常用泥浆材料使用简明手册

中原油田常用泥浆材料简明手册中原油田技术监测中心二0一一年二月目录第一部分 钻井液基础知识TOC\o"1-5"\h\z第一章粘土胶体化学基础 1\o"CurrentDocument"粘土矿物的基本构造单元 1\o"CurrentDocument"高岭石 2\o"CurrentDocument"叶腊石、蒙脱石、伊利石 2\o"CurrentDocument"粘土一水界面双电层 6\o"CurrentDocument"粘土的水化作用 8\o"CurrentDocument"粘土一水悬浮体的稳定性 10\o"CurrentDocument"凝胶 12\o"CurrentDocument"第二章钻井液的性能 13\o"CurrentDocument"钻井液密度 13\o"CurrentDocument"钻井液的流变性 14\o"CurrentDocument"钻井液的滤失性 17钻井液的润滑性能 20\o"CurrentDocument"钻井液的PH值与碱度 23钻井液的抑制性 25\o"CurrentDocument"第三章泥浆处理剂及其作用原理 26\o"CurrentDocument"无机处理剂 26\o"CurrentDocument"有机降粘剂 28\o"CurrentDocument"有机降失水剂 31\o"CurrentDocument"增粘剂 36\o"CurrentDocument"油层保护剂 36\o"CurrentDocument"表面活性剂 37第四章常用的钻井液体系 42\o"CurrentDocument"分散性钻井液 42\o"CurrentDocument"无机盐抑制性钻井液 46\o"CurrentDocument"聚合物钻井液体系 51第五章完井洗井液及腐蚀 57\o"CurrentDocument"钻井液对油气层的不良影响 57\o"CurrentDocument"钻开油气层的洗井液 58封闭液 59\o"CurrentDocument"第六章高温对钻井液性能的影响 61\o"CurrentDocument"高温水基泥浆的主要特点 62\o"CurrentDocument"高温对泥浆中粘土的作用 65\o"CurrentDocument"高温对处理剂及其作用效能的影响 70第二部分常用泥浆材料介绍第一章膨润土类 一、组成 二、分类 三、作用及用途 四、影响膨润土性能的因素 五、简单测试 第二章加重材料 一、重晶石粉一、第三章无机盐类 一、碳酸钠 二、氢氧化钠 三、氢氧化钾KOH 四、氯化钾KCl 五、硅酸钠(Na2SiO3或Na20msiO2) 六、硅酸钾(K2SiO3) 七、氯化钠(NaCl) 八、氯化钙CaCl2 九、氢氧化钙Ca(OH)2 十、生石灰CaO 十-一、石膏CaSO4 十二、重铭酸钠 十三、正电胶MMH 第四章发泡剂消泡剂 一、发泡剂 二、消泡剂 第五章解卡剂 一、粉状解卡剂AD 二、液体解卡剂CN-1 第六章水泥外加剂 一、水泥速凝剂 二、水泥缓凝剂 第七章润滑剂 一、十二烷基磺酸钠 二、皂化油 三、石墨 四、塑料小球 五、bk液体润滑剂 第八章杀菌剂 一、Bd杀菌剂U 第九章堵漏剂 一、瞬间堵漏剂 二、高粘堵漏剂 三、膨胀堵漏王 四、单向膨胀封闭剂 五、海带粉 六、核桃皮 七、云母片 八、石棉 九、锯末 十、混合堵漏剂 第十章絮凝剂包被剂 一、聚丙烯酰胺 二、聚丙烯酸钾 三、PAC—141 四、80A-51 五、FA—367 六、润滑絮凝剂 第十一章增粘降滤失剂 一、竣甲基纤维素钠Na—CMC 二、聚阴离子纤维素PAC 三、羟乙基纤维素HEC 四、竣甲基淀粉CMS 五、羟丙基淀粉HPS 六、抗温淀粉DFD—140 七、黄原胶XC 八、羟丙基瓜尔胶HPC 第十二章降粘降失水剂 一、铁铭木质素磺酸盐FCLS 二、磺化单宁SMT 三、磺化楮胶SMK 四、磺化沥青粉SAS 五、磺化褐煤树脂SPNH 六、磺化酚醛树脂SMP 七、磺化褐煤SMC 八、腐植酸钾KHm 九、阳离子褐煤PMC 十、无荧光润滑防塌剂 十一、水解聚丙烯腈胺盐NH4—PAN 十二、水解聚丙烯腈钠盐Na-PAN 第十三章复合材料 一、广谱护壁剂 二、高粘防塌剂 三、三磺聚合物 钻井液完井液化学是研究钻井液及完井液的配制、组成、性能、维护以及相关化学反应的学科，涉及到粘土矿物学、表面化学、高分子材料、石油工程等相关学科，它是一门涉及多个领域的边缘科学、实验科学、工程科学。钻井液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。钻井液又称为钻井泥浆，或简称泥浆。钻井液的循环是通过泥浆泵来完成的。从泥浆泵排出的高压钻井液通过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻挺到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑，然后再沿着钻杆与井壁（或套管）形成的环形空间向上流动，在达到地面后经排出管线流入泥浆池，经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环使用。钻井液的种类很多，分类也很复杂，通常把钻井液分为水基泥浆和油基泥浆两大类。水基泥浆是由膨润土、水（或盐水）、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多分散体系；油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体颗粒（有机土、氧化沥青等）、石灰和加重材料等形成的乳状液体系。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、快速钻井中起着越来越重要的作用。钻井液最基本的功能有以下几点：（1）携带和悬浮岩屑。钻井液首要和最基本的功能，就是通过其本身的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻井。在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液中的固相颗粒不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。（2）稳定井壁和平衡地层压力。井壁稳定、井眼规则是实现安全、优质、快速钻井的基本条件。性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。与此同时，在钻井过程中需要不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下负责情况的发生。（3）冷却和润滑钻头、钻具。在钻井过程中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过钻井液不断的循环作用，将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到冷却钻头、钻具，延长其使用寿命。由于钻井液的存在，使钻头和钻具均在液体中旋转，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。（4）传递水动力。钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用这一原理，使钻井液所形成的高压射流对井底产生强大的冲击力，从而显著提高了钻速。使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。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，不影响对地层的评价；此外，钻井液还应该对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面料般或尽蹈减胶獴化学基础粘土作为最基本的配浆材料，其晶体结构和性质对钻井液的性能有十分重要影响；地层中含有大量粘土，井壁稳定、油气层保护均与地层中的粘土矿物类型和特性密切相关。粘土主要由细粒状的具有晶体结构的粘土矿物组成的颗粒聚集体。