钻井液与完井液化学

1、第一篇第一篇 钻井化学钻井化学 钻井化学是油田化学的一部分。钻井化学是油田化学的一部分。 钻井化学是钻井工程学与化学之间的边缘科学。钻井化学是钻井工程学与化学之间的边缘科学。钻井化学是研究如何用化学方法解决钻井和固井过程中遇到的问题。钻井化学是研究如何用化学方法解决钻井和固井过程中遇到的问题。 由于钻井过程和固井过程中遇到的问题主要来自钻井液和水泥浆，由于钻井过程和固井过程中遇到的问题主要来自钻井液和水泥浆，因此钻井化学可分为钻井液化学和水泥浆化学。因此钻井化学可分为钻井液化学和水泥浆化学。 钻井液化学钻井液化学是通过研究钻井液的组成、性能及其控制与调整，达到优是通过研究钻井液的组成、性能及其

2、控制与调整，达到优质、快速、安全、经济地钻井的目的。在钻井液性能的控制与调整中，化质、快速、安全、经济地钻井的目的。在钻井液性能的控制与调整中，化学法是重要的方法。为了掌握这一方法，必须了解各种钻井液处理剂的类学法是重要的方法。为了掌握这一方法，必须了解各种钻井液处理剂的类型、结构、性能及其作用机理，这是钻井液化学的主要组成部分。型、结构、性能及其作用机理，这是钻井液化学的主要组成部分。 水泥浆化学水泥浆化学是通过研究水泥浆的组成、性能及其控制与调整，达是通过研究水泥浆的组成、性能及其控制与调整，达到封隔漏失层、复杂地层和保护产层、套管的目的。因此，水泥浆外到封隔漏失层、复杂地层和保护产层、套

3、管的目的。因此，水泥浆外加剂和外掺料的类型、结构、性能及其作用机理成为水泥浆化学的主加剂和外掺料的类型、结构、性能及其作用机理成为水泥浆化学的主要组成部分。要组成部分。粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿物，粘土矿物的结构和基本特性与钻井液的性能及其控制与调整密切物，粘土矿物的结构和基本特性与钻井液的性能及其控制与调整密切相关，所以在学习钻井液化学之前，应对粘土矿物的结构和基本特性相关，所以在学习钻井液化学之前，应对粘土矿物的结构和基本特性有一个基本了解。因此，在本篇中，将粘土矿物编成一章，而钻井液有一个基本了解。因此，在本篇中，

4、将粘土矿物编成一章，而钻井液化学和水泥浆化学分别编成另外两章。化学和水泥浆化学分别编成另外两章。1.1 钻井液的功用、类型和组成 1.2 钻井液性能及其测试 1.3 钻井液技术的发展概况 第一章第一章 钻井液化钻井液化学学第一节第一节 钻井液概钻井液概论论钻井液钻井液(Drilling Fluids)是指油气钻井过程中以其多种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。钻井液又称钻井泥浆称钻井泥浆(Drilling Muds)，或简称为泥浆，或简称为泥浆(Muds)。 l钻井液的功用钻井液的功用1.1 钻井液的功用、类型

5、和组成钻井液的功用、类型和组成 钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。随着钻井液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。钻井液最基本的功用有以下几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：点：携带和悬浮岩屑；携带和悬浮岩屑；稳定井壁和平衡地层压力；稳定井壁和平衡地层压力；冷却和润滑钻头、钻具；冷却和润滑钻头、钻具；传递水动力；传递水动力；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

6、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；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，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；不影响对地层的评价；钻井液还应对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具钻井液还应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。及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。 1. 分散钻井液（分散钻井液（Dispersed Drilling Fluids） 分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑分散钻井液是指用淡水、膨润土

7、和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂（简称为分散剂）配制成的水基钻井起分散作用的处理剂（简称为分散剂）配制成的水基钻井液。其主要特点是：液。其主要特点是：可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液；可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液；容易在井壁上形成较致密的泥饼，故其滤失量一般较低；容易在井壁上形成较致密的泥饼，故其滤失量一般较低；某些分散钻井液，栲胶、磺化酚醛村脂作为主要处理剂的三磺某些分散钻井液，栲胶、磺化酚醛村脂作为主要处理剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。除抑制性和抗污染能力较差外，还因体系中固相含量高，

8、对提除抑制性和抗污染能力较差外，还因体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。高钻速和保护油气层均有不利的影响。l钻井液的类型钻井液的类型2. 钙处理钻井液（钙处理钻井液（Calcium-treated Drilling Fluids） 钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度（质量浓度）的（质量浓度）的Ca2+和分散剂。和分散剂。Ca2+通过与水化作用很强通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨润土，从而减弱水化的程度。分散剂中的作用是防止润土，从而

