鉆井與完井工程教材第三章鉆井液

1、第三章 鉆井液 一口油氣井鉆井成功在很大程度上取決于鉆井液的性質(zhì)和性能。鉆井液始終是為鉆井工程服務(wù)的，它的發(fā)展與鉆井工程的發(fā)展緊密相關(guān)。由于初期的鉆井液是由最簡單的泥土和水組成，“泥漿”就成為鉆井液沿用至今的代名詞。實際上，這種稱呼既不正確更不準確。鉆井液的定義是指具有各種各樣功能以滿足鉆井工程需要的循環(huán)流體。第一節(jié) 鉆井液的功能、組成和類型一、鉆井液的功能油氣鉆井的基本功能是打開找油、找氣和采油、采氣的通道，是實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)的重要工程手段。為油氣鉆井、完井服務(wù)是鉆井液的目的，鉆井、完井的需要是鉆井液發(fā)展的動力。因此，鉆井液的功能就體現(xiàn)在油氣井鉆井、完井的兩個方面，即在整個鉆進過程中，要保持

2、安全優(yōu)質(zhì)快速低成本鉆井；在進入油氣層時，要具有保護儲層的作用。所以，鉆井液的功用也就是鉆井、完井對鉆井液的基本要求。 在鉆井方面，鉆井液的主要功能有 清洗井底，攜帶巖屑。 冷卻、潤滑鉆頭和鉆柱。 形成泥餅，保護井壁。 控制和平衡地層壓力。 懸浮巖屑和加重材料。 提供所鉆地層的地質(zhì)資料。 傳遞水功率。 防止鉆具腐蝕。 在保護油氣儲集層方面，鉆井液（此時稱完井液）的主要功用是保護油氣層的滲透性，盡量降低對原始油氣層物化性質(zhì)的損害。主要表現(xiàn)在以下兩方面： 控制固相粒子含量及級配，防止固相粒子對油氣層的損害。 保持液相與地層的相容性。二、鉆井液的組成和類型鉆井液屬于復(fù)雜的多相多級膠體-懸浮體分散體系。

3、它既可以是固體分散在液體中，或者是液體分散在另一種液體中，也可以是氣體分散在液體中，或者是液體分散在氣體中所形成的分散體系。鉆井液的基本成分由分散相+分散介質(zhì)+化學(xué)處理劑組成。各相具體成分可以是： 處理劑（各種維護分散體系穩(wěn)定和調(diào)整分散體系性能的化學(xué)添加劑）。 在以水為連續(xù)相的水基鉆井液中，通常用重量體積百分含量表示鉆井液配方中各組分，不考慮處理劑本身的體積。例如，某種水基鉆井液組分為：1000ml水 + 50g膨潤土 + 20g處理劑。用組分表示的鉆井液配方為：5%膨潤土漿+2%處理劑。 隨著鉆井工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆井液的種類越來越多。目前，國內(nèi)外對鉆井液已有各種不同的分類方法，其中較簡明

4、的分類方法有以下幾種： 按照密度大小可將鉆井液分為高密度鉆井液和低密度鉆井液，高低密度的界限一般為1.35g/cm3。按照與粘土水化作用強弱程度可將鉆井液分為抑制性鉆井液和非抑制性鉆井液；按照連續(xù)相性質(zhì)可將鉆井液分為水基鉆井液、油基鉆井液和氣基鉆井液。根據(jù)美國石油學(xué)會(API)和國際鉆井承包商協(xié)會(IADC)認可的鉆井流體共有九個類別：不分散鉆井液；分散鉆井液；鈣處理鉆井液；聚合物鉆井液；低固相鉆井液；鹽水鉆井液；油基鉆井液；合成基鉆井液；空氣、霧、泡沫和充氣鉆井流體（俗稱低壓鉆井液）。1.不分散鉆井液（Non-dispersedDrilling Fluids） 該類型鉆井液特指未經(jīng)處理的天然

5、泥漿或者僅僅輕度處理的泥漿，用在淺井或者上部井段鉆進。一般不添加處理劑或者用極少量處理劑處理。需要說明的是，此處的“不分散”是指不作任何處理（或少量處理）的意思，與我國定義鉆井液中加入有機高分子絮凝劑和包被劑以增強鉆井液抑制性的不分散含義不同。2.分散鉆井液（DispersedDrilling Fluids）該類鉆井液是指以水、膨潤土和各類分散劑（如木質(zhì)素磺酸鹽、褐煤或單寧）配制而成的水基鉆井液。通常用在需要高密度的中深井、深井或?qū)谀囡炠|(zhì)量要求嚴格的地區(qū)鉆井。3.鈣處理鉆井液（Calcium treatedDrilling Fluids） 濾液中鈣離子含量大于120mg/l的鉆井液，其特點

6、是抑制粘土水化和抗可溶鹽侵污能力強。根據(jù)提供鈣離子的無機鹽類型又分為石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液。4.聚合物鉆井液（Polymer Drilling Fluids） 主要靠天然改性的或者人工合成的線性長鏈高分子聚合物調(diào)整鉆井液的流變性、濾失性等工藝性能，由于長鏈高分子聚合物對鉆屑有包被作用，因而對鉆屑有比較強的穩(wěn)定作用。該類型鉆井液可用于淺井、深井，是目前國內(nèi)外使用最普遍的鉆井液類型。5.低固相鉆井液（Low Solids Drilling Fluids） 這種鉆井液的核心是控制固相的總量和固相類型，以利于提高鉆井速度。其標準為：總固相體積百分含量在610%；粘土含量小于等于3%；鉆屑

7、與膨潤土之比小于2。6.鹽水鉆井液（SaltwaterDrilling Fluids） 主要指無機鹽酸鹽鉆井液。鹽水鉆井液的含鹽量可由10000ppm到飽和含量。鹽的含量可來自配漿水、地面加鹽或井下鉆遇的巖鹽層。根據(jù)特定要求可采取各種不同的鹽類（氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等）。7.油基鉆井液（Oil Based Fluids） 油基鉆井液包括兩種類型：純油基鉆井液和油包水乳化鉆井液（又稱逆乳化鉆井液）。 純油基鉆井液僅由柴油（原油或白油）加上瀝青或有機膨潤土及有關(guān)化學(xué)處理劑組成，配方里面本身不含水，少量的水來自所鉆進的地層。通過酸、堿皂和柴油濃度的調(diào)節(jié)來維持粘度和凝膠性能。主要用于油氣層保

