鉆井液習題參考答案

1、.一、概念1.粘土晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽離子被另外陽離子所置換，而晶體結構保持不變的現(xiàn)象。2.鉆井液剪切稀釋性：鉆井液中塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀釋性。3.堿度：指溶液或懸浮液對酸的中和能力。API選用酚酞和甲基橙兩種指示劑來評價鉆井液及其濾液堿性的強弱。4.聚結穩(wěn)定性：分散相粒子是否容易自動聚結變大的性質(zhì)。5. 粘土水化作用：粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。6. 流變模式：鉆井液流變性的核心問題是研究各種鉆井液的剪切應力與剪切速率之間的關系。用數(shù)學關系式表示稱為流變方程，又稱為流變模式。8.粘土陽離子交換容量：是指在分散介質(zhì)pH

2、=7時，粘土所能交換下來的陽離子總量，包括交換性鹽基和交換性氫。陽離子交換容量以100克粘土所能交換下來的陽離子毫摩爾數(shù)來表示符號為CEC。9.造漿率：一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為15mPa.s鉆井液的體積數(shù)，m3/T。10.頁巖抑制劑：凡是能有效地抑制頁巖水化膨脹和分散，主要起穩(wěn)定井壁作用的處理劑均可稱做頁巖抑制劑，又稱防塌劑。11剪切稀釋性：塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀釋性。12動切力：塑性流體流變曲線中的直線段延長線與切應力軸的交點為動切力，又叫屈服值。13靜切力：使流體開始流動的最低剪切應力稱為靜切力。14流變性：是指在外力作用下，物質(zhì)

3、發(fā)生流動和變形的特征；對于鉆井液而言，其流動性是主要的方面。15濾失造壁性：在壓力差作用下，鉆井液中的自由水向井壁巖石的裂隙或孔隙中滲透，稱為鉆井液的濾失作用。在濾失過程中，隨著鉆井液中的自由水進入巖層，鉆井液中的固相顆粒便附著在井壁上形成泥餅(細小顆粒也可能滲入巖層至一定深度)，這便是鉆井液的造壁性。16粘土高溫分散作用：在高溫作用下，鉆井液中的粘土顆粒分散程度增加，顆粒濃度增加、比表面增大的現(xiàn)象。17鉆井液高溫增稠作用：高溫分散作用使鉆井液中粘土顆粒濃度增加，鉆井液的粘度和切力也均比相同溫度下理想懸浮體的對應值高的現(xiàn)象，稱為高溫增稠作用。18鉆井液高溫膠凝作用：高溫分散引起的鉆井液高溫增稠

4、與鉆井液中粘土含量密切相關。當粘土含量大到某一數(shù)值時，鉆井液在高溫下會喪失流動性形成凝膠，這種現(xiàn)象被稱為高溫膠凝作用。二、簡答題1、粘土礦物有哪些基本構造單元？答：硅氧四面體與硅氧四面體晶片鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片晶片的結合2、粘土礦物的構造單元構成哪些粘土礦物的構造單元片？答：硅氧四面體晶片。鋁氧二八面體晶片。鎂氧三八面體晶片。3、粘土礦物的構造單元片結合成哪些粘土礦物的基本結構層？答：四面體晶片與八面體晶片以適當?shù)姆绞浇Y合，可以構成晶層。（1）1：1型晶層：由一個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體晶片構成。（2）2：1型晶層：由兩個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體晶片構成。4、粘土礦物中主要包

5、含哪些礦物？答：主要包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、海泡石族、混合晶層粘土礦物。5、什么是晶格取代？答：在晶體結構中，某些原子被其它化學價不同的原子取代而晶體骨架保持不變的現(xiàn)象。6、說明下列粘土礦物的基本結構層和晶格取代情況：（1）高嶺石；基本結構層是由一片硅氧片和一片鋁氧片組成，為1：1型粘土礦物，幾乎無晶格取代現(xiàn)象。（2）蒙脫石；基本結構層由兩片硅氧四面體晶片和夾在它們中間的一片鋁氧八面體晶片組成，為2：1型粘土礦物。存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面體中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負電荷由等量的Na+或Ca2+來平衡。（3）伊利石；伊利石與蒙脫石同屬

