泥浆工艺批注.docx

降失水剂如：Na-CMC、HPAN、NaC、SPA、高水解度低分子量PHP，淀粉 FCLS。
具有两亲结构的泥浆有机处理剂（如CMC、NaC、FCLS、NaT等）也有乳化作用。 紊流减阻作用：PHP
絮凝剂：PAM或低H（40%以下）PHP。聚丙烯酰胺PAM或含水量H<30%的水解聚丙烯酰胺PHP作全絮凝剂
H=30~40%的PHP作选择性絮凝剂，兼可降失水及增粘
H=50~80的PHP作降失水剂，增粘剂，兼絮凝
H>80%的PHP作降失水剂及增粘剂。
稀释剂：NaT，NaC KC，FCLS。
增粘剂：Na-CMC、高分子量PHP(HPAM)、淀粉 HPAN
不抗钙镁离子： KC NaC PHP HPAN Na-CMC
抗钙： FCLS （TLM） CPA
抗盐：HPAN CPA FCLS （TLM）
抗高温： FCLS HPAN PHP NaC（深井） KC 海泡石、
不抗高温： Na-CMC 多糖类（淀粉 发酵）
润滑:CMC NaC PHP NaT FCLS
盐水泥浆：PAC HEC （NaCl KCl海水配制，用FCLS做稀释剂，HPAN做降失水剂）
第一章 钻孔冲洗
第一节 概述
钻孔冲洗是钻进中不可缺少的一个环节，钻孔钻进的三项主要工序破岩、排粉及保护孔壁，冲洗液在这三方面都起着十分重要的作用，因此在钻探中素有钻孔的“血液”之称。下面具体讲：冲洗液的功用及冲洗方式。
一. 冲洗液的功用：
1. 冷却钻头：钻头与岩石摩擦产生高热量，需及时冷却，否则就会降低钻头寿命，甚至烧钻。尤其是金刚石钻进。
2. 润滑钻具：目的是开高转速（千rpm以上）以提高破岩效果。
3. 清洗孔底，排带岩粉：保持井底清洁，防止重复破碎，否则钻孔寿命及效率下降，甚至烧钻。排粉与上返速度有关。石油钻0.5m/s 。岩芯钻 0.3m/s 。金刚石钻0.1～0.8m/s。
4. 保护孔壁：泥浆还具有护壁作用。
5. 破碎岩石：高压喷射钻井直接利用冲洗液射流（达100m/s）来破碎岩石，也可用高压自射流（1000kg/m2以上）破碎中硬以上的岩石。
6. 井底动力钻进时作动力传送介质：如冲击回转、涡轮、螺杆钻等。
7. 输送岩芯：水力连续返芯。
8. 降低泵压：起紊流减阻作用。降泵压，尤其是井底动力钻进。
9. 传递信息：随钻技术，传递井底脉冲信号。
10. 保护油气层及岩矿芯（如盐矿、石膏等）。
二、根据以上作用，钻探对冲洗液提出如下要求：（冲洗液要求）
1. 良好的冷却散热能力及润滑性，保证钻具正常工作。
2. 清洗—排带—分离岩粉的能力强，保持井底及冲洗液清洁。
3. 良好的剪切稀释作用。
4. 护壁作用好，能护壁、防喷、防漏、堵漏。
5. 抗污染能力强，自身稳定性好。防钙、镁、盐及粘土浸溶。高温高压下能保持稳定。
6. 利于返芯、测井、防斜及泵送，无污染。
第二节 钻孔冲洗液的分类及发展
一、冲洗液的分类
根据洗井介质，以气体、水、油为基础分成气体、液体及气液混合三大类。具体为：
1. 清水及清水溶液：
a. 清水：是最早使用的一种冲洗液，用于钻进稳定地层。特点：钻进效率高，冷却好，成本低，护壁排粉差。
b. 各种盐水溶液：如饱和盐水溶液用于钻进盐层。
c. 表面活性剂水溶液：如松香酸钠水溶液等用于金刚石小口径钻进，起润滑作用。
d. 各种高分子聚合物溶液：如减阻液用于降泵压等。
2. 乳状液：
a.水包油乳状液：水是连续相，油是分散相。HBS>7
b.油包水乳状液，油是连续相，水是分散相。
乳状液用于小口径金刚石钻进稳定岩层时起润滑减摩钻具作用。
3. 泥浆：
粘土分散在清水中并加入合适的处理剂形成的冲洗液，用于钻进不稳定地层起护壁作用，但效率较低。具体分类见第二章。
4. 无粘土冲洗液：
