鉆井液和完井液化學(xué)

1、 鉆井液與完井液化學(xué)鉆井液和完井液化學(xué)第1頁(yè) 目 錄 第一章 鉆井液概論第二章 粘土礦物和粘土膠體化學(xué)第三章 鉆井液流變性第四章 鉆井液濾失和潤(rùn)滑性能第五章 鉆井液配漿材料與處理劑第六章 水基鉆井液第七章 油基鉆井液第八章 鉆井液固相控制第九章 對(duì)付井下復(fù)雜情況鉆井液技術(shù)第十章 保護(hù)油氣層鉆井液技術(shù)第十一章 國(guó)內(nèi)外鉆井液技術(shù)新進(jìn)展 鉆井液與完井液化學(xué)鉆井液和完井液化學(xué)第2頁(yè) 鉆井液與完井液化學(xué) 第一章 鉆井液概論鉆井液和完井液化學(xué)第3頁(yè)鉆井液 油氣鉆井過(guò)程中以其各種功效滿足鉆井工作需要各種循環(huán)流體總稱。鉆井液又稱做鉆井泥漿（Drilling Muds），或簡(jiǎn)稱為泥漿(Muds) 。第一節(jié) 鉆井

2、液功用、類型和組成鉆井液和完井液化學(xué)第4頁(yè)完井液 在油氣井完井作業(yè)過(guò)程中所使用工作液統(tǒng)稱為完井液（CompletionFluids）。這些作業(yè)包含鉆開油層、下套管、射孔、防砂、試油、增產(chǎn)辦法和修井等。所以從廣義上講，從鉆開油層到采油及各種增產(chǎn)辦法過(guò)程中每一個(gè)作業(yè)步驟，所使用與產(chǎn)層接觸各種工作液體系統(tǒng)稱為完井液。國(guó)外普通把鉆開油層工作液稱為鉆開液（Drill-influids），將射孔、防砂以及各種增產(chǎn)辦法中用于產(chǎn)層工作液稱為完井液（Completion-Fluids），將為維護(hù)或提升產(chǎn)能而修井時(shí)所用工作液稱為修井液（WorkoverFluids）。 第一節(jié) 鉆井液功用、類型和組成鉆井液和完井液

3、化學(xué)第5頁(yè)鉆井液和完井液化學(xué)第6頁(yè) 鉆井液主要功效攜帶、懸浮巖屑控制壓力形成泥餅冷卻、潤(rùn)滑保護(hù)油氣層傳遞水功率鉆井液和完井液化學(xué)第7頁(yè)1攜帶和懸浮巖屑 這是鉆井液首要和最基本功用2穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力3冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、鉆具4傳遞水動(dòng)力5獲取井下信息6. 保護(hù)油氣層 鉆井液主要功效鉆井液和完井液化學(xué)第8頁(yè) 伴隨鉆井液工藝技術(shù)不停發(fā)展，鉆井液種類越來(lái)越多。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆井液有各種不一樣分類方法。密度大小：非加重鉆井液和加重鉆井液。粘土水化作用：非抑制性鉆井液和抑制性鉆井液。固相含量：低固相鉆井液與無(wú)固相鉆井液。 鉆井液類型鉆井液和完井液化學(xué)第9頁(yè) 普通所采取分類方法是按鉆井液中流體介質(zhì)和體系組

4、成特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分類。 鉆井液類型依據(jù)流體介質(zhì)水基鉆井液油基鉆井液氣體型合成基鉆井液鉆井液和完井液化學(xué)第10頁(yè) 鉆井液類型 下面是在參考國(guó)外鉆井液分類標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)得到認(rèn)可各種鉆井液類型：鉆井液和完井液化學(xué)第11頁(yè) 鉆井液類型1.分散鉆井液（Dispersed Drilling Fluids)：分散鉆井液是指用淡水、膨潤(rùn)土和各種對(duì)粘土與鉆屑起分散作用處理劑(簡(jiǎn)稱為分散型)配制而成水基鉆井液。優(yōu) 點(diǎn)：(1)可容納較多固相，較適于配制高密度鉆井液。 (2) 形成較致密泥餅，濾失量較低 (3)一些分散鉆井液，如三磺鉆井液體系含有較強(qiáng)抗 溫能力，適于在深井和超深井中使用。缺 點(diǎn)：除抑制性和抗污染能力較

5、差外，還因體系中固相含量 高，對(duì)提升鉆速和保護(hù)油氣層都有不利影響。鉆井液和完井液化學(xué)第12頁(yè) 鉆井液類型 2鈣處理鉆井液(Calciumtreated Drilling Fluids )組成特點(diǎn)：體系中含有一定濃度Ca2+和分散劑。Ca2+經(jīng)過(guò)與鈉膨潤(rùn)土發(fā)生離子交換，鈉膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}膨潤(rùn)土，減弱水化程度。分散劑主要是預(yù)防Ca2+引發(fā)體系中粘土顆粒絮凝過(guò)分并保持在適度絮凝狀態(tài)，確保鉆井液含有良好穩(wěn)定性能。特 點(diǎn)：(1) 抗鹽、鈣污染能力較強(qiáng)； (2)對(duì)所鉆地層中粘土有抑制其水化分散作用，所以可在一定程度上控制頁(yè)巖坍塌和井徑擴(kuò)大，同時(shí)能減輕對(duì)油氣層損害。鉆井液和完井液化學(xué)第13頁(yè) 鉆井液類型 鹽水

6、鉆井液是用鹽水(或海水)配制而成。在含鹽量從1(CL-質(zhì)量濃度為6000 mgL直至飽和(CL-質(zhì)量濃度為189000 mgL)之前整個(gè)范圍內(nèi)都屬于此種類型。鹽水鉆井液也是一類對(duì)粘土水化有較強(qiáng)抑制作用鉆井液。3鹽水鉆井液(Saltwater Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學(xué)第14頁(yè) 鉆井液類型 鉆井液中Nacl含量到達(dá)飽和時(shí)鹽水鉆井液體系。它能夠用飽和鹽水配成，亦可先配成鉆井液再加鹽至飽和。飽和鹽水鉆井液主要用于鉆其它水基鉆井液難以對(duì)付大段巖鹽層和復(fù)雜鹽膏層，也可作為完井液和修井液使用。4飽和鹽水鉆井液(Saturated Saltwater Drilling Fluids)

7、鉆井液和完井液化學(xué)第15頁(yè) 鉆井液類型 聚合物鉆井液是以一些含有絮凝和包被作用高分子聚合物作為主處理劑水基鉆井液。這些聚合物可使鉆井液中各種固相顆粒保持在較微細(xì)顆粒狀態(tài)。5聚合物鉆井液 (Polymer Drillig Fluids)其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： (1) 鉆井液固相含量低，鉆速可顯著提升，對(duì)油氣層損害程度小。 (2) 剪切稀釋性強(qiáng)。環(huán)空流體粘度、切力較高，攜帶巖屑能 力強(qiáng)；鉆頭噴嘴處流動(dòng)阻力較小，有利于提升鉆速。 (3) 聚合物處理劑含有較強(qiáng)包被和抑制分散作用，有利于保持 井壁穩(wěn)定。鉆井液和完井液化學(xué)第16頁(yè) 鉆井液類型 鉀基聚合物鉆井液是一類以各種聚合物鉀(或銨、鈣)鹽和KCl為主處理

8、劑防塌鉆井液。在各種常見無(wú)機(jī)鹽中，以KCl抑制粘土水化分散效果為最好；而聚合物處理劑存在使該類鉆井液含有聚合物鉆井液各種優(yōu)良特征。所以，在鉆遇泥頁(yè)巖地層時(shí)，使用它能夠取得比較理想防塌效果。6鉀基聚合物鉆井液(Potassiumbased PoIymer Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學(xué)第17頁(yè) 鉆井液類型 以油(柴油或礦物油)為連續(xù)相鉆井液稱做油基鉆井液。油基鉆井液主要特點(diǎn)是抗高溫，抑制性強(qiáng)，抗鹽、鈣污染能力高，潤(rùn)滑性好，對(duì)油氣層損害小。 所以，使用該類鉆井液已成為鉆探井、超深井、大位移井、水平井和各種復(fù)雜地層重要伎倆之一。但其次，由于其配制成本較高，以及使用時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一