6、21型晶格。存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面體中，鋁原子取代四面體的硅，且取代數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負電荷由等量的K+來平衡。（4）綠泥石：基本結構是由一層類似伊利石2:1層型的結構片與一層水鎂石Mg3(OH)6晶片交替組成的。存在晶格取代，水鎂石片是八面體片，片中有一些Mg2+被Al3+取代而帶正電荷，這些電荷與三層型晶片中的負電荷平衡（硅氧四面體中的部分硅被鋁取代產(chǎn)生負電荷），因而整個網(wǎng)絡的電荷很低。7、為什么蒙脫石屬膨脹型粘土礦物？答蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進入晶層。蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負電荷，在它周圍必然會吸附等電量

7、的陽離子，水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。8、為什么高嶺石、伊利石和綠泥石屬非膨脹型粘土礦物？答：(1)由于高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為O層，而OH鍵具有極強的極性，晶層與晶層容易形成氫鍵。因而，晶層之間連接緊密，故高嶺石的分散度低且性能比較穩(wěn)定，幾乎無晶格取代現(xiàn)象，因此高嶺石陽離子交換容量小，水分不易進入晶層中間，為非膨脹型粘土礦物；（2）由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強的靜電力，層間引力比氫鍵強，水分子不易進入晶層。另外，K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周圍有12個氧與它配伍

8、，因此，K+連接通常非常牢固，是不能交換的，故水分子不易進入晶層，為非膨脹型粘土礦物；(3)綠泥石晶層間存在氫鍵，加上水鎂石對晶層的靜電引力，使綠泥石的晶層結合緊密，水不易進入其中。因此綠泥石也屬于非膨脹型黏土礦物。9、什么叫陽離子交換容量？陽離子交換容量與晶格取代數(shù)量由什么關系？答：粘土的陽離子交換容量是指在分散介質(zhì)的pH值為7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量，包括交換性鹽基和交換性氫。陽離子交換容量以100克粘土所能交換下來的陽離子毫摩爾數(shù)來表示符號為CEC；晶格取代數(shù)量愈多的粘土礦物，其陽離子交換容量也愈大。10、粘土礦物表面的帶電性有哪些來源？答：粘土晶體因為環(huán)境的不同或環(huán)境的變

9、化，可能帶有不同的電性，或者說帶有不同的電荷，可分為永久負電荷、可變負電荷、正電荷三種，它們產(chǎn)生的原因如下：（1）永久負電荷：主要由晶格取代作用造成。由于晶格取代是低價陽離子取代了高價陽離子，產(chǎn)生了過剩的負電荷，因此，一般情況下粘土帶負電。粘土的硅氧四面體中四價的硅被三價的鋁取代，或者鋁氧八面體中三價的鋁被二價的鎂、鐵等取代，粘土就產(chǎn)生了過剩的負電荷。這種負電荷的數(shù)員取決于晶格取代作用的多少，而不受pH值的影響。A、蒙脫石的永久負電荷主要來源于鋁氧八面體中的一部分鋁離子被鎂、鐵等二價離子所取代、僅有少部分水久負電荷是由于硅氧四面體中的硅被鋁取代所造成的，一般不超過15。B、伊利石和蒙脫石不同，

10、它的永久負電荷主要來源于硅氧四面體晶片中的硅被鋁取代，大約有15的硅被鋁取代，每個晶胞中約有0.6-1.0個永久負電荷。C、高嶺石的晶格取代很微弱，由此而產(chǎn)生的永久負電荷少到難以用化學分析法來證明。（2）可變負電荷：粘土所帶電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的PH值改變而改變，這種電荷叫做可變負電荷。（3）正電荷：當粘土介質(zhì)的PH值低于9時，粘土晶體端面上帶正電荷。對于粘土端面上帶正電荷的原因多數(shù)人認為是出于裸露在邊緣上的鋁氧八面體在酸性條件下從介質(zhì)中解離出OH-。綜述，粘土的正電荷與負電荷的代數(shù)和即為粘土晶體的凈電荷數(shù)。由于粘土的負電荷一般多于正電荷，因此粘土一般都帶負電荷。11、粘土礦物表面的吸附有哪些類型

