泥浆工艺原理

1、泥浆工艺原理 钻井液的功用 钻井液不应具有： l对钻井设备和管材造成任何腐蚀 钻井液的分类 液体气体 气液混合物 混 水基泥浆泡沫充气泥浆空气天然气油基泥浆 钻井液的组成 l水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水 中，油可以乳化到水中，此时，水是连 续相。(粘土+水+化学处理剂) l油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或 盐水乳化在油中，即油是连续相。 (柴油+沥青/有机搬土+处理剂) l气体：用高速气体或天然气清除钻屑 粘土胶体化学 分散体系 分散体系的分类 类型颗粒大小 粗分散体系 （悬浮体、乳状液） 0.1m (1X10-5cm) 胶体分散体系 （溶胶） 0.1m1mm 1X10-5-1X10-

2、7cm 分子与离子 分散体系 1mm 1X10-7cm 高岭石结构 高岭石的晶体构造由一个硅氧四面体和一个 铝氧8面体组成，硅氧四面体和铝氧八面体由 共用的氧原子联结在一起。高岭石的片状结 构中，一面为OH层，另一面为氧层，而OH 键具有强的极性，片与片之间容易形成氢键 ，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面距仅为 7.2（1A=10-8 cm），故高岭石的分散度较 低。这种粘土矿物是比较稳定的，晶格中的 离子取代现象几乎是不存在的。水分不易进 入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物，水 化性能差，造浆性能不好，不是配制泥浆的 好材料。 蒙脱石晶格结构 蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹 在它们中

3、间的一层铝氧八面体组成。每个四面 体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体 所共有。四面体层中的部分Si+4可被Al+3取代， 八面体层中的Al+3可被Fe+2、Mg+2、Zn+2等阳 离子取代。由于Al+3 Si+4和Mg+2 Al+3的取 代，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有较 强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分子 间力连接，晶胞连接不紧密，水分子容易进入 两个晶胞之间发生膨胀（全脱水时晶格间距为 9.6A，吸水后可达21.4A），水化分散性能较好 （造浆能力强），是制配泥浆的优质材料。 伊利石 伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同 之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的 硅被铝取代，

4、因取代所缺的正电荷由处在 相邻两个硅氧层之间的K+补偿，因K+存在 于晶层之间并进入相邻氧送层的孔穴中， 使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间 ，因此它是不易膨胀的粘土矿物。 海泡石 粘土-水界面的扩散双电层理论 粘土颗粒（片体）表面的双电 层 高岭石 粘土颗粒（片体）端部表面的 双电层 阳离子交换容量 粘土的水化作用 粘土水化作用产生的原因及其 方式 影响水化作用的因素 粘土水胶质悬浮体的聚结作 用（凝胶） 泥浆的流变性 剪切应力与剪切速率 牛顿流体 剪切速率 Dv/dx 切应力： dx dv 宾汉塑性流型（Bingham plastic model） 宾汉塑性流型（Bingham plas

5、tic model） 宾汉流动曲线 剪切速率 =Dv/dx 切应力： 0 s =0+塑 静止 塞流 层流 紊流 参数计算（范式粘度计） 2 300 600 表 1.703 (s-1) =0.511 (Pa) 塑=PV=600-300 (cp) 1cp=1mPa.s 0=0.511(300-塑) (Pa) cp 幂律流型(Power law Model) 幂律流型的参数计算 )( 1022 511. 0 log32. 3 600 300 600 n n Pask n 卡森流型 c 2 1 2 1 2 1 2 1 c c:卡森动切力 ：极限高剪粘度 卡森流型的参数计算 2/12/1 600 2/1

6、 100 2/1 2/1 2/1 600 2/1 100 2/1 )()(195. 1 )()6(570. 1 cp Pa c 赫巴流型 n K 0 流变参数分析：粘度 / e 塑塑 / )( 00e 1 / n e K 表观粘度 切应力 剪切速率 a b c ccc bbb aaa / / / 结构粘度 结构塑 塑塑 / )( 00e 剪切稀释特性 塑表 / 0 漏斗粘度 静切力、动切力 触变性 对钻井液流变性的一般要求 流变参数的调整 流变参数的调整 岩屑携带问题 平板型层流携岩原理 sPA 0 平板层流的优点： )(/324 )(/ 0 2 0 0 dDv dD d 塑 塑 78.460

7、.3 )( )/( 2 0 cp cmdyenes 塑 实现平板型层流的方法 岩屑在环形空间内的上升速度 岩屑在环形空间内的上升速度 2 1 ) )( (363. 0 f Dp V p s Vs：岩屑的沉降速度m/s Dp：岩屑的直径cm p：岩屑的密度g/cm3 ：钻井液密度g/cm3 f：阻力系数 岩屑的最低上返速度 %50 a sa V VV K 井壁稳定理论 在地壳里，三个可能的应力图 S-Pf=1 3 1 S-Pf= 3 1 S-Pf=3 2 激动压力 泥浆的失水和造壁性 失水过程 失水过程 泥浆失水与造饼性与钻井的关系 对失水和泥饼的要求： 失水和造壁性的调节 钻井液体系的分类 分

8、散钻井液体系 分散钻井液体系 钙处理泥浆 钙处理泥浆 盐水钻井液 盐水钻井液 钾基钻井液体系 不分散聚合物钻井液体系 不分散聚合物钻井液体系 聚合物的主要作用机理 聚合物的主要作用机理 聚合物的主要作用机理 聚合物的主要作用机理 典型的聚合物泥浆体系 两性复合离子聚合物 两性复合离子聚合物 两性复合离子聚合物 主要用作： 聚合物的失水控制 聚合物的提粘剂 聚合物的防塌作用 聚合物的絮凝作用 泥浆组成和性能对钻速的影响 泥浆组成和性能对钻速的影响 泥浆组成和性能对钻速的影响 泥浆组成和性能对钻速的影响 固相的分类 有害固相对钻井所带来的不利 影响 清除泥浆固相的方法 钻井液中的重要处理剂 钻井液加重计算 2 02 )( w w w V G PH值 降失水剂