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1、-常用泥浆材料使用简明手册-第 67 页中原油田常用泥浆材料简明手册中原油田技术监测中心二0一一年二月目 录 第一部分 钻井液基础知识第一章 粘土胶体化学基础1121.1.3叶腊石、蒙脱石、伊利石2水界面双电层68水悬浮体的稳定性1012第二章 钻井液的性能13131417202325第三章 泥浆处理剂及其作用原理26262831363637第四章 常用的钻井液体系42424651第五章 完井洗井液及腐蚀57575859第六章 高温对钻井液性能的影响61626570 第二部分 常用泥浆材料介绍第一章 膨润土类一 、组成二 、分类三 、作用及用途四 、影响膨润土性能的因素五 、简单测试第二章 加
2、重材料 一、重晶石粉 二、第三章 无机盐类一 、碳酸钠二 、氢氧化钠三 、氢氧化钾KOH四 、氯化钾KCl五 、硅酸钠（Na2SiO3或Na2OmSiO2）六 、硅酸钾（K2SiO3）七 、氯化钠（NaCl）八 、氯化钙CaCl2九 、氢氧化钙Ca(OH)2十 、生石灰CaO十一 、石膏CaSO4十二 、重铬酸钠Na十三 、正电胶MMH第四章 发泡剂 消泡剂一 、发泡剂二 、消泡剂第五章 解卡剂一 、粉状解卡剂AD二 、液体解卡剂CN-1第六章 水泥外加剂一 、水泥速凝剂二 、水泥缓凝剂第七章 润滑剂一 、十二烷基磺酸钠二 、皂化油三 、石墨四 、塑料小球五 、bk液体润滑剂第八章 杀菌剂一
3、、Bd杀菌剂第九章 堵漏剂一 、瞬间堵漏剂二 、高粘堵漏剂三 、膨胀堵漏王四 、单向膨胀封闭剂五 、海带粉六 、核桃皮七 、云母片八 、石棉九 、锯末十 、混合堵漏剂第十章 絮凝剂 包被剂一 、聚丙烯酰胺二 、聚丙烯酸钾三 、PAC141四 、80A-51五 、FA367六 、润滑絮凝剂第十一章 增粘降滤失剂一 、羧甲基纤维素钠NaCMC二 、聚阴离子纤维素PAC三 、羟乙基纤维素HEC四 、羧甲基淀粉CMS五 、羟丙基淀粉HPS六 、抗温淀粉DFD140七 、黄原胶XC八 、羟丙基瓜尔胶HPC第十二章 降粘降失水剂一 、铁铬木质素磺酸盐FCLS二 、磺化单宁SMT三 、磺化栲胶SMK四 、磺
4、化沥青粉SAS五 、磺化褐煤树脂SPNH六 、磺化酚醛树脂SMP七 、磺化褐煤SMC八 、腐植酸钾KHm九 、阳离子褐煤PMC十 、无荧光润滑防塌剂十一 、水解聚丙烯腈胺盐NH4PAN十二 、水解聚丙烯腈钠盐Na-PAN第十三章 复合材料一 、广谱护壁剂二 、高粘防塌剂三 、三磺聚合物钻井液完井液化学是研究钻井液及完井液的配制、组成、性能、维护以及相关化学反应的学科，涉及到粘土矿物学、表面化学、高分子材料、石油工程等相关学科，它是一门涉及多个领域的边缘科学、实验科学、工程科学。钻井液是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称为钻井泥浆，或简称泥浆。钻井液的循
5、环是通过泥浆泵来完成的。从泥浆泵排出的高压钻井液通过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻挺到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑，然后再沿着钻杆与井壁(或套管)形成的环形空间向上流动，在达到地面后经排出管线流入泥浆池，经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环使用。钻井液的种类很多，分类也很复杂，通常把钻井液分为水基泥浆和油基泥浆两大类。水基泥浆是由膨润土、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多分散体系；油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体颗粒(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等形成的乳状液体系。钻井液