11、？答：物理吸附：無選擇性，吸附熱較小，易脫附；化學吸附：有選擇性，吸附熱較大，不易脫附。12、什么叫鉆井液？答：保證鉆井工作能安全順利進行的所有入井流體統(tǒng)稱。13、鉆井液有哪些功能？答:（1）清洗井底，攜帶鉆屑。（2）懸浮鉆屑和加重劑。（3）控制地層壓力。（4）傳遞水力功率。（5）穩(wěn)定井壁。（6）冷卻、潤滑鉆頭及鉆柱。(7)承受鉆柱和套管的部分重量。(8)提供所鉆地層的大量資料。(9)保護油氣層。14、鉆井液由什么組成？答：鉆井液主要由分散介質(zhì)、分散相和處理劑三大部分組成。15、若按用途，鉆井液處理劑分幾類？寫出它們的名稱。答：分16類，分別為(1)降濾失劑；(2)增粘劑；(3)乳化劑；(4)

12、頁巖抑制劑；(5)堵漏劑；(6)降粘劑；(7)緩蝕劑；(8)粘土類；(9)潤滑劑；(10)加重劑；(11)殺菌劑；(12)消泡劑；(13)泡沫劑；(14)絮凝劑；(15)解卡劑；(16)其它類等。16、提高鉆井液密度的材料分幾類？它們是通過什么機理提高鉆井液密度的？答：分四類。重晶石粉：是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石，經(jīng)過加工后制成灰白色粉末狀產(chǎn)品。純品比重為4.3-4.6，現(xiàn)場使用一般為3.9-4.2。一般用于加重密度不超過2.30g/cm3的水基和油基鉆井液，它是目前應用最廣泛的一種鉆井液加重劑。石灰石粉：主要成分為CaCO3，純品為白色，含雜質(zhì)時呈灰色或淺黃色，常溫比重為2.2-

13、2.9，溶于酸。一般不會堵死油氣層，即可采用油井酸化可以清除堵塞。鐵礦粉和鈦鐵礦粉：前者的主要成分為Fe2O3，密度4.9-5.3；后者的主要成分為TiO2 Fe2O3，密度4.5-5.1。優(yōu)點是由于這兩種加重材料的硬度約為重晶石的兩倍，且耐研磨，在使用中顆粒尺寸保持較好，損耗率較低；易酸溶。方鉛礦粉：方鉛礦為鉛灰色有金屬光澤的顆?；驂K狀，常溫比重為7.5-7.6，硬度為2-3，容易加工成細粉末。不溶于水和堿，但能溶于酸，是酸溶性加重劑。由于比重較高，特備適用于配制超重鉆井液，密度達3.0g/cm3。由于該加重劑的成本高、貨源少、一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。17、為什么鉆井液

14、的pH 值控制在弱堿性（810）范圍？答：這主要是由于有以下幾方面的原因：可減輕對鉆具的腐蝕；可預防因氫脆而引起的鉆具和套管的損壞；可抑制鉆井液中鈣、鎂鹽的溶解；有相當多的處理劑需在堿性介質(zhì)中才能充分發(fā)揮其效能，如丹寧類、褐煤類和木質(zhì)素磺酸鹽類處理劑等。18、有哪些因素影響鉆井液濾失量？答：（1）影響鉆井液靜濾失量的因素有濾失時間壓差濾液的粘度、溫度固相含量和類型巖層的滲透性泥餅的壓實性和滲透性絮凝與聚集（2）影響鉆井液動濾失量的因素與靜濾失相似，不同之處是動濾失還有鉆井液流動性的影響，表現(xiàn)為剪切速率和鉆井液流態(tài)對動濾失的影響。（3）影響瞬時濾失的因素主要有壓差，巖層的滲透性，濾液的粘度，鉆井

