常用泥漿材料使用簡明手冊

1、 中原油田常用泥漿材料簡明手冊中原油田技術監(jiān)測中心二0一一年二月目 錄 第一部分 鉆井液基礎知識第一章 粘土膠體化學基礎11.1.1粘土礦物的基本構造單元11.1.2高嶺石21.1.3葉臘石、蒙脫石、伊利石21.1.4粘土水界面雙電層61.1.5粘土的水化作用81.1.6粘土水懸浮體的穩(wěn)定性101.1.7凝膠12第二章 鉆井液的性能131.2.1鉆井液密度131.2.2鉆井液的流變性141.2.3鉆井液的濾失性171.2.4鉆井液的潤滑性能201.2.5鉆井液的PH值與堿度231.2.6鉆井液的抑制性25第三章 泥漿處理劑及其作用原理261.3.1無機處理劑261.3.2有機降粘劑281.3.

2、3有機降失水劑311.3.4增粘劑361.3.5油層保護劑361.3.6表面活性劑37第四章 常用的鉆井液體系421.4.1分散性鉆井液421.4.2無機鹽抑制性鉆井液461.4.3聚合物鉆井液體系51第五章 完井洗井液及腐蝕571.5.1鉆井液對油氣層的不良影響571.5.2鉆開油氣層的洗井液581.5.3封閉液59第六章 高溫對鉆井液性能的影響611.6.1高溫水基泥漿的主要特點621.6.2高溫對泥漿中粘土的作用651.6.3高溫對處理劑及其作用效能的影響70 第二部分 常用泥漿材料介紹第一章 膨潤土類一 、組成二 、分類三 、作用及用途四 、影響膨潤土性能的因素五 、簡單測試第二章 加

3、重材料 一、重晶石粉 二、第三章 無機鹽類一 、碳酸鈉二 、氫氧化鈉三 、氫氧化鉀KOH四 、氯化鉀KCl五 、硅酸鈉（Na2SiO3或Na2OmSiO2）六 、硅酸鉀（K2SiO3）七 、氯化鈉（NaCl）八 、氯化鈣CaCl2九 、氫氧化鈣Ca(OH)2十 、生石灰CaO十一 、石膏CaSO4十二 、重鉻酸鈉Na2CrO7.10H2O十三 、正電膠MMH第四章 發(fā)泡劑 消泡劑一 、發(fā)泡劑二 、消泡劑第五章 解卡劑一 、粉狀解卡劑AD二 、液體解卡劑CN-1第六章 水泥外加劑一 、水泥速凝劑二 、水泥緩凝劑第七章 潤滑劑一 、十二烷基磺酸鈉二 、皂化油三 、石墨四 、塑料小球五 、bk液體潤

4、滑劑第八章 殺菌劑一 、Bd殺菌劑第九章 堵漏劑一 、瞬間堵漏劑二 、高粘堵漏劑三 、膨脹堵漏王四 、單向膨脹封閉劑五 、海帶粉六 、核桃皮七 、云母片八 、石棉九 、鋸末十 、混合堵漏劑第十章 絮凝劑 包被劑一 、聚丙烯酰胺二 、聚丙烯酸鉀三 、PAC141四 、80A-51五 、FA367六 、潤滑絮凝劑第十一章 增粘降濾失劑一 、羧甲基纖維素鈉NaCMC二 、聚陰離子纖維素PAC三 、羥乙基纖維素HEC四 、羧甲基淀粉CMS五 、羥丙基淀粉HPS六 、抗溫淀粉DFD140七 、黃原膠XC八 、羥丙基瓜爾膠HPC第十二章 降粘降失水劑一 、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCLS二 、磺化單寧SMT三 、

5、磺化栲膠SMK四 、磺化瀝青粉SAS五 、磺化褐煤樹脂SPNH六 、磺化酚醛樹脂SMP七 、磺化褐煤SMC八 、腐植酸鉀KHm九 、陽離子褐煤PMC十 、無熒光潤滑防塌劑十一 、水解聚丙烯腈胺鹽NH4PAN十二 、水解聚丙烯腈鈉鹽Na-PAN第十三章 復合材料一 、廣譜護壁劑二 、高粘防塌劑三 、三磺聚合物鉆井液完井液化學是研究鉆井液及完井液的配制、組成、性能、維護以及相關化學反應的學科，涉及到粘土礦物學、表面化學、高分子材料、石油工程等相關學科，它是一門涉及多個領域的邊緣科學、實驗科學、工程科學。鉆井液是指油氣鉆井過程中以其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱。鉆井液又稱為鉆井泥漿，

6、或簡稱泥漿。鉆井液的循環(huán)是通過泥漿泵來完成的。從泥漿泵排出的高壓鉆井液通過地面高壓管匯、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆挺到鉆頭，從鉆頭噴嘴噴出，以清洗井底并攜帶巖屑，然后再沿著鉆桿與井壁(或套管)形成的環(huán)形空間向上流動，在達到地面后經(jīng)排出管線流入泥漿池，經(jīng)各種固控設備進行處理后返回上水池，最后進入泥漿泵循環(huán)使用。鉆井液的種類很多，分類也很復雜，通常把鉆井液分為水基泥漿和油基泥漿兩大類。水基泥漿是由膨潤土、水(或鹽水)、各種處理劑、加重材料以及鉆屑所組成的多分散體系；油基鉆井液是以水滴為分散相，油為連續(xù)相，并添加適量乳化劑、潤濕劑、親油的固體顆粒(有機土、氧化瀝青等)、石灰和加重材料等形

