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1、第一章 概述钻井液是指油气开发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。钻井液又称做钻井泥浆或简称泥浆。泥浆工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分，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。钻井液最基本的功用有以下几点：1) 携带和悬浮钻屑；2) 稳定井壁和平衡地层压力；3) 冷却和润滑钻头、钻具；4) 传递水马力。对钻井液的限制1) 钻井液既不能伤害钻井人员也不能损害或污染环境；2) 对所钻井眼，不需要特殊或昂贵的完井方法；3) 不能干扰生产层的生产能力；4) 不能腐蚀或引起钻井设备的严重磨损。随着科学技术的发展，通过实践认识再实践，钻井液体系基本上经历了五个
2、发展阶段，它们是：1) 天然（或自然）钻井液体系。该钻井液体系大约使用于19041921年间，这种钻井液使用清水自然造浆不加处理剂也没有具体性能要求，因此不能很好地满足钻井的要求。2) 细分散钻井液体系。该钻井液体系大约使用于19211946年间。在本阶段中，由于采用了粘土来配制钻井液，并加入一些化学分散剂，从而大大地改善了钻井液性能，基本满足一般中深井的需求。然而，随着井的加深，井温的升高，这种钻井液性能极不稳定。3) 粗分散钻井液体系。该钻井液体系大约使用于19461973年间，本阶段的特点是使用了多种无机盐作抑制剂，并配合使用了各种耐盐的降粘剂，从而大大地提高了钻井液耐温及抗各种污染的能
3、力，减少了井下复杂情况的发生，钻速有一定的提高。然而，在做进一步深入研究后发现，钻井液中所含的固相数量对钻速影响很大。4) 不分散低固相钻井液体系。该钻井液体系大约使用于1966年以后，本阶段的特点是使用了有机选择性絮凝剂及高分子聚合物抑制剂，它们可起很好的包被作用而使岩屑在体系中不再分散。5) 无固相钻井液体系。该钻井液体系大约使用于1968年以后。通过大量的研究和长时间的实践证明，钻井液中所含固相，尤其是粘土，不但是提高钻速的最大障碍，而且对产层会造成较大的损害。故人们设法去掉粘土，从有机高聚物中寻找可以代替它的药剂以便增加粘度和切力，悬浮岩屑，降低滤失量，改善造壁性能，逐步地以水溶性无机
4、盐、油类和气体为基础并配合各种高聚物而形成目前的一系列无固相体系，从而满足保护油气层、提高机械钻速的需要。虽然钻井液体系随着具体要求而逐步发展，形成了这五个阶段，但它门间并不能互相取代和淘汰，它们同时并存，只是要根据不同情况及要求加以选择使用而已。第二章 基础理论2.1 钻井液定义钻井液，通常是指在油气田开发钻井过程中具有多种功能，同时能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。一般地，钻井液又被称之为钻井泥浆或简称泥浆。因此，泥浆又被人们普遍称为石油钻井工程的“血液”，它在安全、优质、快速钻井中起着关键性作用。2.2 粘土的基本知识粘土是钻井液的主要成分，水基钻井液就是粘土分散在水中形成的胶体悬
5、浮体。粘土对钻井液的性质有很大影响，其类型不同，造浆率差别很大。 2.2.1几种主要粘土矿物的晶体构造及特点 粘土主要是由很细（ 2 m以下 ）的粘土矿物组成，许多粘土中含有非晶体质的胶体矿物如蛋白石、氢氧化铁、氢氧化铝，还含有不定量的石英、长石等粘土矿物。但粘土的主要化学成分为铝硅酸盐。因此,虽然粘土矿物的种类很多，不同粘土矿物有不同的晶体构造及特点，但其晶体都是由两种基本构造单位组成的。基本构造单位：硅氧基团和铝氧基团1) 粘土晶体构造中的基本单位 每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子以相等的距离相连，硅在四面体的中心，四个氧原子(或氢氧)在四面体的顶点。在大多数粘土矿物中排列成六角形网
6、络。铝氧八面体 铝原子处于八面体的中心，与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。八面体片状构造中，铝占2/3位置，空余位置以*表示。2) 高岭石的晶体结构高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片，二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在一起。由于它是一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，所以称高岭石为11型粘土矿物。高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层,片与片之间易形成氢键,晶胞之间连结紧密,故高岭石的分散度低。高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象，它的电荷是平衡的，因此高岭石电性微弱。这些特点决定了高岭石水化很差，造浆性能不好，不是配浆的好材
7、料。油气层中高岭石颗粒大而附着力弱，常常因运移堵塞孔喉而降低渗透率。 3) 蒙脱石的晶体结构蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片组成，硅氧四面体的尖顶朝向铝氧八面体，铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层，因此称为21型。在铝氧八面体中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面体中的Si4+也有少量被Al3+取代，显负电性，这种现象称为晶格取代现象。因此，吸附较多阳离子，有较强的离子交换能力。同时，蒙脱石晶层上下皆为氧原子层，各晶层间以分子间力联结，联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料，但地层
8、中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。 4) 伊利石的晶格结构伊利石的晶体构造和蒙脱石相似，也是21型晶体结构，即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成。区别：伊利石的硅氧四面体中有较多的Si4+被Al3+取代，晶格出现的负电荷由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和。K+的直径为2.66nm，而晶层表面的氧原子六角环空穴直径为2.80nm，因此K+正好嵌入氧原子六角环中。由于嵌入氧层的吸附K+的作用，将伊利石的相邻二晶层拉得很紧，联结力很强，水分不易进入层间，所以它不易膨胀。伊利石由于晶格取代显示的负电性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角环中，接近于成为晶格的组成部分，不易