化学分析表明，粘土中主要含氧化硅、氧化铝、水、少量铁、钾、钠、钙、镁、铝。粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。矿物组成上看，粘土中含有三类矿物：（1）粘土矿物：具有晶体结构，颗粒细，决定粘土的性质。如蒙脱石、高昂岭石；（2）胶体矿物：具有非晶体结构，如蛋白质、氢氧化铝（铁），含量少；（3）非粘土矿物：如长石、云母、石英，具有晶体结构、颗粒粗。1.粘土矿物的基本构造单元.硅氧四面体及四面体片四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心（见图1-1）。由多个硅氧四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四面体片有如下特点：（1）共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下两层氧原子均形成六角环（空心）；（2）在a、b两方向上无限延续。1.1.1.2铝氧八面体和八面体片铝氧八面体：由一个铝和六个氧或氢氧原子团组成，铝位于正八面体中心，氧或氢氧原子团位于六个顶角。（见图1-2）。由多个铝氧八面体在a、b两方向上有序排列组成八面体片。八面体片特点：（1）在a、b二维方向上无限延伸；（2）共有三个层面，铝原子层位于中间；上下两个层面组成六角形（实心）。图1-1硅氧四面体图1-2铝氧八面体1..3层状粘土矿物及分类四面体片和八面体片对称性相似（都是六角对称的），六角环大小相等，他们可以共用顶角氧原子而连接起来，组成层状粘土矿物的晶层，晶层在C轴方向上的有序排列就构成层状粘土矿物。根据四面体片和八面体片的数量可把层状粘土矿物分为：（1）1:1型：一片四面体片和一片八面体片通过共用顶角氧形成晶层，如高岭石。（2）2:1型：两片四面体片和一片八面体片形成晶层，如叶腊石、蒙脱石。（3）2:1:1型：2:1型晶层再结合一片水镁石片（三八面体）形成晶层，如绿泥石。高岭石高岭石是1:1型的层状粘土矿物，其晶体构造见图1-3。晶层面一层是氧，另一层是氢氧原子团。所谓晶层是指在C轴方向上能重复再现的最小单位，而把晶层内重复再现的最小单位成为单位晶胞，图1-3就是高岭石的单位晶胞示意图，其面积为XA2。图1-3高岭石晶体结构示意图C轴间距：晶层中某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离，单位为A。高岭石的片状结构中，一面为OH,另一面为O,晶层之间能形成氢键，故晶层间联接力有氢键力和范德华力，晶层间联接力强，水分子不能进入晶层间。从高岭石的单位晶胞来看，高岭石是电中性。叶腊石、蒙脱石、伊利石叶腊石叶腊石是2:1型层状粘土矿物，单位晶胞见图1-4。叶腊石是2:1型层状粘土矿物的原状矿物，是电中性的。其中的八面体片为二八面体片，若换成三八面体片，则变为滑石的结构。叶腊石晶层的上下两个晶面全是氧原子，晶层间联接力仅有范氏引力，晶层间联接力弱，水分子能进入晶层之间。图1-4叶蜡石的晶体结构蒙脱石、伊利石（1）共同点①蒙脱石、伊利石都是2:1型层状粘土矿物。②晶层中均存在晶格取代。晶格取代：占据晶格点阵位置的原子或离子被其他原子或离子取代而晶格点阵保持不变的现象。例：八面体中部分A13+被Mg2+取代，四面体中部分Si4+被A13+取代。（2）区别①晶格取代的位置及程度不同。蒙脱石晶格取代主要发生于八面体片中，A13+被Mg2+取代；伊利石晶格取代主要发生于四面体片中，S14+被A13+取代；伊利石晶格取代程度较蒙脱石强，多1〜倍。②补偿阳离子不同。由于晶格取代的存在，使晶层表面带负电，为维持电中性，在晶层表面吸附有阳离子，这些阳离子称为补偿阳离子。蒙脱石的补偿阳离子大多是Na+、Ca2+，有时是K+、Li+；伊利石的补偿阳离子全是K+。③晶层间联接力不同蒙脱石晶层间联接力是范氏引力，很弱，水分子易进入晶层之间；而伊利石晶层间联接力是范氏引力和K+嵌力。K+嵌力是这样形成的：未水化K+尺寸与六角环直径相近，嵌入两个相邻晶层的六角形之间，把两晶层联接起来。K+的嵌入是在其形成过程中完成的。即使是钾蒙脱石，晶层间联接力也较伊利石弱得多。其原因是K蒙脱石中KE水化，其直径远大于六角环尺寸，无此K嵌力。表1-1三种常见粘土彳矿物的主要特点粘土矿物化学组成结晶型C-间距晶层间引力膨胀量/%高岭石A12[Si2O5][OH]41:1A强<5蒙脱石(A12Mg)(Si401cl)(OH)2,nH2O2:1〜A弱90~100伊利石(K,Na,Ca2)(A1,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)・nH2O2:1A较强粘土一水界面双电层电泳、电渗1809年莱斯观察到水中的粘土颗粒在电场作用下向阳极运动，水向阴极运动。通常把在电场作用下，分散相微粒向某一电极运动的现象成为电泳。把在电场作用下，液体向某一电极运动的现象成为电渗。电泳和电渗现象表明：粘土（胶粒）和水（分散介质）都带电，且电性相反。扩散双电层理论既然胶体粒子带电，在它周围必然分布着电荷相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，不能远离固面，另方面由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的趋势，这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在胶粒周围，形成双电层。见图1-5。扩散双电层：从固体表面到过剩正电荷为0的部分，由两部分组成：图1-5扩散双电层示意图吸附层：固体表面紧密吸附的反离子和水分子所组成的部分。扩散层：反离子和水分子吸附的力较弱。吸附层和扩散层的分界面称为滑动面。固体运动时带着吸附层一起运动。从固体表面到均匀液相的电势降称为表面电势也0；从滑动面到均匀液相的电势降称为目一电势。 °从扩散双电层的物理图象出发，根据电荷的分布规律，可以导出电动方程：式中：目一伏；n一介质粘度，牛顿•秒/米2,1牛顿•秒/米2=10泊=1000厘泊；u一电泳速度米/秒；£一介电常数，£=£Er,E=X10-12库仑2牛顿-1米-2；E—电场强度伏/米 0 0粘土颗粒表面的双电层片状的粘土颗粒表面可分为晶层平表面（用F表示）和端表面（用E表示）。粘土颗粒晶层平面的双电层与粘土种类有关。对蒙脱石和伊利石而言，平表面电荷主要来源于晶格取代，负电荷集中于晶层平面，电荷的多少由晶格取代的程度决定，因此晶层平表面是负电型的恒表面电荷型双电层。高岭石来讲，由于没有晶格取代，平表面的电荷来源于表面的OH的电离和吸附定势离子，其平表面带负的恒表面电势型双电层。粘土颗粒端面的双电层与平表面明显不同。端表面的产生是四面体片和八面体片断裂而形成，因此端表面裸露有A1—O和Si—O结构。故可以由氧化硅和氧化铝的性质推断端表面的双电层。由胶体化学可知，氧化硅溶胶和氧化铝溶胶有如下特点：(1)氧化硅和氧化铝胶粒表面的双电层由带吸附定势离子产生，是恒表面电势型双电层；(2)氧化铝胶粒：在酸性条件下带正电，在减性条件下带负电；(3)氧化硅胶粒：一般带负电，但可吸附少量Al3+而带正电；粘土悬浮体中有少量溶解Al3+，且裸露Al—O结构的机会较多，故粘土颗粒端表面是恒表面电势型双电层，其电性取决于介质pH，酸性或中性带正电，碱性下带负电。许多实验支持端面带正电的概念。实验测得高岭石等电点pH=；粘土在酸性条件下有一定的阴离子交换容量；Thiessen发现负电性的金溶胶选择性地吸附在粘土颗粒的端表面。需要指出的是，泥浆一般是碱性环境，端表面带负电；平表面的双电层占绝对优势。电解质对双电层的压缩作用电泳实验表明，胶体中的电解质浓度越高，电泳速度越慢，即已电位越小，这就是电解质对双电层的压缩作用。压缩程度与反离子浓度和价数有关：反离子价数约高，压缩增强；反离子浓度越大，压缩增越利害。当电解质的浓度增大到一定值时，目电势为0(电泳速度为0)，该状态称为等电点。图1-6电解质对扩散双电层的压缩作用对于因电离或吸附定势离子形成的双电层，随着电解质浓度增加，目电位变小，双电层变薄，但其表面电势保持不变，这种双电层成为恒表面电势型双电层。