1、- 1 -钻井泥浆第一节 钻井泥浆的分类与造浆粘土第一单元 钻井泥浆的分类按适用条件，可以把泥浆分为：用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层的泥浆，简称松散层泥浆；用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆，简称水敏抑制性泥浆；用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆，简称水溶抑制性泥浆；用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆，简称硬岩钻进泥浆；用于异常低压或异常高压地层的低比重泥浆或加重泥浆；用于超深井、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。配制泥浆用的基本液体是水或油。若粘土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆称为水基泥浆；若粘土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆称为油基泥浆。
2、大部分钻井场合下，使用成本较低，配制方便的水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用，它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型，前者油水比在 5080 和 5020 之间，后者含水量不超过 5%。从粘土在泥浆中的分散程度来看，又可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。细分散淡水泥浆是靠粘土在水中高度分散得到，是泥浆的早期类型。泥浆中的含盐量小于 1%，含钙量小于 120PPM，不含抑制性高聚物。其组成除粘土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往还加有降失水剂和防絮凝剂（稀释剂） 。依所加处理剂的不同，可有铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。虽然这类泥浆在稳定性
3、、流动性和对地层抑制性方面存在明显缺陷，但在一些以提高泥浆粘性为主的钻井场合还常使用。粗分散抑制性泥浆是在细分散泥浆的基础上，加入无机聚结剂，使粘土颗粒适度变粗，同时加入有机护胶处理剂而形成。它对井壁岩土的分散有抑- 2 -制作用，自身抗侵能力强而且性能稳定、流动性好钻进效率高，在钻井工程中得到广泛的应用。这类泥浆的含盐或含钙量较高，具体又分为钙处理泥浆（含钙量大于 120MG/L，如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆） ，盐水泥浆（含盐量大于 1%，如盐水泥浆、海水泥浆、饱和盐水泥浆）和钾基泥浆（KCl 含量大于 1%） 。不分散低固相泥浆是较新型的泥浆体系。低固相是指泥浆体系中的固相含量（造浆
4、粘土和钻碴等所有固相）按体积计不超过 4%，由此使得机械钻速提高，尤其是在硬岩钻进中效果更为明显；所谓不分散，有 3 层含义：粘土颗粒因高聚物存在而变得较粗；对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴净化泥浆；对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前，这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的，如：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等第二单元
5、 土的组成土主要由粘土矿物组成，另外还可能含有非粘土矿物和其他杂质。土中的非粘土矿物主要有长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石等。这些非粘土矿物的含量不一，它们是泥浆中含砂量的主要来源，对泥浆性能起负面影响，因此，这些物质的含量越少越好。土中的杂质主要是有机物和可溶性盐。有机物为植物的茎、根、叶及其他腐植质等。可溶性盐为钙、镁、钠、钾的碳酸盐，硫酸盐，氯化物和硝酸盐等。这些物质明显影响泥浆的纯度和性能。粘土矿物分为 4 个族类，它们均属于含水铝硅酸盐，并有一定量的金属氧化物。典型粘土矿物的化学组成含量如表 4-1 所示。（1）高岭石族 代表性矿物为高岭石，其他矿物包括埃洛石、地开石
6、、珍珠陶土等，含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。- 3 -（2）蒙脱石族 代表性矿物为蒙脱石，其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。（3）水云母族 代表性矿物为伊利石（伊利水云母），其他矿物包括绢云母、水白云母等，含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。（4）海泡石族 代表性矿物为海泡石，其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等，相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。典型粘土矿物的化学组成含量表 表 11-1粘土矿物 各种化学成分的含量（%）名称 产地 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O H2O江西浮梁高岭
7、45.58 37.22 - 0.46 0.07 0.45 1.70 13.39高岭石江苏苏州阳山 47.00 38.04 0.51 0.16 0.22 - - 13.53辽宁黑山 68.74 20.00 0.70 2.93 2.17 - 0.20 6.80浙江临安 71.29 14.17 1.75 1.62 2.22 1.92 1.78 4.24美国怀俄明 55.44 20.14 3.67 0.50 2.49 2.76 0.60 14.70山东滩县 71.34 15.14 1.97 2.43 3.42 0.31 0.43 5.06蒙脱石膨润土新疆夏子街 63.70 16.43 5.45 0.2