6、工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。随着钻井难度的逐渐增大，该项技术在确保安全、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用。钻井液最基本的功能有以下几点：(1)携带和悬浮岩屑。 钻井液首要和最基本的功能，就是通过其本身的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻井。在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液中的固相颗粒不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。(2)稳定井壁和平衡地层压力。井壁稳定、井眼规则是实现安全、优质、快速钻井的基本条件。性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄
7、而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。与此同时，在钻井过程中需要不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下负责情况的发生。(3)冷却和润滑钻头、钻具。在钻井过程中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过钻井液不断的循环作用，将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到冷却钻头、钻具，延长其使用寿命。由于钻井液的存在，使钻头和钻具均在液体中旋转，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。(4)传递水动力。钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了
8、钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用这一原理，使钻井液所形成的高压射流对井底产生强大的冲击力，从而显著提高了钻速。使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。为了防止和尽可能减少对油气层的损害，现代钻井技术还要求钻井液必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求；为了满足地质上的要求，所使用的钻井液必须有利于地层测试，不影响对地层的评价；此外，钻井液还应该对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。第一章 粘土胶体化学基础粘土作为最基本的配浆材料，其晶体结构和性质对钻井液的性能有十分重要影响；地层中含有大量粘
9、土，井壁稳定、油气层保护均与地层中的粘土矿物类型和特性密切相关。粘土主要由细粒状的具有晶体结构的粘土矿物组成的颗粒聚集体。化学分析表明，粘土中主要含氧化硅、氧化铝、水、少量铁、钾、钠、钙、镁、铝。粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。矿物组成上看，粘土中含有三类矿物：(1)粘土矿物：具有晶体结构，颗粒细，决定粘土的性质。如蒙脱石、高昂岭石；(2)胶体矿物：具有非晶体结构，如蛋白质、氢氧化铝(铁)，含量少；(3)非粘土矿物：如长石、云母、石英，具有晶体结构、颗粒粗。1.粘土矿物的基本构造单元1.1.硅氧四面体及四面体片四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心(见图1-1)。由多个硅氧
10、四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四面体片有如下特点： (1)共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下两层氧原子均形成六角环(空心)；(2)在a、b两方向上无限延续。.2铝氧八面体和八面体片 铝氧八面体：由一个铝和六个氧或氢氧原子团组成，铝位于正八面体中心，氧或氢氧原子团位于六个顶角。(见图1-2)。由多个铝氧八面体在a、b两方向上有序排列组成八面体片。八面体片特点：(1)在a、b二维方向上无限延伸；(2)共有三个层面，铝原子层位于中间；上下两个层面组成六角形(实心)。图1-1 硅氧四面体图1-2 铝氧八面体1.3层状粘土矿物及分类四面体片和八面体片对称性相似(都是六角对称的)，六