由高聚物及其处理剂配制的冲洗液，兼有泥浆的护壁作用和清水的低比重高钻效作用，是冲洗液发展的主要方向之一，逐步在岩芯钻中推广应用取代泥浆。
5.气液混合钻进：
a.泡沫钻进：以气体为主。由气 + 水 + 发泡剂组成。多用于漏失缺水地层
b.混气水钻进：以水为主。由水 + 气 +发泡剂组成。
6.空气钻进：
a.压缩空气洗孔：钻速高，多用于缺水及漏失地层。
b.高压天然气洗孔：钻速高，多用于缺水及漏失地层。
冲洗液的发展：
* 1. 公元前250 ~ 1122年以来，最早采用清水作冲洗液钻盐井取盐（我国四川自贡），当时是向井内注水。
* 2. 1860年以来开始采用循环冲洗液排岩粉，随着十九世纪九十年代回转钻进的出现，粘土自然造浆，逐步转入泥浆护壁。上世纪二十年代以来，开始出现泥浆原料及处理剂商品，泥浆仪器，逐步走上了科学应用泥浆的道路。
1922年开始采用重晶石加重泥浆，控制地层应力。
1928年开始广泛采用膨润土泥浆钻井。
1930年开始采用高PH泥浆，盐水泥浆及油钻井。1935年采用硅酸钠泥浆钻井，均是解决页岩水敏性地层。
* 1940年以来先后发展了木质素泥浆，丹宁y泥浆，聚合物泥浆。随后发展了油乳化泥浆及深井泥浆。
为了提高钻进效率，发展应用了不分散低固相泥浆和无粘土冲洗液。并取得了较好的效果。
* 小口径金刚石钻进在岩芯钻中发展较快，其冲洗液也从清水发展到目前使用的各种润滑冲洗液。如乳状液、乳化泥浆及表面活性剂水溶液。为了解决高价离子破乳问题，七十年代以来发展应用了多种抗高钙离子的各种复合型乳状液。空气钻进等也得到了较大的发展，尤其缺水的西北高原地区。
* 全世界目前有数百家泥浆公司，粘土有60多种，各种处理剂超过2600种。
* 从1931年以来，先后发展应用了各种泥浆仪器如粘度计，失水仪、固相含量测定仪等。且许多泥浆性能监测已广泛采用电脑控制，泥浆参数采用电子计算机设计。泥浆理论在化学、流变学，生物工程学等各方面都得到了发展。
* 钻井冲洗液目前的国内外动态
深入研究各种处理剂的作用机理，争取在理论上有所突破，进而发展高效处理剂；
研制多功能处理剂，做到一剂多用；
粘土处理剂的改型；
超深井泥浆及处理剂；
岩芯钻探逐步研究推广无粘土冲洗液；
泥浆净化，尤其是小于2μm的固相粒子的净化；
钻井现场泥浆监测系统的配套及现代化。
岩心采取率：75%—85% 矿心采取率：85%—95%
第三节 钻孔冲洗方式
1. 正循环：
全孔正循环是目前常用的循环方式。冲洗液通过水泵及钻杆进入孔底，经钻头水口返出，沿钻杆与井壁的环空上返携带岩粉排出井口。如图1.1 a所示
特点：1）循环系统简单，应用广泛；
2）有利于破岩及排粉；
3）冲洗液直接冲刷岩芯，影响采芯率及岩芯质量。

2. 反循环：
全孔反循环如图1.1 b 所示，冲洗液的流动方向正好与正循环相反。为了将冲洗液压入孔内，孔口必须加密封装置密封。孔口密封器同时要能让钻杆自由回转和上下提动。
优点：
1）由于钻杆内径断面较小，冲洗液上返流速较较大，有利于排粉（较大的）。尤其是大口径钻进和空气钻进；
2）能实现水力连续取芯，提高岩芯采取率和钻速；
3）由于反循环冲洗液流动方向与岩芯进入岩芯管方向一致，并使其处于悬浮状态，冲洗液不能直接冲刷岩芯，故有利于提高岩芯采取率，防止堵芯
缺点：
1）冲洗液流速过大时可能使岩芯次序颠倒；
2）孔壁漏失时，不适合用之，但可采用双层或三层钻杆隔离实现全孔反循环钻进，可同时解决漏失与孔壁坍塌问题。
3. 孔底局部反循环：
如图1.1 c 所示，它是在正循环的基础上在井底加上一个喷反接头，冲洗液自钻杆内输入，由喷反接头处流出，在下面的岩芯管内产生负压抽吸力，从而形成井底部分是反循环，井上部分是正循环结构。由于其结构简单效果较好，目前在岩芯钻探中也广泛使用，尤其是钻进破碎地层。