7、成的乳狀液體系。鉆井液工藝技術是油氣鉆井工程的重要組成部分。隨著鉆井難度的逐漸增大，該項技術在確保安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井中起著越來越重要的作用。鉆井液最基本的功能有以下幾點：(1)攜帶和懸浮巖屑。 鉆井液首要和最基本的功能，就是通過其本身的循環(huán)，將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶至地面，以保持井眼清潔，使起下鉆暢通無阻，并保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復切削，保持安全快速鉆井。在接單根、起下鉆或因故停止循環(huán)時，鉆井液中的固相顆粒不會很快下沉，防止沉砂卡鉆等情況的發(fā)生。(2)穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力。井壁穩(wěn)定、井眼規(guī)則是實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井的基本條件。性能良好的鉆井液應能借助于液相的濾失作

8、用，在井壁上形成一層薄而韌的泥餅，以穩(wěn)固已鉆開的地層并阻止液相侵入地層，減弱泥頁巖水化膨脹和分散的程度。與此同時，在鉆井過程中需要不斷調(diào)節(jié)鉆井液密度，使液柱壓力能夠平衡地層壓力，從而防止井塌和井噴等井下負責情況的發(fā)生。(3)冷卻和潤滑鉆頭、鉆具。在鉆井過程中鉆頭一直在高溫下旋轉并破碎巖層，產(chǎn)生很多熱量，同時鉆具也不斷地與井壁摩擦而產(chǎn)生熱量。正是通過鉆井液不斷的循環(huán)作用，將這些熱量及時吸收，然后帶到地面釋放到大氣中，從而起到冷卻鉆頭、鉆具，延長其使用壽命。由于鉆井液的存在，使鉆頭和鉆具均在液體中旋轉，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。(4)傳遞水動力。鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流

9、速沖擊井底，從而提高了鉆井速度和破巖效率。高壓噴射鉆井正是利用這一原理，使鉆井液所形成的高壓射流對井底產(chǎn)生強大的沖擊力，從而顯著提高了鉆速。使用渦輪鉆具鉆進時，鉆井液由鉆桿內(nèi)以較高流速流經(jīng)渦輪葉片，使渦輪旋轉并帶動鉆頭破碎巖石。為了防止和盡可能減少對油氣層的損害，現(xiàn)代鉆井技術還要求鉆井液必須與所鉆遇的油氣層相配伍，滿足保護油氣層的要求；為了滿足地質(zhì)上的要求，所使用的鉆井液必須有利于地層測試，不影響對地層的評價；此外，鉆井液還應該對鉆井人員及環(huán)境不發(fā)生傷害和污染，對井下工具及地面裝備不腐蝕或盡可能減輕腐蝕。第一章 粘土膠體化學基礎粘土作為最基本的配漿材料，其晶體結構和性質(zhì)對鉆井液的性能有十分重要

10、影響；地層中含有大量粘土，井壁穩(wěn)定、油氣層保護均與地層中的粘土礦物類型和特性密切相關。粘土主要由細粒狀的具有晶體結構的粘土礦物組成的顆粒聚集體。化學分析表明，粘土中主要含氧化硅、氧化鋁、水、少量鐵、鉀、鈉、鈣、鎂、鋁。粘土礦物的化學成分是含水鋁硅酸鹽。礦物組成上看，粘土中含有三類礦物：(1)粘土礦物：具有晶體結構，顆粒細，決定粘土的性質(zhì)。如蒙脫石、高昂嶺石；(2)膠體礦物：具有非晶體結構，如蛋白質(zhì)、氫氧化鋁(鐵)，含量少；(3)非粘土礦物：如長石、云母、石英，具有晶體結構、顆粒粗。1.粘土礦物的基本構造單元1.1.硅氧四面體及四面體片四面體：由一個硅原子和4個氧原子組成，硅位于正四面體中心(見

11、圖1-1)。由多個硅氧四面體在a、b兩方向上有序排列組成四面體片。四面體片有如下特點： (1)共有三個層面：兩層氧原子和一層硅原子，上下兩層氧原子均形成六角環(huán)(空心)；(2)在a、b兩方向上無限延續(xù)。1.1.1.2鋁氧八面體和八面體片 鋁氧八面體：由一個鋁和六個氧或氫氧原子團組成，鋁位于正八面體中心，氧或氫氧原子團位于六個頂角。(見圖1-2)。由多個鋁氧八面體在a、b兩方向上有序排列組成八面體片。八面體片特點：(1)在a、b二維方向上無限延伸；(2)共有三個層面，鋁原子層位于中間；上下兩個層面組成六角形(實心)。圖1-1 硅氧四面體圖1-2 鋁氧八面體1.3層狀粘土礦物及分類四面體片和八面體片

12、對稱性相似(都是六角對稱的)，六角環(huán)大小相等，他們可以共用頂角氧原子而連接起來，組成層狀粘土礦物的晶層，晶層在C軸方向上的有序排列就構成層狀粘土礦物。根據(jù)四面體片和八面體片的數(shù)量可把層狀粘土礦物分為：(1)1:1型：一片四面體片和一片八面體片通過共用頂角氧形成晶層，如高嶺石。(2)2:1型：兩片四面體片和一片八面體片形成晶層，如葉臘石、蒙脫石。(3)2:1:1型：2:1型晶層再結合一片水鎂石片(三八面體)形成晶層，如綠泥石。1.2高嶺石 高嶺石是1:1型的層狀粘土礦物，其晶體構造見圖1-3。晶層面一層是氧，另一層是氫氧原子團。所謂晶層是指在軸方向上能重復再現(xiàn)的最小單位，而把晶層內(nèi)重復再現(xiàn)的最小

13、單位成為單位晶胞，圖1-3 就是高嶺石的單位晶胞示意圖，其面積為5.15×8.9Å2。 圖1-3高嶺石晶體結構示意圖C軸間距：晶層中某一晶面與相鄰晶層的對應晶面間的距離，單位為Å。高嶺石的片狀結構中，一面為OH，另一面為O，晶層之間能形成氫鍵，故晶層間聯(lián)接力有氫鍵力和范德華力，晶層間聯(lián)接力強，水分子不能進入晶層間。從高嶺石的單位晶胞來看，高嶺石是電中性。1.3葉臘石、蒙脫石、伊利石1.1.3.1葉臘石 葉臘石是2:1型層狀粘土礦物，單位晶胞見圖1-4。葉臘石是2:1型層狀粘土礦物的原狀礦物，是電中性的。其中的八面體片為二八面體片，若換成三八面體片，則變?yōu)榛慕Y構