9、减弱水化的程度。分散剂中的作用是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态，以保证钻井液具有良好、稳定的性能。状态，以保证钻井液具有良好、稳定的性能。这类钻井液的特点是，抗盐、钙污染的能力较强；并这类钻井液的特点是，抗盐、钙污染的能力较强；并且对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可且对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。气层的损害。 3. 盐水钻井液（盐水钻井液（Saltwater Dril

10、ling Fluids） 盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。在含盐量盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。在含盐量从从1%（Cl-质量浓度为质量浓度为6000mg/L）直至饱和（）直至饱和（Cl-质量浓度质量浓度为为189000mg/L）之前的整个范围内都属于此种类型。盐水）之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。4. 饱和盐水钻井液（饱和盐水钻井液（Saturated Saltwater Drilling Fluids） 是指钻井液中是指钻井液中NaCl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。含量达到

11、饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。 5. 聚合物钻井液（聚合物钻井液（Polymer Drilling Fluids） 聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液。其主要优点表现在：合物作为主处理剂的水基钻井液。其主要优

12、点表现在：钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层的损害程度也较小；的损害程度也较小；剪切稀释特性强。在一定泵排量下，环空流体的粘度、切力较高，剪切稀释特性强。在一定泵排量下，环空流体的粘度、切力较高，因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速；下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速；聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，因此有利于保聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，因此有利于保持井壁稳定。持井壁稳定

13、。6. 钾基聚合物钻井液（钾基聚合物钻井液（Potassium-based Polymer Drilling Fluids） 钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾（或铵、钙）钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，以以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此，存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此，在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。在钻遇泥

14、页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。7. 油基钻井液（油基钻井液（Oil-based Drilling Fluids） 以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液称做油基钻井液。油基钻井液的主要特点是能抗高温，有称做油基钻井液。油基钻井液的主要特点是能抗高温，有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力，润滑性好，并可有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力，润滑性好，并可有效地减轻对油气层的损害等。但另一方面，由于其配制成效地减轻对油气层的损害等。但另一方面，由于其配制成本较高，以及使用时会对环境造成一定污染，因而使其应本较高，以及使用时会对环境造

15、成一定污染，因而使其应用受到一定的限制。用受到一定的限制。 8. 合成基钻井液（合成基钻井液（Synthetic Drilling Fluids） 合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。由于使用无毒并且能够生物降解的非水一类新型钻井液。由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种优良特性，同时又能类钻井液既

16、保持了油基钻井液的各种优良特性，同时又能大大减轻钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适用大大减轻钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适用于海上钻井。于海上钻井。9. 气体型钻井流体气体型钻井流体(Gas-typed Drilling Fluids) 气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下又将气体型钻井流体分为以下4

17、种类型：种类型：空气或天然气钻井流体空气或天然气钻井流体(Air/Natural Gas Drilling Fluids)雾状钻井流体雾状钻井流体(Mist Gas Drilling Fluids)泡沫钻井流体泡沫钻井流体(Foam Drilling Fluids)充气钻井液充气钻井液(Aerated Drilling Fluids)10. 保护油气层的钻井液（保护油气层的钻井液（Drilling-in Fluids） 这是指在储层中钻进时使用的一类钻井液。当一口井这是指在储层中钻进时使用的一类钻井液。当一口井钻达其目的层时，所设计的钻井液不仅应能满足钻井工程钻达其目的层时，所设计的钻井液不仅

18、应能满足钻井工程和地质的要求，而且还应满足保护油气层的需要。比如，和地质的要求，而且还应满足保护油气层的需要。比如，钻井液密度和流变参数应调整至合理范围，滤失量应尽可钻井液密度和流变参数应调整至合理范围，滤失量应尽可能低，所选用的处理剂应与油气层相配伍，以及选用适合能低，所选用的处理剂应与油气层相配伍，以及选用适合的暂堵剂等。的暂堵剂等。l钻井液的组成钻井液的组成图1-1 水基钻井液的典型组成（=1.32g/cm3） 图1-2 油基钻井液的典型组成(=1.32g/cm3)1柴油，0.54；2CaCl2或NaCl，0.04；3水，0.30；4低密度固体（粘土、钻屑、不溶性添加剂等），0.03；5

19、高密度固体，0.09。（以上均是体积分数）钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤（钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤（Mud Balance）测得的，比重秤的外观如图）测得的，比重秤的外观如图1-3所示。测定时，首所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱擦净从先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底部的刀计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底部的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的中央。此时垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的中央。此时游码左侧的刻度即表示所测量钻井液的密度。游码左侧的