8、8 2.24 2.57 1.94 5.5752.22 25.91 4.59 0.16 2.84 0.17 6.09 7.14伊利石水云母 湖南澧县 64.21 20.13 2.12 0.26 0.52 - - 8.27美国乔治亚 53.64 8.76 3.36 2.02 9.05 - 0.75 20.00凹凸棒石江苏盱眙 55.35 8.43 5.06 0.15 9.73 0.18 1.85 17.14江西乐平 61.30 0.57 0.73 0.15 29.70 0.16 0.19 7.10海泡石南澳大利亚 52.43 7.05 2.24 - 15.08 - - 19.93从上表中可以大致看
9、出 4 类粘土矿物在化学组分上的特点和差别：高岭石的三氧化铝（Al2O3）含量较高，蒙脱石的二氧化硅（SiO2）含量较高，伊利石的钾离子含量较高，而海泡石族的 H2O 含量较高。另外，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等的含量也各有不同。依据化学成分的含量，可以初步确定粘土的种类。为什么 4 类粘土矿物在化学组分上有明显差别？不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样？这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发，进行深入分析。第三单元 粘土矿物的构造特点分析一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类的粘土矿物，它们的最小
10、构造- 4 -单元都是一样的。但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体的结构如图 11-1 所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。从单独的四面体看，4 个氧还有 4 个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。 铝氧八面体的结构如图 11-2 所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。由
11、于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。但是，这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的，因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换，它是指在晶格构架不变的情况下，四面体中的硅（+4）被低价离子铝（+3）或铁（+3）置换，八面体中的铝（+3）被低价离子镁（+2）等置换。同晶置换导致粘土颗粒带负电，而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下，同晶置换是粘土原生条件所决定的，不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显
12、的差异。图 11-1 硅氧四面体及其晶层示意图a-硅氧四面体；b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影图 11-2 铝氧八面体及其晶层示意a-硅氧四面体；b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影高岭石的结构特点高岭石的化学式是 Al4Si4O10OH8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一- 5 -层铝氧八面体组成，两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞，如图 11-3 所示。 图 11-3 高岭石的结构特点高岭石矿物，即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在 C 轴方向上一层一层重叠，而在 A 轴和 B 轴方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为 1:1 型粘土矿物。其相邻两晶
13、胞底面的距离为7.2。另外，其晶体构造单位中电荷是平衡的。高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对，形成结合力较强的氢键，因而晶胞间联结紧密，不易分散。故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体，与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗，小于 2m 的颗粒含量仅占1040%。高岭石矿物晶体结构比较稳定，即晶格内部几乎不存在同晶置换现象，仅有表层 OH的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡，因而其负电性较小。由于负电性很小，致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低，所以水化等“活性“效果差。由上可知，高岭石矿物由于晶胞间连接紧密，可交换的阳离子少，故水分子不易进入晶胞之间，因而不易膨胀水化，造浆率低，每吨粘土造