14、。葉臘石晶層的上下兩個晶面全是氧原子，晶層間聯(lián)接力僅有范氏引力，晶層間聯(lián)接力弱，水分子能進入晶層之間。圖1-4 葉蠟石的晶體結構1.1.3.2蒙脫石、伊利石(1)共同點蒙脫石、伊利石都是2:1型層狀粘土礦物。晶層中均存在晶格取代。晶格取代：占據(jù)晶格點陣位置的原子或離子被其他原子或離子取代而晶格點陣保持不變的現(xiàn)象。例：八面體中部分Al3+被Mg2+取代，四面體中部分Si4+被Al3+取代。(2)區(qū)別晶格取代的位置及程度不同。 蒙脫石晶格取代主要發(fā)生于八面體片中，Al3+被Mg2+取代；伊利石晶格取代主要發(fā)生于四面體片中，Sl4+被Al3+取代；伊利石晶格取代程度較蒙脫石強，多11.5倍。補償陽離

15、子不同。由于晶格取代的存在，使晶層表面帶負電，為維持電中性，在晶層表面吸附有陽離子，這些陽離子稱為補償陽離子。蒙脫石的補償陽離子大多是Na+、Ca2+，有時是K+、Li+；伊利石的補償陽離子全是K+。晶層間聯(lián)接力不同蒙脫石晶層間聯(lián)接力是范氏引力，很弱，水分子易進入晶層之間；而伊利石晶層間聯(lián)接力是范氏引力和K+嵌力。K+嵌力是這樣形成的：未水化K+尺寸與六角環(huán)直徑相近，嵌入兩個相鄰晶層的六角形之間，把兩晶層聯(lián)接起來。K+的嵌入是在其形成過程中完成的。即使是鉀蒙脫石，晶層間聯(lián)接力也較伊利石弱得多。其原因是K蒙脫石中K已水化，其直徑遠大于六角環(huán)尺寸，無此K嵌力。表1-1三種常見粘土礦物的主要特點粘土

16、礦物化學組成結晶型C-間距晶層間引力膨脹量/%高嶺石Al2Si2O5OH41:17.2 Å強<5蒙脫石(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2·nH2O2:19.621.4 Å弱90100伊利石(K,Na,Ca2)(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4·nH2O2:110.0 Å較強2.51.4粘土水界面雙電層1.1.4.1電泳、電滲 1809年萊斯觀察到水中的粘土顆粒在電場作用下向陽極運動，水向陰極運動。通常把 在電場作用下，分散相微粒向某一電極運動的現(xiàn)象成為電泳。把在電場作用下，液體向某一電極運動的現(xiàn)象成為電滲。電泳和電滲

17、現(xiàn)象表明：粘土(膠粒)和水(分散介質(zhì))都帶電，且電性相反。1.1.4.2擴散雙電層理論既然膠體粒子帶電，在它周圍必然分布著電荷相等的反離子，于是在固液界面形成雙電層。雙電層中的反離子，一方面受到固面電荷的吸引，不能遠離固面，另方面由于反離子的熱運動，又有擴散到液相內(nèi)部去的趨勢，這兩種相反作用的結果，使得反離子擴散地分布在膠粒周圍，形成雙電層。見圖1-5。擴散雙電層：從固體表面到過剩正電荷為0的部分，由兩部分組成： 圖1-5擴散雙電層示意圖吸附層：固體表面緊密吸附的反離子和水分子所組成的部分。擴散層：反離子和水分子吸附的力較弱。吸附層和擴散層的分界面稱為滑動面。固體運動時帶著吸附層一起運動。從固

18、體表面到均勻液相的電勢降稱為表面電勢0；從滑動面到均勻液相的電勢降稱為電勢。從擴散雙電層的物理圖象出發(fā)，根據(jù)電荷的分布規(guī)律，可以導出電動方程： 式中：伏； 介質(zhì)粘度 ，牛頓·秒/米2 ，1牛頓·秒/米2=10泊=1000厘泊； u電泳速度 米/秒；介電常數(shù) ，=0r，0=8.85×10-12庫侖2牛頓-1米-2； E電場強度 伏/米1.1.4.3粘土顆粒表面的雙電層片狀的粘土顆粒表面可分為晶層平表面(用F表示)和端表面(用E表示)。粘土顆粒晶層平面的雙電層與粘土種類有關。對蒙脫石和伊利石而言，平表面電荷主要來源于晶格取代，負電荷集中于晶層平面，電荷的多少由晶格取代

19、的程度決定，因此晶層平表面是負電型的恒表面電荷型雙電層。高嶺石來講，由于沒有晶格取代，平表面的電荷來源于表面的OH的電離和吸附定勢離子，其平表面帶負的恒表面電勢型雙電層。粘土顆粒端面的雙電層與平表面明顯不同。 端表面的產(chǎn)生是四面體片和八面體片斷裂而形成，因此端表面裸露有AlO和SiO結構。故可以由氧化硅和氧化鋁的性質(zhì)推斷端表面的雙電層。由膠體化學可知，氧化硅溶膠和氧化鋁溶膠有如下特點：(1)氧化硅和氧化鋁膠粒表面的雙電層由帶吸附定勢離子產(chǎn)生，是恒表面電勢型雙電層；(2)氧化鋁膠粒：在酸性條件下帶正電，在減性條件下帶負電；(3)氧化硅膠粒：一般帶負電，但可吸附少量Al3+而帶正電；粘土懸浮體中有