8、護、井壁穩(wěn)定和抗可溶鹽侵污。 油包水乳化鉆井液以柴油或原油作連續(xù)相，以氯化鈣鹽水或其它親油粉末狀物質(zhì)作非連續(xù)相（乳化相），加入乳化劑等處理劑配制而成。主要特點是：熱穩(wěn)定性高，有較好的防塌效果，對油氣層損害小，常用于超深井的高溫井段、鉆進易塌地層和低壓油氣層。8.合成基鉆井液（Synthetic Drilling Fluids）合成基鉆井液具有油基鉆井液的性能卻不對環(huán)境造成損害，該鉆井液的主要類型為酯、醚、聚a烯烴和異構(gòu)化a烯烴鉆井液。近年來已經(jīng)發(fā)展了兩代：第一代合成基鉆井液，基液有酯類、醚類、聚a烯烴(PAO)、醛酸醇等；第二代合成基鉆井液的連續(xù)相是線性烷基苯、線性a烯烴(LAO)、內(nèi)稀烴(I

9、O)、線型石蠟(LP)。 第一代合成基液比第二代潤滑性能好、毒性低。但第二代合成基液來源較廣，生物降解(無論在有氧或厭氧條件下)速度快，粘度低，可配制低油水比(60/4065/35)的鉆井液(而第一代合成基液僅能配較高油水比(75/2570/30)的鉆井液)；因而第二代合成基鉆井液成本低、對環(huán)境造成的影響小、鉆井效率高。9.空氣、霧、泡沫和充氣體系（Air、Mist、Foam and Aerated System） 這四種鉆井流體是服務(wù)于低壓鉆井技術(shù)的特殊流體?？諝馐侵附?jīng)脫水后的干空氣鉆井流體，這種干空氣以能夠清除環(huán)空鉆屑的速度注入井筒，保證鉆進的正常進行，其它氣體如氮氣、柴油機廢氣等也具備這

10、種作用；霧化鉆井流體則是將起泡劑注入含水的空氣流中混合形成；泡沫流體由表面活性劑和少量的粘土及部分聚合物與水組成，由于泡沫的循環(huán)粘度很高，其攜帶巖屑的能力很強。充氣流體依靠向鉆井液中注入空氣（降低流體靜水壓力）來實現(xiàn)消除井眼內(nèi)鉆屑的目的，與泡沫流體相比，充氣流體的氣液比相對較小。第二節(jié)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 大多數(shù)鉆井液是粘土-水的膠體懸浮體系，因而膠體懸浮體系的性能直接影響到鉆井液的工藝性能，進而影響到鉆井工程的安全。學(xué)習(xí)鉆井液中常用的粘土礦物和粘土膠體化學(xué)的基礎(chǔ)知識，對于今后理解和掌握鉆井液體系的穩(wěn)定性原理、化學(xué)處理劑的作用原理和鉆井液工藝性能的維護控制原理具有重要意義。一、粘土膠體化學(xué)的幾個基

11、本概念 相和相界面、分散相和分散介質(zhì)、分散度和比表面積是粘土膠體化學(xué)中經(jīng)常用到的幾個基本概念，在學(xué)習(xí)本節(jié)之前，需要首先明確其概念并加以掌握。1.相和相界面相是指物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻部分。體系中若有兩個或兩個以上的相，稱為多相體系。如純水是單相體系，含有粘土的鉆井液體系是多相體系。相界面則是相與相之間的宏觀物理界面。通常，在相互接觸的兩相中，若某一相為氣體，則相界面稱為表面。若是液相與固相的分界面，稱為界面。2.分散相與分散介質(zhì)分散相是指在多相分散體系中被分散的物質(zhì)。分散介質(zhì)則是分散相所在的連續(xù)介質(zhì)。例如，在水基鉆井液中，粘土顆粒分散在水中，粘土為分散相，水為分散介質(zhì)。3.分散度和

12、比表面積分散度是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越細小。用數(shù)學(xué)式可將分散度表示為： （3-1）比表面積是單位體積（V）或單位重量（W）物質(zhì)的總表面積。用數(shù)學(xué)式表示為： （3-2） （3-2）式表明，比表面積越大，物質(zhì)分散得越小，分散度就越高，兩者有相互對應(yīng)的關(guān)系。二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點粘土是巖石學(xué)上的一種稱謂，是巖石經(jīng)過長期地質(zhì)作用后的產(chǎn)物，主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細粒粘滯土狀物質(zhì)。粘土顆粒的粒度通常小于25微米，主要礦物成分由粘土礦物、非粘土礦物和膠體礦物組成。粘土礦物是含水的層狀及層鏈狀構(gòu)造鋁硅酸鹽的總稱。其特點是具有相對固定的化學(xué)

13、組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部格子構(gòu)造。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元（1）硅氧四面體與硅氧四面體片硅氧四面體由一個硅離子和四個等距的氧離子配位組成的正四面體。硅離子在四面體的中心，氧離子在四面體的頂點。硅離子與各氧離子之間的距離相等，如圖3-1所示。在圖中，四面體底面三個氧離子組成基底氧，四面體頂點一個氧離子為頂端氧。氧離子 o Si 圖3-1 硅氧四面體之間距離2.61×10-1nm。硅離子與氧離子距離圖3-2 硅氧四面體片為1.61×10-1nm。單個四面體與若干個相鄰四面體通過底氧相連，構(gòu)成平面連續(xù)的四面體晶格。見圖3-2。四面體片的分子式為【Si4O10】4-.。由圖3

14、-2可見，四面體片所有基底氧排列在同一個平面上，所有頂端氧在另一個平面上，平面投影形成正六角形的三層空心六角環(huán)網(wǎng)格。由于四面體片含有負電荷，所以，在實際礦物結(jié)構(gòu)中，四面體片在粘土中不能獨立存在，僅能以與陽離子和附加氧離子結(jié)合的形式存在。（2）鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧（有時為鋁-氫氧）八面體的六個頂點為氧離子或者氫氧離子團，鋁、鐵或鎂離子處于正八面體中心，六個氧離子或氫氧離子處于八面體頂點，如圖3-3所示。八面體中心位置通常由體積較大的陽離子Al3+、Mg2+、Fe2+和Fe3+配位，而不適應(yīng)象Ca2+、Na+或K+等體積更大的陽 圖3-3 鋁氧八面體離子配位。在圖中，八面體氧離子之間距離為