11、角环大小相等，他们可以共用顶角氧原子而连接起来，组成层状粘土矿物的晶层，晶层在C轴方向上的有序排列就构成层状粘土矿物。根据四面体片和八面体片的数量可把层状粘土矿物分为：(1)1:1型：一片四面体片和一片八面体片通过共用顶角氧形成晶层，如高岭石。(2)2:1型：两片四面体片和一片八面体片形成晶层，如叶腊石、蒙脱石。(3)2:1:1型：2:1型晶层再结合一片水镁石片(三八面体)形成晶层，如绿泥石。高岭石是1:1型的层状粘土矿物，其晶体构造见图1-3。晶层面一层是氧，另一层是氢氧原子团。所谓晶层是指在轴方向上能重复再现的最小单位，而把晶层内重复再现的最小单位成为单位晶胞，图1-3 就是高岭石的单位晶
12、胞示意图，其面积为2。 图1-3高岭石晶体结构示意图C轴间距：晶层中某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离，单位为。高岭石的片状结构中，一面为OH，另一面为O，晶层之间能形成氢键，故晶层间联接力有氢键力和范德华力，晶层间联接力强，水分子不能进入晶层间。从高岭石的单位晶胞来看，高岭石是电中性。1.3叶腊石、蒙脱石、伊利石.1叶腊石 叶腊石是2:1型层状粘土矿物，单位晶胞见图1-4。叶腊石是2:1型层状粘土矿物的原状矿物，是电中性的。其中的八面体片为二八面体片，若换成三八面体片，则变为滑石的结构。叶腊石晶层的上下两个晶面全是氧原子，晶层间联接力仅有范氏引力，晶层间联接力弱，水分子能进入晶层之间。图1
13、-4 叶蜡石的晶体结构.2蒙脱石、伊利石(1)共同点蒙脱石、伊利石都是2:1型层状粘土矿物。晶层中均存在晶格取代。晶格取代：占据晶格点阵位置的原子或离子被其他原子或离子取代而晶格点阵保持不变的现象。例：八面体中部分Al3+被Mg2+取代，四面体中部分Si4+被Al3+取代。(2)区别晶格取代的位置及程度不同。 蒙脱石晶格取代主要发生于八面体片中，Al3+被Mg2+取代；伊利石晶格取代主要发生于四面体片中，Sl4+被Al3+取代；伊利石晶格取代程度较蒙脱石强，多倍。补偿阳离子不同。由于晶格取代的存在，使晶层表面带负电，为维持电中性，在晶层表面吸附有阳离子，这些阳离子称为补偿阳离子。蒙脱石的补偿阳
14、离子大多是Na+、Ca2+，有时是K+、Li+；伊利石的补偿阳离子全是K+。晶层间联接力不同蒙脱石晶层间联接力是范氏引力，很弱，水分子易进入晶层之间；而伊利石晶层间联接力是范氏引力和K+嵌力。K+嵌力是这样形成的：未水化K+尺寸与六角环直径相近，嵌入两个相邻晶层的六角形之间，把两晶层联接起来。K+的嵌入是在其形成过程中完成的。即使是钾蒙脱石，晶层间联接力也较伊利石弱得多。其原因是K蒙脱石中K已水化，其直径远大于六角环尺寸，无此K嵌力。表1-1三种常见粘土矿物的主要特点粘土矿物化学组成结晶型C-间距晶层间引力膨胀量/%高岭石Al2Si2O5OH41:17.2 强5蒙脱石(Al2Mg3)(Si4O
15、10)(OH)2nH2O2:19.621.4 弱90100伊利石(K,Na,Ca2)(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4nH2O2:110.0 较强水界面双电层.1电泳、电渗 1809年莱斯观察到水中的粘土颗粒在电场作用下向阳极运动，水向阴极运动。通常把 在电场作用下，分散相微粒向某一电极运动的现象成为电泳。把在电场作用下，液体向某一电极运动的现象成为电渗。电泳和电渗现象表明：粘土(胶粒)和水(分散介质)都带电，且电性相反。.2扩散双电层理论既然胶体粒子带电，在它周围必然分布着电荷相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，不能远离固面，另方