20、少量溶解Al3+，且裸露AlO結構的機會較多，故粘土顆粒端表面是恒表面電勢型雙電層，其電性取決于介質(zhì)pH，酸性或中性帶正電，堿性下帶負電。許多實驗支持端面帶正電的概念。B.Rand實驗測得高嶺石等電點pH=7.3；粘土在酸性條件下有一定的陰離子交換容量；Thiessen發(fā)現(xiàn)負電性的金溶膠選擇性地吸附在粘土顆粒的端表面。需要指出的是，泥漿一般是堿性環(huán)境，端表面帶負電；平表面的雙電層占絕對優(yōu)勢。 1.1.4.4電解質(zhì)對雙電層的壓縮作用電泳實驗表明，膠體中的電解質(zhì)濃度越高，電泳速度越慢，即電位越小，這就是電解質(zhì)對雙電層的壓縮作用。 壓縮程度與反離子濃度和價數(shù)有關：反離子價數(shù)約高，壓縮增強；反離子濃度

21、越大，壓縮增越利害。當電解質(zhì)的濃度增大到一定值時，電勢為0(電泳速度為0)，該狀態(tài)稱為等電點。圖1-6電解質(zhì)對擴散雙電層的壓縮作用對于因電離或吸附定勢離子形成的雙電層，隨著電解質(zhì)濃度增加，電位變小，雙電層變薄，但其表面電勢保持不變，這種雙電層成為恒表面電勢型雙電層。對于因晶格取代所形成的雙電層，表面電荷多少取決于晶格取代的程度，與溶液中的電解質(zhì)無關，隨著電解質(zhì)濃度增加，電位變小，雙電層變薄，但其表面電荷保持不變，表面電勢下降(導致電位更快的降低)，故稱其為恒表面電荷型雙電層，該種雙電層更易被壓縮。1.1.4.5離子交換吸附 離子交換吸附是指一種離子被吸附的同時，從吸附劑表面頂替出等當量的帶相同

22、電荷的離子的過程。它有如下特點：同電性離子等當量交換；離子交換吸附是動態(tài)過程(可逆過程)；離子交換吸附速度較慢。除離子交換樹脂具有離子交換吸附的特性外，粘土顆粒表面也具有離子交換吸附的特性。粘土晶層平表面吸附的補償陽離子可部分或全部被水中的其它陽離子所交換。例如，鈉蒙脫石表面的Na+可全部被水中的Ca2+所交換；高嶺石表面的H+可被水中的Na+交換下來。離子交換吸附遵守如下規(guī)則：(1)帶正電的吸附劑交換吸附負離子；帶負電的吸附劑交換吸附陽離子。(2)陽離子價數(shù)越高，吸附能力越強。(3)對同價陽離子：離子的水化能力越低或水化半徑越小，吸附能力越強。常見陽離子在粘土上吸附能力有如下順序：Li+&l

23、t;Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+注意：NH4+水化能力弱(72千克/mol)，且是多原子離子，吸附能力較強；H+水化很差，體積特別小，吸附能力比Fe3+、Al3+均強，故泥漿pH對泥漿性能影響很大。 1.5粘土的水化作用粘土顆粒表面或晶層表面吸附水分子，使C軸間距增大，產(chǎn)生體積膨脹以致分散的現(xiàn)象稱為水化作用。粘土的水化作用包含水化膨脹和水化分散兩個方面。1.1.5.1粘土表面吸水原因(1)粘土顆粒表面直接吸附水分子。粘土顆粒與分散介質(zhì)水之間存在著界面，根據(jù)能量最低原則，粘土顆粒表面必然要吸附水分子

24、，以最大限度地降低體系的表面能。從力的角度看，粘土表面與水分子之間有氫鍵力和范德華力，故水分子可自動濃集于粘土表面。(2)粘土顆粒表面間接吸附水分子。粘土表面吸附有補償陽離子，補償陽離子的水化作用給粘土帶來水化膜。1.1.5.2粘土的水化膨脹機理粘土的水化膨脹可分為兩個階段：第一個階段是表面水化(干的粘土顆粒表面吸附兩層水分子)；第二個階段是滲透水化，粘土表面吸附兩層水分子后存在自由水，補償陽離子進入自由水中形成雙電層，發(fā)生滲透膨脹。(1)表面水化能引起的膨脹顆粒間的短程相互作用此階段粘土晶層表面吸附兩層水分子，晶層之間共有4層水分子。粘土的吸水等溫線和C間距的對比研究表明：當P/P0=0.9

25、時，表面吸附滿2層水分子；當P/P0>0.9時，粘土中已有自由水存在。表面水化所吸附的水與一般的水不同。由于其與粘土表面吸附力很強，具有固態(tài)水的性質(zhì)，故又把它稱為強結合水、結晶水、固態(tài)水，它具有一定粘彈性和高抗剪切強度，密度約為1.3g/cm3。表面水化的動力主要是表面水化能，即表面吸附水分子所放出的能量，包括直接吸附水分子和補償陽離子吸附水分子所放出的能量。粘土顆粒外表面總是已經(jīng)表面水化的。當E水化>E層間聯(lián)接，水分子進入晶層間，能在晶層間進行表面水化；當E水化<E層間聯(lián)接，水分子不進入晶層之間，不能在晶層間進行表面水化，僅在顆粒外表面進行。前人的研究表明，表面水化引起的膨

26、脹體積約為75100%，膨脹壓力在幾十4000atm。膨脹壓力是指保持粘土遇水不膨脹所須的外壓。OlpHen指出：擠出粘土表面最后兩層水分子所需壓力在20004000atm之間；前蘇聯(lián)測得：第一層水分子產(chǎn)生的膨脹壓力約為 4850atm。(2)滲透水化引起的膨脹顆粒間的長程相互作用當粘土晶層表面吸滿兩層水分子后，體系中存在自由水，粘土表面吸附的補償陽離子離開粘土表面進入水中形成擴散雙電層。由于雙電層的排斥作用使粘土體積進一步膨脹。由于它的作用距離較遠，故又稱為顆粒間的長程相互作用。滲透水化吸附的水與粘土表面的結合力較弱，故把這部分水稱為弱結合水、滲透水。滲透水化引起的體積膨脹很大，可使粘土體積