15、2.60埃，氫氧離子之間距離為2.94×10-1nm。鋁氧（氫氧）八面體片是由單個八面體與相鄰的八面體通過共用晶棱連接起來，頂端和底端氧離子則構(gòu)成兩個平行的平面（每個八面體同相鄰的六個其它八面體通過共用氧（氫氧）連接，如圖3-4所示。如果每三個八面體中心只有二個中心被Al3+、Fe3+等三價離子占據(jù)，留下1/3空位，這種晶片特稱為二八面體晶片，又叫鋁氧片。當八面體片的中心全被Mg2+、Fe2+占據(jù)氫氧 鋁氫氧 鋁圖3-4 鋁氧八面體片時，這種晶片稱為三八面體晶片，又叫鎂氧片。與四面體片不同，八面體片能夠獨立地存在。（3）晶片的結(jié)合四面體片和八面體片沿C軸按一定比例相互重合，通過共用氧

16、原子連接形成電中性的統(tǒng)一CCC間距C間距b baa圖3-5 晶片結(jié)合示意圖結(jié)構(gòu)層，即晶層。許多單位晶層在C軸方向上按一定距離反復(fù)重合而構(gòu)成晶體。能代表晶體性質(zhì)的單位層內(nèi)最小物質(zhì)組合叫單位晶胞。常以a、b軸范圍表示其大小。某一晶面與相鄰晶層的對應(yīng)晶面間的距離叫C軸間距，如圖3-5所示，。四面體片與八面體片的相互結(jié)合構(gòu)成了層狀硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)層。按照四面體片和八面體片的配合比例，可以把層狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)層分為1：1層型和2：1層型兩個基本類型。單獨的1：1型層或2：1型層可以是電中性的，也可以是由于晶格取代（在晶體結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，中心高價陽離子被低價陽離子取代的現(xiàn)象）等原因而帶

17、負電荷。為了平衡負電性，晶層間必然吸附了一些陽離子作為補償陽離子。在有水存在時，補償陽離子的部分或者全部可能被溶液中的其它陽離子交換，這部分補償陽離子成為交換陽離子。交換陽離子的多少用陽離子交換容量CEC表示（一般以每100克干粘土所吸附的可交換陽離子的毫克當量數(shù)表示）。由于基本結(jié)構(gòu)層、層間物質(zhì)、層間電荷、補償陽離子等的不同，加上結(jié)晶學(xué)上的有序-無序和多型等現(xiàn)象，就使得自然界粘土礦物的種類繁多。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造（1）高嶺石（Kaolinite）高嶺石的單元晶層構(gòu)造由一層四面體片和一層八面體片組成，所有硅氧四面體的尖頂都朝向八面體。四面體晶片與八面體晶片通過共用氧原子連接在一起。若

18、干個晶層在C軸方向上層層重疊，而在a、b軸方向上連續(xù)延伸。如圖3-6所示。 高嶺石構(gòu)造單元中原子電荷是平衡的，化學(xué)式為Al4Si4O10(OH)8。因為其單元晶層構(gòu)造是由一片硅氧片和一片鋁氧片組成，故也稱為1：1型粘土礦物。在高嶺石單元晶層中，一面為OH層，另一面為O層，由于OH鍵具有強極性，晶層與晶層之間容易形成氫鍵，因此，晶層之間連接緊密，晶OH O硅圖3-7 高嶺石晶體結(jié)構(gòu)平面圖層間距僅為7.2×10-1nm，高嶺石的分散度較低且性能穩(wěn)定，幾乎無晶格取代現(xiàn)象。故高嶺石礦物在溶液中陽離子交換容量小，水分子不易進入晶層中間，為非膨脹類型的粘土礦物。其水化性能差，造漿性能不好，一般不

19、用作鉆井液的配漿粘土。（2）蒙托石（Montmorillonite） C間 距圖3-8蒙托石晶體結(jié)構(gòu)平面圖蒙托石是2：1型層狀構(gòu)造硅酸鹽，由兩層四面體片中間夾一層八面體片組成。每個四面體尖頂均指向中央的八面體，通過共用的氧連接成晶層。若干個晶層按一定距離在C軸方向上重疊構(gòu)成晶體，如圖3-8所示。蒙托石礦物的結(jié)晶構(gòu)造天然具有晶格取代的現(xiàn)象，晶格取代多發(fā)生在二八面體片中間，即由低價的Fe2+、Mg2+等取代高價的Al3+，構(gòu)造單元層剩余電荷為0.20.6。單位層間含有水分子和補償性陽離子Na+和Ca2+，這些補償性陽離子是可以被溶液中其它陽離子交換的。蒙托石的陽離子交換容量為70130毫克當量/1

20、00克土。 蒙托石單位晶層兩面均為O層，晶層間依靠分子間力連接，引力小，連接不緊密，水分子容易進入晶層之間而發(fā)生膨脹，水化分散性好，造漿能力強，是配制鉆井液的好材料。（3）伊利石（illite）伊利石也稱為水云母，是2：1型粘土礦物，其晶體構(gòu)造與蒙托石類似，主要區(qū)別在于晶格取代比蒙托石多，取代作用主要發(fā)生在四面體中，鋁離子取代四面體里的硅。晶格取代作用也可以少量發(fā)生在八面體中，典型的是Mg2+和Fe2+取代Al3+，其單位晶胞剩余電荷為0.61.0，比蒙托石的高11.5倍，產(chǎn)生的負電荷主要由K+來平衡。伊利石單位晶層間距為10×10-1nm。伊利石的負電荷主要產(chǎn)生在四面體晶片，離晶層

21、表面近，層間補償陽離子K+與晶層負電荷之間的靜電引力比氫鍵還強，加之K+的體積大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧離子網(wǎng)格形成的六角形空隙中，起著一定的固定作用，所以，伊利石的晶格不易膨脹，水分子不易進入晶層間，也不是配制鉆井液的好材料。伊利石晶層間的鉀離子難以與其它陽離子發(fā)生交換，但是，在伊利石礦物顆粒外表面的陽離子卻能夠發(fā)生陽離子交換。伊利石陽離子交換容量為1040毫克當量/100克土。除了常見和常用的蒙托石、高嶺石和伊利石層狀粘土礦物外，還有伊利石/蒙托石等間層礦物和鏈狀構(gòu)造的鋁鎂硅酸鹽礦物，如海泡石、坡縷石等，可參考有關(guān)書籍閱讀，本節(jié)不再敘述。三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴散雙