9、解离，因此伊利石电性微弱。 5) 海泡石族海泡石凹凸棒石坡缕缟石是铝和镁的含水硅酸盐晶体构造为链状、棒状、或纤维状，晶体结构中有很大的空穴。有极大的内表面积，因此，含有较多的吸附水，有很高的热稳定性和抗盐侵污能力。在淡水和饱和盐水中的水化情况几乎一样。因此是配制深井钻井液和盐水钻井液的好材料。6) 绿泥石 由三层型晶层与一层水镁石交替组成的。水镁石层有些Mg2+被Al3+取代，因而带正电。于是三层型晶层与水镁石层间以静电相吸联结，同时还有氢键存在，因此遇水不膨胀,对酸敏感。2.2.2 粘土的吸附及水化作用 粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。2.2.2.1 粘土的吸附性能粘土
10、的吸附作用：钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上，自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。1) 粘土颗粒表面电荷种类及原因 永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。例如，Si-O四面体中Si4+被Al3+所代替，或Al-O八面体中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取代的多少，而不受pH值的影响，因此称为永久负电荷。 可变负电荷。在粘土晶体的断键边缘上有很多裸露的Al-OH键，其中OH中的H在碱性条件下解离，会使粘土负电荷过剩；另外粘土晶体的边面上吸附了OH-、SiO32-等无机离子或吸附了有机阴离子聚电解质也使粘土带负电
11、。由于这种负电荷的数量随介质的pH值而改变，故称为可变负电荷。 正电荷。不少研究者指出，当pH值低于9时，粘土晶体边面上带正电荷。多数人认为其原因是由于裸露在边缘上的Al-O八面体在碱性条件从介质中接受质子引起的。粘土的负电荷与正电荷的代数和即为粘土的净电荷数，由于粘土的负电荷一般都多于正电荷，因此粘土一般都带负电荷。 2) 粘土的吸附性能吸附现象在钻井液中是经常发生的，化学处理剂改善钻井液性能，侵入物损坏钻井液的性能都是通过吸附改变粘土表面的性质而起作用的。钻井液中粘土的吸附作用，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。 物理吸附。物理吸附是靠吸附剂和吸附质之间分子间引力产生的，物理吸附
12、是可逆的，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。非离子型的有机处理剂，往往是因在粘土表面发生物理吸附而起作用的。 化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。例如铁铬木质素磺酸盐在粘土晶体的边缘上可以发生螯合吸附。 离子交换吸附。粘土颗粒因晶格取代等原因，一般是带负电的，为了保持整体的电中性，必然要吸附阳离子。而吸附的阳离子一般来说并不固定，可以与溶液中的阳离子进行交换，这种作用称为离子交换吸附。最常见的交换性阳离子是Na+、Ca2+、Mg2+等。钻井液中粘土吸附的离子与溶液中的离子发生离子交换吸附的现象是经常遇到的，配浆时加纯碱提高粘土的分散度和造浆率，就是利用离子交换吸
13、附的特性。 离子交换吸附的特点：同号离子相互交换；等电量相互交换；离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。 离子交换吸附的规律：浓度相同，价数越高，与粘土表面的吸力越强，交换到粘土表面上的能力越强；价数相同、浓度相近时，离子半径越小，水化半径越大，离子中心离粘土表面越远，吸附能力弱(K与H除外)；当浓度很高时，低价离子同样能交换高价离子。常见的阳离子交换能力强弱顺序是：H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+粘土的阳离子交换容量是指在pH等于7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。它包括交换性氢和交换性盐基，其数值均以每100 g粘土所交换下
14、来的阳离子的量表示。粘土的阳离子交换容量，直接关系到粘土颗粒带电荷的多少和吸附处理剂的能力。影响粘土阳离子交换容量的因素有粘土矿物的本性、粘土矿物的分散度及溶液的pH值。2.2.2.2 粘土的水化作用粘土的水化作用：由于粘土颗粒表面通常带有负电荷，因而能吸附水分子和各种水化离子，使粘土颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜，这种现象称为粘土的水化作用。1) 粘土水化膨胀机理粘土水化膨胀机理主要有两方面： 表面水化由粘土晶体表面上水分子的吸附作用引起，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一层水是水分子与粘土表面的六角形网络的氧形成氢键而保持在表面上。因此，水分子也通过氢键结合为六角环，下一层也以类
15、似情况与第一层以氢键连接，以后的水层照此继续。 渗透水化由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，水发生浓度差扩散，进入层间，在双电层斥力作用下层间距增大。渗透膨胀引起的体积增加比晶格膨胀大得多。2） 影响粘土水化膨胀的因素影响粘土水化膨胀的因素有： 粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶体所带的负电荷大部分都集中在层面上，吸附的阳离子多，因此水化膜厚。在粘土晶体的端面上带电荷较少，因此水化膜薄。 粘土矿物不同，水化作用的强弱不同。蒙脱石的阳离子交换容量高，水化最好，分散度也最高；而高岭石阳离子交换容量低，水化差，分散度也低，颗粒粗；伊利石由于晶层间K的特殊作用也是非膨胀性矿物。 粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别。如钙蒙脱石水化后晶层间距最大仅为1.7 nm，而钠蒙脱石水化后晶层间距可达1.74.0 nm。2.2.3 钻井液中粘土表面的双电层1） 定义：粘土颗粒在水中表面带负电荷，通过静电作用可把交换性阳离子(称为反离子)吸引在它的周围。这些反离子一方面受负电荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反离子的热运动及反离子之间的斥力，会脱离粘土颗粒向溶液中扩散，其结果构成了扩散双电层。粘土颗粒周围的阳离子只有一部分同粘土颗粒一起运动，这部分同粘土吸引得比较牢固的