16、面由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的趋势，这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在胶粒周围，形成双电层。见图1-5。扩散双电层：从固体表面到过剩正电荷为0的部分，由两部分组成： 图1-5扩散双电层示意图吸附层：固体表面紧密吸附的反离子和水分子所组成的部分。扩散层：反离子和水分子吸附的力较弱。吸附层和扩散层的分界面称为滑动面。固体运动时带着吸附层一起运动。从固体表面到均匀液相的电势降称为表面电势0；从滑动面到均匀液相的电势降称为电势。从扩散双电层的物理图象出发，根据电荷的分布规律，可以导出电动方程：式中：伏； 介质粘度 ，牛顿秒/米2 ，1牛顿秒/米2=10泊=1000厘泊； u电泳
17、速度 米/秒；介电常数 ，=0r，0=8.8510-12库仑2牛顿-1米-2； E电场强度 伏/米.3粘土颗粒表面的双电层片状的粘土颗粒表面可分为晶层平表面(用F表示)和端表面(用E表示)。粘土颗粒晶层平面的双电层与粘土种类有关。对蒙脱石和伊利石而言，平表面电荷主要来源于晶格取代，负电荷集中于晶层平面，电荷的多少由晶格取代的程度决定，因此晶层平表面是负电型的恒表面电荷型双电层。高岭石来讲，由于没有晶格取代，平表面的电荷来源于表面的OH的电离和吸附定势离子，其平表面带负的恒表面电势型双电层。粘土颗粒端面的双电层与平表面明显不同。 端表面的产生是四面体片和八面体片断裂而形成，因此端表面裸露有AlO
18、和SiO结构。故可以由氧化硅和氧化铝的性质推断端表面的双电层。由胶体化学可知，氧化硅溶胶和氧化铝溶胶有如下特点：(1)氧化硅和氧化铝胶粒表面的双电层由带吸附定势离子产生，是恒表面电势型双电层；(2)氧化铝胶粒：在酸性条件下带正电，在减性条件下带负电；(3)氧化硅胶粒：一般带负电，但可吸附少量Al3+而带正电；粘土悬浮体中有少量溶解Al3+，且裸露AlO结构的机会较多，故粘土颗粒端表面是恒表面电势型双电层，其电性取决于介质pH，酸性或中性带正电，碱性下带负电。许多实验支持端面带正电的概念。实验测得高岭石等电点；粘土在酸性条件下有一定的阴离子交换容量；Thiessen发现负电性的金溶胶选择性地吸附
19、在粘土颗粒的端表面。需要指出的是，泥浆一般是碱性环境，端表面带负电；平表面的双电层占绝对优势。 .4电解质对双电层的压缩作用电泳实验表明，胶体中的电解质浓度越高，电泳速度越慢，即电位越小，这就是电解质对双电层的压缩作用。 压缩程度与反离子浓度和价数有关：反离子价数约高，压缩增强；反离子浓度越大，压缩增越利害。当电解质的浓度增大到一定值时，电势为0(电泳速度为0)，该状态称为等电点。图1-6电解质对扩散双电层的压缩作用对于因电离或吸附定势离子形成的双电层，随着电解质浓度增加，电位变小，双电层变薄，但其表面电势保持不变，这种双电层成为恒表面电势型双电层。对于因晶格取代所形成的双电层，表面电荷多少取
20、决于晶格取代的程度，与溶液中的电解质无关，随着电解质浓度增加，电位变小，双电层变薄，但其表面电荷保持不变，表面电势下降(导致电位更快的降低)，故称其为恒表面电荷型双电层，该种双电层更易被压缩。.5离子交换吸附 离子交换吸附是指一种离子被吸附的同时，从吸附剂表面顶替出等当量的带相同电荷的离子的过程。它有如下特点：同电性离子等当量交换；离子交换吸附是动态过程(可逆过程)；离子交换吸附速度较慢。除离子交换树脂具有离子交换吸附的特性外，粘土颗粒表面也具有离子交换吸附的特性。粘土晶层平表面吸附的补偿阳离子可部分或全部被水中的其它阳离子所交换。例如，钠蒙脱石表面的Na+可全部被水中的Ca2+所交换；高岭石
21、表面的H+可被水中的Na+交换下来。离子交换吸附遵守如下规则：(1)带正电的吸附剂交换吸附负离子；带负电的吸附剂交换吸附阳离子。(2)阳离子价数越高，吸附能力越强。(3)对同价阳离子：离子的水化能力越低或水化半径越小，吸附能力越强。常见阳离子在粘土上吸附能力有如下顺序：Li+Na+K+NH4+Mg2+Ca2+Ba2+Al3+Fe3+E层间联接，水分子进入晶层间，能在晶层间进行表面水化；当E水化E层间联接，水分子不进入晶层之间，不能在晶层间进行表面水化，仅在颗粒外表面进行。前人的研究表明，表面水化引起的膨胀体积约为75100%，膨胀压力在几十4000atm。膨胀压力是指保持粘土遇水不膨胀所须的外