14、浆量低于 3m3。同时因可交换的阳离子量少，粘土接受处理的能力差，不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。因此，高岭石不是好的造浆粘土。从钻井的井壁稳定性看，如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时，一般井壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。蒙脱石的结构特点蒙脱石化学式是(Al 1.67Mg0.33)Si4O10OH2nH2O。其晶体构造是由两层- 6 -硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞，四面体和八面体由共用的氧原子联结（图 11-4）。同样，在 C 方向重叠，沿 A、B 方向延伸。形成蒙脱石粘土颗粒。由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为 2:1 型
15、粘土矿物。其晶胞底面距为 9.6，吸水后可达21.4。 图 4-4 蒙脱石的结构特点(图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值，不是蒙脱石的数值)蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是，重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对，其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间联结不紧密，易分散微小颗粒，甚至可以分离至一个晶胞的厚度，一般小于 1m 的颗粒达 50%以上。从形状上看，晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍，是薄片状的颗粒。蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多，即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换，置换量可达 2035%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换，置换量较小，一般小于 5%。因此，蒙脱石晶胞带较多的负
16、电荷，其阳离子交换容量大，可达 80150meq/ml。由上可以分析出，蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密，可交换的阳离子数目多，故水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，造浆率高，每吨粘土可达 12-16m3左右。同时，因可以吸引较多的阳离子，故“活性“大，接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能，是优质的造浆粘土矿物。- 7 -从钻井的井壁稳定性看，如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时，易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。伊利石的结构特点伊利石又称伊利水云母，其化学式是 K16OCMA 标准 16JBAS 标准 16前苏联标准 610 含砂量6 - - 2
17、5 15注：p 为泥浆的塑性粘度第二节 粘土水化分散与泥浆体系稳定原理第一单元 土的水化分散粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。粘土水化的结果即形成泥浆。粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。（一）粘土水化的原因粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：- 12 -1. 粘土表面直接吸附水分子粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限
18、度地降低其自由表面能；（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。2. 粘土吸附的阳离子的水化粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。（二）影响粘土水化的因素1. 粘土矿物本身的特性粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨
19、胀。伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的 K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。2. 交换性阳离子的种类粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为 Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达 40，而交换性阳离子为 Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17。3. 水溶液中电解质的浓度和有机
20、处理剂含量水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱。盐水泥浆和钙处理泥浆- 13 -对孔壁的抑制作用就是依据这个原理。（三）粘土水化膨胀的过程粘土的水化膨胀过程经历两个阶段，即：表面水化膨胀和渗透水化膨胀两个阶段。 1. 由表面水化引起的膨胀这是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为 10。在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能） ，
21、其中以水化能最大。此三种力的净能量在第一层水分子进入时的膨胀力达到几千大气压（H.Van 奥尔芬指出，欲将最后几个分子层的吸附水从粘土表面挤走，需要 200040000.101325MPa 的压力） 。2. 由渗透水化引起的膨胀当粘土层面间的距离超过 10 时，表面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间的双电层斥力便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看成是一个渗透