27、增大820倍，但滲透水化引起的膨脹壓力較小，一般在幾十0.1atm范圍。因此地層中的粘土一般是未滲透水化的，當鉆開地層形成井眼時，泥頁巖與泥漿中的水接觸有發(fā)生滲透水化的趨勢。 (3)影響粘土水化膨脹的因素礦物本性對粘土的水化膨脹強弱起決定性的影響。蒙脫石晶層間聯(lián)接力僅有范德華力(弱)，不足以抗衡粘土的水化能，因此能在蒙脫石晶層及顆粒外表面進行水化作用，蒙脫石吸水膨脹性強。對伊利石而言，水化作用不能在晶層間進行，只能在顆粒外表面進行，吸水膨脹性弱，其原因是伊利石晶層之間聯(lián)接很緊。晶層之間存在K+嵌力；此外伊利石的晶格取代強，晶層表面電荷密度大，且負電荷中心更靠近K+，晶層之間靜電引力很強。高嶺石

28、晶層之間的聯(lián)接力是氫鍵和范德華引力，其聯(lián)結力足以抗衡表面水化能，水化僅在高嶺石顆粒外表面進行，其吸水膨脹性差。補償陽離子的類型對粘土的水化作用也有重要的影響。補償陽離子的水化能越大，粘土水化膨脹性越強。例如，Na+水化能為97千卡/摩耳，K+水化能為77千卡/摩耳，因此鈉蒙脫石的水化膨脹性強于鉀蒙脫石。粘土表擴散雙電層厚度不同，粘土的水化膨脹性相差很大。擴散雙電層越厚，水化膨脹性越強。例如，Na+水化能97千卡/摩耳；Ca2+水化能377千卡/摩耳，鈉蒙脫石C間距可達40Å；而鈣蒙脫石C間距最大為17Å，鈉蒙脫石的水化膨脹性強于鈣蒙脫石。介質(zhì)pH及含鹽量對粘土的水化膨脹有明

29、顯影響。介質(zhì)pH越高，粘土表面的電位越大，粘土的水化膨脹性增強；介質(zhì)含鹽量越大，或鹽的陽離子價數(shù)越大，由于鹽對粘土表面雙電層的壓縮作用使電位降低，從而導致粘土的水化作用減弱。1.1.5.3粘土的水化分散粘土的水化分散是指粘土顆粒因水化作用分散成更小顆粒的現(xiàn)象。粘土的水化分散與能力粘土礦物種類(水化膨脹能力)和膠結強度有關。粘土吸水膨脹越強，它的水化分散能力越強，在水中顆粒越細。粘土顆粒間膠結越強，水化分散越弱。實驗表明，蒙脫石可分散到單個晶層的厚度；其水化分散很好，因此把蒙脫石含量高的粘土稱為膨潤土，膨潤土被廣泛用來配制鉆井液。1.1.5.4粘土的陽離子交換容量粘土晶層平表面吸附有補償陽離子，

30、部分補償陽離子可被水中其它的陽離子交換下來(交換性陽離子)，可交換陽離子總量即為陽離子交換容量，一般把每100克干粘土所含可交換陽離子的總量定義為陽離子交換容量，用CEC表示，單位為毫克當量/100克土。粘土的陽離子交換容量主要與粘土礦物種類有關。蒙脫石是膨脹性粘土，水能進入所有晶層之間，幾乎所有補償陽離子均可交換，CEC高達90100毫克當量/100克土；盡管伊利石補償陽離子總量較蒙脫石多，但水不能進入晶層之間，僅顆粒外表面的陽離子是可交換的，CEC較蒙脫石低的多，一般在1040毫克當量/100克土；高嶺石無晶格取代，補償陽離子很少，CEC很低，僅 35毫克當量/100克土。此外，粘土顆粒大

31、小和介質(zhì)pH對粘土的陽離子交換容量也有一定影響。測定粘土陽離子交換容量的方法很多，其中之一是用亞甲基蘭(染料)交換粘土的補償陽離子，即稱為亞甲基蘭法。亞甲基蘭化學式為C16H18N3SCl·3H2O，亞甲基蘭有機陽離子在水中呈藍色，它與粘土晶片親合力很強，能將粘土顆粒外表面所有補償陽離子交換下來。在吸附達飽和之前，補償陽離子未被完全交換出來，此時溶液中不存在游離的染色離子，在濾紙上的滲透液無色；只有當粘土吸附亞甲基蘭達飽和后，溶液中才有游離的亞甲基蘭，此時滴在濾紙上滲透液呈藍色，根據(jù)吸附達飽和時所耗亞甲基蘭量即可計算出粘土的陽離子交換容量： 測定時，由于吸附速度慢，在攪拌情況下需經(jīng)1

32、2min才能保證吸附完全進行。一般，鈣膨潤土的CEC為70mg當量/100g土。根據(jù)這一經(jīng)驗(統(tǒng)計)值，亞甲基蘭法通常用來測定泥漿中的膨潤土含量。1.6粘土水懸浮體的穩(wěn)定性1.6.1沉降穩(wěn)定性和聚結穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性：在重力作用下分散相顆粒(粘土顆粒)是否容易下沉的性質(zhì)。用沉降速度來衡量。沉降速度慢，沉降穩(wěn)定性越好；沉降速度快，沉降穩(wěn)定性越差；泥漿的沉降穩(wěn)定性用沉降穩(wěn)定計來測定。泥漿在穩(wěn)定計中靜置24h后，測定上下部分泥漿的密度上和下，(下-上)越小，沉降穩(wěn)定性越好。一般地說，下-上<0.06時，泥漿沉降穩(wěn)定性好。分散相顆粒(粘土顆粒)是否容易聚結變大(降低分散度)的性質(zhì)稱為聚結穩(wěn)定性。聚