对于因晶格取代所形成的双电层，表面电荷多少取决于晶格取代的程度，与溶液中的电解质无关，随着电解质浓度增加，目电位变小，双电层变薄，但其表面电荷保持不变，表面电势下降(导致已电位更快的降低)，故称其为恒表面电荷型双电层,该种双电层更易被压缩。1.1.4.5离子交换吸附离子交换吸附是指一种离子被吸附的同时，从吸附剂表面顶替出等当量的带相同电荷的离子的过程。它有如下特点：同电性离子等当量交换；离子交换吸附是动态过程(可逆过程)；离子交换吸附速度较慢。除离子交换树脂具有离子交换吸附的特性外，粘土颗粒表面也具有离子交换吸附的特性。粘土晶层平表面吸附的补偿阳离子可部分或全部被水中的其它阳离子所交换。例如，钠蒙脱石表面的Na+可全部被水中的Ca2+所交换；高岭石表面的H+可被水中的Na+交换下来。离子交换吸附遵守如下规则：(1)带正电的吸附剂交换吸附负离子；带负电的吸附剂交换吸附阳离子。(2)阳离子价数越高，吸附能力越强。(3)对同价阳离子：离子的水化能力越低或水化半径越小，吸附能力越强。常见阳离子在粘土上吸附能力有如下顺序：Li+<Na+<K+<NH+<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+4 一注意：NH+水化能力弱(72千克/mol),且是多原子离子，吸附能力较强；H+水化很差，4体积特别小，吸附能力比Fe3+、Al3+均强，故泥浆pH对泥浆性能影响很大。粘土的水化作用粘土颗粒表面或晶层表面吸附水分子，使C一轴间距增大，产生体积膨胀以致分散的现象称为水化作用。粘土的水化作用包含水化膨胀和水化分散两个方面。粘土表面吸水原因(1)粘土颗粒表面直接吸附水分子。粘土颗粒与分散介质水之间存在着界面，根据能量最低原则，粘土颗粒表面必然要吸附水分子，以最大限度地降低体系的表面能。从力的角度看，粘土表面与水分子之间有氢键力和范德华力，故水分子可自动浓集于粘土表面。(2)粘土颗粒表面间接吸附水分子。粘土表面吸附有补偿阳离子，补偿阳离子的水化作用给粘土带来水化膜。粘土的水化膨胀机理粘土的水化膨胀可分为两个阶段：第一个阶段是表面水化(干的粘土颗粒表面吸附两层水分子)；第二个阶段是渗透水化，粘土表面吸附两层水分子后存在自由水，补偿阳离子进入自由水中形成双电层，发生渗透膨胀。(1)表面水化能引起的膨胀一颗粒间的短程相互作用此阶段粘土晶层表面吸附两层水分子，晶层之间共有4层水分子。粘土的吸水等温线和

C一间距的对比研究表明：当P/%二时，表面吸附满2层水分子；当P/P0>时，粘土中已有自由水存在。 ° °表面水化所吸附的水与一般的水不同。由于其与粘土表面吸附力很强，具有固态水的性质，故又把它称为强结合水、结晶水、固态水，它具有一定粘弹性和高抗剪切强度，密度约为1.3g/cm3。表面水化的动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补偿阳离子吸附水分子所放出的能量。层间联接粘土颗粒外表面总是已经表面水化的。当E>E层间联接，水分子进入晶层间，能在晶层间进行表面水化；当E<Eii「水分子不进入晶层之间，不能在晶层间进行表面水化，仅在颗粒外表面进行。水层间联接前人的研究表明，表面水化引起的膨胀体积约为75〜100%，膨胀压力在几十〜4000atm。膨胀压力是指保持粘土遇水不膨胀所须的外压。OlpHen指出：挤出粘土表面最后两层水分子所需压力在2000〜4000atm之间；前苏联测得：第一层水分子产生的膨胀压力约为4850atm。（2）渗透水化引起的膨胀一颗粒间的长程相互作用当粘土晶层表面吸满两层水分子后，体系中存在自由水，粘土表面吸附的补偿阳离子离开粘土表面进入水中形成扩散双电层。由于双电层的排斥作用使粘土体积进一步膨胀。由于它的作用距离较远，故又称为颗粒间的长程相互作用。渗透水化吸附的水与粘土表面的结合力较弱，故把这部分水称为弱结合水、渗透水。渗透水化引起的体积膨胀很大，可使粘土体积增大8〜20倍，但渗透水化引起的膨胀压力较小，一般在几十〜范围。因此地层中的粘土一般是未渗透水化的，当钻开地层形成井眼时，泥页岩与泥浆中的水接触有发生渗透水化的趋势。（3）影响粘土水化膨胀的因素矿物本性对粘土的水化膨胀强弱起决定性的影响。蒙脱石晶层间联接力仅有范德华力（弱），不足以抗衡粘土的水化能，因此能在蒙脱石晶层及颗粒外表面进行水化作用，蒙脱石吸水膨胀性强。对伊利石而言，水化作用不能在晶层间进行，只能在颗粒外表面进行，吸水膨胀性弱，其原因是伊利石晶层之间联接很紧。晶层之间存在K+嵌力；此外伊利石的晶格取代强，晶层表面电荷密度大，且负电荷中心更靠近K+，晶层之间静电引力很强。高岭石晶层之间的联接力是氢键和范德华引力，其联结力足以抗衡表面水化能，水化仅在高岭石颗粒外表面进行，其吸水膨胀性差。补偿阳离子的类型对粘土的水化作用也有重要的影响。补偿阳离子的水化能越大，粘土水化膨胀性越强。例如，Na+水化能为97千卡/摩耳，K+水化能为77千卡/摩耳，因此钠蒙脱石的水化膨胀性强于钾蒙脱石。粘土表扩散双电层厚度不同，粘土的水化膨胀性相差很大。扩散双电层越厚，水化膨胀性越强。例如，Na+水化能97千卡/摩耳；Ca2+水化能377千卡/摩耳，钠蒙脱石C一间距可达40A；而钙蒙脱石C一间距最大为17A,钠蒙脱石的水化膨胀性强于钙蒙脱石。介质pH及含盐量对粘土的水化膨胀有明显影响。介质pH越高，粘土表面的目电位越大，粘土的水化膨胀性增强；介质含盐量越大，或盐的阳离子价数越大，由于盐对粘土表面双电层的压缩作用使吕电位降低，从而导致粘土的水化作用减弱。粘土的水化分散粘土的水化分散是指粘土颗粒因水化作用分散成更小颗粒的现象。粘土的水化分散与能力粘土矿物种类（水化膨胀能力）和胶结强度有关。粘土吸水膨胀越强，它的水化分散能力越强，在水中颗粒越细。粘土颗粒间胶结越强，水化分散越弱。实验表明，蒙脱石可分散到单个晶层的厚度；其水化分散很好，因此把蒙脱石含量高的粘土称为膨润土，膨润土被广泛用来配制钻井液。粘土的阳离子交换容量粘土晶层平表面吸附有补偿阳离子，部分补偿阳离子可被水中其它的阳离子交换下来（交换性阳离子），可交换阳离子总量即为阳离子交换容量，一般把每100克干粘土所含可交换阳离子的总量定义为阳离子交换容量，用CEC表示，单位为毫克当量/100克土。粘土的阳离子交换容量主要与粘土矿物种类有关。蒙脱石是膨胀性粘土，水能进入所有晶层之间，几乎所有补偿阳离子均可交换，CEC高达90〜100毫克当量/100克土；尽管伊利石补偿阳离子总量较蒙脱石多，但水不能进入晶层之间，仅颗粒外表面的阳离子是可交换的，CEC较蒙脱石低的多，一般在10~40毫克当量/100克土；高岭石无晶格取代，补偿阳离子很少，CEC很低，仅3~5毫克当量/100克土。此外，粘土颗粒大小和介质pH对粘土的阳离子交换容量也有一定影响。测定粘土阳离子交换容量的方法很多，其中之一是用亚甲基兰（染料）交换粘土的补偿阳离子，即称为亚甲基兰法。亚甲基兰化学式为C16H1F3SC1-3H,，亚甲基兰有机阳离子在水中呈蓝色，它与粘土晶片亲合力很强，能将粘土颗粒外表面所有补偿阳离子交换下来。在吸附达饱和之前，补偿阳离子未被完全交换出来，此时溶液中不存在游离的染色离子，在滤纸上的渗透液无色；只有当粘土吸附亚甲基兰达饱和后，溶液中才有游离的亚甲基兰，此时滴在滤纸上渗透液呈蓝色，根据吸附达饱和时所耗亚甲基兰量即可计算出粘土的阳离子交换容量：测定时，由于吸附速度慢，在搅拌情况下需经1~2min才能保证吸附完全进行。一般，钙膨润土的CEC为70mg当量/100g土。根据这一经验（统计）值，亚甲基兰法通常用来测定泥浆中的膨润土含量。粘土一水悬浮体的稳定性沉降稳定性和聚结稳定性沉降稳定性：在重力作用下分散相颗粒（粘土颗粒）是否容易下沉的性质。用沉降速度来衡量。沉降速度慢，沉降稳定性越好；沉降速度快，沉降稳定性越差；泥浆的沉降稳定性用沉降稳定计来测定。泥浆在稳定计中静置24h后，测定上下部分泥浆的密度P上和P下，（p下-P上）越小，沉降稳定性越好。一般地说，P下-P上〈时，泥浆沉降稳定性好。分散相颗粒（粘土颗粒）是否容易聚结变大（降低分散度）的性质称为聚结稳定性。聚结速度越低，聚结稳定性越好。影响沉降稳定性的因素设分散相为球形，半径R、密度P，下沉速度u,分散介质密度P、粘度n,分散相在介质中的重力，分散相下沉所受阻力。