9、定污染，因而使其應(yīng)用受到一定限制。7油基鉆井油(Oilbased Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學(xué)第18頁(yè) 鉆井液類型 合成基鉆井液是以合成有機(jī)化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進(jìn)劑一類新型鉆井液。 因?yàn)槭褂脽o(wú)毒而且能夠生物降解非水溶性有機(jī)物取代了油基鉆井液中柴油，所以，其保持了油基鉆井液各種優(yōu)良特征，同時(shí)含有連良好環(huán)境友好性，尤其適合用于海上鉆井。8合成基鉆井液(Synthetic Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學(xué)第19頁(yè) 鉆井液類型 氣體型鉆井流體主要適合用于鉆低壓油氣層、易漏失地層以及一些稠油油層。其特點(diǎn)是密度低，鉆速快，

10、可有效保護(hù)油氣層，并能有效預(yù)防井漏等復(fù)雜情況發(fā)生。通常又將氣體型鉆井流體分為以下4種類型：1)空氣或天然氣鉆井流體； 2)霧狀鉆井流體； 3)泡沫鉆井流體； 4)充氣鉆井液9氣體型鉆并流體(Gastyped Drillg Fluids)10保護(hù)油氣田鉆井液(Drilling-in Fluids)鉆井液和完井液化學(xué)第20頁(yè) 鉆井液組成水基鉆井液經(jīng)典組成鉆井液和完井液化學(xué)第21頁(yè) 鉆井液組成油基鉆井液經(jīng)典組成 1油 (0.54) 2鹽(0.04) 3水(0.30） 4低密度固體(0.03) 5高密度固體(0.09)鉆井液和完井液化學(xué)第22頁(yè) 第二節(jié) 鉆井液性能及測(cè)試 按照API推薦鉆井液性能測(cè)試標(biāo)

11、準(zhǔn)，需檢測(cè)鉆井液常規(guī)性能包含： 常規(guī)性能流 變 性：漏斗粘度、塑性粘度、 動(dòng)切力、靜切力、密 度：g/cm3濾 失 量：API濾失量、HTHP濾失量濾液分析：氯離子、堿度、石灰、 硬度、硫酸鈣其 他：油水含量、固相含量、搬土鉆井液和完井液化學(xué)第23頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試 鉆井液密度 合理鉆井液密度是確保安全、快速鉆井和保護(hù)油氣層十分主要參數(shù)。 調(diào)整鉆井液密度作用：調(diào)整鉆井液靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力。 不適當(dāng)鉆井液密度帶來(lái)危害：密度過(guò)高，可引發(fā)鉆井液過(guò)分增稠、易漏失、鉆速下降、對(duì)油氣層損害加劇和增加成本等問(wèn)題；密度過(guò)低，則可發(fā)生井涌甚至井噴，或造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。 所以，在鉆井

12、工程設(shè)計(jì)中，必須準(zhǔn)確、合理地確定不一樣井段鉆井液密度范圍，并在鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。鉆井液和完井液化學(xué)第24頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液密度測(cè)試方法鉆井液比重秤(Mud balance) 首先在泥漿杯中盛滿鉆井液，蓋上計(jì)量蓋，然后用棉紗擦凈從計(jì)量蓋小孔溢出鉆井液，再將比重秤刀口放置在底座刀墊上，不停移動(dòng)游碼，直至水平泡位居兩條線中央。此時(shí)游碼左側(cè)刻度即表示所測(cè)量鉆井液密度。鉆井液和完井液化學(xué)第25頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液密度調(diào)整方法 加重鉆井液密度方法： 加重材料是提升鉆井液密度最慣用方法。在加重前，應(yīng)調(diào)整好鉆井液各種性能，尤其要嚴(yán)格控制低密度固相含量。普通情況下，所需鉆井液密度越高，

13、加重前鉆井液固含及粘度、切力應(yīng)控制得越低?？扇苄詿o(wú)機(jī)鹽也是提升密度慣用方法。如保護(hù)油氣層清潔鹽水鉆井液，經(jīng)過(guò)加入NaCl，可將鉆井液密度提升至1.20 g/cm3左右。鉆井液和完井液化學(xué)第26頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液密度調(diào)整方法降低鉆井液密度方法：為實(shí)現(xiàn)平衡壓力鉆井或欠平衡壓力鉆井，通常降低密度方法有以下幾個(gè)： (1)去除無(wú)用固相: 最主要方法用機(jī)械和化學(xué)絮凝方法去除無(wú)用固相，降低鉆井液固相含量。 (2)加水稀釋:但往往會(huì)增加處理劑用量和鉆井液費(fèi)用。 (3)混 油:但有時(shí)會(huì)影響地質(zhì)錄井和測(cè)井解釋。 (4)充 氣:鉆低壓油氣層時(shí)可選取充氣鉆井液等。鉆井液和完井液化學(xué)第27頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆

14、井液流變性 鉆井液流變性(Rheological Properties of Drilling F1uids)是指鉆井液流動(dòng)和變形特征。 該特征通常是由不一樣流變模式及其參數(shù)來(lái)表征，最慣用流變模式為賓漢和冪律模式。其中賓漢模式參數(shù)為塑性粘度(PV)和動(dòng)切力(YP)；冪律模式參數(shù)為流性指數(shù)和稠度系數(shù)。另外，漏斗粘度、表現(xiàn)粘度和靜切力等也是鉆井濃主要流變參數(shù)。因?yàn)殂@井液流變性與攜巖、井壁穩(wěn)定、提升機(jī)械鉆速和環(huán)空水力參數(shù)計(jì)算等一系列鉆井工作親密相關(guān)，所以它是鉆井液最主要性能之一。相關(guān)內(nèi)容將在第三章中作詳細(xì)討論。鉆井液和完井液化學(xué)第28頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液濾失造壁性 鉆頭鉆穿滲透性地層時(shí),因鉆井

15、液靜液柱壓力大于地層壓力,鉆井液中液體在壓差作用下向地層內(nèi)滲透,這個(gè)過(guò)程稱為鉆井液濾失。在鉆井液產(chǎn)生濾失同時(shí)，在井壁表面形成一層固體顆粒膠結(jié)物-濾餅。 濾餅形成過(guò)程是由較大顆粒將大孔堵塞一部分，然后次大顆粒堵塞大顆粒之間空隙，依次下去，孔越堵越小。所形成濾餅滲透率比地層巖心滲透率小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。形成濾餅阻止濾液向地層滲透，同時(shí)又有穩(wěn)定井壁作用。濾餅在井壁上形成過(guò)程稱為造壁過(guò)程。 鉆井液和完井液化學(xué)第29頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液PH值 通慣用鉆井液濾液PH值表示鉆井液酸堿性。因?yàn)樗釅A性強(qiáng)弱直接與鉆井液中粘土顆粒分散程度相關(guān)，所以會(huì)在很大程度上影響鉆井液粘度、切力和其它性能參數(shù)。右圖為經(jīng)預(yù)水化膨潤(rùn)