33、結速度越低，聚結穩(wěn)定性越好。1.6.2影響沉降穩(wěn)定性的因素設分散相為球形，半徑R、密度，下沉速度u，分散介質(zhì)密度0、粘度，分散相在介質(zhì)中的重力，分散相下沉所受阻力 。下沉速度越大，阻力f越大，故粒子在介質(zhì)中下沉時會很快變成等速下沉。當P=f時，分散相勻速下沉，其速度(沉降速度)為u： 上式稱為STOCKS定律。由此式可見，影響沉降穩(wěn)定性的因素有三：分散相顆粒的尺寸，分散相越粗，沉降穩(wěn)定性急劇下降；分散相與分散介質(zhì)的密度差，密度差越大，沉降穩(wěn)定性越差；分散介質(zhì)的粘度，分散介質(zhì)的粘度越高，沉降穩(wěn)定性越好。需要指出，在泥漿、水泥漿中STOCKES定律不能定量使用，但能定性分析，原因是體系中粒子之間能

34、形成結構，而推導公式時曾假設粒子之間無相互作用；STOCKES定律僅適用于球形粒子，對非球形粒子，可采用等效半徑；一般地，懸浮體的沉降穩(wěn)定性差，膠體體系的沉降穩(wěn)定性好。1.6.3影響聚結穩(wěn)定性的因素在粘土-水分散體系中，粘土顆粒的分散與聚結相互轉化。聚結穩(wěn)定性主要取決于粘土顆粒相互接近時吸力和斥力的相對大小。如果吸力大于斥力，則發(fā)生聚集；如果斥力大于吸力，則保持穩(wěn)定，這就是DLVO理論的基本觀點。(1)阻礙膠粒聚結的因素：雙電層排斥力如前所述，粘土顆粒周圍存在擴散雙電層，當粘土顆粒相互接近時，隨著顆粒一起運動的僅是吸附層中的反離子，這樣，粘土粒子呈負電(具有電位)，電位越大，顆粒之間的斥力越大

35、，越難以聚結合并。雙電層排斥能大小可表示為： 式中：-1雙電層厚度；d顆粒間距離雙電層排斥力與介質(zhì)中的電解質(zhì)濃度有關，電解質(zhì)濃度增加，VR變小。此外，在粘土顆粒表面吸附有水化膜，這種水化膜具有很高的粘度和彈性，能構成阻礙膠粒聚結的機械阻力。(2)引起粘粒聚結的因素：范德華引力無論是粘土-水溶膠或是其它膠體，它們的顆粒會聚結合并，這一事實說明，顆粒之間存在著在數(shù)量上足以和雙電層排斥力相抗衡的吸力，這就是范德華引力。分子間的范德華引力很小，其吸引力與距離的六次方成反比，隨分子間的距離增大而急劇降低，作用范圍很小(一般是幾個Å)。但范德華引力具有加和性，粘粒間的范德華引力是許多分子間引力的

36、總和，其大小與顆粒間距離的三次方成反比，作用的范圍較大，吸引能與距離的二次方成反比： 式中：A為常數(shù)(與電解質(zhì)無關)。粘粒間的范德華引力有如下特點：VA與d的平方成反比，且與介質(zhì)中的電解質(zhì)濃度無關。(3)凈勢能曲線以顆粒間的排斥能(為VR)正，吸引能(VA)為負，凈勢能(V)定義為： V=VR-VA典型的凈勢能曲線見圖1-7。圖1-7凈勢能曲線其中虛線表示溶劑化層的阻礙和Bonn斥力(粘土晶格突出點的阻礙)；在低電解質(zhì)濃度下，能峰高，聚結狀態(tài)不容易達到，膠體穩(wěn)定性好；在中等電解質(zhì)濃度，能峰較低，聚結穩(wěn)定性較差；而在高電解質(zhì)濃度，無能峰，吸引力占絕對優(yōu)勢，聚結穩(wěn)定性很差。(4)電解質(zhì)對粘土懸浮體

37、的聚結作用隨著介質(zhì)中電解質(zhì)濃度增大，粘土表面的電位和雙電層厚度均降低，VR下降，斥能峰降低，穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生沉淀。我們把溶膠開始明顯聚沉所需電解質(zhì)的最低濃度稱為聚結值(聚沉值)，用rC表示，而把溶膠開始明顯聚沉時的電位臨界電位。rC越小，電解質(zhì)的聚結能力越強，或者說溶膠的聚結穩(wěn)定性越差。根據(jù)大量的實驗研究總結出如下聚結規(guī)律：叔采-哈迪規(guī)則：對溶膠起聚結作用的是反離子；反離子價數(shù)越高，聚結能力越強；rC與反離子價數(shù)的六此方成反比：rC+:rC2+:rC3+=1:(1/2)6:(1/3)6=100:1.6:0.13 (理論值)同價反離子的聚結能力也有差異，水化越強，聚結能力越弱(感膠離子序)：

38、 Li+ <Na+ <K+ <Rb+ <Cs+< H+ Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ >Mg2+(5)粘土顆粒的聯(lián)結方式圖1-8粘土顆粒的聯(lián)結方式當粘土顆粒發(fā)生聚結時，由于其具有片狀結構，存在平表面和藹端表面，同一泥漿體系中可能同時存在三種聯(lián)結方式(上左圖)，只是各種聯(lián)結的強度和多少不同程度。右圖是泥漿中多個粘土顆粒聯(lián)結的情況，該結構通常被稱為粘土顆粒之間的卡片房子結構。1.7凝膠凝膠是指分散相粒子相互聯(lián)結(形成空間網(wǎng)架結構)，分散介質(zhì)充填于網(wǎng)架結構的空隙中形成的體系。如豆腐、鉆井液。凝膠具有如下特點：分散相和分散介質(zhì)均處于連續(xù)狀態(tài)；體系