下沉速度越大，阻力f越大，故粒子在介质中下沉时会很快变成等速下沉。当P=f时，分散相匀速下沉，其速度（沉降速度）为u：上式称为STOCKS定律。由此式可见，影响沉降稳定性的因素有三：分散相颗粒的尺寸，分散相越粗，沉降稳定性急剧下降；分散相与分散介质的密度差，密度差越大，沉降稳定性越差；分散介质的粘度，分散介质的粘度越高，沉降稳定性越好。需要指出，在泥浆、水泥浆中STOCKES定律不能定量使用，但能定性分析，原因是体系中粒子之间能形成结构，而推导公式时曾假设粒子之间无相互作用；STOCKES定律仅适用于球形粒子，对非球形粒子，可采用等效半径；一般地，悬浮体的沉降稳定性差，胶体体系的沉降稳定性好。影响聚结稳定性的因素在粘土-水分散体系中，粘土颗粒的分散与聚结相互转化。聚结稳定性主要取决于粘土颗粒相互接近时吸力和斥力的相对大小。如果吸力大于斥力，则发生聚集；如果斥力大于吸力，则保持稳定，这就是DLVO理论的基本观点。（1）阻碍胶粒聚结的因素：双电层排斥力如前所述，粘土颗粒周围存在扩散双电层，当粘土颗粒相互接近时，随着颗粒一起运动的仅是吸附层中的反离子，这样，粘土粒子呈负电（具有目电位），目电位越大，颗粒之间的斥力越大，越难以聚结合并。双电层排斥能大小可表示为：式中：k-1一双电层厚度；d一颗粒间距离双电层排斥力与介质中的电解质浓度有关，电解质浓度增加，V变小。此外，在粘土颗粒表面吸附有水化膜，这种水化膜具有很高的粘度和弹性，能构成阻碍胶粒聚结的机械阻力。（2）引起粘粒聚结的因素：范德华引力无论是粘土-水溶胶或是其它胶体，它们的颗粒会聚结合并，这一事实说明，颗粒之间存在着在数量上足以和双电层排斥力相抗衡的吸力，这就是范德华引力。分子间的范德华引力很小，其吸引力与距离的六次方成反比，随分子间的距离增大而急剧降低，作用范围很小（一般是几个A）。但范德华引力具有加和性，粘粒间的范德华引力是许多分子间引力的总和，其大小与颗粒间距离的三次方成反比，作用的范围较大，吸引能与距离的二次方成反比：式中：A为常数（与电解质无关）。粘粒间的范德华引力有如下特点：V与d的平方成反比，且与介质中的电解质浓度无关。（3）净势能曲线以颗粒间的排斥能（为Vr）正，吸引能（V）为负，净势能（V）定义为：V=V-VRA典型的净势能曲线见图1-7。图1-7净势能曲线其中虚线表示溶剂化层的阻碍和Bonn斥力（粘土晶格突出点的阻碍）；在低电解质浓度下，能峰高，聚结状态不容易达到，胶体稳定性好；在中等电解质浓度，能峰较低，聚结稳定性较差；而在高电解质浓度，无能峰，吸引力占绝对优势，聚结稳定性很差。（4）电解质对粘土悬浮体的聚结作用随着介质中电解质浓度增大，粘土表面的目电位和双电层厚度均降低，V下降，斥能峰降低，稳定性变差，甚至产生沉淀。我们把溶胶开始明显聚沉所需电解质的最低浓度称为聚结值（聚沉值），用r表示，而把溶胶开始明显聚沉时的吕电位临界昌电位。r越小，电解质的聚结能力越强，或者说溶胶的聚结稳定性越差。 C根据大量的实验研究总结出如下聚结规律：叔采-哈迪规则：对溶胶起聚结作用的是反离子；反离子价数越高，聚结能力越强；r与反离子价数的六此方成反比：r:r:r=1:（1/2）6：（1/3）6=100::（理论值） °C+C2+ C3+同价反离子的聚结能力也有差异，水化越强，聚结能力越弱（感胶离子序）：Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+<H+ Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+（5）粘土颗粒的联结方式图1-8粘土颗粒的联结方式当粘土颗粒发生聚结时，由于其具有片状结构，存在平表面和蔼端表面，同一泥浆体系中可能同时存在三种联结方式（上左图），只是各种联结的强度和多少不同程度。右图是泥浆中多个粘土颗粒联结的情况，该结构通常被称为粘土颗粒之间的卡片房子结构。凝胶凝胶是指分散相粒子相互联结（形成空间网架结构），分散介质充填于网架结构的空隙中形成的体系。如豆腐、钻井液。凝胶具有如下特点：分散相和分散介质均处于连续状态；体系具有一定屈服强度，具有半固体的性质。形成凝胶的条件是分散相颗粒浓度足够大，所需浓度与颗粒形状有关。对球形粒子，颗粒浓度为％（体积）时就能够形成凝胶；颗粒形状不规则，所需浓度越小。对粘土悬浮体，由于其形状极不规则，形成凝胶所须粘土浓度为1~2%（体积）。因此，钻井液具有凝胶的某些特性，如具有屈服值和静切力。影响粘土凝胶强度的因素：（1）单位体积中双丁链环的数目：与粘土含量及其分散度有关。粘土含量越多或者及其分散度越高，粘土凝胶强度越大；（2）单个链环的强度：它取决于边一面联接和边一边联结的强度，吸力胜过斥力越多，联接越强；粘土悬浮体中电解质浓度越高，吸力胜过斥力越多。第一章钻井液的性能钻井液的常规性能包括密度、流变性（马氏漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力等）、滤失特性（API滤失量、HTHP滤失量、泥饼质量）、pH值和碱度及润滑性能等。本节主要介绍钻井液密度、滤失性、流变性和酸碱度及润滑性能的概念和一般的调整方法。钻井液密度对钻井液密度的要求钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量，其单位常用kg/m3（或g/cm3）表示。钻井液密度主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力，确保安全钻井。同时亦用来平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。钻井液密度必须满足地质和工程的要求。如果密度过高，会引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题，而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，有时还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降等。调整钻井液密度的方法加入各种加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。在加重之前，应调整好钻井液的各种性能，特别是要严格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前钻井液的固相含量应越低，粘度、切力亦应越低。此外，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法，如NaCl可将钻井液密度提高到1.20g/cm3左右。降低钻井液密度的方法有以下几种：（1）用机械和化学絮凝的方法清除固相，降低钻井液的固相含量；（2）加水稀释，但有时会增加处理剂的用量和费用；（3）混油，但会使钻井液成本增加，且影响地质录井；（4）钻低压油层时可选用充气钻井液等。钻井液的常用加重材料有以下几种：（1）重晶石粉。这是一种以BaSO为主要成分的天然矿石，经过加工后而制成的灰白色粉末状产品。密度约为cm3,它是目前应用最广泛的一种钻井液加重材料。（2）石灰石粉。其主要成分为CaCO,密度为〜cm3。易与盐酸等无机酸发生反应，生成CO、HO和可溶性盐，因而适用于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损害。（3）钛铁矿粉和铁矿粉。前者的主要成分为TO-FeO,密度〜5.1g/cm3；后者的主要成分为FeO,密度〜5.3g/cm3。均为棕红或黑褐色粉末。因其密度大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液。且由于它们均具有酸溶性，因此可应用于需进行酸化的产层。（4）方铅矿粉。这是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达7.5g/cm3,可用于配制密度大于2.3g/cm3的超高密度钻井液。由于该加重材料的成本高，货源少，一般只限于在地层孔隙压力极高的特殊井中使用。钻井液的流变性钻井液流动和变形的特性称为其流变性，其中流动性是主要的。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题时起着十分重要的作用：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁。（2）悬浮岩屑和重晶石。（3）合理地确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥钻头水马力的作用，提高机械钻速。（4）减轻钻井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止井漏和井塌等事故的发生。（5）有效地发挥固控设备的效能。（6）防止气侵。因此，钻井液流变性与安全、快速钻井密切相关，对钻井液的流变参数进行有效的控制、优选和调整已成为当今钻井液工艺技术的重要组成部分。常用的钻井液流变模式长期以来，宾汉（Bingham）模式和幕律模式一直作为最常用的两种钻井液流变模式而被广泛应用。宾汉模式用于描述塑性流体的流变性，其数学表达式为：式中：两个流变参数一塑性粘度匕和动切力（或称屈服值）\分别由以下两式确