20、刻度即表示所测量钻井液的密度。 1.2 钻井液性能及其测试钻井液性能及其测试 l钻井液密度钻井液密度图1-3 钻井液比重秤构造图1秤杆；2主刀口；3泥浆杯；4杯盖；5校正筒；6游码；7底座；8主刀垫；9挡壁 钻井液的流变性（钻井液的流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids）是指钻井液流动和变形的特性。）是指钻井液流动和变形的特性。l钻井液的流变性钻井液的流变性在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差

21、作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性（失性（Filtration Properties of Drilling Fluids）。在液体发）。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼（上形成一层泥饼（Mud Cake）。在钻井液工艺中，通常）。在钻井液工艺中，通常用一个重要参数用一个重要参数滤失量（滤失量（Water Loss or Filtration Rate）来表征钻井液的渗滤速率。）来表征钻井液的渗滤速率。 l钻井液的滤失造壁性钻井

22、液的滤失造壁性1钻井液的钻井液的pH值值 通常用钻井液滤液的通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。值表示钻井液的酸碱性。2钻井液的碱度钻井液的碱度 碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力。碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力。 l钻井液的钻井液的pH值和碱性值和碱性为了建立统一的标准，为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为pH=8.3。在进行滴定的过程中，当。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞值降至该值时，酚酞即由红色变为无色。因此，能够使即由红色变为无

23、色。因此，能够使pH值降至值降至8.3所需的酸量所需的酸量被称做酚酞碱度（被称做酚酞碱度（Phenolphthalein Alkalinity）。钻井液及）。钻井液及其滤液的酚酞碱度分别用符号其滤液的酚酞碱度分别用符号Pm和和Pf表示。表示。甲基橙的变色点为甲基橙的变色点为pH=4.3。当。当pH值降至该值时，甲基值降至该值时，甲基橙由黄色为橙红色，能使橙由黄色为橙红色，能使pH值降至值降至4.3所需的酸量，则被称所需的酸量，则被称做甲基橙碱度（做甲基橙碱度（Methyl Orange Alkalinity）。钻井液及其滤）。钻井液及其滤液的甲基橙碱度分别用符号液的甲基橙碱度分别用符号Mm和和

24、Mf表示。表示。按按API推荐的试验方法，对推荐的试验方法，对Pm、Pf和和Mf分别进行测定。分别进行测定。并规定，以上三种碱度的值，均以滴定并规定，以上三种碱度的值，均以滴定1ml样品（钻井液或样品（钻井液或其滤液）所需其滤液）所需0.02N(0.04M)H2SO4的毫升数来表示，毫升单的毫升数来表示，毫升单位常可省略。位常可省略。测定碱度的另一目的是根据测得的测定碱度的另一目的是根据测得的Pf和和Pm值，确定钻井值，确定钻井液中悬浮固相的储备碱度液中悬浮固相的储备碱度(Reserve Alkalinity)。所谓储备碱。所谓储备碱度，主要是指未溶石灰构成的碱度。度，主要是指未溶石灰构成的碱

25、度。当当pH值降低时，石灰会不断溶解，这样一方面可为钙值降低时，石灰会不断溶解，这样一方面可为钙处理钻井液不断地提供处理钻井液不断地提供Ca2+，另一方面有利于使钻井液的，另一方面有利于使钻井液的pH值保持稳定。钻井液的储备碱度通常用体系中未溶值保持稳定。钻井液的储备碱度通常用体系中未溶Ca(OH)2的含量表示，其计算式为的含量表示，其计算式为 储备碱度（储备碱度（kg/m3）=0.742(Pm-fwPf)式中式中fw钻井液中水的体积分数。钻井液中水的体积分数。 钻井液含砂量是指钻井液中不能通过钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即粒径目筛网，即粒径大于大于74m的砂粒占钻井液总体积

26、的百分数。含砂量过大会对的砂粒占钻井液总体积的百分数。含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：钻井过程造成以下危害：使钻井液密度增大，对提高钻速不利；使钻井液密度增大，对提高钻速不利；使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量；固井质量；泥饼中粗砂含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡泥饼中粗砂含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻；钻；增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。 l钻井液含砂量钻井液含砂量 钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井钻井液固相

27、含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示。液总体积的百分数来表示。1钻井液中固相的类型钻井液中固相的类型 凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，的称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，后者包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除后者包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。可能加以清除的物质。 l钻井液固相含量钻井

28、液固相含量2钻井液固相含量与井下安全的关系钻井液固相含量与井下安全的关系 过高的固相含量往往对井下安全造成很大的危害，其表过高的固相含量往往对井下安全造成很大的危害，其表现主要有以下几个方面：现主要有以下几个方面：使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差；果变差；使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遇阻，容易造成粘附卡钻；致起下钻遇阻，容易造成粘附卡钻；泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常