39、具有一定屈服強度，具有半固體的性質(zhì)。形成凝膠的條件是分散相顆粒濃度足夠大，所需濃度與顆粒形狀有關。對球形粒子，顆粒濃度為5.6%(體積)時就能夠形成凝膠；顆粒形狀不規(guī)則，所需濃度越小。對粘土懸浮體，由于其形狀極不規(guī)則，形成凝膠所須粘土濃度為12%(體積)。因此，鉆井液具有凝膠的某些特性，如具有屈服值和靜切力。影響粘土凝膠強度的因素：(1)單位體積中雙T鏈環(huán)的數(shù)目：與粘土含量及其分散度有關。粘土含量越多或者及其分散度越高，粘土凝膠強度越大；(2)單個鏈環(huán)的強度：它取決于邊面聯(lián)接和邊邊聯(lián)結的強度，吸力勝過斥力越多，聯(lián)接越強；粘土懸浮體中電解質(zhì)濃度越高，吸力勝過斥力越多。第一章 鉆井液的性能鉆井液的

40、常規(guī)性能包括密度、流變性(馬氏漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力等)、濾失特性(API濾失量、HTHP濾失量、泥餅質(zhì)量)、pH值和堿度及潤滑性能等。本節(jié)主要介紹鉆井液密度、濾失性、流變性和酸堿度及潤滑性能的概念和一般的調(diào)整方法。2.1鉆井液密度2.1.1對鉆井液密度的要求鉆井液的密度是指單位體積鉆井液的質(zhì)量，其單位常用kg/m3(或g/cm3 )表示。鉆井液密度主要用來調(diào)節(jié)鉆井液的靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力，確保安全鉆井。同時亦用來平衡地層構造應力，以避免井塌的發(fā)生。鉆井液密度必須滿足地質(zhì)和工程的要求。如果密度過高，會引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等

41、一系列問題，而密度過低則容易發(fā)生井涌甚至井噴，有時還會造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降等。2.1.2調(diào)整鉆井液密度的方法加入各種加重材料是提高鉆井液密度最常用的方法。在加重之前，應調(diào)整好鉆井液的各種性能，特別是要嚴格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前鉆井液的固相含量應越低，粘度、切力亦應越低。此外，加入可溶性無機鹽也是提高密度較常用的方法，如NaCl可將鉆井液密度提高到1.20g/cm3左右。降低鉆井液密度的方法有以下幾種：(1)用機械和化學絮凝的方法清除固相，降低鉆井液的固相含量；(2)加水稀釋，但有時會增加處理劑的用量和費用；(3)混油，但會使鉆井液成本增加，且影響地質(zhì)錄井；(4

42、)鉆低壓油層時可選用充氣鉆井液等。鉆井液的常用加重材料有以下幾種：(1)重晶石粉。這是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石，經(jīng)過加工后而制成的灰白色粉末狀產(chǎn)品。密度約為4.2/cm3，它是目前應用最廣泛的一種鉆井液加重材料。(2)石灰石粉。其主要成分為CaCO3，密度為2.22.9/cm3。易與鹽酸等無機酸發(fā)生反應，生成CO2、H2O和可溶性鹽，因而適用于在非酸敏性而又需進行酸化作業(yè)的產(chǎn)層中使用，以減輕鉆井液對產(chǎn)層的損害。 (3)鈦鐵礦粉和鐵礦粉。前者的主要成分為TiO2·Fe3O4，密度4.55.1g/cm3；后者的主要成分為Fe2O3，密度4.95.3g/cm3。均為棕紅或黑褐色

43、粉末。因其密度大于重晶石，故可用于配制密度更高的鉆井液。且由于它們均具有酸溶性，因此可應用于需進行酸化的產(chǎn)層。(4)方鉛礦粉。這是一種主要成分為PbS的天然礦石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高達7.5g/cm3，可用于配制密度大于2.3g/cm3的超高密度鉆井液。由于該加重材料的成本高，貨源少，一般只限于在地層孔隙壓力極高的特殊井中使用。2.2鉆井液的流變性鉆井液流動和變形的特性稱為其流變性，其中流動性是主要的。鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題時起著十分重要的作用：(1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔。(2)懸浮巖屑和重晶石。(3)合理地確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，

44、充分發(fā)揮鉆頭水馬力的作用，提高機械鉆速。(4)減輕鉆井液造成的壓力激動和對井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生。(5)有效地發(fā)揮固控設備的效能。(6)防止氣侵。因此，鉆井液流變性與安全、快速鉆井密切相關，對鉆井液的流變參數(shù)進行有效的控制、優(yōu)選和調(diào)整已成為當今鉆井液工藝技術的重要組成部分。2.2.1常用的鉆井液流變模式長期以來，賓漢(Bingham)模式和冪律模式一直作為最常用的兩種鉆井液流變模式而被廣泛應用。賓漢模式用于描述塑性流體的流變性，其數(shù)學表達式為： 式中：兩個流變參數(shù)塑性粘度p和動切力(或稱屈服值)0分別由以下兩式確定： 600300 (mPa·s) 0=0.51(300

45、-) (Pa) 600、300分別為當旋轉粘度計轉速為600和300rpm時，刻度盤讀數(shù)。冪律模式用于描述假塑性流體的流變性，其數(shù)學表達式為： 式中：兩個流變參數(shù)流性指數(shù)n和稠度系數(shù)K的計算式如下： (mPa·sn ) 近年來，卡森(Casson)模式也越來越廣泛地用來描述鉆井液的流變性?？ㄉＪ降臄?shù)學表達式為： 式中：c卡森動切力(或稱卡森屈服值)，Pa；極限高剪速率下的粘度,mPa·s將上式中每一項分別除以，可得卡森模式的另一形式： 式中：為某一剪切速率下的有效粘度?？ㄉ匠讨袃蓚€流變參數(shù)的物理意義是：c表示鉆井液內(nèi)可供拆散的結構強度，該值一般低于賓漢動切力，而與初始靜