(mPaes)(Pa)=9600i300(mPaes)(Pa)T0=(9300-)。600、。300分别为当旋转粘度计转速为600和300rpm时，刻度盘读数。幕律模式用于描述假塑性流体的流变性，其数学表达式为：式中：两个流变参数一流性指数n和稠度系数K的计算式如下:（mPa・sn）近年来，卡森（Casson）模式也越来越广泛地用来描述钻井液的流变性。卡森模式的数学表达式为：式中：二一一卡森动切力（或称卡森屈服值），Pa；——极限高剪速率下的粘度,mPa-s将上式中每一项分别除以，可得卡森模式的另一形式:式中：n为某一剪切速率下的有效粘度。卡森方程中两个流变参数的物理意义是：t表示钻井液内可供拆散的结构强度，该值一般低于宾汉动切力，而与初始静切力较接近；表示体系的内摩擦作用强度，常用以近似表示钻井液在钻头水眼处紊流状态下的流动阻力，俗称极限高剪粘度或水眼粘度。t和n^同样使用范氏旋转粘度计测得，测量时的转速一般选用600和100rpm（分别相当于剪切速率1022和。其计算式如下：卡森模式的另一特性参数是剪切稀释指数I，它反映钻井液剪切稀释性能的强弱，可用下式求得： m除以上流变参数外，表征钻井液流变性的其它参数还有漏斗粘度（s）、表观粘度（mP-s）、静切力（Pa）以及动塑比（动切力与塑性粘度的比值Pa/mPa-s）等。表观粘度是剪切应力与剪切速率的比值，它的一般计算式为：式中：为表观粘度；N是转速，rpm；9表示转速为N时的粘度计读数。在不同剪切速率下， 有不同的数值。一般，剪切速率增加，泥浆中的结构被拆散越多，钻井液的表观粘度下降，这种性质称为剪切稀释特性。但通常所指的，是当N=600rpm时的测得值，即：静切力（又称切力或凝胶强度），是使钻井液开始流动所需的最低切应力一般用ts表示。测量t时，先将钻井液充分搅拌（600rpm下搅拌1min）,然后分别测量静置10s后和101^9后在3rpm下粘度计的读数。前者称为初切，后者称为终切。测定初切和终切的目的是用两者的差值表示钻井液触变性的大小。触变性是指泥浆搅拌后变稀，静止后泥浆又变稠的性质。图1-9总结了钻井液的T随时间变化的4种典型情况，曲线3的触变性（t）是我们所期望的，这类钻井液具有初切较低、终切适中的特征，按经验规律，能够悬浮重晶石的最低初始静切力为。图1-9钻井液触变性曲线对钻井液流变性的一般要求钻井液良好的流变性能是通过对流变参数的控制和调整来实现的。在一定条件下，各流变参数的数值必须维持在适宜范围，否则就会引起一系列不良的后果。一般来讲，当钻井液粘度、切力过高时，不仅流动阻力增加，使钻速受到影响，而且还容易出现泥包钻头、脱气困难、压力激动大以及固控设备难以充分发挥其效能等问题。但粘度、切力过低，又容易因井眼净化不良和对井壁的冲刷加剧而导致卡钻、井塌等复杂情况的发生。对于非加重钻井液，的适宜范围为5〜12mPa-s,一般应保持在〜范围内。静切力值过高时会造成开泵困难，甚至憋漏地层；其值过低又直接影响钻并液的悬浮能力，按经验规律，能够悬浮重晶石的最低初始静切力为。此外，为了能够有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比值。根据现场经验和平板型层流流核直径的有关计算，一般将%/保持在mPa・s左右是适宜的。在使用幕律模式时，n值保持在〜之间对维持平板型层流和剪切稀化性能是有利的。K值尚未明确其适宜范围，但原则上应在保证有效携岩的前提下，尽量维持较低的K值，以提高钻速和降低开泵时所需的压力。为了满足喷射钻井的需要，将卡森模式的流变参数保持在以下范围是必要和可能的：二~；=〜*s；n环（环空有效粘度）=20〜30mPa・s；1m=300〜600。流变参数的调整调整宾汉和密律模式流变参数的方法可概括如下：（1）降低。通过合理使用固控设备，加水稀释或化学絮凝等方法。尽量减少固相含量。（2）提高u。加入低造浆率粘土，重品石以及混入原油均可提高，另外增加聚合物浓度使钻井液的滤液粘度提高，也可起到提的作用。（3）降低t。最有效的方法是加入适合于本体系的降粘剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构，如果是因（^2+、Mg2+等污染引起的t升高，则可用化学沉淀方法除去这些离子、此外，适当加水稀释也可起到降t的作用。°（4）提高t。可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量。对于钙处理或盐水钻井液，还可通过适当增加Ca2+、Na+浓度来达到提t的目的。（5）降低n值。增加钻井液中高分子聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系等，均可使n值降低，但是，通过增加膨润土含量和矿化度来降n值，一般来讲不是好的方法，而应优先考虑选用适合于本体系的聚合物来降低n值（改进流型）。试验表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸钙（CPA）等都是非常有效的流型改进剂。（6）降低或提高K值。与前面降低或提高、t值的方法基本相同。钻井液的滤失性 0钻井液的滤失性主要是指其滤液向地层滤失量的大小以及在井壁所形成滤饼的质量。质量好的滤饼一般薄而韧，表现为结构致密，耐冲刷，且摩阻系数小。滤失性也是钻井液一项十分重要的性能，如控制不好将对钻井和地质工作产生多方面不利的影响。一般来讲，滤失量过大常会引起以下不良的后果：（1）损害油气层，降低产能；（2）井壁垮塌，井径不规则，起下钻遇阻；（3）在高渗透性地层形成较厚滤饼，造成压差卡钻；（4）因滤液侵入半径过大，致使测井解释不准，甚至失去发现油气层的机会。2.3.1API滤失量和动滤失量目前测定钻井液常规滤失性能的仪器为如图1-10所示的滤失量测定仪。使用这种仪器，可测出一定条件下钻井液的静滤失量及所形成滤饼的厚度。图1-10常规滤失量测定仪示意图由于钻井液滤液透过滤饼的渗滤过程可近似地用达西定律进行描述，因此其渗滤速率可表示为：式中：——渗滤速率,，——滤饼渗透率，；——渗透面积，——滤饼两边的压差(或称渗滤压力)，Pau——钻井液滤液粘度，pa・s;——滤饼厚度，在渗滤过程的任一时刻，均对应着某一定体积()的钻井液被全部渗滤掉，这部分钻井液中的固相体积等于所形成滤饼的固相体积，即式中：表示钻井液中固相所占的体积分数；表示滤饼中固相所占的体积分数。c上式还可进一步写成：因此，将上式代入，并积分得：上式称为钻井液的静滤失量方程。为了比较不同钻井液的滤失性能，API规定，仪器渗滤面积A=45.8cm2,渗滤时间t=30min,压差选用(100psi)。凡符合上述条件的滤失量可称为标准滤失量，或API滤失量。对于常规滤失量，还规定测试温度为室温。由静滤失量方程可知与成正比。因此，30min滤失量(V)应等于滤失量的两倍。为了节省时间，我们经常只测，然后乘以2得到API滤失量。但应注意，当钻井液的瞬时滤失量V(spurtloss)较大时，V与之间并非简单的两倍关系，此时需用下式由计算钻井液的API滤1失量： 30确定瞬时滤失量的方法是，以Vf对作图。