22、压。OlpHen指出：挤出粘土表面最后两层水分子所需压力在20004000atm之间；前苏联测得：第一层水分子产生的膨胀压力约为 4850atm。(2)渗透水化引起的膨胀颗粒间的长程相互作用当粘土晶层表面吸满两层水分子后，体系中存在自由水，粘土表面吸附的补偿阳离子离开粘土表面进入水中形成扩散双电层。由于双电层的排斥作用使粘土体积进一步膨胀。由于它的作用距离较远，故又称为颗粒间的长程相互作用。渗透水化吸附的水与粘土表面的结合力较弱，故把这部分水称为弱结合水、渗透水。渗透水化引起的体积膨胀很大，可使粘土体积增大820倍，但渗透水化引起的膨胀压力较小，一般在几十范围。因此地层中的粘土一般是未渗透水化
23、的，当钻开地层形成井眼时，泥页岩与泥浆中的水接触有发生渗透水化的趋势。 (3)影响粘土水化膨胀的因素矿物本性对粘土的水化膨胀强弱起决定性的影响。蒙脱石晶层间联接力仅有范德华力(弱)，不足以抗衡粘土的水化能，因此能在蒙脱石晶层及颗粒外表面进行水化作用，蒙脱石吸水膨胀性强。对伊利石而言，水化作用不能在晶层间进行，只能在颗粒外表面进行，吸水膨胀性弱，其原因是伊利石晶层之间联接很紧。晶层之间存在K+嵌力；此外伊利石的晶格取代强，晶层表面电荷密度大，且负电荷中心更靠近K+，晶层之间静电引力很强。高岭石晶层之间的联接力是氢键和范德华引力，其联结力足以抗衡表面水化能，水化仅在高岭石颗粒外表面进行，其吸水膨胀
24、性差。补偿阳离子的类型对粘土的水化作用也有重要的影响。补偿阳离子的水化能越大，粘土水化膨胀性越强。例如，Na+水化能为97千卡/摩耳，K+水化能为77千卡/摩耳，因此钠蒙脱石的水化膨胀性强于钾蒙脱石。粘土表扩散双电层厚度不同，粘土的水化膨胀性相差很大。扩散双电层越厚，水化膨胀性越强。例如，Na+水化能97千卡/摩耳；Ca2+水化能377千卡/摩耳，钠蒙脱石C间距可达40；而钙蒙脱石C间距最大为17，钠蒙脱石的水化膨胀性强于钙蒙脱石。介质pH及含盐量对粘土的水化膨胀有明显影响。介质pH越高，粘土表面的电位越大，粘土的水化膨胀性增强；介质含盐量越大，或盐的阳离子价数越大，由于盐对粘土表面双电层的压
25、缩作用使电位降低，从而导致粘土的水化作用减弱。.3粘土的水化分散粘土的水化分散是指粘土颗粒因水化作用分散成更小颗粒的现象。粘土的水化分散与能力粘土矿物种类(水化膨胀能力)和胶结强度有关。粘土吸水膨胀越强，它的水化分散能力越强，在水中颗粒越细。粘土颗粒间胶结越强，水化分散越弱。实验表明，蒙脱石可分散到单个晶层的厚度；其水化分散很好，因此把蒙脱石含量高的粘土称为膨润土，膨润土被广泛用来配制钻井液。.4粘土的阳离子交换容量粘土晶层平表面吸附有补偿阳离子，部分补偿阳离子可被水中其它的阳离子交换下来(交换性阳离子)，可交换阳离子总量即为阳离子交换容量，一般把每100克干粘土所含可交换阳离子的总量定义为阳
26、离子交换容量，用CEC表示，单位为毫克当量/100克土。粘土的阳离子交换容量主要与粘土矿物种类有关。蒙脱石是膨胀性粘土，水能进入所有晶层之间，几乎所有补偿阳离子均可交换，CEC高达90100毫克当量/100克土；尽管伊利石补偿阳离子总量较蒙脱石多，但水不能进入晶层之间，仅颗粒外表面的阳离子是可交换的，CEC较蒙脱石低的多，一般在1040毫克当量/100克土；高岭石无晶格取代，补偿阳离子很少，CEC很低，仅 35毫克当量/100克土。此外，粘土颗粒大小和介质pH对粘土的阳离子交换容量也有一定影响。测定粘土阳离子交换容量的方法很多，其中之一是用亚甲基兰(染料)交换粘土的补偿阳离子，即称为亚甲基兰法
27、。亚甲基兰化学式为C16H18N3SCl3H2O，亚甲基兰有机阳离子在水中呈蓝色，它与粘土晶片亲合力很强，能将粘土颗粒外表面所有补偿阳离子交换下来。在吸附达饱和之前，补偿阳离子未被完全交换出来，此时溶液中不存在游离的染色离子，在滤纸上的渗透液无色；只有当粘土吸附亚甲基兰达饱和后，溶液中才有游离的亚甲基兰，此时滴在滤纸上渗透液呈蓝色，根据吸附达饱和时所耗亚甲基兰量即可计算出粘土的阳离子交换容量：测定时，由于吸附速度慢，在搅拌情况下需经12min才能保证吸附完全进行。一般，钙膨润土的CEC为70mg当量/100g土。根据这一经验(统计)值，亚甲基兰法通常用来测定泥浆中的膨润土含量。水悬浮体的稳定性