16、土基漿表觀粘度隨PH值改變情況。鉆井液和完井液化學(xué)第30頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液PH值 在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)鉆井液pH值要求控制在811之間，即維持一個(gè)較弱堿性環(huán)境。這主要是因?yàn)橛幸韵聨追矫嬖颍?1)可減輕對(duì)鉆具腐蝕；(3)可抑制鉆井液中鈣、鎂鹽溶解； (4)有相當(dāng)多處理劑需在堿性介質(zhì)下才能充分發(fā)揮其效能，如單寧類、褐煤類和木質(zhì)素磺酸鹽等處理劑。(2)可預(yù)防因氫脆而引發(fā)鉆具和套管損壞；鉆井液和完井液化學(xué)第31頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液PH值 對(duì)不一樣類型鉆井液，PH值范圍也有所不一樣： 1、普通要求分散鉆井液pH值在10以上。 2、含石灰鈣處理鉆鉆井液PH值多控制在11-12，含石膏鈣處理

17、鉆井液PH值多控制在9.5-10.5。 3、而在許多情況下聚合物鉆井液PH值只要求控制在7.5-8.5。鉆井液和完井液化學(xué)第32頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液堿度 因?yàn)槭广@井液維持堿性無(wú)機(jī)離子除OH-外，還可能有HCO3-和CO32-等離子, PH值并不能完全反應(yīng)鉆井液中這些離子種類和質(zhì)量濃度，所以在實(shí)際應(yīng)用中，除使用pH值外，還常使用堿度(Alkalinity)來(lái)表示鉆井液酸堿性。 堿度是指溶液或懸浮體對(duì)酸中和能力，API選取酚酞和甲基橙兩種指示劑來(lái)評(píng)價(jià)鉆井液及濾液堿性強(qiáng)弱。酚酞變色點(diǎn)為pH8.3。在進(jìn)行滴定過(guò)程中，當(dāng)PH值降至該刻度時(shí)，酚酞即由紅色變?yōu)闊o(wú)色。此時(shí)鉆井液與濾液酚酞堿度分別用PM和

18、Pf。同理，可測(cè)得甲基橙堿度。鉆井液與濾液甲基橙堿度分別以Mm和Mf表示。鉆井液和完井液化學(xué)第33頁(yè)鉆井液性能及測(cè)試鉆井液和完井液化學(xué)第34頁(yè)鉆井液性能及測(cè)試鉆井液和完井液化學(xué)第35頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液含砂量 鉆井液含砂量是指鉆井液中不能經(jīng)過(guò)200目篩網(wǎng)，即粒徑大于74m砂粒占鉆井液總體積百分?jǐn)?shù)。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，該數(shù)值越小越好，普通要求控制在0.5以下。含砂量過(guò)大危害： (1)使鉆井液密度增大，對(duì)提升鉆速不利。 (2)使形成泥餅松軟，濾失量大，不利于井壁穩(wěn)定。 (3)泥餅?zāi)Σ料禂?shù)增大，輕易造成壓差卡鉆。 (4)增加對(duì)鉆頭和鉆具磨損，縮短其使用壽命。鉆井液和完井液化學(xué)第36頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)

19、試鉆井液和完井液化學(xué)第37頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液和完井液化學(xué)第38頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液固相含量 鉆井液固相含量通慣用鉆井液中全部固相體積占鉆井液總體積百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，固相含量高低以及這些固相顆粒類型、尺寸和性質(zhì)均對(duì)鉆井時(shí)井下安全、鉆井速度及油氣層損害程度等有直接影響。所以，在鉆井過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行有效控制。鉆井液中固相表示方式以及對(duì)鉆井影響： 鉆井液中固相類型：活性固相和惰性固相鉆井液和完井液化學(xué)第39頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液固相含量 過(guò)高固相含量對(duì)井下安全造成很大危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)使鉆井液流變性能不穩(wěn)定，粘度、切力偏高，流動(dòng) 性和攜巖效果變差。(2)使井壁上形成厚

20、泥餅，而且質(zhì)地渙散，摩擦系 數(shù)大，從而造成起下鉆遇阻，輕易造成粘附卡鉆。(3)泥餅質(zhì)量不好會(huì)使鉆井液濾失量增大，常造成井壁 泥頁(yè)巖水化膨脹、井徑縮小、井壁剝落或坍塌。(4)鉆井液易發(fā)生鹽鈣侵和粘土侵，抗溫性能變差，維 護(hù)其性能難度顯著增大。鉆井液和完井液化學(xué)第40頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液固相含量鉆井液固相含量測(cè)定： 使用鉆井液固相含量測(cè)定儀，可用蒸餾方法快速測(cè)定鉆井液中固相及油、水含量。注意：對(duì)于含鹽量1淡水鉆井液，需扣除因?yàn)辂}析出引發(fā)體積增加部分，在這種情況下，鉆井液固相含量計(jì)算式以下： 式中：fs、fw、fo分別是鉆井液中固相、水、油體積分?jǐn)?shù) f考慮鹽析出而引入體積校正系數(shù)，顯然它總是大

21、于1無(wú)因次常數(shù)，在不一樣鹽度情況下f能夠使用表-查得。鉆井液和完井液化學(xué)第41頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液和完井液化學(xué)第42頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液和完井液化學(xué)第43頁(yè) 鉆井液性能及測(cè)試鉆井液膨潤(rùn)土含量鉆井液濾液分析采取滴定法，用亞甲基藍(lán)測(cè)定陽(yáng)離子交換容量。采取AgNO3滴定Cl-1；采取EDTA法測(cè)定鈣鎂離子。鉆井液和完井液化學(xué)第44頁(yè) 第三節(jié) 鉆井液技術(shù)發(fā)展1. 初步形成時(shí)期 1888-1928年；2. 快速發(fā)展時(shí)期 1928-1948年；3. 高速發(fā)展時(shí)期 1948-1965年；4. 科學(xué)發(fā)展時(shí)期 1965年-現(xiàn)在。鉆井液和完井液化學(xué)第45頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展1. 初步發(fā)展時(shí)期 自然造漿階

22、段主要處理問(wèn)題： 攜帶鉆屑 控制地層壓力經(jīng)典技術(shù)： 水+鉆屑+地面土 使用重晶石、鐵礦粉（19)鉆井液和完井液化學(xué)第46頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展2. 快速發(fā)展時(shí)期 細(xì)分散泥漿階段主要處理問(wèn)題： 泥漿性能穩(wěn)定 井壁穩(wěn)定經(jīng)典技術(shù)： 性能測(cè)定儀器研制出來(lái) 使用膨潤(rùn)土、單寧、燒堿、褐煤鉆井液和完井液化學(xué)第47頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展3. 高速發(fā)展階段 粗分散泥漿階段主要處理問(wèn)題： 石膏、鹽污染 溫度影響經(jīng)典技術(shù)： 各種鹽水、鈣處理泥漿 油基泥漿 處理劑品種16大類鉆井液和完井液化學(xué)第48頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展4. 科學(xué)發(fā)展時(shí)期 聚合物不分散鉆井液階段主要處理問(wèn)題： 快速鉆井 保護(hù)油氣層經(jīng)典技術(shù)： 不分散低固相鉆井液

23、氣體鉆井 保護(hù)油氣層完井液鉆井液和完井液化學(xué)第49頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展發(fā)展過(guò)程水基鉆井液清水 分散鉆井液 抑制性鉆井液 不分散聚合物鉆井液油基鉆井液原油 柴油為連續(xù)相鉆井液 油包水乳化鉆井液鉆井液和完井液化學(xué)第50頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展國(guó)內(nèi)鉆井液技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)一樣經(jīng)歷了這些階段,但滯后一定時(shí)間;水基體系研究應(yīng)用比油基體系多;深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成熟；成功研制了一些鉆井液處理劑；成功應(yīng)用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚合物體系、聚磺體系等；研制了大量鉆井液性能評(píng)價(jià)儀器；計(jì)算機(jī)應(yīng)用相對(duì)滯后。鉆井液和完井液化學(xué)第51頁(yè) 鉆井液技術(shù)發(fā)展對(duì)鉆井液新技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)（5）保護(hù)油氣田技