15、液中固相顆粒的含量、尺寸和分布，水化程度以及鉆井液在地層孔隙入口處能否迅速形成“橋點”。19、什么叫鉆井液濾失劑？它分幾類？它們是通過什么機理起降濾失作用的？20、什么叫鉆井液流變性調(diào)整劑？它分幾類？它們是通過什么機理起調(diào)整鉆井液流變性作用的？21、什么叫鉆井液絮凝劑？它分幾類？它們是通過什么機理起絮凝作用的？答：1.定義：使鉆井液固相顆粒聚結變大的化學劑。2.分類：大類分無機絮凝劑，有機絮凝劑兩大類。有機絮凝劑，按官能團類型：非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性離子型;常見有機絮凝劑有聚丙酰胺（PAM）、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、丙烯酰胺和丙烯酸鈉共聚物（80A51）、陽離子型聚丙烯酰胺（

16、CPAM）。按絮凝粘土顆粒種類：完全絮凝劑和選擇性絮凝劑。3.作用機理：a.無機絮凝劑主要是一些無機鹽，如氯化鈉、氯化鈣等。作用機理：通過離子交換吸附壓縮雙電層，降低粘土顆粒表面電動電位，水化膜變薄，使粘土顆粒產(chǎn)生絮凝。 b.有機絮凝劑主要高分子聚合物（分子量300萬）。非離子型和陰離子型絮凝劑主要是通過吸附、橋接、蜷曲、下沉機理；陽離子絮凝劑除了搭橋機理以外，還具有電性中和，具有更快更高的絮凝效率。22、什么叫頁巖抑制劑？它分幾類？它們是通過什么機理起抑制頁巖作用的？答：A:凡是能有效地抑制頁巖水化膨脹和分散，主要起穩(wěn)定井壁作用的處理劑均可稱做頁巖抑制劑，又稱防塌劑； B:（1）瀝青類（氧化

17、瀝青、磺化瀝青、天然瀝青和改性瀝青） （2）鉀鹽腐植酸類（腐植酸鉀、硝基腐植酸鉀、K21） C：機理（1）氧化瀝青：防塌機理主要是一種物理作用。它在一定的溫度和壓力下軟化變形，從而封堵裂隙，并在井壁上形成一層致密的保護膜。在軟化點以內(nèi)，隨溫度升高，氧化瀝青的降濾失能力和封堵裂隙能力增加，穩(wěn)定井壁的效果增強。但超過軟化點后，穩(wěn)定井壁的效果變差。（2）磺化瀝青：防塌機理是磺化瀝青含有磺酸基，水化作用強，當吸附在頁巖晶層斷面上時，可阻止頁巖顆粒水化分散；不溶于水的部分又能起到填充孔喉和裂縫的封堵作用，并覆蓋在頁巖表面，改善泥餅質(zhì)量。隨著溫度的升高，磺化瀝青的封堵能力會有所下降?；腔癁r青還在鉆井液中起

18、潤滑和降低高溫高壓濾失量作用，是種多功能的有機處理劑。（3）天然瀝青和改性瀝青：瀝青粉的主要作用機理是：在鉆遇頁巖之前，往鉆井液中加入該種物質(zhì)，當鉆遇頁巖地層時，若瀝青的軟化點與地層溫度相匹配，在井簡內(nèi)正壓差作用下，瀝青產(chǎn)品會發(fā)生塑性流動，擠入頁巖孔隙、裂縫和層面，封堵地層層理與裂隙，提高對裂縫的粘結力，在井壁處形成具有護壁作用的內(nèi)、外泥餅。其中外泥餅與地層之間有一層致密的保護膜，使外泥餅難以被沖則掉，從而可阻止水進入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用。（4）腐植酸鉀：腐植酸鉀(KHm)是以褐煤為原料，用KOH提取而制得的產(chǎn)品。主要用做淡水鉆井液的頁巖抑制劑，并兼有降粘和降濾失作用?？箿啬芰?80，一