28、沉降稳定性和聚结稳定性沉降稳定性：在重力作用下分散相颗粒(粘土颗粒)是否容易下沉的性质。用沉降速度来衡量。沉降速度慢，沉降稳定性越好；沉降速度快，沉降稳定性越差；泥浆的沉降稳定性用沉降稳定计来测定。泥浆在稳定计中静置24h后，测定上下部分泥浆的密度上和下，(下-上)越小，沉降稳定性越好。一般地说，下-上时，泥浆沉降稳定性好。分散相颗粒(粘土颗粒)是否容易聚结变大(降低分散度)的性质称为聚结稳定性。聚结速度越低，聚结稳定性越好。影响沉降稳定性的因素设分散相为球形，半径R、密度，下沉速度u，分散介质密度0、粘度，分散相在介质中的重力，分散相下沉所受阻力 。下沉速度越大，阻力f越大，故粒子在介质中下
29、沉时会很快变成等速下沉。当P=f时，分散相匀速下沉，其速度(沉降速度)为u：上式称为STOCKS定律。由此式可见，影响沉降稳定性的因素有三：分散相颗粒的尺寸，分散相越粗，沉降稳定性急剧下降；分散相与分散介质的密度差，密度差越大，沉降稳定性越差；分散介质的粘度，分散介质的粘度越高，沉降稳定性越好。需要指出，在泥浆、水泥浆中STOCKES定律不能定量使用，但能定性分析，原因是体系中粒子之间能形成结构，而推导公式时曾假设粒子之间无相互作用；STOCKES定律仅适用于球形粒子，对非球形粒子，可采用等效半径；一般地，悬浮体的沉降稳定性差，胶体体系的沉降稳定性好。影响聚结稳定性的因素在粘土-水分散体系中，
30、粘土颗粒的分散与聚结相互转化。聚结稳定性主要取决于粘土颗粒相互接近时吸力和斥力的相对大小。如果吸力大于斥力，则发生聚集；如果斥力大于吸力，则保持稳定，这就是DLVO理论的基本观点。(1)阻碍胶粒聚结的因素：双电层排斥力如前所述，粘土颗粒周围存在扩散双电层，当粘土颗粒相互接近时，随着颗粒一起运动的仅是吸附层中的反离子，这样，粘土粒子呈负电(具有电位)，电位越大，颗粒之间的斥力越大，越难以聚结合并。双电层排斥能大小可表示为： 式中：-1双电层厚度；d颗粒间距离双电层排斥力与介质中的电解质浓度有关，电解质浓度增加，VR变小。此外，在粘土颗粒表面吸附有水化膜，这种水化膜具有很高的粘度和弹性，能构成阻碍
31、胶粒聚结的机械阻力。(2)引起粘粒聚结的因素：范德华引力无论是粘土-水溶胶或是其它胶体，它们的颗粒会聚结合并，这一事实说明，颗粒之间存在着在数量上足以和双电层排斥力相抗衡的吸力，这就是范德华引力。分子间的范德华引力很小，其吸引力与距离的六次方成反比，随分子间的距离增大而急剧降低，作用范围很小(一般是几个)。但范德华引力具有加和性，粘粒间的范德华引力是许多分子间引力的总和，其大小与颗粒间距离的三次方成反比，作用的范围较大，吸引能与距离的二次方成反比： 式中：A为常数(与电解质无关)。粘粒间的范德华引力有如下特点：VA与d的平方成反比，且与介质中的电解质浓度无关。(3)净势能曲线以颗粒间的排斥能(
32、为VR)正，吸引能(VA)为负，净势能(V)定义为： V=VR-VA典型的净势能曲线见图1-7。图1-7净势能曲线其中虚线表示溶剂化层的阻碍和Bonn斥力(粘土晶格突出点的阻碍)；在低电解质浓度下，能峰高，聚结状态不容易达到，胶体稳定性好；在中等电解质浓度，能峰较低，聚结稳定性较差；而在高电解质浓度，无能峰，吸引力占绝对优势，聚结稳定性很差。(4)电解质对粘土悬浮体的聚结作用随着介质中电解质浓度增大，粘土表面的电位和双电层厚度均降低，VR下降，斥能峰降低，稳定性变差，甚至产生沉淀。我们把溶胶开始明显聚沉所需电解质的最低浓度称为聚结值(聚沉值)，用rC表示，而把溶胶开始明显聚沉时的电位临界电位。
33、rC越小，电解质的聚结能力越强，或者说溶胶的聚结稳定性越差。根据大量的实验研究总结出如下聚结规律：叔采-哈迪规则：对溶胶起聚结作用的是反离子；反离子价数越高，聚结能力越强；rC与反离子价数的六此方成反比：rC+:rC2+:rC3+=1:(1/2)6:(1/3)6=100:1.6:0.13 (理论值)同价反离子的聚结能力也有差异，水化越强，聚结能力越弱(感胶离子序)： Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ Sr2+ Ca2+ Mg2+(5)粘土颗粒的联结方式图1-8粘土颗粒的联结方式当粘土颗粒发生聚结时，由于其具有片状结构，存在平表面和蔼端表面，同一泥浆体系中可能同时存在三种联结方式(上左图)，