24、術(shù)（1）鉆井液強(qiáng)化井壁技術(shù)（3）復(fù)雜地層條件下深井、超深井、大位移 井鉆井液技術(shù)（2）新型鉆井液體系及處理劑研究與應(yīng)用（4）廢棄鉆井液處理技術(shù)鉆井液和完井液化學(xué)第52頁(yè) 鉆井液與完井液化學(xué) 第二章 粘土礦物和粘土膠體化學(xué)鉆井液和完井液化學(xué)第53頁(yè)第一節(jié) 粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 粘土作為鉆井液主要組成成份，其晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對(duì)鉆井液性能有十分主要影響。鉆井過(guò)程中井眼穩(wěn)定性、油氣層保護(hù)均與地層中粘土礦物類型和特征親密相關(guān)。粘 土：主要由粘土礦物和少許非粘土礦物組成細(xì)粒粘滯土狀物質(zhì)。 特點(diǎn)：粒度 蒙脫石高嶺石。 永久負(fù)電荷主要分布在粘土晶層層面上。鉆井液和完井液化學(xué)第65頁(yè)粘土電性2 . 可變負(fù)電荷

25、表面電荷起源： 晶體端面Al OH鍵 比如：在堿性條件： 端面吸附OH-、SiO3 2-等無(wú)機(jī)陰離子，或有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)。Al O-. H+OH-SiO3 2-鉆井液和完井液化學(xué)第66頁(yè)粘土電性3. 正電荷 表面電荷起源：當(dāng)PH8時(shí), Al O H Al+ + OH-特點(diǎn): 受環(huán)境PH值影響 。 正電荷 3000C，釋放出結(jié)晶水。2. 吸附水（束縛水）定義：因?yàn)榉肿娱g力和靜電引力吸附極性水分子而在粘土表面上形成一層水化膜。隨粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，成為束縛水。特點(diǎn)：溫度1100C，釋放出吸附水。包含：薄膜水、毛細(xì)管水、膠體水。3. 自由水定義：粘土顆粒孔隙或孔道中存在水。不受粘土束縛，能夠自由運(yùn)動(dòng)

26、。鉆井液和完井液化學(xué)第71頁(yè)粘土水化作用二、粘土水化和水化膨脹1. 幾個(gè)名稱概念粘土水化 粘土礦物遇水后，在其顆粒表面吸附水分子形成水化膜過(guò)程。粘土膨脹 水分子進(jìn)入粘土礦物晶層間，其體積由小變大過(guò)程。粘土分散 水分子進(jìn)入粘土礦物晶層間，使粘土由大顆粒變?yōu)樾☆w粒過(guò)程。粘土收縮 在高溫作用下，粘土礦物吸附水分子逐步蒸發(fā)，其體積由大變小過(guò)程。鉆井液和完井液化學(xué)第72頁(yè)粘土水化作用2. 引發(fā)粘土礦物水化原因 靠靜電吸附水分子產(chǎn)生水化 靠氫鍵吸附水分子產(chǎn)生水化鉆井液和完井液化學(xué)第73頁(yè)粘土水化作用3. 粘土水化過(guò)程兩個(gè)水化過(guò)程：表面水化和滲透水化。 表面水化定 義：粘土礦物晶層表面吸附水分子和賠償陽(yáng)離子

27、吸附水分子、增大晶層間距過(guò)程。影響原因：影響表面水化膨脹三種力： a. 晶層間范德華力； b. 水化能； c. 晶層間靜電引力。鉆井液和完井液化學(xué)第74頁(yè)粘土水化作用表面水化特點(diǎn)： 主要推進(jìn)力：表面水化能（水吸附能）。 表面吸附水分子只有兩個(gè)水分子厚度，體積膨脹小。產(chǎn)生膨脹壓大（ -4000kg/cm2)。鉆井液和完井液化學(xué)第75頁(yè)粘土水化作用滲透水化： 因?yàn)榫又g陽(yáng)離子濃度大于溶液 內(nèi)部濃度，所以，水發(fā)生濃差擴(kuò) 散，進(jìn)入層間，由此增加晶層間距， 從而形成擴(kuò)散雙電層。滲透膨脹引發(fā) 體積增加比晶格膨脹大得多。滲透水化特點(diǎn)： 主要推進(jìn)力：雙電層斥力。 體積膨脹大。 膨脹壓較小。鉆井液和完井液化學(xué)

28、第76頁(yè)粘土水化作用 滲透性水化產(chǎn)生原因：依據(jù)杜南(Donnan)平衡理論，當(dāng)一個(gè)容器中有一個(gè)半透膜，膜一邊為膠體溶液，另一邊為電解質(zhì)溶液時(shí)，假如電解質(zhì)離子能夠自由地透過(guò)此膜，而膠粒不能透過(guò)，則在到達(dá)平衡后，離子在膜兩邊分布將是不均等。 膜兩邊稱做兩個(gè)“相”，含膠體一邊稱為“內(nèi)相”，僅含自由溶液一邊稱為“外相”。在這種情況下，膠粒不能透過(guò)此膜原因是因?yàn)榭讖捷^小半透膜對(duì)粒徑較大膠粒機(jī)械阻力。以后發(fā)覺(jué)，形成杜南體系并不一定需要一個(gè)半透膜存在，只要能夠設(shè)法使膠體相與自由溶液相分開即可。當(dāng)粘土表面吸附陽(yáng)離子濃度高于介質(zhì)中濃度時(shí)，便產(chǎn)生滲透壓，從而引發(fā)水分向粘土晶層間擴(kuò)散。水這種擴(kuò)散程度受電解質(zhì)濃度差控

29、制，這就是滲透水化膨脹機(jī)理。 早在1931年，這一理論就應(yīng)用于鉆井液，使用溶解性鹽以降低鉆井液和坍塌頁(yè)巖中液體之間滲透壓，以后深入發(fā)展了飽和鹽水鉆井液、氯化鈣鉆井液等。 鉆井液和完井液化學(xué)第77頁(yè)粘土水化作用4.影響粘土水化膨脹原因(1)因粘土晶體部位不一樣，水化膜厚度也不相同。 層面上水化膜厚，端面上薄。(2)粘土礦物不一樣，水化作用強(qiáng)弱也不一樣。 蒙脫石、伊利石、高嶺石(3)因粘土吸附交換性陽(yáng)離子不一樣，其水化程度有很大差異(如鈣蒙脫石，鈉蒙脫石，見下列圖)。 Ca2+ max17A, Na+ max 40A(4)泥漿中可溶性鹽類及泥漿處理劑影響可溶性鹽類，減低電位有機(jī)處理劑親水基團(tuán)，被粘

30、土吸附后形成較大水化膜。鉆井液和完井液化學(xué)第78頁(yè)粘土水化作用鉆井液和完井液化學(xué)第79頁(yè)粘土水化作用 不一樣交換性陽(yáng)離子引發(fā)水化程度不一樣原因是： 粘土單元晶層間存在著兩種力，一個(gè)是層間陽(yáng)離子水化產(chǎn)生膨脹力和帶負(fù)電荷晶層之間斥力；另一個(gè)是粘土單元晶層層間陽(yáng)離子粘土單元晶層之間靜電引力。粘土膨脹分散程度取決于這兩種力百分比關(guān)系。假如粘土單元晶層層間陽(yáng)離子粘土單元晶層之間靜電引力大于晶層間斥力粘土就只能發(fā)生晶格膨脹(如鈣土)；與此相反，假如晶層之間產(chǎn)生斥力大到足以破壞單元晶層層間陽(yáng)離子粘土單元晶層之間靜電引力，粘土便發(fā)生滲透膨脹，形成擴(kuò)散雙電層，雙電層斥力使單元晶層分離開，如鈉土。所以鈉土是配制鉆