然后将所得直线外推至t=0,由轴截距读取V的值。 fsp上面讨论的滤失量均为钻井液的静滤失量，而实际上井筒内的钻井液总是以一定的环空流速在不断地循环和流动。显然，如果能考虑流速因素，测出钻井液的动滤失量，将具有更为重要的实际意义。然而遗憾的是，钻井液的滤失量受流速和流态的影响较大，难以建立统一的测量标准，并且静、动滤失量之间的关系也难以确定，因此，目前在生产现场仍然用静滤失量表示钻井液的滤失性能。近年来，国内外对动滤失性能开展了大量的研究工作，并研制出各种动滤失量测定装置。2.3.2滤失性能的控制与调整对钻井液滤失性能的一般要求是：(1)在钻井油气层时，应尽最大努力控制滤失量，以减少对油气层的损害，API滤失量应小于5ml,模拟井底温度的HTHP滤失量应小于15ml。(2)钻遇易塌地层时，滤失量需严格控制，API滤失量最好不大于5ml。(3)对一般地层，API滤失量应尽量控制在10ml以内，HTHP滤失量不应超过20ml,但有时可适当放宽，比如易造浆地层滤失量可以大些，某些油基钻井液体系正是通过适当地放宽滤失控制来提高钻井速度。(4)要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于护壁和避免压差卡钻。(5)加强对钻井液滤失性能的检测，正常钻进时，应每4小时测一次常规滤失量。对定向井、丛式井、水平井、深井和复杂井要增测HTHP滤失量和泥饼的润滑性。在钻井液工艺中，控制和调整钻井液滤失性能的关键在于改善泥饼的质量。这里既包括增加滤饼的致密程度、降低其渗透性，同时又包括增强滤饼的抗剪切能力和润滑性。主要调整方法是根据钻井液类型，组成以及所钻地层的情况，选用适合的降滤失剂。钻井液的润滑性能钻井液润滑性的概念钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液自身的润滑性两方面，钻井液和泥饼的摩擦系数是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，得出的结论是：空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数(钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数)，空气为，清水为，柴油为。在配制的三类钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数在~之间；各种水基钻井液的摩阻系数在~之间，如加有油品或各类润滑剂，则可降到以下。从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点：(1)减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命；(2)减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间；(3)能用较小的动力来转动钻具；(4)能防粘卡，防止钻头泥包。对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在左右时可认为是合格的。但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在~范围内，以保持较好的摩阻控制。钻井液润滑性的影响因素在钻井过程中，按摩擦副表面润滑情况，摩擦可分为以下三种情况：(1)边界摩擦：两接触面间有一层极薄的润滑膜，摩擦和磨损不取决润滑剂的粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。有钻井液的情况下，钻挺在井眼中的运动等属边界摩擦。(2)干摩擦(无润滑摩擦)：又称为障碍摩擦，如空气钻井中钻具与岩石的摩擦，或井壁极不规则情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时的摩擦。(3)流体摩擦：由两接触面间流体的粘滞性引起的摩擦。可以认为，钻进过程中的摩擦是混合摩擦，即部分接触面为边界摩擦，另一部分为流体摩擦。在高负荷边界面上，塑性表面的边界摩擦更为突出。在钻井作业中，摩擦系数是两个滑动或静止表面间的相互作用以及润滑剂所起作用的综合体现。钻井作业中的摩擦现象较为复杂，摩阻力的大小不仅与钻井液的润滑性能有关，其影响因素还涉及到钻柱、套管、地层、井壁泥饼表面的粗糙度；接触表面的塑性；接触表面所承受的负荷；流体粘度与润滑性；流体内固相颗粒的含量和大小；井壁表面泥饼润滑性；井斜角；钻柱重量；静态与动态滤失效应等。在这些众多的影响因素中，钻井液的润滑性能是主要的可调节因素。影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以及溶液pH值、润滑剂和其它处理剂的使用情况等。(1)粘度、密度和固相的影响随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大。这种情况下，钻井液的润滑性能也会相应变差。这时其润滑性能主要取决于固相的类型及含量。砂岩和各种加重剂的颗粒具有特别高的研磨性能。钻井液中固相含量对其润滑性影响很大。随着钻井液固相含量增加，除使泥饼粘附性增大外，还会使泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻。另外，固相颗粒尺寸的影响也不可忽视。研究结果表明，钻井液在一定时间内通过不断剪切循环，其固相颗粒尺寸随剪切时间增加而减小，其结果是双重性的：钻井液滤失有所减小，从而钻柱摩阻力也有所降低；颗粒分散得更细微，使比表面积增大，从而造成摩阻力增大。可见，严格控制钻井液粘土含量，搞好固相控制和净化，尽量用低固相钻井液，是改善和提高钻井液润滑性能的最重要的措施之一。(2)滤失性、岩石条件、地下水和滤液pH值的影响致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。降滤失剂和其它改进泥饼质量的处理剂(比如磺化沥青)主要是通过改善泥饼质量来改善钻井液的防磨损和润滑性能。岩石条件是通过影响所形成泥饼的质量以及井壁与钻柱之间接触表面粗糙度而起作用的。井底温度、压差、地下水和滤液的pH值等因素也会在不同程度上影响润滑剂和其它处理剂的作用效能，从而影响泥饼的质量，对钻井液的润滑性能产生影响。(3)有机高分子处理剂的影响许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩阻力的作用。有机高分子处理剂能提高钻井液的润滑性能，还与其在钻柱和井壁上的吸附能力有关。吸附膜的形成，有利于降低井壁与钻柱之间的摩阻力。某些处理剂，如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有提高钻井液润滑性的作用。(4)润滑剂试验表明，使用清水作钻井液，摩擦阻力是较大的。而往清水中加入千分之一至千分之几的润滑剂(主要是阴离子表面活性剂)后，润滑性能会得到明显改善，表现为钻具回转工作电流下降很多。因此，使用润滑剂是改善钻井液润滑性能、降低摩擦阻力的主要途径。因此，正确地使用润滑剂可以大幅度提高钻井液的防磨损和润滑性能。钻井液润滑剂品种一般可分为两大类，即液体类和固体类。前者如矿物油、植物油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等。用于钻井液的润滑剂钻井液润滑剂的选择应满足下列基本要求：(1)润滑剂必须能润滑金属表面，并在其表面形成边界膜和次生结构；(2)应与基浆有良好的配伍性，对钻井液的流变性和滤失性不产生不良影响；(3)不降低岩石破碎的效率；(4)具有良好的热稳定性和耐寒稳定性；(5)不腐蚀金属，不损坏密封材料；(6)不污染环境，易于生物降解，价格合理，且来源充足。钻井液润滑剂除了主要提高钻具的寿命及其工作指标外，还应不影响对地层资料的分析和评价，即润滑剂应具有低荧光或无荧光性质。因此，润滑剂基础材料的选择应注意尽量不用含苯环，特别是多芳香烃的有机物质，而原油，尤其是重馏分、釜残物、沥青等因含荧光物质较多，也应尽量少用。