22、電層（1）電泳與電滲1809年萊斯（PeHcc）觀察到水中粘土顆粒在直流電場中向陽極移動的現(xiàn)象。后來了解到，許多膠體體系都有類似的現(xiàn)象，若將二電極插入膠體溶液而通以電流，即可發(fā)現(xiàn)膠粒向陽極或陰極移動。在電場作用下，膠體顆粒在介質(zhì)中向某一電極移動的現(xiàn)象，稱為電泳；若固相不動而液相對固定的帶電荷的固體表面作相對運動的現(xiàn)象稱為電滲。電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電的。（2）擴散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)既然膠體粒子帶電，那么在它周圍必然分布著電荷數(shù)相等的反離子，于是在固液界面形成雙電層。雙電層中的反離子，一方面受到固體表面電荷的吸引，靠近固體表面；另一方面，由于反離子的熱運動，又有擴散到液相內(nèi)部去的能力，這兩種

23、相反作用的結(jié)果，使得反離子擴散地分布在膠粒周圍，構(gòu)成擴散雙電層。在擴散雙電層中反離子的分布是不均勻的，靠固體表面密度高，形成緊密層（吸附層），如圖3-9所示。滑動面-距離 _ _ _ _ 吸附層 擴散層 同號離子0X過剩反離子 反離子x 圖3-9 擴散雙電層模型 假如固體表面吸附的反離子為負離子，隨著與界面的距離增大，負離子的分布由多而少，到了正電荷的電力線所不及的距離處，過剩反離子的濃度就等于零。從固體表面到過剩反離子為零處的這一層稱為擴散雙電層。反離子是溶劑化（例如水化）的，固體表面上緊密地連接著部分反離子，構(gòu)成圖3-9中的吸附溶劑化層（緊密層）。其余的離了帶著其溶劑化殼，擴散地分布到液相

24、中，構(gòu)成擴散層。當膠粘運動時，界面上的吸附溶劑化層隨著一起運動，與外層錯開。吸附溶劑化層與外層錯開的界面稱為滑動面。（3）擴散雙電層中的電位從吸附溶劑化層界面（滑動面）到均勻液相（過剩反離子為零）內(nèi)的電位，稱為電動電位（或Zeta電位，又寫作）；從固體表面到均勻液相內(nèi)部的電位，稱為熱力學(xué)電位（j0）。熱力學(xué)電位決定于固體表面所帶的總電荷，而Zeta電位則取決于固體表面電荷與吸附溶劑化層內(nèi)反離子電荷之差。如圖3-10所示。1）電動電位（電位）電動電位是擴散雙電層的重要特點，它與膠體體系的穩(wěn)定性密切相關(guān)。從圖310可以看出，電動電位（）的數(shù)值取決于吸附層滑動面上的凈電荷數(shù)，也就是取決于擴散層中的反

25、離子數(shù)。如圖39中，定勢離子帶10個正電荷，吸附層中有4個負電荷，則滑動面上的凈電荷數(shù)為6個負電荷，此值與電動電位相對應(yīng)。吸附層（緊密層）中的電位降為直線jj0 0 x圖3-10 雙電層中的電位下降。 根據(jù)赫姆霍茲-斯茅拉朝維斯基（HelmhohzSmoluchowski）公式，膠體電動電位（電位）的計算如下： (3-3) 式中，電動電位，伏； V電泳速度，cms； E電位梯度，等于電泳池兩端電壓除以電極距離，伏cm；介質(zhì)粘度，mPa.s； D液體介電常數(shù)，在20時水為 80； 3002單位換算系數(shù)。 上式中常數(shù)4僅適用于板狀、棒狀膠體。如果是小的球形膠體顆粒則用6。層狀構(gòu)造粘土顆粒通常為板狀

26、，而層鏈狀構(gòu)造粘土顆粒則為棒狀。2）擴散層電位 擴散層電位j比較微弱，隨距固體表面的距離x而變化，服從指數(shù)關(guān)系，即擴散層電位（j）按指數(shù)關(guān)系下降，如下式： （3-4） 式中，j擴散層中任一點的電位；j0熱力學(xué)電位（表面電位）； K德拜常數(shù)； lK離子氛（擴散雙電層）的厚度；x離開表面的距離。 顯然，當x=lK時， (3-5)由該式可以看出，在距離x等于1/K處，電位下降為j0的1/e倍。當x時，j0。當x等于零時，j=j0。3）電解質(zhì)對雙電層厚度和電動電位（）的影響膠體的聚結(jié)穩(wěn)定性與雙電層厚度、電動電位大小有密切關(guān)系，雙電層愈厚，愈大，膠體愈穩(wěn)定。根據(jù)強電解質(zhì)的德拜一休格理論，雙電層的厚度主要

27、決定于溶液中電解質(zhì)的反離子價數(shù)與電解質(zhì)的濃度，因為： (3-6) 式中，n電解質(zhì)濃度； Z電解質(zhì)中離子價數(shù)（系均稱電解質(zhì)，如 NaC！，MgSO4）；k坡茲曼常數(shù)； T絕對溫度； e電子電荷； S介電常數(shù)。 由式（3-6）可以看出，隨著加入電解質(zhì)濃度的增加，特別是離子價數(shù)的升高，離子氛（即擴散雙電層）厚度下降。x12在溶液中加入電解質(zhì)，擴散雙電層厚度下降的原因是加入電解質(zhì)后，將有更多的反離子進入吸附層，結(jié)果擴散層的離子數(shù)目下降，這就導(dǎo)致雙電層厚度下降，電動電位下降（電解質(zhì)壓縮雙電層的作用）。當所加電解質(zhì)把雙電層壓縮到吸附溶劑化層的厚度時，膠粒即不帶電，此時電動電位降到零。這種狀態(tài)稱為等電態(tài)。在