31、井液理想材料。 鉆井液和完井液化學(xué)第80頁(yè) 第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土膠體化學(xué)：在普通膠體化學(xué)規(guī)律指導(dǎo)下，專門研究粘土膠體生成、破壞和物理化學(xué)性質(zhì)科學(xué)。狹義膠體：膠體大?。ㄈS中任一維尺寸在1-100nm之間）微粒分散在另一個(gè)連續(xù)介質(zhì)中所形成分散體系。廣義膠體：包含粗分散體系（懸浮體、乳狀液、泡沫；溶膠；高分子真溶液；締合膠體）。學(xué)習(xí)本章意義:粘土是配漿基礎(chǔ)材料鉆井液是粘土-水溶膠-懸浮體地層造漿、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層保護(hù)等均與地層粘土礦物相關(guān)。鉆井液和完井液化學(xué)第81頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)一、幾個(gè)基本概念1. 相和相界面相 物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)都完全相同均勻部分。 體系中有兩個(gè)或兩個(gè)以上相，稱為

32、多相體系。相界面 相與相之間宏觀物理界面。 在相互接觸兩相中： 若一相為氣體，相界面稱為表面。 若是液/固分界面，稱為界面。鉆井液和完井液化學(xué)第82頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)2. 分散相與分散介質(zhì)分 散 相 在多相分散體系中，被分散物質(zhì)。分 散 介質(zhì) 分散相所在連續(xù)介質(zhì)。比如：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)。鉆井液和完井液化學(xué)第83頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)分散度和比表面分散度 分散相分散程度。比表面 單位體積（重量）物質(zhì)總表面積。 比表面 = S/V 或 比表面 = S/W 鉆井液和完井液化學(xué)第84頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)3、吸附作用吸附物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)濃

33、集（界面濃度大于內(nèi)部濃度）現(xiàn)象。吸附質(zhì)被吸附物質(zhì)吸附劑吸附質(zhì)物質(zhì)鉆井液和完井液化學(xué)第85頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)吸附特點(diǎn)：化學(xué)吸附可看作是兩相界面上發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)。這類吸附含有選擇性，吸附熱較大 （近于反應(yīng)熱），脫附也不那么輕易。 吸附類型：物理吸附和化學(xué)吸附兩類；物理吸附：僅由范德華引力引發(fā)吸附。化學(xué)吸附：假如吸附質(zhì)與吸附劑表面間力是化 學(xué)鍵力（化合物中原子間結(jié)協(xié)力。物理吸附特點(diǎn)：這類吸附普通沒(méi)有選擇性，吸附熱較小， 脫附也比較輕易。鉆井液和完井液化學(xué)第86頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)泥漿中兩類吸附劑都能碰到。 比如：丹寧酸鈉經(jīng)過(guò)配價(jià)鍵吸附在粘土顆粒端面上而起了稀釋作用；多聚磷酸鈉與粘土

34、顆粒端表面形成絡(luò)陰離子等，是泥漿中經(jīng)常碰到化學(xué)吸附例子。 又如：泥漿中粘土顆粒吸附Na+、Ca2+等無(wú)機(jī)陽(yáng)離子，吸附CMC大分子，則是物理吸附例子。 泥漿中較主要是固液界面吸附（包含離子交換吸附）和油水界面、氣液界面上吸附。這些吸附作用是泥漿化學(xué)處理膠體化學(xué)基礎(chǔ)。應(yīng)該指出，固液吸附速度較慢這一特點(diǎn)在泥漿化學(xué)處理中是值得重視,作泥漿處理試驗(yàn)時(shí)，加入處理劑攪勻后就測(cè)性能，根本不考慮粘土吸附處理劑需要一定時(shí)間，這種錯(cuò)誤法經(jīng)常造成室內(nèi)試驗(yàn)與井下效果很不相符。鉆井液和完井液化學(xué)第87頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)4 電動(dòng)現(xiàn)象萊斯試驗(yàn) 試驗(yàn)中觀察到兩個(gè)現(xiàn)象： 粘土顆粒經(jīng)過(guò)細(xì)砂層向陽(yáng)極移動(dòng)，并沉積起來(lái)。 水經(jīng)過(guò)

35、粘土團(tuán)塊毛細(xì)管向陰極流動(dòng)。 總結(jié)這兩種試驗(yàn)現(xiàn)象，得到兩個(gè)概念： 電泳：在電場(chǎng)作用下，分散相微粒在介質(zhì)中向某一電極移動(dòng)現(xiàn)象。 電滲：在電場(chǎng)作用下，液體對(duì)固定帶電荷固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。 顯然，電泳和電滲都是外加直流電場(chǎng)于膠體體系引發(fā)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。 電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電。土粒水電泳電滲+-鉆井液和完井液化學(xué)第88頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)5 膠團(tuán)結(jié)構(gòu)溶膠粒子大小在1nm-lm之間，每個(gè)溶膠粒子是由許多分子或原子聚集而成。 以AgI膠團(tuán)形成為例：AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)鉆井液和完井液化學(xué)第89頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)鈉蒙脫石膠團(tuán)結(jié)構(gòu)鉆井液和完井液化學(xué)第90頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)二、膠體顆粒擴(kuò)散雙電

36、層 膠粒周圍帶有電荷后，會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象： 反離子擴(kuò)散分布于膠粒周圍，形成擴(kuò)散雙電層。 擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu) 擴(kuò)散雙電層 從固體表面到過(guò)剩反離子為零處。 吸附層 固體表面緊密吸引著部分反離子所組成。 擴(kuò)散層其余反離子擴(kuò)散地分布在液相中所組成。 滑動(dòng)面 吸附層與擴(kuò)散層錯(cuò)開界面。-滑動(dòng)面吸附層擴(kuò)散層距離粘土鉆井液和完井液化學(xué)第91頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)擴(kuò)散雙電層形成 因?yàn)槟z體粒子帶電，在其周圍必定分布電荷相等反離子，以保持整個(gè)分散體系電中性。于是在固液界面形成雙電層。 雙電層中反離子，首先受到固面電荷吸引，不能遠(yuǎn)離固面；另方面因?yàn)榉措x子熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)部去能力，這兩種相反作用結(jié)果，使得反離子擴(kuò)

37、散分布在界面周圍，組成擴(kuò)散雙電層。 鉆井液和完井液化學(xué)第92頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 雙電層中電位 熱力學(xué)電位 定義：從固體表面到均勻液相內(nèi)電位。特點(diǎn)： 固體表面電位最大。 熱力學(xué)電位隨離表面距離增大而大致依指數(shù)關(guān)系降低。 電動(dòng)電位定義：從滑動(dòng)面到均勻液相電位降。特點(diǎn)： 膠粒帶電越多，電位越高。 大小取決于吸附層內(nèi)靜電荷數(shù)。0 x0鉆井液和完井液化學(xué)第93頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)電解質(zhì)對(duì)電動(dòng)電位影響電泳試驗(yàn)表明：任何電解質(zhì)加入均要影響電位數(shù)值。這是因?yàn)榧尤腚娊赓|(zhì)后，反離子濃度伴隨增大，反離子擴(kuò)散進(jìn)入吸附溶劑化層機(jī)會(huì)增加，膠粒電荷降低，同時(shí)擴(kuò)散雙電層變?。ㄟ@就是電解質(zhì)壓縮雙電層作用），電位降

38、低（見圖2-14）。當(dāng)所加電解質(zhì)把雙電層壓縮到吸附溶劑化層厚度時(shí)，膠粒即不帶電，電位降到零，此電泳速度亦為零，這個(gè)狀態(tài)為零狀態(tài)。在等電點(diǎn)附近，膠粒輕易聚結(jié)（自動(dòng)降低分散度）。 鉆井液和完井液化學(xué)第94頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 影響電位原因： 1. 任何電解質(zhì)加入都要影響電位數(shù)值，伴隨電 解質(zhì)濃度增大電位降低； 2.電解質(zhì)中反離子價(jià)愈高，對(duì)電位影響愈大； 3. 假如電解質(zhì)中反離子被強(qiáng)烈吸附到溶劑化層內(nèi)，還 可能引發(fā)電位改變符號(hào)（此即再帶電現(xiàn)象） 鉆井液和完井液化學(xué)第95頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)粘土顆粒（片體）雙電層1. 粘土顆粒（片體）雙電層 (1) 蒙脫石：四面體層中部分Si+4被Al+3