29、造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌；膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌；钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大；难度明显增大；在钻遇油气层时，由于钻井液固相含量高、滤失量大，还将导在钻遇油气层时，由于钻井液固相含量高、滤失量大，还将导致钻井液侵入油气层的深度增加，降低近井壁地带油气层的渗透致钻井液侵入油气层的深度增加，降低近井壁地带油气层的渗透率，使油气层损害程度增大，产能下降。率，使油气层损害程度增大，产能下降。图1-6 固相含量对钻速、钻头用量和钻机工作日的影响1-钻头用量（个）；2-钻机工作日（天

30、）；3-钻速（ft/d）（1ft=0.3048m）图1-7 固相分散性对钻速的影响1-聚合物不分散体系；2-分散体系（膨润土与低造浆粘土之比均为1:1） 3钻井液固相含量对钻速的影响钻井液固相含量对钻速的影响4. 钻井液固相含量的测定钻井液固相含量的测定 使用钻井液固相含量测定仪，可用蒸馏的方法快速测定使用钻井液固相含量测定仪，可用蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油、水的含量。实验程序如下：钻井液中固相及油、水的含量。实验程序如下： （1）在蒸馏器内注入）在蒸馏器内注入20ml钻井液，将插有加热棒的套筒钻井液，将插有加热棒的套筒连接到蒸馏器上。连接到蒸馏器上。 （2）将蒸馏器的引流管插入冷凝器

31、的孔中，然后将量筒）将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。 （3）接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴）接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需中不再有液体流出时为止。这段时间一般需2030min。 （4）待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀）待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量筒中水、油的体积。钻井液固相含量的质量，并

32、分别读取量筒中水、油的体积。钻井液固相含量的计算式如下：计算式如下： fs=1fwCff0 （1-3）式中式中：fs、fw和和f0分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；分别为钻井液中固相、水和油的体积分数； Cf考虑盐析出而引入的体积校正系数，显然它总考虑盐析出而引入的体积校正系数，显然它总是大于是大于1的无因次常数。在不同盐度下的值可使用表的无因次常数。在不同盐度下的值可使用表1-1查得。查得。密度/gcm-3质量浓度/mg1-1质量分数/%Cf0.99820011.00531005011.0031.01252025021.0061.02684110041.0131.04136250061.

33、0201.05598450081.0281.0707107100101.0361.0857130300121.0451.1009154100141.0541.1162178600161.0651.1319203700181.0751.1478229600201.0871.1640256100221.1001.1804279500241.1131.1972311300261.127表表1-1 20的不同质量浓度的不同质量浓度NaCl水溶液的密度和水溶液的密度和Cf值值 其测定方法是，首先使用亚甲基蓝（其测定方法是，首先使用亚甲基蓝（Methylene Blue）法测出钻井液的阳离子交换容量（法测

34、出钻井液的阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity），再通过计算确定钻井液中膨润土的含量。亚甲），再通过计算确定钻井液中膨润土的含量。亚甲蓝是一种常见染料，在水溶液中电离出有机阳离子和氯离蓝是一种常见染料，在水溶液中电离出有机阳离子和氯离子，其中的有机阳离子很容易与膨润土发生离子交换。其子，其中的有机阳离子很容易与膨润土发生离子交换。其分子式为分子式为C16H18N3SCL3H2O。 l钻井液中膨润土含量钻井液中膨润土含量其试验和计算步骤如下：其试验和计算步骤如下：（1）用不带针头的注射器量取）用不带针头的注射器量取1ml钻井液，放入适当钻井液，放入适当大小的锥形瓶中，

35、加入大小的锥形瓶中，加入10ml水稀释。为消除某些有机处理水稀释。为消除某些有机处理剂的干扰，加入剂的干扰，加入15ml 3%的的H2O2和和0.5ml浓度约为浓度约为5N（10M）的稀的稀H2SO4，缓缓煮沸，缓缓煮沸10min，然后用水稀释，然后用水稀释50 ml。（2）用质量浓度为）用质量浓度为3.74g/l（相当于（相当于0.02M）的亚甲基蓝）的亚甲基蓝标准溶液进行滴定。每滴入标准溶液进行滴定。每滴入0.5ml亚甲基蓝溶液后旋摇亚甲基蓝溶液后旋摇30s，然，然后用搅捧转移一滴液体放在普通滤纸上，观察在染色的钻井后用搅捧转移一滴液体放在普通滤纸上，观察在染色的钻井液固相斑点周围是否出现