28、等電態(tài)，膠體容易聚結(jié)。如果高價反離子進入吸附層，使電勢改變符號，稱再帶電現(xiàn)象。此時，膠粒電荷反號，電泳方向改變，如圖3-11所示。j 等電點 x -圖3-11 電解質(zhì)濃度對電位影響4）粘土水界面雙電層的特點由于粘土礦物呈片狀，其晶體表面與端面結(jié)構(gòu)不同，因此，可以形成兩種不同的雙電層，這就是所謂粘土膠體雙電層的兩重性。這一點顯著地區(qū)別于其它膠體，下面分別加以討論。 粘土片表面上的雙電層結(jié)構(gòu)正如前面所述，在蒙脫石和伊利石的晶格里，硅氧四面體晶片中部分Si4+可被Al3+取代，鋁氧八面體晶片中部分Al3+可被Mg2+或Fe2+等取代。這種晶格取代作用造成粘土晶格層面上帶有永久負電荷，于是它們吸附等電

29、量的陽離子（ Na、Ca2+、Mg2+等）。當將這些粘土放到水里，吸附的陽離子便解離，向外擴散，結(jié)果形成了膠粒帶負電的擴散雙電層。粘土表面上緊密地連結(jié)著一部分水分子（氫鍵連結(jié)）和部分帶水化膜的陽離子，構(gòu)成吸附溶劑化層；其余的陽離子帶著它們的溶劑化水擴散地分布在液相中，組成擴散層，如圖39所示。 粘土片端面上的雙電層結(jié)構(gòu)粘土礦物晶體端面上裸露的原子結(jié)構(gòu)和表面上不同。在端面，粘土晶格中鋁氧八面體與硅氧四面體原來的鍵被斷開了。當介質(zhì)的PH值低于9時，八面體處端面上OH解離，露出帶正電的鋁離子，故可以形成正溶膠形式的雙電層；而在堿性介質(zhì)中，端面上的氫解離，裸露出帶負電的表面（一AO-），在這種情況下，

30、形成的雙電層，其電性與層面上相同。 另外，粘土硅氧四面體的端面，通常由于H的解離而帶負電。但粘土懸浮體中常常有少量Al3+存在，它將被吸附在硅氧四面體的破鍵處，從而使之帶正電。 粘土端面可以形成正溶膠形式的雙電層，這一點與電泳實驗中粘土顆粒帶負電并不矛盾。因為端面所帶的正電荷與粘土平表面上帶的負電荷數(shù)量相比，是很少的。就整個粘土顆粒而言，它所帶的凈電荷是負的，故在電場的作用下向正極運動。2.粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性 鉆井液中的粘土顆粒多數(shù)在懸浮體范圍（0.12微米），少數(shù)在溶膠范圍（0.1微米l毫微米）。鉆井液是粘土-水的膠質(zhì)懸浮體系，具有膠體和懸浮體的性質(zhì)。由于粘土-水分散體系具有多級多相性和

31、巨大的表面積，是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的分散體系。所以，掌握粘土-水膠質(zhì)懸浮體的穩(wěn)定性及其影響因素對于鉆井液的配制、使用、維護和處理具有指導(dǎo)意義。（1）沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性 多相分散體系的穩(wěn)定性包括兩個方面，沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下分散相顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。若下沉速度很小，甚至可略而不計，則稱該體系具有沉降穩(wěn)定性。觀察鉆井液沉降穩(wěn)定性的方法，是將充分攪拌好的鉆井液注滿250毫升量筒，靜置24小時后，分別量測上、下部分的鉆井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降穩(wěn)定性愈高（一般要求上下密度差不超過0.06g/cm3）。聚結(jié)穩(wěn)定性則指分散相顆粒是否容易自動粘結(jié)變大（即自動降低

32、分散度）的性質(zhì)。若實際上不自動降低分散度，則稱此體系具有聚結(jié)穩(wěn)定性。鉆井液是稠的粘土溶膠一懸浮體，其聚結(jié)行為很敏感地反映在屈服值的變化上。此外，由鉆井液的失水量和泥餅厚度也可間接觀察其聚結(jié)穩(wěn)定性。聚結(jié)穩(wěn)定性是沉降穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，沉淀穩(wěn)定性是聚結(jié)穩(wěn)定性的反映。（2）影響沉降穩(wěn)定性的因素對一般的分散體系而言，影響沉降穩(wěn)定性的因素是分散相粒子的大小、分散相與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度。 設(shè)分散相的粒子為球形，半徑為r，它在分散介質(zhì)中所受的重力為，下沉?xí)r所受的阻力f=6ru。下沉速度u越大，阻力f亦越大，故粒子在分散介質(zhì)中下沉?xí)r不可能無限制地加速，而是會很快地變成等速下沉。令P=f，即重力等于阻力

33、時求出u，就是該顆粒的下沉速度。（3-7） 式中，u分散相顆粒的下沉速度，cms；r分散相顆粒的半徑，cm；、0分別為分散相和分散介質(zhì)的密度，gcm3；分散介質(zhì)的粘度，泊； g重力加速度；981cms2。 上式稱為斯篤克定律。 下面舉例計算粘土顆粒在水中的下沉速度u和下沉1厘米所需的時間（即1u）。設(shè)P=2.7，=l.0g/cm3，=0.015泊，則不同半徑的球形顆粒的下沉速度如表3-1所示。表3-1 不同半徑的球形顆粒的下沉速度分散狀態(tài)粒子半徑（r）下沉速度u，cm/s下沉1厘米所需時間（1/u）懸浮態(tài)1012.47×10-22.47×10-440.5秒67.5分膠 體0

34、.10.011m2.47×10-62.47×10-82.47×10-10112時5分468天14小時113年143天計算表明：分散相顆粒小，沉降穩(wěn)定性好，而懸浮體的分散顆粒粗，沉降穩(wěn)定性不好。對于鉆井液這類能形成一定結(jié)構(gòu)（有靜切力）的體系，鉆井液的結(jié)構(gòu)對粘土顆粒的下沉起阻礙作用，這是一種切力懸浮作用，顯著地提高了鉆井液的沉降穩(wěn)定性。 除了上述影響因素外，對于尺寸小于1微米的顆粒還具有布朗運動。它是由于周圍介質(zhì)分子處于熱運動狀態(tài)，不斷撞擊這些質(zhì)點的緣故。在任一狀態(tài)的懸浮體中，較大的質(zhì)點每秒鐘從各個方向受到幾百萬次的撞擊，結(jié)果這些碰撞都互相抵消；且質(zhì)點受到撞擊時，由于