39、取代、八面體層中Al+3被Mg+2等取代，這種被低價(jià)元素取代結(jié)果造成粘土表面存在吸附陽(yáng)離子（Na+、Ca+、Li+等）。 當(dāng)蒙脫石放在水里，這些吸附陽(yáng)離子在中解離、擴(kuò)散趨勢(shì)；伴隨吸附陽(yáng)離子離開蒙脫石表面，蒙脫石表面就帶有負(fù)電子，同時(shí)對(duì)陽(yáng)離子以靜電吸引，這兩種相互矛盾原因使陽(yáng)離子以擴(kuò)散形式分布在水里。粘土表面上緊密地聯(lián)接著一部分水分子和部分陽(yáng)離子（帶有溶劑化水），組成吸附溶劑化層；其余陽(yáng)離子帶著它們?nèi)軇┗當(dāng)U散地分布在液相中組成擴(kuò)散層，如圖2-15所表示。另外，蒙脫石表面也有會(huì)吸附OH-、吸附含陰離子基團(tuán)有機(jī)處理劑而增加帶電量。 鉆井液和完井液化學(xué)第96頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) (2) 伊利石

40、 伊利石也有晶格取代，也會(huì)因吸附陽(yáng)離子解離、擴(kuò)散而使晶格層面帶負(fù)電。但因晶格取代所吸附為K+，它因尺寸關(guān)系恰好落在晶層間相對(duì)應(yīng)二個(gè)六角環(huán)中，在水里不易解離，故帶電量比蒙脫石少。 (3) 高嶺石 高嶺石沒(méi)有晶格取代，帶負(fù)電是因?yàn)樗Ц癖砻嬗新懵禔lOH，在堿性介質(zhì)里H+部分電離使粘土表面帶負(fù)電。電離出來(lái)H+，一部分被粘土表面吸附，連同一些水分子組成吸附溶劑化層；其余H+帶著它們?nèi)軇┗當(dāng)U散地分布在液相中組成擴(kuò)散層。 鉆井液和完井液化學(xué)第97頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 另外，高嶺石表面也能夠吸附其它負(fù)離子而帶負(fù)電，如，吸附含陰離子基團(tuán)有機(jī)處理劑、高嶺石表面氧原子以氫鍵聯(lián)結(jié)方式吸附OH-等。當(dāng)然，帶

41、電量也是極少。 總而言之，粘土膠粒表面負(fù)電荷起源有：a）晶格取代；b）裸露OH-層電離（在堿性介質(zhì)中）；c）吸附陰離子。 不論是哪種情況，作為反離子陽(yáng)離子都是以擴(kuò)散雙電層分布于粘土表面周圍。其電位高低取決于粘土類型、泥漿pH值、泥漿處理劑加入、可溶性鹽類濃度及陽(yáng)離子價(jià)數(shù)等。 鉆井液和完井液化學(xué)第98頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)2. 粘土顆粒（片體）端部表面雙電層 粘土晶格單元含有層面與端面。端部可能存在有不一樣擴(kuò)散雙電層。在端部，粘土晶格中鋁氧八面體和硅氧四面體原來(lái)鍵被斷了。 八面體處端部表面相當(dāng)于鋁釩土顆粒表面。在酸性介質(zhì)里這個(gè)表面是以鋁離子作為定勢(shì)離子，帶正電；在堿性介質(zhì)里以氫氧離子，帶負(fù)電

42、。其零電位不一定在中性介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生。在中性粘土懸浮液里，粘土端部鋁氧八面體處為帶正電荷雙電層。伴隨pH值降低，正電荷增加；PH升高，帶正電荷將轉(zhuǎn)為帶負(fù)電。 四面體端部表面，即使通常這個(gè)表面是帶負(fù)電，但當(dāng)粘土懸浮液中有少許離子存在時(shí)，硅氧四面體破鍵將成為帶正電荷。 鉆井液和完井液化學(xué)第99頁(yè)第二節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 概而言之，粘土顆粒端部在酸性和中性環(huán)境里是帶正電；伴隨pH值升高，帶正電可轉(zhuǎn)換為負(fù)帶電。這個(gè)概念與電脈試驗(yàn)中粘土顆粒帶負(fù)電這一事實(shí)并不矛盾。因?yàn)槎瞬克鶐д娕c粘土表面所帶負(fù)電荷相比是較小，就整個(gè)粘土顆粒而言，它所帶凈電荷是負(fù)，在電場(chǎng)作用下要向陽(yáng)極移動(dòng)。 鉆井液和完井液化學(xué)第100頁(yè) 粘

43、土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié) 在重力作用下分散相粒子是否輕易下沉性質(zhì)。普通用分散相下沉速度快慢來(lái)衡量動(dòng)力穩(wěn)定性好壞。 比如，在一個(gè)玻璃容器中注滿鉆井液、靜止24h后，分別測(cè)定上部與下部鉆井液密度,其差值愈小，則動(dòng)力穩(wěn)定性愈強(qiáng)，說(shuō)明粒子沉降速度很慢。動(dòng)力穩(wěn)定性：膠體穩(wěn)定性概念：即動(dòng)力(沉降)穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。影響動(dòng)力穩(wěn)定性原因重力影響布朗運(yùn)動(dòng)影響介質(zhì)粘度對(duì)動(dòng)力穩(wěn)定性影響鉆井液和完井液化學(xué)第101頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)聚結(jié)穩(wěn)定性 是指分散相粒子是否輕易自動(dòng)地聚結(jié)變大性質(zhì)。不論分散相粒子沉降速度怎樣，只要它們不自動(dòng)降低分散度，聚結(jié)度變大，該膠體就是聚結(jié)穩(wěn)定性好體系。 必須指出，動(dòng)力

44、穩(wěn)定性與聚結(jié)穩(wěn)定性是兩種不一樣概念，不過(guò)它們之間又有聯(lián)絡(luò)。假如分散相粒子自動(dòng)聚結(jié)變大，那么，因?yàn)橹亓考哟?，必定引發(fā)下沉。所以，失去聚結(jié)穩(wěn)定性，最終必定失去動(dòng)力穩(wěn)定性。由此可見，在上述兩種穩(wěn)定性中，聚結(jié)穩(wěn)定性是最根本。鉆井液和完井液化學(xué)第102頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)聚結(jié)穩(wěn)定性理論：靜電穩(wěn)定理論(DLVO理論)，是當(dāng)前對(duì)膠體穩(wěn)定性，以及電解質(zhì)對(duì)膠體穩(wěn)定性影響解釋得比較完善理論。依據(jù)這一理論，溶膠粒子之間存在兩種相反作用力:吸力與斥力。假如膠體穎粒在布朗運(yùn)動(dòng)中相互碰按時(shí)，吸力大于斥力，溶膠就聚結(jié)；反之，當(dāng)斥力大于吸力時(shí)，粒子碰撞后又分開了，保持其分散狀態(tài)。鉆井液和完井液化學(xué)第103頁(yè)

45、粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié) 溶膠粒子間吸力，本質(zhì)上是范德華引力，但它和單個(gè)分子不一樣，溶膠粒子是許多分子聚結(jié)體，所以，溶膠粒子間引力是膠體粒子中全部分子引力總和，溶膠粒子間吸引力，與距離間3次方成反比。 膠粒間排斥力來(lái)源于兩方面：一方面是靜電斥力；其次是溶劑化膜(水化膜)斥力。膠粒間靜電斥力是由擴(kuò)散雙電層引起，膠粒間靜電斥力大小取決于電動(dòng)電位大小。溶劑化膜(水化膜)斥力與其厚度有關(guān)，厚度越大，斥力越大。鉆井液和完井液化學(xué)第104頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)影響聚結(jié)穩(wěn)定性原因膠體粒子之間吸力能是永恒，只是當(dāng)膠體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，吸力能被斥力能所抵消而已。普通說(shuō)來(lái)，外界原因極難改變