34、只是各种联结的强度和多少不同程度。右图是泥浆中多个粘土颗粒联结的情况，该结构通常被称为粘土颗粒之间的卡片房子结构。凝胶是指分散相粒子相互联结(形成空间网架结构)，分散介质充填于网架结构的空隙中形成的体系。如豆腐、钻井液。凝胶具有如下特点：分散相和分散介质均处于连续状态；体系具有一定屈服强度，具有半固体的性质。形成凝胶的条件是分散相颗粒浓度足够大，所需浓度与颗粒形状有关。对球形粒子，颗粒浓度为5.6%(体积)时就能够形成凝胶；颗粒形状不规则，所需浓度越小。对粘土悬浮体，由于其形状极不规则，形成凝胶所须粘土浓度为12%(体积)。因此，钻井液具有凝胶的某些特性，如具有屈服值和静切力。影响粘土凝胶强度
35、的因素：(1)单位体积中双T链环的数目：与粘土含量及其分散度有关。粘土含量越多或者及其分散度越高，粘土凝胶强度越大；(2)单个链环的强度：它取决于边面联接和边边联结的强度，吸力胜过斥力越多，联接越强；粘土悬浮体中电解质浓度越高，吸力胜过斥力越多。第一章 钻井液的性能钻井液的常规性能包括密度、流变性(马氏漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力等)、滤失特性(API滤失量、HTHP滤失量、泥饼质量)、pH值和碱度及润滑性能等。本节主要介绍钻井液密度、滤失性、流变性和酸碱度及润滑性能的概念和一般的调整方法。.1对钻井液密度的要求钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量，其单位常用kg/m3(或g/cm3 )
36、表示。钻井液密度主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力，确保安全钻井。同时亦用来平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。钻井液密度必须满足地质和工程的要求。如果密度过高，会引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题，而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，有时还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降等。调整钻井液密度的方法加入各种加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。在加重之前，应调整好钻井液的各种性能，特别是要严格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前钻井液的固相含量应越低，粘度、切力亦应越低。此外，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法，如Na
37、Cl可将钻井液密度提高到/cm3左右。降低钻井液密度的方法有以下几种：(1)用机械和化学絮凝的方法清除固相，降低钻井液的固相含量；(2)加水稀释，但有时会增加处理剂的用量和费用；(3)混油，但会使钻井液成本增加，且影响地质录井；(4)钻低压油层时可选用充气钻井液等。钻井液的常用加重材料有以下几种：(1)重晶石粉。这是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石，经过加工后而制成的灰白色粉末状产品。密度约为3，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重材料。(2)石灰石粉。其主要成分为CaCO3，密度为3。易与盐酸等无机酸发生反应，生成CO2、H2O和可溶性盐，因而适用于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用
38、，以减轻钻井液对产层的损害。 (3)钛铁矿粉和铁矿粉。前者的主要成分为TiO2Fe3O4，密度4.5/cm3；后者的主要成分为Fe2O3，密度4.9/cm3。均为棕红或黑褐色粉末。因其密度大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液。且由于它们均具有酸溶性，因此可应用于需进行酸化的产层。(4)方铅矿粉。这是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达/cm3，可用于配制密度大于/cm3的超高密度钻井液。由于该加重材料的成本高，货源少，一般只限于在地层孔隙压力极高的特殊井中使用。钻井液流动和变形的特性称为其流变性，其中流动性是主要的。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下