基于以上要求，一般植物油类，既无荧光和毒性，又易于生物降解，且来源较广，较适合作润滑材料。可选用的植物油有蓖麻油、亚麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸，而脂肪酸则是润滑剂所需要的表面活性物质。经化学改性后，其表面活性可进一步提高。如磺化棉子油就可以作为抗温抗挤压的极压润滑剂使用。磺化棉子油还可增加矿物油的活性，使其润滑效果得以提高。钻井液中常用的润滑剂有如下几种：(1)惰性固体润滑剂该类产品主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微珠及坚果圆粒等。塑料小球和玻璃小球这类固体润滑剂由于受固体尺寸的限制，在钻井过程中很容易被固控设备清除，而且在钻杆的挤压或拍打下，有破坏、变形的可能，因此在使用上受到了一定的限制。石墨粉作为润滑剂具有抗高温、无荧光、降摩阻效果明显、加量小、对钻井液性能无不良影响等特点。最近一种新的适用于钻井液和水泥浆的多功能固体润滑剂一弹性石墨已在路易斯安那州、得克萨斯州、俄克拉荷马州、墨西哥湾和北海等地区的200多口井中获得了成功的应用。弹性石墨(ResilientGrapHiticCarbon，简称RGC)无毒、无腐蚀性，在高浓度下不会阻塞泥浆马达；即使在高剪切速率下，它也不会在钻井液中发生明显的分散。石墨粉能牢固地吸附(包括物理和化学吸附)在钻具和井壁岩石表面，从而改善摩擦副之间的摩擦状态，起到降低摩阻的作用：同时当石墨粉吸附在井壁上，可以封堵井壁的微孔隙，因此兼有降低钻井液滤失量和保护储层的作用。(2)液体类润滑剂该类产品主要有矿物油、植物油和表面活性剂等。液体类润滑剂又分为油性剂和极压剂，前者主要在低负荷下起作用，通常为酯或竣酸；后者主要在高负荷下起作用，通常含有硫、磷、硼等活性元素。往往这些含活性元素的润滑剂兼有两种作用，既是油性剂，又是极压。性能良好的润滑剂必须具备两个条件，一是分子的烃链要足够长(一般碳链R在C~C之间)，不带支链，以利于形成致密的油膜；二是吸附基要牢固地吸附在粘土和金属表面上；以防止油膜脱落。许多润滑剂大多属于阴离子型表面活性物质，多含有磺酸基团，如磺化脂肪醇、磺化棉子油、磺化蓖麻油和其它含硫的润滑剂如硫代烷烃琥珀酸(或酸酐)的唑啉化合物，或含酯的脂肪族琥珀酸(或酸酐)如十八碳烯琥珀酸酐和二硫代烷基醇等化合物。常用的作为润滑剂使用的表面活性剂有：OP-30、聚氧乙烯硬脂酸酯-6、甲基磺酸铅(CH3sO3)2Pb和十二烷基苯磺酸三乙醇胺(ABSN)等。润滑剂的作用机理(1)惰性固体的润滑机理固体润滑剂能够在两接触面之间产生物理分离，其作用是在摩擦表面上形成一种隔离润滑薄膜，从而达到减小摩擦、防止磨损的目的。多数固体类润滑剂类似于细小滚珠，可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而可大幅度降低扭矩和阻力。固体润滑剂在减少带有加硬层工具接头的磨损方面尤其有效，还特别有利于下尾管、下套管和旋转套管。固体类润滑剂的热稳定性、化学稳定性和防腐蚀能力等良好，适于在高温、但转速较低的条件下使用，缺点是冷却钻具的性能较差，不适合在高转速条件下使用。(2)沥青类处理剂的润滑机理沥青类处理剂主要用于改善泥饼质量和提高泥饼润滑性。沥青类物质亲水性弱，亲油性强，可有效地涂敷在井壁上，在井壁上形成一层油膜。这样，既可减轻钻具对井壁的摩擦，又可减轻钻具对井壁的冲击作用。由于沥青类处理剂的作用，井壁岩石由亲水转变为憎水，可阻止滤液向地层渗透。(3)液体润滑剂的润滑机理矿物油、植物油、表面活性剂等主要是通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，使钻柱与井壁岩石接触产生的固一固摩擦，改变为活性剂非极性端之间或油膜之间的摩擦，或者通过表面活性剂的非极性端还可再吸附一层油膜。从而使回转钻柱与岩石之间的摩阻大大降低，减少钻具和其它金属部件的磨损，降低钻具回转阻力。极压(EP)润滑剂在高温高压条件下可在金属表面形成一层坚固的化学膜，以降低金属接触界面的摩阻，从而起到润滑作用。故极压(EP)润滑剂更适应于水平井中高侧压力情况下，钻柱对井壁降摩阻的需要。钻井液的pH值与碱度通常用钻井液滤液的PH值表示钻井液的酸碱性，由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘上颗粒的分散程度有关，因而在很大程度上影响着钻井液的粘度和其它性能参数。图1-11表示经预水化的膨润土/水悬浮体的表观粘度随pH值的变化，其中膨润土含量为57.1kg/m3。由图可知，当PH值大于9时，随pH值的升高而剧增。其原因是由于当pH值升高时，会有更多的OH-被吸附在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求在之间，即维持在一个较弱的碱性环境。这一方面是为了使体系中的粘土颗粒处于适度的分散状态，从而使钻井液的各种性能便于控制和调整，与此同时还有以下几个原因：(1)可减轻对钻具的腐蚀；(2)可抑制体系中钙、镁盐的溶解；(3)有许多有机处理剂在碱性介质中才能充分发挥其效能，如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等。图1-11泥浆pH值对泥浆粘度的影响烧碱(即工业用NaOH)是调节钻井液pH值的主要添加剂，有时也使用纯碱(NaCO)和石灰Ca(OH)。通常用pH试纸测量钻井液的pH值，如要求精度较高时，可使用pH计。3对不同类型的钻井液，所要求的pH值范围也有所不同。例如，一般要求分散型钻井液的pH值超过10,石灰处理钻井液的pH值多控制在11〜12,石膏处理钻井液的pH值多控制在〜，而许多情况下不分散聚合物钻井液的pH值只要求控制在〜。

由于使钻井液维持碱性的无机离子除了0任外，还可能有HCO-和CO2-等离子，而pH值并不能反映钻井液中这些离子的种类和浓度，因此，在实际应用中，除使用pH值外，还常使用碱度来表示钻井液的酸碱性。引入碱度参数主要有两点好处，一是由碱度测定值可以较方便地确定钻井液滤液中OH-、CO2-和HCO-三种离子的含量，从前可判断钻井液碱性的来源，3 3二是可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量(即储备碱度)。碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力，为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指标剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的滴定指数为pH=。在用酸进行测定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至所需的酸量被称作酚酞碱度。钻井液及其滤液的酚酞碱度分别用P和P表示。甲基橙的滴定指数pH为，当pH值降至该值时，甲基橙由黄色转就变为橙红色。使pH值降至所需的酸量则被称作为甲基橙碱度，钻井液及其滤液甲基橙碱度分别用M和Mf表示。TOC\o"1-5"\h\zP和M值可用来表示滤液中OH-、CO2-和HCO-的浓度。当pH二时，以下两个反应已基本进行完全:f 3 3而存在于溶液中的HCO-不参加反应，当继续用HSO溶液滴定至pH=时，HCO-与H+的反应也基本上进行完全，即：3 2 3显然，若测得结果是M=P,表示滤液的碱性完全同OH-所引起，若测得P=0,表示碱性完全由HCO-引起，如果M=2P,则表示滤液中只含有CO2-。钻井液滤液中这三种离子的3 ff 3浓度可按表1-2中的有关公式进行计算，但需注意，有时钻井液滤液中存在着某些易与H+起反应的其它无机离子(如SiO定误差。PO;-起反应的其它无机离子(如SiO定误差。PO;-等)和有机处理剂，这样会使叫和Pf的测定结果产生表-2M、P值与离子浓度的关系离子浓度条件f f[0H-](mg/l)[CO2-]3(mg/l)[HCO-]3(mg/l)P=0001220Mf2P<M01220Pf1220(M—2P)2P=Mff01220Pf02P>M340(2P—M)f f1200(M-P)ff0P「M,340M £ 0032-、根据对P和P的测定结果，可以确定钻井液中悬浮固相的储备碱度。