36、绿液固相斑点周围是否出现绿-蓝色圈。若无此种色圈，继续滴蓝色圈。若无此种色圈，继续滴入入0.5ml亚甲基蓝溶液，并重复上面的操作。一旦发现绿亚甲基蓝溶液，并重复上面的操作。一旦发现绿-蓝色蓝色圈时，摇荡锥形瓶圈时，摇荡锥形瓶2min，再放，再放1滴在滤纸上，如色圈仍不消失，滴在滤纸上，如色圈仍不消失，表明已达滴定终点。此时，所耗亚甲基蓝溶液的毫升数即为表明已达滴定终点。此时，所耗亚甲基蓝溶液的毫升数即为钻井液的阳离子交换容量，记作钻井液的阳离子交换容量，记作(CEC)m。（3）按下式计算钻井液中的膨润土含量：）按下式计算钻井液中的膨润土含量： fc=14.3(CEC)m （1-4）式中式中fc

37、表示钻井液中的膨润土含量，表示钻井液中的膨润土含量，g/l。如果排成一个时间表，国外钻井液技术的发展大致经历了如果排成一个时间表，国外钻井液技术的发展大致经历了以下几个阶段：以下几个阶段：（1）19141916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用开始使用“泥浆泥浆”。（2）20世纪世纪2060年代，以分散型水基钻井液为主要类年代，以分散型水基钻井液为主要类型的阶段。在这期间，经历了从细分散体系向粗分散体系的转型的阶段。在这期间，经历了从细分散体系向粗分散体系的转变，同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体型钻井流体。其变，同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体

38、型钻井流体。其中有代表性的技术措施包括：中有代表性的技术措施包括：1.3 钻井液技术的发展概况钻井液技术的发展概况 l钻井液技术的发展阶段钻井液技术的发展阶段19211922年，重晶石和氧化铁粉开始用做加重材料。年，重晶石和氧化铁粉开始用做加重材料。1926年，开始使用膨润土作为悬浮剂。年，开始使用膨润土作为悬浮剂。1930年，研制出最早的泥浆处理剂年，研制出最早的泥浆处理剂丹宁酸钠。丹宁酸钠。19311937年，研制出各种泥浆测量仪器，提出了对泥浆性能控制年，研制出各种泥浆测量仪器，提出了对泥浆性能控制的要求。的要求。19441945年，年，Na-CMC（钠羧甲基纤维素）作为降滤失剂，开始（

39、钠羧甲基纤维素）作为降滤失剂，开始应用于钻井液中。应用于钻井液中。1955年，年，FCLS（铁铬木质素磺酸盐）作为降粘剂，开始应用于钻井（铁铬木质素磺酸盐）作为降粘剂，开始应用于钻井液中。液中。从从60年代开始，石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散年代开始，石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散水基钻井液体系开始广泛使用。水基钻井液体系开始广泛使用。 （3）70年代以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的年代以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段。聚合物钻井液是国外水基钻井液发展最迅速的一类，它阶段。聚合物钻井液是国外水基钻井液发展最迅速的一类，它的出现标志着钻井液工艺技术进入

40、了科学的发展阶段。聚合物的出现标志着钻井液工艺技术进入了科学的发展阶段。聚合物钻井液大体上又分为以下几种类型：钻井液大体上又分为以下几种类型：部分水解聚丙烯酰胺体系；部分水解聚丙烯酰胺体系；氯化钾聚合物钻井液体系；氯化钾聚合物钻井液体系；羟乙基纤维素体系；羟乙基纤维素体系；醋酸钾水解聚丙烯酰胺体系；醋酸钾水解聚丙烯酰胺体系；磷酸钾盐非离子型聚合物体系；磷酸钾盐非离子型聚合物体系；聚丙烯与聚乙二醇共聚物（聚丙烯与聚乙二醇共聚物（COP/PPG）体系；）体系；阳离子聚合物体系。阳离子聚合物体系。此外，在这一阶段，油基钻井液体系也有了进一步的发此外，在这一阶段，油基钻井液体系也有了进一步的发展。在抗

41、高温深井钻井液方面，研制出以展。在抗高温深井钻井液方面，研制出以Resinex为代表的抗为代表的抗高温降滤失剂，使深井钻井液技术取得了很大进展。高温降滤失剂，使深井钻井液技术取得了很大进展。90年代以来，随着阳离子聚合物钻井液和正电胶钻井液年代以来，随着阳离子聚合物钻井液和正电胶钻井液的广泛应用，以及其它各种新型钻井液的出现，钻井液技术的广泛应用，以及其它各种新型钻井液的出现，钻井液技术进入了一个更新的发展阶段。进入了一个更新的发展阶段。当前钻井液工艺技术的关键内容大致包括以下方面：当前钻井液工艺技术的关键内容大致包括以下方面：（1）深井高温、高密度钻井液；）深井高温、高密度钻井液；（2）井壁