46、吸引力大小，然而改變分散介質(zhì)中電解質(zhì)濃度與價(jià)態(tài)則可顯著影響膠粒之間斥力位能。電解質(zhì)濃度影響： 在低和中等濃度電解質(zhì)時(shí)，總位能有一個(gè)最大值，但伴隨電解質(zhì)濃度升高，斥能峰降低；而高濃度電解質(zhì)存在時(shí)，除了膠體粒子非?？拷嚯x以外，在任何距離上都是吸引能占優(yōu)勢(shì)，在這種情況下聚結(jié)速度最快。在中等電解質(zhì)濃度下，因?yàn)椤斑h(yuǎn)程”斥力能作用，聚結(jié)過(guò)程延緩了。在低電解質(zhì)濃度下存在顯著“遠(yuǎn)程”斥力作用，聚結(jié)過(guò)程很慢，要幾周或幾個(gè)月才發(fā)生顯著聚結(jié)。鉆井液和完井液化學(xué)第105頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)反離子價(jià)數(shù)影響： 通慣用聚沉值和聚沉率兩個(gè)指標(biāo)定量他表示電解質(zhì)對(duì)溶膠聚結(jié)穩(wěn)定性影響。 聚沉值：能使溶膠聚沉電解質(zhì)

47、最低濃度稱為聚沉值。各種電解質(zhì)有不一樣。該值僅僅是個(gè)相對(duì)值，它與溶膠性質(zhì)、含量、介質(zhì)性質(zhì)以及溫度等因親相關(guān)。詳細(xì)來(lái)講，聚沉值(或臨界聚沉濃度)是指在指定條件下，使膠體顯著聚沉所需最低濃度，以mol/l表示。聚沉值愈低，說(shuō)明電解質(zhì)聚沉能力愈強(qiáng)。 聚沉率：聚沉值倒數(shù)。聚沉率愈高，電解質(zhì)聚沉能力愈強(qiáng)。普通，電解質(zhì)聚沉值與反離子價(jià)數(shù)6次方成反比鉆井液和完井液化學(xué)第106頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)反離子大小影響：同號(hào)離子影響 與膠粒所帶電荷相同離子稱為同號(hào)離子，普通說(shuō)來(lái)。它們對(duì)膠體有一定穩(wěn)定作用，能夠降低反離子聚沉能力。但有機(jī)高聚物離子(聚電解質(zhì))例外，即使與膠粒帶電相同、也能被膠粒吸附。 同

48、價(jià)離子聚沉率即使相近，但仍有差異，尤其是一價(jià)離子差異比較顯著。鉆井液和完井液化學(xué)第107頁(yè) 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結(jié)相互聚沉現(xiàn)象： 普通情況下，帶相同電荷兩種溶膠混合后沒(méi)改變，當(dāng)然也有個(gè)別例外。若將兩種相反電荷溶膠相互混合，則發(fā)生聚沉，這種現(xiàn)象叫做相互聚沉現(xiàn)象。 因?yàn)槎鄶?shù)鉆井液都是粘土水膠體分散體系，所以上面介紹這類體系穩(wěn)定和聚結(jié)原理對(duì)鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用含有主要指導(dǎo)意義。鉆井液和完井液化學(xué)第108頁(yè) 鉆井液與完井液化學(xué) 第三章 鉆井液流變性鉆井液和完井液化學(xué)第109頁(yè)第三章 鉆井液流變性 鉆井液流變性是指鉆井液流動(dòng)和變形特征。 鉆井液流變性是鉆井液一項(xiàng)基本性能，處理：(1)攜帶、

49、懸浮巖屑與重晶石；(2)提升機(jī)械鉆速；(3)保持井眼規(guī)則和確保井下安全。 另外，一些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學(xué)相關(guān)計(jì)算。所以，深入研究鉆井液流變性對(duì)油氣井鉆井液流變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有效調(diào)控是鉆井液工藝技術(shù)一個(gè)主要方面。鉆井液和完井液化學(xué)第110頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念1. 流體流動(dòng)類型 穩(wěn) 定 流： 流場(chǎng)中任何點(diǎn)流動(dòng)參量不隨時(shí)間改變，但不一樣點(diǎn)流動(dòng)參量是能夠不一樣流動(dòng)。特 點(diǎn)： 穩(wěn)定流動(dòng)是連續(xù)性。 不穩(wěn)定流：流場(chǎng)中任何點(diǎn)流動(dòng)參量不但隨位置不一樣而變，而且隨時(shí)間不一樣也在改變流動(dòng)。特 點(diǎn)：舊流動(dòng)條件剛改變到新流動(dòng)穩(wěn)定條件建立之間流動(dòng)。 如：流體剛開始流動(dòng)時(shí)；管道橫斷面變寬、變窄處。

50、鉆井液和完井液化學(xué)第111頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念 穩(wěn)定流動(dòng)類型改變 塞流 Plug Flow 穩(wěn)定流 層流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow塞 流層 流紊 流穩(wěn)定流動(dòng)類型改變鉆井液和完井液化學(xué)第112頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念塞流：流體象塞子一樣流動(dòng)，流速為常數(shù)。層流：流體分層運(yùn)動(dòng)。任意流層與相鄰流層方向相 同，流速不一樣。紊流：流體內(nèi)形成無(wú)數(shù)小旋渦。任一定點(diǎn)流速，其大小、方向都在進(jìn)行著不規(guī)則、連續(xù)改變。鉆井液和完井液化學(xué)第113頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念 2. 基本概念剪切速率：沿垂直于流速方向上單位距離上流速改變量或增加量。表示式以下

51、： 單位為：s-1; 流體各層之間流速不一樣，層與層之間必定存在相互作用。由于液體內(nèi)部?jī)?nèi)聚力作用，流速較快液層會(huì)帶動(dòng)流速較慢相鄰液層，而流速較慢液層又會(huì)妨礙流速較快相鄰液層。鉆井液和完井液化學(xué)第114頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念牛頓內(nèi)摩擦定律： 剪切應(yīng)力：內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S即得液體內(nèi)剪切應(yīng)力 ，剪切應(yīng)力可了解為單位面積上剪切力，即是量度液體粘滯性大小物理量，即粘度，單位為Pa.s或mPa. s。 鉆井液和完井液化學(xué)第115頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念粘度物理意義：產(chǎn)生單位剪切速率所需要剪切應(yīng)力。 越大，表示產(chǎn)生單位剪切速率所需要剪切應(yīng)力越大。粘度是液體性質(zhì)，不一樣液體有不一樣

52、值。 還與溫度相關(guān)，普通隨溫度升高而降低。鉆井液和完井液化學(xué)第116頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念流變模式與流變曲線剪切應(yīng)力和剪切速率是流變學(xué)中兩個(gè)基本慨念，鉆井液流變性關(guān)鍵問(wèn)題就是研究各種鉆井液剪切應(yīng)與剪切速率之間關(guān)系。這種關(guān)系用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示，稱為流變方程，習(xí)慣上又稱為流變模式，用圖紙來(lái)表示，就稱為流變曲線。鉆井液和完井液化學(xué)第117頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念流變方程流變曲線鉆井液和完井液化學(xué)第118頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念流體基本流型牛頓流體：通常將剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系恪守牛頓內(nèi)摩擦定律流體，稱為牛頓流體。 水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分量化合物溶液以及低速