19、般加量為13。（5）硝基腐植酸鉀是用HNO3對褐煤進行處理后，再用KOH中和提取而制得的產(chǎn)品。外觀為黑褐色粉末，易溶于水，水溶液的pH值為810。其性能與腐植酸鉀相似。（6）防塌劑K21是硝基腐植酸鉀、特種樹脂、三羥乙基酚和磺化石蠟等的復配產(chǎn)品。是一種常用的頁巖抑制劑，具有較強的抑制頁巖水化的作用，并能降粘和降低濾失量，抗溫可達180。它與磺化酚醛樹脂的縮合物是一種無熒光防塌劑。23、什么叫鉆井液體系？鉆井液體系分幾類？答：國內(nèi)外對鉆井液分類有各種不同的分類方法，其中，各種各樣的鉆井液類型組成的一個龐大的體系稱為鉆井液體系；根據(jù)流體介質(zhì)的不同，總體上分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體鉆井液以及合

20、成基鉆井液。由于水基鉆井液在實際應用中一直占據(jù)著主導地位，根據(jù)體系在組成上的不同可分為若干種類型。在參考國外鉆井液分類標準的基礎上，在國內(nèi)得到認可的鉆井液分類方法如下：分散鉆井液鈣處理鉆井液鹽水鉆井液飽和鹽水鉆井液聚合物鉆井液鉀基聚合物鉆井液油基鉆井液合成基鉆井液氣體型鉆井流體保護油氣層的鉆井液（24、什么叫水基鉆井液？它分幾類？如何配成？性能上有哪些特點？適合于鉆哪些地層？答：（1）概念：水基鉆井液是由膨潤土、水、各種處理劑、加重材料以及鉆屑所組成的多相分散體系。（2）分為六類：分散鉆井液、鈣處理鉆井液、鹽水鉆井液、聚合物鉆井液、正電膠鉆井液、抗高溫深井水基鉆井液。（3）A:分散鉆井液-配制

21、方法：膨潤土是分散鉆井液中不可缺少的配漿材料，將膨潤土逐漸分散在淡水中，有時加入適量純堿，以提高粘土的造漿率，最后加入對粘土起分散作用的處理劑。分散鉆井液的主要特點是粘土高度分散。優(yōu)點是：1,配制方法簡便、成本較低;2、形成的泥餅致密，而且韌性好，具有較好的護壁性，API濾失量和HTHP濾失量均相應較低;3、可容納較多固相，較適于配制高密度鉆井液。4、抗溫能力較強，比如三磺鉆井液是我國常用于鉆深井的分散鉆井液體系，抗溫可達160-200。B. 鈣處理鉆井液: 鈣處理鉆井液體系主要由含Ca2+的無機絮凝劑、降粘劑和降濾失劑組成。鈣處理鉆井液有較好抗鹽、鈣污染能力和對泥頁巖水化有較強抑制作用的一類

22、鉆井液。鈣處理鉆井液的優(yōu)點:(1)性能較穩(wěn)定，抗鈣、鹽和粘土污染能力強。(2)固相含量相對較少，容易在高密度條件下維持較低的粘度和切力有利于提高鉆速。(3)能在一定程度上抑制泥頁巖的水化膨脹；濾失量較小，泥餅薄且韌性好，有利于井壁穩(wěn)定。(4)鉆井液中粘土細顆粒含量較少，對油氣層的損害程度相對較小。C. 鹽水鉆井液: 鹽水鉆井液是通過人為添加無機陽離子，抑制粘土顆粒的水化膨脹和分散，在分散劑的協(xié)同作用下，形成抑制性粗分散鉆井液的。在使用鹽水鉆井液時應及時補充燒堿，維持一定的PH值。鹽水鉆井液的主要特點:(1)礦化度高，具有較強的抑制性，能有效地抑制泥頁巖水化，保持井壁穩(wěn)定;(2)抗鹽侵的能力很強

