低,部分或全部失去高分子性质,从而导致大部分或全部失效,后者降低处理剂亲水性或吸附能力,从而使处理剂抗盐抗钙能力和效能降低,以至丧失其作用。

任何高分子化合物都要发生高温降解,只是随其结构和环境条件不同,发生明显降解的温度不同而已。因此,高温降解是抗高温钻井液必须考虑的另一重大问题。由于高温降解与介质关系很大,本文只讨论它在水溶液中的降解问题。其中影响高温降解的主要因素,首先是处理剂的分子结构,由处理剂分子的各种键在水溶液中高温热稳定所决定。比如醚键在水溶液中,容易被氧化,而高温和PH值将促进这种作用发生,所以凡由醚键联接的高分子化合物在高温下都不稳定,容易降解,而这种降解多与氧化作用有关,故称热氧降解。显然,若能设法制止或减弱这种作用(如加入抗氧剂),则可减少高温降解的趋势。又如酯键在碱性介质中易水解,而高温大大加速此反应,故其高温降解变得更严重。其次是温度的高低及作用时间的长短。各种高分子在不同的条件下,发生明显降解的温度彼此不同,常用处理剂在其溶液中发生明显降解的温度来表示该处理剂的抗温能力。溶液中的PH值及矿化条件对降解也有影响,一般而言,PH值高促进降解的发生。降解是一种逐渐进行的过程,所以它与受高温作用时间关系很大,必须认真考虑这一因素。降解还与其他一些因素如细菌、氧含量、搅拌剪切等有关。

由于处理剂的热稳定性与其分子结构有关,因此,抗高温处理剂分子的主链、亲水基和吸附基与主链连接键应尽量采用“C—C”、“C—N”、“C—S”等键而避免采用“—O—”键等。

实践证明,高温降解也可能减轻,现在行之有效的办法是使用抗氧剂。如酚及其衍生物、苯胺及其衍生物、亚硫酸盐、硫化物等,均可将纤维素类处理剂的抗温能力从120℃-140℃提高到180℃-200℃。另一方面,也可巧妙地应用高温降解以能够更好地调整和维护钻井液性能,这在国内外都有成功的经验。

高温交联

处理剂分子中存在着各种不饱和或活性基团,在高温作用下,可促使分子之间发生各种反应,互相联结,从而增大分子量,这种作用叫高温交联。显然,可以把它看做是与处理剂高温降解相反的作用。一般的有机高分子处理剂(特别是天然高分子)都能发生高温交联,而高温交联可能产生两个结果:

1.高分子交联过度,形成三维的空间网状结构,称为体型高聚物,则处理剂失去水溶性,整个体系称为冻胶,处理剂完全失效。

2.处理剂交联适当,增大分子量,抵消了降解的破坏作用,从而保持以至增大处理剂的效能。另一方面,两种处理剂适当交联可使它们的亲水能力和吸附能力互为补充,其结果相当于处理剂进一步改性增效。

高温交联对钻井液性能的影响有好坏两个方面:

1.若交联过度,处理剂完全失效,钻井液完全破坏,滤失量猛增,钻井液胶凝(土量低也不可避免),从钻井液中可以明显见到不溶于水的体型高聚物;

2.若交联适当,则大大有利于钻井液性能,而且使钻井液在高温作用下,性能愈来愈好,其结果必然是现场使用效果优于室内实验。在一定范围内,井愈深,温度愈高,效果愈好。由于高温交联实际上可以抵消高温降解作用,所以,可以加入有机交联剂来有效地防止处理剂的高温降解作用。但是,由于高温交联及其影响因素,至今研究很少,对于如何控制适当还没有一个较为成熟的看法和方法,然后对于高温交联作用的认识和有关概念的建立至少给了科研工作者利于高温交联反应以改善深井钻井液体系的可能,从而能把高温堆深井钻井液性能的破坏转化为利于高温改善钻井液体系,这样就为深井钻井液工作开辟了新的途径。

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