42、失稳的机理与防塌钻井液；）井壁失稳的机理与防塌钻井液；（3）新型处理剂系列和新型钻井液体系的发展与应用；）新型处理剂系列和新型钻井液体系的发展与应用；（4）大斜度井、大位移井、水平井、多底井和小井眼等）大斜度井、大位移井、水平井、多底井和小井眼等特殊工艺井的钻井液技术；特殊工艺井的钻井液技术；（5）欠平衡钻井液技术；）欠平衡钻井液技术；（6）保护储层的钻井液、完井液；）保护储层的钻井液、完井液；l钻井液技术的关键内容钻井液技术的关键内容（7）钻井液润滑性及防卡、解卡技术；）钻井液润滑性及防卡、解卡技术；（8）钻井液防漏、堵漏技术；）钻井液防漏、堵漏技术；（9）钻井液流变性及其与携岩的关系；）钻

43、井液流变性及其与携岩的关系；（10）钻井液固控技术；）钻井液固控技术；（11）废弃钻井液处理技术和环境可接受钻井液体系的）废弃钻井液处理技术和环境可接受钻井液体系的研究及其应用；研究及其应用；（12）计算机和信息技术在钻井液中的应用。）计算机和信息技术在钻井液中的应用。 1、钻井液强化井壁技术；、钻井液强化井壁技术； 2、复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术；、复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术； 3、新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用；、新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用； 4、废弃钻井液处理技术；、废弃钻井液处理技术； 5、保护油气层技术；、保护油气层技术； 6、

44、计算机的应用。、计算机的应用。l对钻井液新技术发展的预测对钻井液新技术发展的预测2.1 粘土矿物的晶体构造与性质 2.2 粘土胶体化学基础 第二节第二节 粘土矿物和粘土胶体化学基础粘土矿物和粘土胶体化学基础 1. 粘土矿物的分类粘土矿物的分类2.1 粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质 l粘土矿物的分类和化学组成粘土矿物的分类和化学组成 单元晶层单元晶层构造特征构造特征粘土矿物族粘土矿物族粘土矿物粘土矿物1:1高岭石族高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土等高岭石、地开石、珍珠陶土等埃洛族埃洛族埃洛石等埃洛石等2:1蒙皂石族蒙皂石族*蒙脱石、拜来石、囊脱石、蒙脱石、拜来石、囊脱石、皂石、

45、蛭石等皂石、蛭石等水云母族水云母族伊利石、海绿石等伊利石、海绿石等2:2绿泥石族及绿泥石族及其它其它各种绿泥石等各种绿泥石等层链状结构层链状结构海泡石族海泡石族海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石表2-1 粘土矿物的晶体构造分类 粘土矿粘土矿物名称物名称化化 学学 组组 成成SiO2/Al2O3高岭石高岭石Al4Si4O10(OH)8或或2Al2O34SiO24H2O2:1蒙脱石蒙脱石(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2nH2O4:1伊利石伊利石(K,Na,Ca2)m(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4nH2O(式中式中m小于小于1)4:1表2-2 几种主要粘

46、土矿物的化学组成 2. 粘土矿物的化学组成粘土矿物的化学组成 1. 粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元（1）硅氧四面体与硅氧四面体晶片）硅氧四面体与硅氧四面体晶片 l几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造 图2-1 硅氧四面体及四面体晶片示意图a-单个硅氧四面体；b-硅氧四面体晶片（俯视图）；c-硅氧四面体晶片（立体图） （2）铝氧八面体与铝氧八面体晶片）铝氧八面体与铝氧八面体晶片图2-2 铝氧八面体及铝氧八面体晶片构造示意图a-单个铝氧八面体；b-铝氧八面体晶片（俯视图）；c-铝氧八面体晶片（立体图） 2. 几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造

47、 （1）高岭石（）高岭石（Kaolinite） 高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为 Al4Si4O10(OH)8，亦可写做，亦可写做2Al2O34SiO24H2O。 图2-3 高岭石晶体构造示意图 （2）蒙脱石（）蒙脱石（Montmorillonite） 蒙脱石的化学式为：蒙脱石的化学式为：(Al3.34Mg0.66)(Si7.0Al1.0)O20(OH)4图2-4 蒙脱石晶体构造示意图 （3）伊利石（）伊利石（Illite） 伊利石也称为水云母，理论化学式为：伊利石也称为水云母，理论化学式为： (K,Na,Ca2)m(Al,Fe,Mg)4(S