22、膜，在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起的膜膨可使粘土层间距达到 120。增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。 粘土水化膨胀达到平衡距离（层间距大约为 120）的情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中，形成粘土悬浮液。第二单元 粘土-水界面的扩散双电层- 14 -为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本胶体化学原理，引入扩散双电层理论对粘土-水界面的行为机理进行分析。（一）双电层成因与结构由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必然要吸
23、附与粘土颗粒带电符号相反的离子-阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正电荷相对应的电层，以保持电的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图 11-6 所示。 1. 吸附层吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个 。这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗
24、粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。2. 扩散层扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成的较厚的离子层。这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为 1000。 3. 滑动面 它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。
25、这是由于吸附层中的阳离子与图 11-6 粘土表面的扩散双电层- 15 -粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。 4. 热力电位 E它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。热力电位愈高，表示粘土颗粒表面带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。5. 电动电位 它是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处的电位差。电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量的差值。电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。（二）影响电动电位的因素电动电位的大小受以下几方面因素的影响：1. 阳离子的种类阳离子的种
26、类决定了阳离子电价的高低和阳离子的水化能力。当粘土颗粒吸附高价阳离子时，由于一个离子带的电荷多，粘土颗粒表面的总电荷量一定时，吸附层中被阳离子中和的电量多，于是电动电位低，扩散层中的阳离子数目少，扩散层及粘土表面的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。若粘土颗粒吸附的是低价阳离子，吸附层中被阳离子中和的电量少，电动电位高，扩散层中的阳离子数目多，扩散层以及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。例如，钙膨润土用碳酸钠处理，Na+取代 Ca2+，因 Na+为一价离子，且水化能力强，粘土颗粒周围的扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定。相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代粘土表面吸附的 Na+，由于 Ca2+是二
27、价离子，水化能力弱，因而粘土颗粒的水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。2. 阳离子浓度阳离子（例如 Na+）虽水化能力强，粘土颗粒水化膜厚，泥浆稳定，但Na+浓度有一合适的范围，若 Na+浓度过大，同样会使泥浆由分散转为聚结。这是因为：（1）阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层的机会增大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄（即所谓挤压双电层），分散体系由分散转化为聚结；（2）阳离子浓度大，阳离子数目多，阳离子本身水化不好，同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附的水分子，因而使粘土颗粒周围的水化- 16 -膜变薄，分散体系由分散转为聚结。泥浆使用时受盐（NaCl）侵，是由于Na+过多，起了压
28、缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。又如钙膨润土用纯碱改性处理时，碳酸钠存在有最佳加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，泥浆性能变坏。此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影响，如钙膨润土改性而加入钠盐，加入 Na2CO3而粘土颗粒分散，若加入 NaCl，则粘土颗粒聚结。故泥浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子的影响。（三）双电层理论对粘土水化的应用分析由于吸附的阳离子水化，使粘土颗粒周围形成水化膜。电动电位愈高，扩散层愈厚，粘土颗粒周围的水化膜也愈厚，阻隔作用的增强使粘土颗粒在运动时愈不易因碰撞而粘结，粘土颗粒的水化分散效果便愈稳定；电动电位愈高，粘土颗粒之间的斥力愈大，分