35、質(zhì)點較大，所發(fā)生的位移要比小質(zhì)點小得多。但若質(zhì)點很小，到了膠體粒子的程度，則它所受到的撞擊次數(shù)比大質(zhì)點要少得多，以至于各撞擊彼此完全抵消的可能性很小。它們在某一瞬間從某一方向得到?jīng)_量，而在另一瞬間又從另一方向得到不同的沖量，這樣，膠體粒子就發(fā)生了不斷改變著的無秩序的運動。這種運動使膠體粒子能向上擴散而保持懸浮狀態(tài)，具有較高的沉降穩(wěn)定性。（3）影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素 在粘土一水分散體系中，粘土顆粒的分散與聚結(jié)相互轉(zhuǎn)化，常常是使鉆井液性能發(fā)生變化的本質(zhì)。深入分析影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素，對鉆井液工藝而言是十分重要的。1）阻礙粘土顆粒聚結(jié)的因素雙電層斥力 如前所述，粘土膠粒周圍形成有擴散雙電層。當兩個粘土

36、顆粒聚結(jié)合并前，必然有個移動的過程，在移動時，隨著粘土顆粒一齊運動的僅是吸附層內(nèi)的反離子，這樣，粘土粒子就具有表示負電荷多少的電勢，顯然，電勢越高，顆粒之間的斥力越大，越難以聚結(jié)合并。吸附溶劑化層的穩(wěn)定作用 首先，吸附作用降低了固一液界面的表面能，從而降低顆粒的聚結(jié)趨勢。同時實驗指出，吸附溶劑化層的溶劑（如水化股的水）具有很高的粘度和彈性，這就構(gòu)成妨礙膠粒聚結(jié)的機械阻力。2）引起粘土顆粒聚結(jié)的因素顆粒之間的吸力（范德華力） 無論是粘土一水溶膠或是其他膠體，它們的顆粒會聚結(jié)合并這一事實說明：顆粒之間存在著在數(shù)量上足以和雙電層斥力相抗衡的吸力，這就是范德華力。分子之間的引力也是范德華力，但顆粒之間

37、的吸力和分子之間的引力不同，后者與距離的六次方成反比，隨分子間距離的增大而急劇減小，作用力范圍很??；但對于由許多分子聚集而成的質(zhì)點顆粒，此力與表面距離的三次方成反比，作用能量則與距離的二次方成反比，作用力的范圍較大。所以，當粘土顆粒之間的距離相互靠近到此吸力的作用范圍，而且吸力超過斥力時，粘土顆粒之間就發(fā)生聚結(jié)。電解質(zhì)的聚結(jié)作用 電解質(zhì)的加入有壓縮雙電層，降低電位的作用。當電位降到一定程度，其靜電斥力和吸附溶劑化層的機械阻力減小到不足以阻止膠粒聚結(jié)時，體系就要發(fā)生明顯聚結(jié)。聚結(jié)作用常以分散相顆粒的沉淀告終，但在有些情況下則引起凝膠的生成。膠粒開始明顯聚沉的電位，稱為臨界電位。這個電位很小，約為

38、25-30毫伏。使溶膠開始明顯聚沉所加電解質(zhì)的最低濃度，稱為聚沉值。一般用“毫克分子升”為單位。從一系列聚沉值測定實驗中得出下面規(guī)律：電解質(zhì)中負離子對帶正電的溶膠起主要聚沉作用，正離子對負電性溶膠起主要聚沉作用。且其聚沉能力隨反離子價的增高而顯著增大。例如，一價、二價、三價陽離子對負溶膠的聚沉值之比約為（25100）：（0.52）：（0.010.1）。此即叔采-哈迪規(guī)則。同價離子的聚沉能力亦有差別。例如，負離子相同時，堿金屬、堿士金屬離子的聚沉能力的大小有如下的順序（感膠離子序）：Cs+Rb+K+Na+Li+Ba+Sr+Ca+Mg+3）聚結(jié)作用與凝膠 有些情況下，加電解質(zhì)于溶膠或懸浮體中并不發(fā)

39、生沉淀析出，而是改變了該分散體系的流動性質(zhì)（表現(xiàn)粘度、塑性粘度、動切應(yīng)力的數(shù)值增大），甚至使整個體系失去流動性，變成豆腐塊狀的凝膠。凝膠是指由于外界條件（如溫度、外力、電解質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)）的變化使溶膠（或懸浮體）或高聚物分子相互聯(lián)結(jié)形成的半固體狀態(tài)。它是分散體系的一種特殊形式，其性質(zhì)介于固體和液體之間。它實際是一種特殊的絮凝狀態(tài)。例如鉆井液受鹽侵、鈣侵時，有時會出現(xiàn)這種情況。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的必要條件是：分散相顆粒形狀高度不規(guī)則（例如片狀），粒子表面性質(zhì)不均勻，粒子的濃度足夠大。只有具備這些特點，分散相顆粒才能彼此部分粘結(jié)，形成凝膠特有的布滿整個有效容積的連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。一般地，鉆井液的粘土顆粒濃度都

40、相當大，而且粘土顆粒為片狀，其平面和端面的性質(zhì)很不均勻、不一致（平面處帶負電，水化膜較厚；端部有邊側(cè)破鍵，可能帶正電，水化膜較薄等），具備了生成凝膠的必要條件。鉆井液中的粘土顆粒發(fā)生聚結(jié)時，能以下列幾種方式聯(lián)合，如圖3-12所示。（a）單個分散 （b）面-面重合 （c）端-面聯(lián)接 （d）端-端聯(lián)結(jié)（e）面-面重合與端-面聯(lián)結(jié) （f）面-面重合與端-端聯(lián)結(jié) （g）面面重合與端端、端面聯(lián)結(jié)圖3-12 鉆井液中粘土顆粒的聯(lián)結(jié)方式圖3-12中面一面重合的方式將使顆粒的尺寸增大，分散度降低，減少了形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的粒子數(shù)，不利于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形成，表現(xiàn)為該分散體系的粘度降低；而后面幾種聯(lián)接方式均可形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