23、，能夠有效地抗鈣侵和抗高溫，適于鉆含巖鹽地層或含鹽膏地層，在深井和超深井中使用；(3)濾液性質(zhì)與地層原生水比較接近，對油氣層的損害較輕;(4)鉆出的巖屑不易在鹽水中水化分散，在地面容易清除，有利于保持較低的固相含量;(5）鹽水鉆井液能有效地抑制地層造漿，流動性好，性能較穩(wěn)定。維護工藝比較復雜，對鉆柱和設備的腐蝕性較大，鉆井液配制成本相對較高。D.聚合物鉆井液：通常是將聚合物作為主處理劑或主要用聚合物調(diào)控性能的鉆井液體系稱為聚合物鉆井液。在配制時，將聚合物與無機鹽(主要是氯化鉀)相配合，提高了聚合物鉆井液的防塌能力。聚合物鉆井液的特點(1)固相含量低，亞微米粒子所占比例低，對提高鉆井速度有利。(

24、2)具有良好的流變性，有較強的剪切稀釋性和適宜的流型。 (3)鉆井速度快。(4)穩(wěn)定井壁的能力較強，井徑比較規(guī)則。(5)對油氣層的損害小，有利于發(fā)現(xiàn)和保護產(chǎn)層。(6)可防止井漏的發(fā)生。(7)鉆井成本低。E. 正電膠鉆井液: MMH正電膠膠粒與粘土負電膠粒靜電作用形成空間連續(xù)結構，穩(wěn)定鉆井液，吸附在鉆屑和井壁上抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁，MMH正電膠鉆井液具有極強的剪切稀釋性。正電膠鉆井液特點(1)獨特的流變性。(2）較強的抑制性。(3)較低的負電性F.抗高溫深井水基鉆井液: 在深井鉆井液的特點:(1)具有抗高溫能力。要求配方設計時，必須優(yōu)選出各種能夠抗高溫處理劑。(2)在高溫條件下對粘土的水化分散

25、具有較強的抑制能力。(3)具有良好的高溫流變性。在高溫下保證鉆井液具有很好的流動性和攜帶、懸浮巖屑的能力。(4)具有很好的潤滑性。25、描述鉆井液鈣侵后性能變化規(guī)律及原因？答：（1）性能變化第一階段：粘度、切力、濾失量增加，泥餅增厚第二階段：粘度、切力減小，失水量增加，泥餅增厚（2）原因： A. 陽離子交換;B. Ca2+與Na+交換鈉土轉(zhuǎn)換為鈣土粘土電勢減小，水化膜變薄。26、描述鉆井液鹽侵后性能變化規(guī)律及原因？答：（1）性能變化A、粘度切力急劇上升;B、濾失量增加;C、粘度切力增加到一定值后急劇下降。D、PH值下降（2）原因：NaCl溶于水壓縮粘土雙電層粘土Zeta電勢降低水化膜變薄粘土絮凝，聚結。27、粘土在鉆井液中的作用？答：（1）提高體系的塑性粘度、靜切力、動切力。（2）增強鉆井液對鉆屑的懸浮和攜帶能力。（3）降低濾失量，形成致密泥餅，增強造壁性。28、兩性離子聚合物鉆井液中的降粘劑與傳統(tǒng)降粘劑有何異同？答：相同點：均可以降低鉆井液結構粘度。不同點：傳統(tǒng)降粘劑對鉆屑有一定的分散作用，難以維持低固相，而兩性離子聚合物降粘劑（XY型）,一是能增強鉆井液的抑制能力，二是能使非結構粘度有所下降。29、提高處理劑抗高溫耐污染的途徑有哪些？該題答案暫未找到，求補充！三、計算1使用重晶石將200m3密度為1.32g