48、i,Al)8O20(OH)4nH2O图2-5 白云母的晶体构造示意图 矿物矿物名称名称晶型晶型晶层晶层间距间距层间引力层间引力阳离子交换容量阳离子交换容量/mmol(100g粘土粘土)-1高岭石高岭石1:17.2氢键力氢键力引力强引力强315蒙脱石蒙脱石2:19.640.0分子间力分子间力引力弱引力弱70130伊利石伊利石2:110.0引力较强引力较强2040表2-3 三种粘土矿物的晶体构造和物理化学性质的特点 （4）绿泥石（）绿泥石（Chlorite） 绿泥石的化学式为：绿泥石的化学式为：2(Si,Al)4(Mg,Fe)3O10(OH)(Mg,Al)6(OH)12图2-6 绿泥石晶体构造示意

49、图 （5）海泡石族）海泡石族海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水铝镁硅海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐。其中包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（又名山软酸盐。其中包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（又名山软木）。木）。图2-7 坡缕缟石晶体构造示意图 （6）混合晶层粘土矿物）混合晶层粘土矿物多种不同类型的粘土矿物晶层堆叠在同一粘土矿物晶体中，多种不同类型的粘土矿物晶层堆叠在同一粘土矿物晶体中，这类矿物称为混合晶层粘土矿物。不同晶层的互相重叠，称为这类矿物称为混合晶层粘土矿物。不同晶层的互相重叠，称为混层结构。混层结构有伊利石和蒙脱石混合层、绿泥石和蛭石混层结构。混层结构有

50、伊利石和蒙脱石混合层、绿泥石和蛭石的混合层结构。一般来说，各晶层的排列次序是无规则的，也的混合层结构。一般来说，各晶层的排列次序是无规则的，也有地方是以同样的次序有规则的重复排列。通常，混合晶层粘有地方是以同样的次序有规则的重复排列。通常，混合晶层粘土矿物晶体在水中比单一粘土矿物晶体更容易分散，也易膨胀，土矿物晶体在水中比单一粘土矿物晶体更容易分散，也易膨胀，特别是当其中一种成分有膨胀性时，更是如此。特别是当其中一种成分有膨胀性时，更是如此。1. 电荷电荷 （1）永久负电荷）永久负电荷 永久负电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用永久负电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的

51、。所产生的。 （2）可变负电荷）可变负电荷 粘土所带电荷的数量随介质的粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变，这种电荷值改变而改变，这种电荷叫做可变负电荷。产生可变负电荷的原因比较复杂，可能有以叫做可变负电荷。产生可变负电荷的原因比较复杂，可能有以下几种原因：在粘土晶体端面上与铝连接的下几种原因：在粘土晶体端面上与铝连接的OH基中的基中的H在碱性在碱性或中性条件下解离；粘土晶体的端面上吸附了或中性条件下解离；粘土晶体的端面上吸附了OH等无机阴离等无机阴离子或吸附了有机阴离子聚电解质等等。子或吸附了有机阴离子聚电解质等等。 l粘土的电性粘土的电性（3）正电荷）正电荷不少研究者指出，当粘土介质

52、的不少研究者指出，当粘土介质的pH值低于值低于9时，粘土晶体时，粘土晶体端面上带正电荷。粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由端面上带正电荷。粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出于裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH，如下式所示：，如下式所示：OHAlHOAl/H/ 2. 粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定粘土的交换性阳离子及阳离子交换容量的测定 （1）粘土的阳离子交换容量）粘土的阳离子交换容量 粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的pH值为值为7的条件的条件下，粘土所能交换下来的阳

53、离子总量，包括交换性盐基和交换下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以性氢。阳离子交换容量以100g粘土所能交换下来的阳离子毫摩粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示，符号为尔数来表示，符号为CEC（Cation Exchange Capacity）。）。 （2）粘土阳离子交换容量的测定）粘土阳离子交换容量的测定 测定粘土阳离子交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸测定粘土阳离子交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋洗法，其基本原理如下：铵淋洗法，其基本原理如下： 淋洗剂为醋酸铵淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，可交换粘土中的，可交换粘土中的Ca2+和和Mg2+等阳

54、等阳离子，其作用可用下图离子，其作用可用下图2-8表示：表示： 图2-8 粘土阳离子交换示意图 3、影响粘土阳离子交换容量大小的因素、影响粘土阳离子交换容量大小的因素 粘土矿物的本性粘土矿物的本性 粘土的分散度粘土的分散度 溶液的酸碱度溶液的酸碱度1、粘土矿物的水分、粘土矿物的水分 结晶水结晶水 吸附水吸附水 自由水自由水2、粘土水化膨胀作用的机理、粘土水化膨胀作用的机理l粘土的水化作用粘土的水化作用（1）表面水化）表面水化表面水化是由粘土晶体表面表面水化是由粘土晶体表面（膨胀性粘土表面包括外表面和内（膨胀性粘土表面包括外表面和内表面）吸附水分子与交换性阳离子表面）吸附水分子与交换性阳离子水化