46、切力較接近；表示體系的內(nèi)摩擦作用強度，常用以近似表示鉆井液在鉆頭水眼處紊流狀態(tài)下的流動阻力，俗稱極限高剪粘度或水眼粘度。c和同樣使用范氏旋轉粘度計測得，測量時的轉速一般選用600和100rpm(分別相當于剪切速率1022和170.3s-1)。其計算式如下： 卡森模式的另一特性參數(shù)是剪切稀釋指數(shù)Im，它反映鉆井液剪切稀釋性能的強弱，可用下式求得： 除以上流變參數(shù)外，表征鉆井液流變性的其它參數(shù)還有漏斗粘度(s)、表觀粘度(mP·s)、靜切力(Pa)以及動塑比(動切力與塑性粘度的比值Pa/mPa·s)等。表觀粘度是剪切應力與剪切速率的比值，它的一般計算式為： 式中：為表觀粘度；N

47、是轉速，rpm；N表示轉速為N時的粘度計讀數(shù)。在不同剪切速率下， 有不同的數(shù)值。一般，剪切速率增加，泥漿中的結構被拆散越多，鉆井液的表觀粘度下降，這種性質(zhì)稱為剪切稀釋特性。但通常所指的，是當N=600rpm時的測得值，即： 靜切力(又稱切力或凝膠強度)，是使鉆井液開始流動所需的最低切應力一般用s表示。測量s時，先將鉆井液充分攪拌(600rpm下攪拌1min)，然后分別測量靜置10s后和10min后在3 rpm下粘度計的讀數(shù)。前者稱為初切，后者稱為終切。測定初切和終切的目的是用兩者的差值表示鉆井液觸變性的大小。觸變性是指泥漿攪拌后變稀，靜止后泥漿又變稠的性質(zhì)。圖1-9總結了鉆井液的s隨時間變化的

48、4種典型情況，曲線3的觸變性(s)是我們所期望的，這類鉆井液具有初切較低、終切適中的特征，按經(jīng)驗規(guī)律，能夠懸浮重晶石的最低初始靜切力為1.44Pa。圖1-9 鉆井液觸變性曲線2.2.2對鉆井液流變性的一般要求 鉆井液良好的流變性能是通過對流變參數(shù)的控制和調(diào)整來實現(xiàn)的。在一定條件下，各流變參數(shù)的數(shù)值必須維持在適宜范圍，否則就會引起一系列不良的后果。一般來講，當鉆井液粘度、切力過高時，不僅流動阻力增加，使鉆速受到影響，而且還容易出現(xiàn)泥包鉆頭、脫氣困難、壓力激動大以及固控設備難以充分發(fā)揮其效能等問題。但粘度、切力過低，又容易因井眼凈化不良和對井壁的沖刷加劇而導致卡鉆、井塌等復雜情況的發(fā)生。對于非加重

49、鉆井液，的適宜范圍為512mPa·s，一般應保持在1.414.4Pa范圍內(nèi)。靜切力值過高時會造成開泵困難，甚至憋漏地層；其值過低又直接影響鉆并液的懸浮能力，按經(jīng)驗規(guī)律，能夠懸浮重晶石的最低初始靜切力為1.44Pa。此外，為了能夠有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比值。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的有關計算，一般將0/保持在0.48Pa/mPa·s左右是適宜的。在使用冪律模式時，n值保持在0.40.7之間對維持平板型層流和剪切稀化性能是有利的。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時所需的壓力。為了滿足噴射

50、鉆井的需要，將卡森模式的流變參數(shù)保持在以下范圍是必要和可能的：=0.63.0Pa；=2.06.0mPa·s；環(huán)(環(huán)空有效粘度)2030mPa·s；Im=300600。2.2.3流變參數(shù)的調(diào)整調(diào)整賓漢和密律模式流變參數(shù)的方法可概括如下：(1)降低。通過合理使用固控設備，加水稀釋或化學絮凝等方法。盡量減少固相含量。(2)提高p。加入低造漿率粘土，重品石以及混入原油均可提高，另外增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提的作用。(3)降低0。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結構，如果是因Ca2+、Mg2+等污染引起的0升高，則可用化學沉淀方

51、法除去這些離子、此外，適當加水稀釋也可起到降0 的作用。(4)提高0?？杉尤腩A水化膨潤土或增大聚合物的加量。對于鈣處理或鹽水鉆井液，還可通過適當增加Ca2+、Na+濃度來達到提0的目的。(5)降低n值。增加鉆井液中高分子聚合物和無機鹽的含量，以及將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使n值降低，但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講不是好的方法，而應優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低n值(改進流型)。試驗表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣(CPA)等都是非常有效的流型改進劑。(6)降低或提高K值。與前面降低或提高、0值的方法基本相同。2.3鉆井液的濾失性鉆井液的濾失性主要是指其

52、濾液向地層濾失量的大小以及在井壁所形成濾餅的質(zhì)量。質(zhì)量好的濾餅一般薄而韌，表現(xiàn)為結構致密，耐沖刷，且摩阻系數(shù)小。濾失性也是鉆井液一項十分重要的性能，如控制不好將對鉆井和地質(zhì)工作產(chǎn)生多方面不利的影響。一般來講，濾失量過大常會引起以下不良的后果：(1)損害油氣層，降低產(chǎn)能；(2)井壁垮塌，井徑不規(guī)則，起下鉆遇阻；(3)在高滲透性地層形成較厚濾餅，造成壓差卡鉆；(4)因濾液侵入半徑過大，致使測井解釋不準，甚至失去發(fā)現(xiàn)油氣層的機會。2.3.1API濾失量和動濾失量目前測定鉆井液常規(guī)濾失性能的儀器為如圖1-10所示的濾失量測定儀。使用這種儀器，可測出一定條件下鉆井液的靜濾失量及所形成濾餅的厚度。圖 1-10常規(guī)濾失量測定儀示意圖由于鉆井液濾液透過濾餅的滲濾過程可近似地用達西定律進行描述，因此其滲