29、散性就愈强。因此，粘土颗粒表面带电量一定时，粘土颗粒在悬浮液中的水化分散稳定性主要取决于电动电位的高低。双电层理论的这一重要结论对钻井而言，具有两个方面的实际应用意义。(1)双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义在于：原生膨润土矿多为钙膨润土，造浆时加入一价钠盐，提供 Na+，因离子交换吸附，扩散双电层中阳离子由 Ca2+转为 Na+， 电位升高，扩散层增厚，粘土分散，泥浆稳定。泥浆受钙侵时，Ca2+的浓度增大，扩散双电层中 Na+转为Ca2+， 电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时，应严格控制加量，过量会起压缩扩散层的副作用，同时必须考虑阴离子的
30、影响。可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆的分散或适度聚结，用以配制不同种类（分散的或适度聚结的）的泥浆。(2)从井壁稳定的角度来看，双电层理论也有重要的指导意义：若所钻地层的膨润土含量较高，在外界阳离子的作用下， 电位升高，水化分散性增强，易使井壁水化分散，给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。因此，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，采取压缩双电层，降低 电位的措施，能使井壁、槽壁的稳定性增强。 - 17 -（四）正电荷扩散双电层在酸性和中性的粘土悬浮液中，粘土片端部的 Al-OH 和 Si-O 键的 OH和 O2-，因电离或断键而离去，于是
31、粘土颗粒的端部便带正电荷，形成带正电荷的扩散双电层。因为正电荷与粘土层面所带的负电荷相比是较少的，故就整个粘土颗粒而言，所带的净电荷是负的。粘土颗粒表面所带电荷的性质与溶液 pH 值有关。当 pH 值由酸性转为碱性且 pH 值不断升高时，带正电荷的端部也可转为带负电荷；而当 pH 值降低，溶液的酸性增大时，粘土颗粒层面带的负电荷也可转为带正电荷。因此，为使粘土颗粒带稳定的负电荷，形成稳定的带负电荷扩散双电层，必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即 pH 值必须大于 7，一般要求为 8.09.0，有时要求 pH 值高达 910 以上。第三单元 粘土在水中的分散状态制备泥浆用的粘土，可能是优质膨润土，即
32、以蒙脱石为主的粘土；也可能是混合型普通粘土，并且泥浆中还加有不同种类、不同数量的处理剂，因而粘土-水分散体系中粘土颗粒呈不同的形态存在。总的可分为分散，絮凝，聚结三种形态。因粘土种类不同，表面带电情况不同，其结合形式也有所不同，如图 4-7 所示。 图 11-7 粘土在水中的分散状态示意图A-分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；C-边面结合，仍分散； D-边-边结合絮凝；E-边-面结合，聚结且絮凝；F-边-边结合聚结且絮凝颗粒之间的联结有三种情形：面-面接触，边-面接触和边-边接触。以蒙脱石为主的膨润土，粘土含量低时可呈 A 的状态，随着土含量的增加向 C- 18 -和 E 型发展。而以高岭石为主
33、的劣土，则从含量低时的 B 型向 D、F 型发展。钻进时含有岩屑的实际井浆，其中固体颗粒的存在状态比较复杂，可能是图的各种形式的综合。即同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态。第四单元 泥浆的稳定性泥浆分散体系中，粘土颗粒的分散和聚结是泥浆体系内部两种对立的倾向。由于地球重力场的存在和体系外部环境的经常变化，因而泥浆体系中粘土颗粒的凝聚或聚结是经常的，绝对的，而分散和稳定则是暂时的、相对的。研究泥浆分散体系的目的，是在了解泥浆体和纱内部稳定和聚结的动力过程的基础上，通过对泥浆进行化学处理，使分散性差、不稳定的泥浆体系转变为分散性好而相对地较稳定的泥浆以满足钻井的要求。泥浆分散体系的稳定是指它能长
34、久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏的特性。它包含两方面的含意，即沉降稳定性和聚结稳定性。（一） 泥浆的沉降稳定性沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉降决定于重力和阻力的关系。当重力和阻力相等时，颗粒均速下沉。若颗粒为球形，按 Stokes 定律，沉降速度为：(11-2)式中 r -球形颗粒的半径，cm；，0-颗粒和分散介质的比重，g/cm3；-分散介质的粘度，Paos；g-重力加速度，m/s -2。要满足上式，必须符合三个条件：（1）球形颗粒的运动要十分缓慢，周围液体呈层流分布；（2）颗粒间距离是无限远，即颗粒间无相互作
35、用；（3）液相是连续介质。由（11-2）式可看出：沉降速度与颗粒半径的平方，颗粒和介质的比重差呈正比，与介质粘度呈反比。尤以颗粒的大小对沉降速度影响最大。按（11-2）式，当颗粒和分散介质的比重分别为 2.7 和 1.0，分散介质的粘度为 1.510-3Paos 时，可求出沉降 1cm 的时间。由（11-2）式计算出，颗粒大于 1m 便不能长时间处于均匀悬浮状态。- 19 -用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒大都在 1m 以上，故不加处理剂难以获得稳定的泥浆。因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒的尺寸，即应采用优质粘土造浆，以提高其分散度，其次应提高液相的比重和粘度。（二）