所谓储备碱度，主要指未溶石灰所构成的碱度。当pH值降低时，Ca(OH)会不断溶解进入溶液，一方面提供一定数量的Ca2+,另一方面有利于钻井液的pH值保持稳定。钻井液的储备碱度通常用体系中水溶Ca(OH)的含量来表示，其计算式为：储备碱度(mg/l)=742(P—fP)式中，f为钻井液中水的体积分数。 mwfco32-和Hco3-在钻井液中均为有害离子，它们会破坏钻井液的性能，因此应尽量予以清除。M和P可表示它们的污染程度。当M/P=3时，表明CO2-浓度较高，即已出现CO2-污染，TOC\o"1-5"\h\zff ff 3 3如果M/PN5,则为严重的CO2-污染。根据CO2-与HCO-的污染浓度，可采取相应的处理措ff 3 3 3施。pH值与这两种离子的关系是：当pH＞时，HCO-几乎不会存在；当pH〈时，则只存在HCO-,因此，在pH=~范围内，这两种离子可以共存： 3在实际应用中，也可用碱度代替pH值，表示钻井液的酸碱性。具体要求是：(1)一般钻井液的P最好保持在~;(2)饱和盐水钻井液的P保持在1ml以上即可，而海水钻井液的P应保持在~；(3)深井耐高温钻井液应严格控制CO2-的含量，一般应将M/P比值控制在3以内。钻井液的抑制性 3 ff钻井液的抑制性是指其抑制地层造浆的能力。从本质上讲，抑制性是指钻井液对泥页岩地层中的粘土水化膨胀及水化分散的抑制能力。要起到抑制作用，钻井液必须具备抑制性的

化学环境。抑制性化学环境可以来自两个方面：其一是钻井液中加入某些高分子聚合物，当其浓度达到一定值就会具有抑制作用，如聚丙烯酰胺，两性离子聚合物FA367,XY27,阳离子聚合物等，它们通过吸附在粘土表面，阻止了粘土与水的接触，或者正负离子的中和作用，使粘土粒子颗粒的表面负电荷减少，从而起抑制作用的；其二是在钻井液中加入无机盐，如NaCl、CaCl、KCl和石灰。此外，某些有机盐如甲酸盐（钠盐、钾盐、铯盐）、乙酸盐对钻井液提供强的抑制性。它们是借助于盐中的阳离子压缩粘土表面的扩散双电层从而防止泥页的水化作用的。钻井液抑制性的评价方法很多。常用的方法有页岩滚动回收率实验，吸水膨胀实验，CST实验和页岩稳定指数实验。在钻井过程中，钻井液的抑制性一方面是控制地层造浆，使泥浆的固相含量和流变性保持稳定，其次是稳定井壁，打出规则的井眼，减少井下复杂情况，有利于地质录井、电测及固井作业。第二章泥浆处理剂及其作用原理固井作业。第二章泥浆处理剂及其作用原理为了保证钻井泥浆的稳定性和调整泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻井要求，泥浆中使用着各种各样的化学处理剂（泥浆添加剂）。随着钻井工艺向高速优质、超深井、海洋和复杂地层发展，泥浆体系不断发展，泥浆处理剂的种类也在不断的增加和更新。目前，美国的泥浆处理剂已经超过3000种。按处理剂在泥浆中所起作用不同，可将泥浆处理剂分为以下十六类：（1）碱度和pH控制剂；（2）杀菌剂；（3）除钙剂；（4）腐蚀抑制剂；（5）消泡剂；（6）乳化剂；⑺降失水剂；（8）絮凝剂；（9）起泡剂；（10）堵漏材料；（11）润滑剂；（12）页岩稳定剂；（13）表面活性剂；（14）降粘剂和分散剂；（15）增粘剂；（16）加重剂。按处理剂的化学组成，可将其分为无机处理剂、有机高分子处理剂和表面活性剂三大类。无机处理剂纯碱纯碱就是碳酸钠（NaCO），又叫苏打。无水碳酸钠为白色粉末，密度，水溶液呈碱性（pH值约为，在空气中易结成硬块（晶体），存放时要注意防潮。纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙质粘土变为钠质粘土：Ca-粘土+NaCONa-粘土+CaCO；从而有效地改善粘土的水化分散性能，2因此加入适量纯碱可使新浆的失水下降，粘度、切力增大。但过量的纯碱要产生压缩双电层的聚结作用，反而使失水增大。其合适加量要通过造浆实验来确定。此外，由于CaCO的溶解度很小，在钻水泥塞或泥浆受到钙侵时，加入适量纯碱使Ca++沉淀成CaCO,从而使泥浆性能变好。含竣基钠官能团（一COONa）的有机处理剂因钙侵（或Ca++浓度过高）而降低其处理效果时，一般可以用加入适量纯碱的办法恢复其作用。烧碱烧碱即氢氧化钠（NaOH）,是乳白色晶体，比重为2~,易溶于水，溶解时放热，溶解度随温度升高而增大，水溶液呈强碱性（pH值为14）,能腐蚀皮肤和衣服。烧碱是强碱，用于控制泥浆的pH值，与丹宁、褐煤等酸性处理剂配制成碱液，使其有效成分溶解，还可控制Ca++浓度，因为。石灰生石灰是CaO,吸水后变成熟石灰Ca（OH）,在水中的溶解度不大（常温下约为%）且随温度升高而降低。石灰可提供Ca++,控制粘土的水化分散能力使之保持适度的粗分散，配合降粘剂和降失水剂进行钙化处理，可得性能比较稳定、对可溶盐侵污不敏感、对泥页岩防塌性能较好的钙处理泥浆。但石灰泥浆在高温情况下可能产生固化，因此超深井慎用。石灰还可配制石灰乳堵漏剂封堵漏层。石膏石膏（CaSO）有生石膏和熟石膏两种。熟石膏是白色粉未，比重，常温下溶解度较小（约为%）,440℃以前，溶解度随温度增高而增大，40℃以后，溶解度随温度增高而降低，其溶解度大于石灰。吸湿后结成硬块，存放时应注意防潮。在处理泥浆上，石膏与石灰的作用大致相同，都是钙处理的原材料，其差别在于阴离子的影响不同，石膏提供的钙离子浓度比石灰高一些，石膏处理会引起泥浆pH值降低。氯化钙氯化钙(CaCl)能大量溶于水中(常温下约为75%)且其溶解度随温度增高而增大，它比石灰、2石膏的溶解度大得多，故可用来配制防塌性能较好的高钙泥浆。由于，用CaCl2处理时常常引起泥浆pH值降低，同时CaCl2泥浆的pH值不宜过高，才能保证较高的Ca++浓度。。 2食盐食盐(NaCl)为白色晶体，常温密度约为2.17g/cm3。纯品不潮解，含MgCl、CaCl、等杂质的食盐容易吸潮。在水中的溶解度较大(20℃时为36.0克/100克水)，且其溶解度随温度增高略有增大(80℃时为38.4克/100克水)。食盐主要用来配制盐水泥浆和饱和盐水泥浆，以防岩盐井段溶解成“大肚子”。还可用来提高泥浆的矿化度，抑制井壁泥岩水化膨胀或坍塌。有时用于提高泥浆的切力和粘度。水玻璃水玻璃一般为粘稠的半透明液体，随所含杂质不同可以呈无色，棕黄色或青绿色等，井场采用的水玻璃比重约为~,pH为〜12,能溶于水和碱性溶液，能与盐水混溶，可用饱和盐水调节水玻璃的粘度。水玻璃的化学式常用Na2siO3表示，但实际结构常以Si-O-Si键连成低聚合度的聚合物，故用NaO-XSiO表示水玻璃的组成较好。水玻璃加入泥浆，可以部分水解生成胶态沉淀：NaO・XSiO+(Y+1)HOXSiO-YHOj+2NaOH2 2 2 2 2可使部分粘土颗粒(或粉砂等)聚沉，从而保持较低的固相含量和比重。此外，水玻璃泥浆对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，故有较好的防塌性能。当水玻璃溶液的pH降至9以下时，整个溶液会变成不流动的凝胶。这是由于水玻璃发生缩合作用生成较长的带支链的-Si-O-Si-链，这种长链能形成网状结构而包住溶液中全部水。从调匀pH到胶凝所需的时间，随pH而有很大的变化(可以从几秒到几十小时)，利用这个特点，可以将混入水玻璃的泥浆打入预定井段进行胶凝堵漏。重铭酸钠重铭酸钠(NaCrO-2HO)又叫红矶钠，红色针状晶体，常温比重约为，易潮解，有强氧化性，易溶于水(25℃时溶解度为190克/100克水)，水溶液因水解作用呈现酸性：加碱时平衡右移，故在碱溶液中主要以形式存在。在泥浆中能与有机处理剂起复杂的氧化还原反应，生成的又能与多官能团的有机处理剂形成络合物(如木质素磺酸铭，铭腐植酸)，少量铬酸盐能提高铁铭盐泥浆和煤碱剂泥浆的热稳定性，有时也用作防腐剂。六偏磷酸钠六偏磷酸钠［(NaPO)］为无色玻璃状固体，常温比重约为，有较强的吸湿性，潮解后会逐渐变质，能溶于水，在温水中溶解较快，溶解度随温度增高而增大，水溶液呈弱酸性(pH=~。六偏磷酸钠主要用作粘土泥浆的分散剂。碱式碳酸锌碱式碳酸锌［Zn(OH)CO］能与HS反应生成稳定的不