41、聚結(jié)時，上面的幾種聯(lián)接方式可以同時發(fā)生，也可能這種或那種方式占優(yōu)勢，從而形成復(fù)雜的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可能是連續(xù)的，也可能是一團一團不連續(xù)的。顆粒的聯(lián)接也有松散、緊牢之分，因而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有多有少、有強有弱，它影響著鉆井液的流變性質(zhì)和失水造壁性能。概括而言，凝膠的強度，主要取決于單位體積中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)目和每個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強度。在鉆井液中加入較少電解質(zhì)時，粘土顆粒的電位下降，顆粒間斥力減小，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強，因而粘度、切力增大。鉆井液降粘劑的作用亦主要是通過吸附（特別是端面上的吸附）減弱粘土顆粒間的聯(lián)接力，從而大大削弱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強度或拆散其結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的。第三節(jié) 鉆井液的工藝性能鉆井液的流變性能和失水造壁性

42、能是保證鉆井作業(yè)正常進行的兩項基本工藝性能。這兩項性能對于提高鉆進速度，保持井下安全，保護油氣儲集層，降低鉆井成本都有著直接影響。一、鉆井液的流變性能 鉆井液的流變性能是鉆井液在流動過程的流變性和靜止狀態(tài)下觸變性的流體力學(xué)表現(xiàn)，主要由粘度、靜切應(yīng)力等流變參數(shù)表示。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆井液的循環(huán)流動過程為： 當鉆頭靠旋轉(zhuǎn)鉆柱向井底加壓時，鉆井液從鉆柱內(nèi)向下流動，經(jīng)過鉆頭噴嘴流出后，產(chǎn)生了沖洗井底及輔助破巖的高速射流，然后鉆井液又從井底開始，經(jīng)過井壁與鉆柱構(gòu)成的環(huán)形空間作上返流動。在此期間，被鉆頭破碎下來的巖屑經(jīng)高速射流的沖洗作用而脫離井底后，又被環(huán)空中流動上返的鉆井液攜帶到地面。當井中上返的鉆井液流

43、過地面的振動篩時，把巖屑留在篩布上，于是巖屑便從鉆井液中分離出來。然后，無巖屑顆粒的鉆井液流經(jīng)鉆井液槽返回鉆井液池中。地面上的鉆井泵將鉆井液池中的鉆井液重新泵入鉆柱內(nèi)，進而鉆井液再沿著鉆柱向下流動。這種鉆井液循環(huán)流動的不斷反復(fù)，伴隨著一口井的整個鉆井過程。 按照鉆井液在整個循環(huán)系統(tǒng)中的作用，在一定的水力能量條件下，要求鉆井液的有效粘度（有效粘度是單位流速梯度下鉆井液粘滯力大小的反映）在循環(huán)系統(tǒng)的不同位置應(yīng)該具有不同的大?。寒斻@井液到達鉆柱內(nèi)和鉆頭噴嘴位置，要求鉆井液有效粘度低、流動性好，能降低流動壓力損耗，有利于沖洗鉆頭、清洗井底巖屑，從而提高鉆進效率；進入環(huán)形空間，對鉆井液的要求除了盡量降低

44、環(huán)空流動壓力損耗外，有效粘度還必須快速增大到一定值以便懸浮、攜帶鉆屑；在地面上，為了沉降、分離鉆屑，鉆井液又必須快速降低粘度，以利于發(fā)揮地面固相分離設(shè)備的作用。顯然，這就是要求鉆井液在井筒內(nèi)必須具有較強的剪切稀釋性。剪切稀釋性是指在恒溫恒壓條件下，流體的有效粘度隨著剪切速率的增加而降低的現(xiàn)象；同樣，也是指流體的有效粘度隨著剪切速率的降低而增加的現(xiàn)象。盡管鉆井液在井筒內(nèi)的流動過程并不處于理想的恒溫恒壓環(huán)境，但在每一個較小的井段內(nèi)可以認為溫度和壓力的變化不大，鉆井液仍應(yīng)具有剪切稀釋性才能滿足鉆井的需要。剪切稀釋性的特點是剪切速率和流體的粘度均為變量，粘度則是剪切速率的反比函數(shù)。1.流變特性與時間無

45、關(guān)的非牛頓鉆井液流體 根據(jù)鉆井液的流體力學(xué)性質(zhì)分析，鉆井液大多屬于純粘性非牛頓流體，描述其流體力學(xué)性質(zhì)的一般本構(gòu)方程式為： （3-8） 式中，t為剪切應(yīng)力，為剪切速率（又稱速度梯度），h為視粘度或有效粘度。該式表征出鉆井液具有剪切稀釋性的特點。 在鉆井現(xiàn)場，鉆井液的流變行為可以符合冪律（Power Law）、賓漢（Bingham）、卡森（Casson）和赫巴（HerschelBulkley）等模式之一。究竟采用哪種模式，可以根據(jù)流變曲線或數(shù)值擬合分析，選擇相關(guān)性最好的模式來分析和表示實際鉆井液的流變行為。（1）冪律流體模式 一維簡單剪切流動情況下的冪律模式為 （3-9）有效粘度函數(shù)為 （3-1

46、0） 式中，K為稠度系數(shù)，Pa.sn；n為流性指數(shù)。n是無因次量，（2）賓漢流體模式 一維簡單剪切流動情況下的賓漢模式為 （3-11） 有效粘度函數(shù)為 （3-12） 式中，hs為塑性粘度，mPa.s ；t0為動切應(yīng)力（又稱屈服值），Pa。（3）卡森流體模式 一維簡單剪切流動情況下的卡森模式為 （3-13） 有效粘度函數(shù)為 （3-14）式中，h¥為卡森極限高剪粘度，mPa.s；tc為卡森動切應(yīng)力（或稱卡森屈服值），Pa?？ㄉＪ降牧硪惶卣鲄?shù)是剪切稀釋指數(shù)Im，可用下式表示： （3-15）Im值用于反映鉆井液剪切稀釋性的強弱。（4）赫巴流體模式 一維簡單剪切流動情況下的赫巴模式為 （3