36、泥浆的聚结稳定性泥浆的聚结稳定性是指泥浆中的固相颗粒是否容易自动降低其分散度而聚结变大的特性。泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系的聚结稳定性。泥浆分散体系中粘土颗粒之间的排斥力是由于粘土颗粒都带有负电荷，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。具有同种电荷（负电荷）的粘土颗粒彼此接近或碰撞时，静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的阻碍因素。当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分布。要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时
37、的排斥能或排斥势能。排斥势能（VR）决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：(11-3)式中 -溶剂的介电常数；r-球形颗粒的半径，m；0-颗粒表面的电位，V；H0-两球形颗粒球面最短距离，m；K-离子氛半径的倒数，1/K可看作为双电层厚度的量度，m -1。泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德华引力。范德华引力是色散力、极性力和诱导偶极力之和。对两个原子来说其大小与两原子间的距离的 7 次方呈反比（或对吸引能来说是 6 次方）。但泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合体，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距离的 2 次方呈反比。
38、若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接近到两球表面间距离 H0 比颗粒半径 r 小得多时，则两颗粒间的吸引势能（VA）为： (11-4)- 20 -式中 A-Hamaker 常数，负号表示吸引能。由上看出，排斥能和吸引能都是颗粒间距离的函数。只是变化规律不同。若势能以距离为函数作图，可得势能曲线，如图 11-8 所示。 两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和，即： V=VA+VR (11-5)图 11-8 相互吸引位能曲线V(1)和 V(2)是相互吸引的位能 VA 和相斥位能 VR(1)和 VR(2)之和从图 11-8 的势能曲线看出，势能曲线的形状决定于 VA 和 VR 的相对大小。V（1）是排
39、斥力大于吸引力的势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。V（2）则表示在任何距离下排斥力都不能克服颗粒之间的引力，因此便会聚结而产生沉降。曲线 V（1）上有一最高点，叫斥力势垒，颗粒的动能值只有超过这一点才能引起聚结，所以势垒的高低往往标志着分散体系稳定性的大小。第三节 泥浆性能及其测试方法第一单元 比重、固相含量与含砂量泥浆的比重是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆比重的大小主要取决于泥浆中固相的重量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有加重剂等其他固相物质加入的时候，加重剂等物质的重量也须计入。泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相
40、和无用固相，前者如粘土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为 4.5，赤铁矿为6.0，方铅矿为 6.9 等）和轻固相（粘土比重一般为 2.32.6，岩屑比重一- 21 -般在 2.22.8 之间）。泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。 采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量/体积）在 46%以下便可达到要求的粘度，此时泥浆比重在 1.031.05 左右。相反，若用造浆泥浆中的固相含量应控制在 4%左右（体积含量），此时泥浆比重在1.051.08 左右。泥浆的比重和固相率低的粘土配浆，要达到同样的粘度，粘土用量要达2030%以上，此时泥
41、浆比重高达 1.15 以上。目前对优质轻泥浆，在粘度符合要求时，含量对钻井有重要意义和影响。1. 地层压力的控制钻井中防止漏失，涌水和维持孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔-地层间的物理力平衡。而孔内静液柱压力的大小决定于孔内液柱的单位重量或比重以及垂直深度，即：Ps=0.1H (11-6)式中 Ps-静液柱压力，N；-单位体积的重量或比重，Kg/m 3；H-液柱垂直高度，m。若把每单位高度（或深度）增加的压力值叫压力梯度。用 Gs 表示静液压力梯度，则： (11-7)图 11-9 泥浆固相含量对钻速的影响- 22 -因此静液柱压力梯度 Gs 决定于泥浆的比重，可以调节泥浆的比重使 Gs与地层
42、压力梯度 Gp 相适应以求得钻孔-地层间的物理力的平衡。2. 对钻速的影响近年来进行的泥浆比重、固相含量对钻速影响的研究得出如下的结论：（1）随着泥浆比重的增加，钻速下降，特别是泥浆比重大于 1.061.08 时，钻速下降尤为明显。（2）泥浆的比重相同，固相含量愈高则钻速愈低。由此泥浆比重相同时，加重泥浆的钻速要比普通泥浆高，因为加重泥浆的固相含量低。（3）泥浆的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低。由此，不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高，如图 11-9 所示。甚至有些研究者得出小于 1m 的颗粒对钻速的影响比大于 1m 颗粒的影响大 12 倍。