53、流動(dòng)氣體等均為牛頓流體。 其流動(dòng)特點(diǎn)：加很小剪切力就能流動(dòng)，而且流速梯度與切應(yīng)力成正比。在層流區(qū)域內(nèi)，粘度不隨切力流速梯度改變，為常量。鉆井液和完井液化學(xué)第119頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念流體基本流型 在試驗(yàn)過(guò)程中，人們發(fā)覺(jué)除牛頓流體外還有一些表現(xiàn)粘度異常非牛頓流體，即不恪守牛頓內(nèi)摩擦定律流體。 按照流體流動(dòng)時(shí)剪切速率與剪切應(yīng)力之間關(guān)系，能夠劃分為不一樣流型。依據(jù)流變曲線形狀不一樣，可將流體流型歸納為一下四種：四種流型牛頓流體塑性流體假塑性流體膨脹性流體非牛頓流體鉆井液和完井液化學(xué)第120頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念鉆井液和完井液化學(xué)第121頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念塑性

54、流體 與牛頓流體不一樣，當(dāng)剪切速率為零時(shí)：即 剪切力0，而是s，即施加切應(yīng)力必須超出某一特定值才能開始流動(dòng)。 s為開始流動(dòng)最小切應(yīng)力，稱為靜切力，簡(jiǎn)稱切力或凝膠強(qiáng)度。s0鉆井液和完井液化學(xué)第122頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念s0 切應(yīng)力繼續(xù)增大，并超出s時(shí)，塑性流體不能均勻剪切，粘度隨切應(yīng)力增加而降低，即圖中曲線段；繼續(xù)增加切應(yīng)力，粘度不隨切應(yīng)力增加而降低，圖中直線段； 塑性粘度（ 或PV）：不隨切力或流速梯度改變粘度。 動(dòng)切力（YP）：直線段延長(zhǎng)線與切應(yīng)力交點(diǎn)（0）為動(dòng)切應(yīng)力或叫屈服值。鉆井液和完井液化學(xué)第123頁(yè)第一節(jié) 鉆井液流動(dòng)狀態(tài)和基本概念s0 此式即是塑性流體流變模式，該式常稱

55、為賓漢模式，并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。塑性流體流變模式與流變曲線鉆井液和完井液化學(xué)第124頁(yè) 塑性流體機(jī)理分析 塑性流體表現(xiàn)上述流動(dòng)特征是與它內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開。比如水基鉆井液粘土顆粒表面性質(zhì)(帶電性和水化膜)極不均勻，可能出現(xiàn)如圖35所描述三種不一樣連接方式，即面面、端面和端端連接，從而形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。鉆井液和完井液化學(xué)第125頁(yè) 塑性流體機(jī)理分析 普通情況下，鉆井液中粘土顆粒部在不一樣程度上處于一定絮凝狀態(tài)。所以，要使鉆井液開始流動(dòng)，就必須施加一定剪切應(yīng)力，破壞絮凝時(shí)形成這種連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個(gè)力即靜切應(yīng)力，因?yàn)樗磻?yīng)了所形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱，所以又將靜切應(yīng)力稱為凝膠強(qiáng)度。 在鉆井液開始流動(dòng)以后，

56、因?yàn)樵缙诩羟兴俾瘦^低，結(jié)構(gòu)拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，所以表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低。s0鉆井液和完井液化學(xué)第126頁(yè) 塑性流體機(jī)理分析 伴隨結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐步減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度對(duì)應(yīng)增加。所以，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞速度和恢復(fù)速度保持相等(即到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡)時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)地粘度也不發(fā)生改變。該粘度即鉆井液塑性粘度。因?yàn)樵搮?shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對(duì)鉆井液水力計(jì)算是很主要。s0鉆井液和完井液化學(xué)第127頁(yè) 假塑性流體 一些鉆井液、高分子化合物水溶液以及乳狀液等均屑于假塑性流體。其流變曲線是經(jīng)過(guò)原點(diǎn)

57、并凸向剪切應(yīng)力軸曲線。 這類流體流動(dòng)特點(diǎn)：施加極小剪切應(yīng)力就能產(chǎn)生流動(dòng)，不存在靜切應(yīng)力，它粘度隨剪切應(yīng)力增大而降低。鉆井液和完井液化學(xué)第128頁(yè) 假塑性流體 假塑性流體和塑性流體一個(gè)主要區(qū)分在于：塑性流體當(dāng)剪切速率增大到一定程度時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率之比為一常數(shù)，在這個(gè)范圍，流變曲線為直線；而假塑性流體剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是改變，即在流變曲線中無(wú)直線段。鉆井液和完井液化學(xué)第129頁(yè) 假塑性流體流變模式與流變曲線 假塑性流體服從下式所表示冪律方程，即 該式為假塑性流體流變模式，習(xí)慣上稱為冪律模式,式中n(流性指數(shù))和是K(稠度系數(shù))是假塑性流體兩個(gè)主要流變參數(shù)。鉆井液和完井液化學(xué)第130頁(yè)

58、假塑性流體流變模式與流變曲線 n:表現(xiàn)出流體非牛頓性程度。普通小于1，為無(wú)因次量。鉆井液設(shè)計(jì)中經(jīng)常要確定較合理范圍，普通希望有較低n值，使其含有很好稀釋性能。 K(稠度系數(shù))：反應(yīng)鉆井液可泵性以及攜巖性。 0.25 0.5 1 剪切速率剪切應(yīng)力鉆井液和完井液化學(xué)第131頁(yè)鉆井液流變性和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用普通情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10-20s-；環(huán)形空間50-250s-；鉆桿內(nèi)100-1000s-；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000-100000s-。鉆井液和完井液化學(xué)第132頁(yè)鉆井液流變性和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用在中等和較高剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式和賓漢模式均能很好地表示實(shí)際鉆井液流動(dòng)特征，然而在

59、環(huán)形空間較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更靠近實(shí)際鉆井液流動(dòng)特征。鉆井液和完井液化學(xué)第133頁(yè)鉆井液流變性和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用 在鉆井液設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，這兩種流變模式往往同時(shí)使用。冪律模式能更加好地表示鉆井液在環(huán)空流變性，并能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)環(huán)空壓降和進(jìn)行相關(guān)水力多數(shù)計(jì)算。 為了深入提升冪律模式應(yīng)用效果一個(gè)經(jīng)修正冪律模式，即赫-巴三參數(shù)流變模式也已經(jīng)引入對(duì)鉆井液流變性研究中。鉆井液和完井液化學(xué)第134頁(yè)第二節(jié) 鉆井液流變參數(shù)測(cè)量與調(diào)控 鉆井液流變性能除上面己提及塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)外，還包含漏斗粘度、表現(xiàn)粘度、剪切稀釋性、動(dòng)塑比和觸變性等。本節(jié)將繼續(xù)討論各種流變參數(shù)物

60、理意義，并簡(jiǎn)明介紹其測(cè)量與計(jì)算方法，以及對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整和控制原理和伎倆。 鉆井液和完井液化學(xué)第135頁(yè) 漏斗粘度 在鉆井過(guò)程中，鉆井液漏斗粘度需要經(jīng)常測(cè)定。因?yàn)闇y(cè)定方法簡(jiǎn)便，可直觀反應(yīng)鉆井液粘度大小，所以該參數(shù)已沿用多年。漏斗粘度計(jì)外觀如圖所表示。鉆井液和完井液化學(xué)第136頁(yè) 漏斗粘度 (1)用鉆井液量杯上端(500 mL)與下端(200mL)準(zhǔn)確量取700mL鉆井將左手食指堵住漏斗口，使鉆井液經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)后流入漏斗中。 (2)將鉆井液量杯500mL一端置于漏斗口下方；在松開左手食指同時(shí)右手按動(dòng)秒表。注意在鉆井液流出過(guò)程中一直使漏斗保持直立。 (3)待鉆井液量杯500ml一端流滿時(shí)，按動(dòng)秒表統(tǒng)計(jì)所