47、-16）有效粘度函數(shù)為 （3-17）式中，K為稠度系數(shù)，Pa.sn；n為流性指數(shù)，無因次；t0為動切應(yīng)力，Pa。（5）考慮溫度和壓力的流變模式McMordie等人在1974年提出了同時考慮溫度和壓力時油基鉆井液的流變模式： （3-18）式中，p壓力；T溫度；A、B常數(shù)。對于帶有屈服應(yīng)力的鉆井液，方程（3-18）可以改寫成如下形式： （3-19）2.流變特性與時間有關(guān)的非牛頓流體 這種流體的特點在于剪切應(yīng)力不僅是剪切速率的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)。即=f(，t)符合這種關(guān)系的流體稱為觸變性流體（Thixotropy），絕大多數(shù)鉆井液具有這種流變特性。在實驗中可以觀察到這種現(xiàn)象：鉆井液搖動并靜止后形

48、成凝膠，再次搖動后恢復(fù)到原有狀態(tài)。所以，從現(xiàn)象的變化上講，鉆井液的觸變性是指恒溫恒壓下攪拌后變稀，靜止后變稠的特性。嚴格的觸變性定義為：在固定速梯下，流體的剪切應(yīng)力隨作用時間延長而減小的特性，或者在停止剪切靜置后，流體的剪切應(yīng)力隨靜置時間延長而逐步增大的特性。從膠體化學(xué)的角度看，流體的觸變性是指等溫情況下流體狀態(tài)發(fā)生凝膠®溶膠®凝膠可逆轉(zhuǎn)變的特性。觸變性機理在于流體內(nèi)部的粘土粒子因其物化原因容易形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。靜止后，粘土粒子為了滿足表面靜電飽和，在自由能最小部位自行排列而形成凝膠結(jié)構(gòu)。攪拌時，凝膠結(jié)構(gòu)隨攪拌時間延長而逐步被拆散。因此，凝膠結(jié)構(gòu)是固相含量、固相類型、溫度、時間

49、、剪切過程和處理劑類型的函數(shù)。觸變性流體具有兩個特點：形成結(jié)構(gòu)到拆散結(jié)構(gòu)，或反之，在等溫情況下是可逆的，可重復(fù)的；結(jié)構(gòu)的變化與時間緊密相關(guān)。觸變性的強弱是用流體恢復(fù)內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所需時間表示，因而可采用某一固定時間的終靜切應(yīng)力與初始靜切應(yīng)力差值表示，或者初始靜切應(yīng)力與終了靜切應(yīng)力的比值表示。例如：觸變性=終切力-初切力；或者，觸變性=初切力/終切力。具體表示方法又為分為兩種情況： 對于低密度鉆井液： 觸變性=初切力/終切力=1分鐘靜切力/10分鐘靜切力（s1/s10或者 G1/G10）。 對于高密度鉆井液： 觸變性=10秒鐘靜切力/10分鐘靜切力（s10“/s10或者 G10”/G10） 高密度

50、鉆井液的初切應(yīng)力取值10秒的原因在于考慮到加重材料沉降速度較快，鉆井液必須在很短時間內(nèi)達到一定的靜懸浮能力。在實驗室內(nèi)，觸變性還采用測定鉆井液剪切應(yīng)力（固定剪切速率）隨時間的變化曲線或者測定滯后環(huán)的方法來評價鉆井液的觸變性。圖3-13是某種水基鉆井液的滯后環(huán)曲線（即上流動曲線與下流動曲線的閉合曲線），所謂上流動曲線是指剪切速率由小到大進行測試時所得的流動曲線，而下流動曲線是指剪切速率的變化方向是由大到小。一般來說，上流動曲線與下流動曲線之間包絡(luò)的面積越大，說明該鉆井液的觸變性越大。圖3-14總結(jié)了鉆井液的靜切應(yīng)力隨時間變化的幾種典型情況。圖中所示的脆弱型、強遞增型和平坦型都不是理想的鉆井液，只

51、有良好型是實際鉆井液所期望的，這類鉆井液具有初切力較低、終切力適中的特征。 10 5 10(s) 5 10 15 20 25 1 2 3 440靜切力PaPa剪切應(yīng)力 Pa 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 剪切速率（s-1） 時間（min）1- 平坦型；2-強遞增型；3-良好型；4-脆弱型 圖3-13 水基鉆井液的觸變性 圖3-14 幾種類型的靜切力3.鉆井液流變參數(shù)的膠體化學(xué)性質(zhì) 鉆井液屬于多相多級的膠體-懸浮體分散體系，反應(yīng)其宏觀流動性的流變性能必然與分散體系內(nèi)部組分間的相互作用力相關(guān)聯(lián)，即流變性是以下幾種內(nèi)部阻力的反映。鉆井液的流變性是可以通過化學(xué)處理

52、方法改變的，即：化學(xué)處理改變鉆井液體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)強弱（改變膠體化學(xué)性質(zhì)），從而改變流動阻力，進而改變鉆井液的流變性能。因此，學(xué)習(xí)鉆井液流變參數(shù)膠體化學(xué)性質(zhì)的目的在于通過鉆井液流變性能的變化，可以分析出化學(xué)處理劑作用前后，鉆井液體系中分散相結(jié)構(gòu)的微觀變化和鉆井液體系的穩(wěn)定性，從而尋求符合生產(chǎn)實際所需要的鉆井液配方，更好地滿足鉆井工程的需要。（1）鉆井液的靜切應(yīng)力和動切應(yīng)力1）靜切應(yīng)力（代號s或G） 靜切應(yīng)力簡稱靜切力，是鉆井液靜止后形成的凝膠結(jié)構(gòu)強度強弱的反映；從流體力學(xué)觀點看，它是鉆井液從靜止到開始塞流流動所需要的最小剪切應(yīng)力。凝膠結(jié)構(gòu)強度主要取決于單位體積中鉆井液內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)目和每個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的連接強度，前者由粘土顆粒的濃度（粘土含量和分散度）決定，后者由粘土顆粒之間的吸引力決定。此力又與粘土顆粒的Zeta電位（代號z）和吸附水化膜的性質(zhì)和厚度等因素有關(guān)，z電位降低，吸附水化膜變薄，則土粒間的吸引力增強，若不引起分散度的明顯降低，靜切應(yīng)力將相應(yīng)增大。因此，影響鉆井液靜切力大小的因素主要有：粘土含量和分散度，粘土顆粒的z電位和吸附水化膜的性質(zhì)和厚度。根據(jù)影響靜切力大小的因素可以得到調(diào)整靜切力的方法：提高靜切力s，可采用提高粘土固相濃度、分散度，降低粘土表