43、因此，为提高钻进效率，不仅应降低泥浆的比重和固相含量，而且应降低固相的分散度，即应采用不分散低固相泥浆。 3. 含砂量的影响泥浆中的无用固相（主要为岩屑）含量会给钻进造成很大的危害。首先，无用固相含量高，泥浆的流变特性（见下节）变坏，流态变差。不仅使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。其次，泥浆中无用固相含量高，泥饼质量变坏（泥饼疏松，韧性低），泥饼厚。这样，不仅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。第三，泥浆无用固相含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆比重和固相
44、含量，特别是无用固相的含量。测量泥浆比重的仪器目前用得最多的是比重秤（其结构如图 11-10 所示）。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游- 23 -码左侧的刻度，即为泥浆的比重值。可以把这种方法的原理形象地归结为“杠杆原理“。图 11-10 泥浆比重秤1-杯盖；2-泥浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀垫；6-支架； 7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒测量泥浆比重前，要用清水对仪器进行校正。如读数不在 1.0 处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调
45、节。对泥浆中固相含量的测定，一般采用“蒸馏原理“（如图 11-11 所示）。取一定量（20ml）泥浆，置于蒸馏管内，用电加热高温将其蒸干，水蒸气则进入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后称出干涸在蒸馏器中的固相的重量，读出量筒中液相的体积，计算泥浆中的固相含量，其单位为重量或体积百分比。图 11-11 钻井液固相含量测定仪1-蒸馏器；2-加热棒；3-电线接头； 1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯 4-冷凝器；5-量筒对泥浆的含砂量的测定，采用筛析原理，如图 11-12 所示。 - 24 -图 11-12 泥浆含砂量测定1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯第二单元 泥浆的流变特性泥浆的流变性是指泥浆
46、的流动和变形性质，它以泥浆的粘稠性为主要研究对象。在第二章中，对工程浆液流变性的理论基础和参数测试方法已做了详细阐述。在此，结合钻井工程实际，对泥浆流变性做进一步的讨论。 (一)泥浆流型的不同形成机理泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可以分为四种理论流型，即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。一种具体泥浆的实际流型与哪一种理论流型较相近，就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的含量。粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成
47、。由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉流型来反映较为合适。当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆结构力很低时，可以用幂律关系来描述泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系，也就是说流动慢时切力增加得快，流动快时切力增加得慢。其原因是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力增加得越慢。对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或- 25 -类似的物质，也就是说既存在结
48、构力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为合适。(二) 泥浆粘稠性对钻井工作的影响泥浆把钻碴从井底携至地表或者在井中悬浮钻碴，主要是靠泥浆的粘稠性；对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。仅从这两点考虑，泥浆的粘度和动切力应该取高值。这也是选择泥浆做钻井液的基本出发点。但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面，主要表现在：使井底碎岩效率降低；增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。因此，不能盲目增大泥浆的粘稠性，而应根据具体地层和钻井工艺要求，综合兼顾多方面的情况，确定合适的泥浆粘度和动切力。(三) 泥浆的表观粘度与剪切稀释作用如果把泥浆分为
49、四种流型的流体，则具体衡量这四种泥浆粘稠性的参数是互不相同的。可以用一个统一的指标参数来反映各种泥浆的相对粘稠性，这就是表观粘度 A 它等于泥浆流动时的剪切应力 与剪切速率的比值。对于牛顿流体，表观粘度就是牛顿粘度，是常量；而对于其他三种流型的流体，表观粘度不是常量，而是随剪切速率增加而减小的变量（这一点，无论从流变方程还是流变曲线上都能被很好地说明） 。如果取剪切速率比较中间的某一定值作为对象，用该点对应的表观粘度作为平均表观粘度，则不同流型泥浆的粘稠性就有了相对统一的比较标准。泥浆表观粘度随剪切速率增加而减小的性质称为泥浆的剪切稀释作用。剪切稀释作用对钻井工作十分有意义：在钻头部位，泥浆流速大，表观粘度低，有利于井底碎岩；而在环空中，由于泥浆流速减小，表观粘度提高，有利于悬携钻碴。(四) 泥浆的凝胶强度和触变性一旦泥浆停止流动即静止，便有或多或少的结构逐渐形成，直至趋于稳定。把泥浆静置时的结构力称为泥浆的凝胶强度，用静切力表示。凝胶强度是随泥浆静置时间的增长而增大的，即静切力是时间的函数。反过来看，当外加一定的切力使泥浆流动时，结构拆散，流动性增长。这就是泥浆的触变性。图？给出