39、列钻井问题时起着十分重要的作用：(1)携带岩屑，保证井底和井眼的清洁。(2)悬浮岩屑和重晶石。(3)合理地确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥钻头水马力的作用，提高机械钻速。(4)减轻钻井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止井漏和井塌等事故的发生。(5)有效地发挥固控设备的效能。(6)防止气侵。因此，钻井液流变性与安全、快速钻井密切相关，对钻井液的流变参数进行有效的控制、优选和调整已成为当今钻井液工艺技术的重要组成部分。常用的钻井液流变模式长期以来，宾汉(Bingham)模式和幂律模式一直作为最常用的两种钻井液流变模式而被广泛应用。宾汉模式用于描述塑性流体的流变性，其数学表达式为：式中：两
40、个流变参数塑性粘度p和动切力(或称屈服值)0分别由以下两式确定： 600300 (mPas) 0=0.51(300-) (Pa) 600、300分别为当旋转粘度计转速为600和300rpm时，刻度盘读数。幂律模式用于描述假塑性流体的流变性，其数学表达式为：式中：两个流变参数流性指数n和稠度系数K的计算式如下： (mPasn ) 近年来，卡森(Casson)模式也越来越广泛地用来描述钻井液的流变性。卡森模式的数学表达式为：式中：c卡森动切力(或称卡森屈服值)，Pa；极限高剪速率下的粘度,mPas将上式中每一项分别除以，可得卡森模式的另一形式：式中：为某一剪切速率下的有效粘度。卡森方程中两个流变参
41、数的物理意义是：c表示钻井液内可供拆散的结构强度，该值一般低于宾汉动切力，而与初始静切力较接近；表示体系的内摩擦作用强度，常用以近似表示钻井液在钻头水眼处紊流状态下的流动阻力，俗称极限高剪粘度或水眼粘度。c和同样使用范氏旋转粘度计测得，测量时的转速一般选用600和100rpm(分别相当于剪切速率1022和-1)。其计算式如下：卡森模式的另一特性参数是剪切稀释指数Im，它反映钻井液剪切稀释性能的强弱，可用下式求得：除以上流变参数外，表征钻井液流变性的其它参数还有漏斗粘度(s)、表观粘度(mPs)、静切力(Pa)以及动塑比(动切力与塑性粘度的比值Pa/mPas)等。表观粘度是剪切应力与剪切速率的比
42、值，它的一般计算式为：式中：为表观粘度；N是转速，rpm；N表示转速为N时的粘度计读数。在不同剪切速率下， 有不同的数值。一般，剪切速率增加，泥浆中的结构被拆散越多，钻井液的表观粘度下降，这种性质称为剪切稀释特性。但通常所指的，是当N=600rpm时的测得值，即：静切力(又称切力或凝胶强度)，是使钻井液开始流动所需的最低切应力一般用s表示。测量s时，先将钻井液充分搅拌(600rpm下搅拌1min)，然后分别测量静置10s后和10min后在3 rpm下粘度计的读数。前者称为初切，后者称为终切。测定初切和终切的目的是用两者的差值表示钻井液触变性的大小。触变性是指泥浆搅拌后变稀，静止后泥浆又变稠的性
43、质。图1-9总结了钻井液的s随时间变化的4种典型情况，曲线3的触变性(s)是我们所期望的，这类钻井液具有初切较低、终切适中的特征，按经验规律，能够悬浮重晶石的最低初始静切力为1.44Pa。图1-9 钻井液触变性曲线对钻井液流变性的一般要求 钻井液良好的流变性能是通过对流变参数的控制和调整来实现的。在一定条件下，各流变参数的数值必须维持在适宜范围，否则就会引起一系列不良的后果。一般来讲，当钻井液粘度、切力过高时，不仅流动阻力增加，使钻速受到影响，而且还容易出现泥包钻头、脱气困难、压力激动大以及固控设备难以充分发挥其效能等问题。但粘度、切力过低，又容易因井眼净化不良和对井壁的冲刷加剧而导致卡钻、井塌等复杂情况的发生。对于非加重钻井液，的适宜范围为512mPas，一般应保持在范围内。静