55、而引起的。水化而引起的。（2）渗透水化）渗透水化图2-9 粘土表面水化示意图 3、影响粘土水化膨胀的因素、影响粘土水化膨胀的因素 （1）因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同。）因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同。 （2）粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。）粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。 （3）因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大）因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别。差别。2.2 粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础1. 关于胶体化学的几个基本概念关于胶体化学的几个基本概念 （1）相和相界面）相和相界面 （2）分散相与分散介质）分散相与分散介质 （3）

56、分散度和比表面）分散度和比表面 如果用如果用S代表总表面积，用代表总表面积，用V表示总体积，用表示总体积，用m表示总质量，表示总质量，则比表面可表示为：则比表面可表示为：S比比=S/V （m-1） (2-1)或或S比比=S/m （m2/kg） (2-2) （4）吸附作用）吸附作用 l概述概述2沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 若胶体粒子为球形，半径为若胶体粒子为球形，半径为r，密度为，密度为，分散介质的密，分散介质的密度为度为0，则下沉的力，则下沉的力F1为：为： 式中，式中，g重力加速度；重力加速度； r粒子半径。粒子半径。g)(r)3/4(F031 若粒子以速度若粒子以速度v下沉，按斯托克斯（

57、下沉，按斯托克斯（Stokes）定律，粒子）定律，粒子下沉时所受的阻力下沉时所受的阻力F2为：为：式中式中介质粘度。介质粘度。 当当F1=F2时，粒子匀速下沉，则：时，粒子匀速下沉，则： 这就是球形质点在介质中的沉降速度公式。这就是球形质点在介质中的沉降速度公式。 r6F2gr)(9/2(023粘土水胶体分散体系中的电动现象粘土水胶体分散体系中的电动现象 （1）电泳）电泳 （2）电渗）电渗4扩散双电层理论与电动电位扩散双电层理论与电动电位 （1）扩散双电层的形成与结构）扩散双电层的形成与结构图2-10 扩散双电层的斯特恩模型 图2-11 粘土层面的双电层示意图 （2）双电层中的电位）双电层中的

58、电位 电动电位（电动电位（电位）电位） 扩散层电位扩散层电位 扩散层电位扩散层电位比较微弱，随距固体表面的距离比较微弱，随距固体表面的距离变化，服从指变化，服从指数关系，即扩散电位（数关系，即扩散电位（）按指数关系下降，如下式：）按指数关系下降，如下式：式中式中扩散层中任一点的电位；扩散层中任一点的电位； 0热力学电位（表面电位）；热力学电位（表面电位）；)Kexp(0 K德拜参数；德拜参数； 1/K离子氛（扩散双电层）的厚度；离子氛（扩散双电层）的厚度； 离开表面的距离。离开表面的距离。 显然，当显然，当1/K时，时， = 0/e （2-3） 由式由式2-3可以看出，在距离可以看出，在距离等

59、于等于1/K处，电位下降为处，电位下降为0的的1/e；当；当时，时，0；当；当等于零时，等于零时，= 0。 （3）影响双电层厚度与电动电位的因素）影响双电层厚度与电动电位的因素 根据强电解质的德拜根据强电解质的德拜-休格理论，双电层的厚度主要取决于休格理论，双电层的厚度主要取决于溶液中电解质的反离子价数与电解质的的浓度，这是因为溶液中电解质的反离子价数与电解质的的浓度，这是因为 （2-4）式中式中:n电解质浓度；电解质浓度； Z电解质的离子价数（系均称电解质，如电解质的离子价数（系均称电解质，如NaCl，MgSO4等）；等）； e电子电荷；电子电荷； 介电常数。介电常数。 2222ykenZK

60、Ty 由式（由式（2-4）可以看出，随着加入电解质浓度的增加，特）可以看出，随着加入电解质浓度的增加，特别是离子价数的升高，离子氛（即扩散双电层）厚度下降。别是离子价数的升高，离子氛（即扩散双电层）厚度下降。 图2-12 电解质浓度对电位的影响 1胶体稳定性的概念胶体稳定性的概念 （1）动力稳定性）动力稳定性 是指在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性质。是指在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性质。 （2）聚结稳定性）聚结稳定性 是指分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。是指分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。2影响动力稳定性的因素影响动力稳定性的因素l粘土水胶体分散体系的稳定性与聚结粘土