优点：
1）避免冲洗液直接冲刷岩芯，可提高采取率，防止堵芯；
2）由于只限于井底局部反循环，故克服了全孔反循环受钻孔漏失的限制，可用于破碎难采芯地层钻进。
缺点：同反循环一样，岩芯次序易颠倒。
小结：
本章主要介绍了钻孔冲洗液的功用及分类。主要有10大功用，分成六大类。在此基础上介绍了冲洗液的三种循环方式及其特点。简介了冲洗液的发展。
要求了解掌握各类冲洗液的特点、功用及适用范围。能合理选择合适的钻井冲洗液洗井及合适的钻孔循环方式钻进。
第二章 泥浆
第一节 概述
一、泥浆的组成及类型：
它是以粘土为分散相，水为分散介质组成的固—液分散体系，其中粘土大多大于0.2мm(10-6m)属悬浮体，少量小于0.2мm属胶体粒子。
为使粘土粒子更好地分散稳定，以满足钻进工艺的要求，常加入各种泥浆化学处理剂对泥浆进行处理。所以说：
泥浆是由粘土、化学处理剂及水组成的一种多相分散体系。
此外油基泥浆以油为分散介质。
随着泥浆工艺的发展，泥浆类型不断增加，泥浆的发展趋势是：细分散淡水泥浆→粗分散泥浆→不分散泥浆；高固相泥浆→低固相泥浆→无粘土（无固相）泥浆；水基泥浆→混油泥浆→油基泥浆；浅井泥浆→深井泥浆；液—固体系→气—固—液体系。
目前泥浆主要分成两大类：
（一）水基泥浆
1. 细分散淡水泥浆（Fresh Water Muds） （加碱予水化）
含盐<1%，含钙<120ppm (mg/l or 1/百万)， 其中PH=7~9.5的叫低PH泥浆；PH>9的叫高PH泥浆。
特点：配制简单，成本较低，一般地层钻进常用。
2. 粗分散抑制泥浆
1）盐水泥浆：含盐量>1%，包括盐水泥浆，饱和盐水泥浆及海水泥浆。
2）钙处理泥浆：含钙>120ppm，包括石灰、石膏、CaCl2处理泥浆
3）钾基泥浆：含KCl>1%
粗分散抑制泥浆 特点：粗分散泥浆抑制水敏性泥岩、页岩水化膨胀能力强，适用性广，主要用于水敏、水溶性岩石钻进护壁如页岩、石膏、盐层等。
3. 不分散低固相泥浆（Non-dispersed low solid muds）
粘土（重量计）<10%(体积计<7%)的泥浆叫低固相泥浆。
粘土含量<4%的叫不分散低固相泥浆。
特点：这是目广泛推广使用的一类泥浆，其中多为聚合物处理，具有护壁性强，固相低，钻效高等优点。如PHP （partially hydrolyzed polyacrylamide 部分水解聚丙烯酰胺）泥浆、CMC（羧甲基纤维素钠）泥浆等。
4. 混油泥浆
如水包油乳化泥浆（oil—in—water emulsion muds）。将少量原油、柴油等分散稳定于泥浆中配成。
特点：润滑性好、流变性好、失水量小、防卡性好，但成本较高。
5. 泡沫泥浆或充气泥浆（foam muds）
泥浆中加入发泡剂或稳泡剂，充入适量的气体而成，其比重可降至0.7左右。
特点：比重低，用于减轻或解决钻孔漏失，对于对付高原缺水地层钻孔漏失较为有利。
(二) 油基泥浆
1. 油泥浆（Oil muds）
将有机粘土或沥青及有关处理剂加入油（原油、柴油等）中配制而成。
2. 油包水乳化泥浆（Water-in-oil-emulsion muds）或反相乳化泥浆（invert emulsion muds）
以油作分散介质，水及有机粘土，处理剂作分散相，加乳化剂处理配制而成。
油基泥浆的特点：热稳定性高，失水量极小（可至零），护壁防塌效果好，对油气层损害小。主要用于超深井，高温井及易塌地层，低压油层钻进。但冲洗液成本高。
第二节 粘土与水
一、粘土矿物的组成、分类及基本构造单位
1. 组成 SiO2 Al2O 3
粘土岩主要组成是粘土矿物，但也含少量的非粘土矿物、有机质和可溶盐。粘土岩经粉碎加工而成粘土
非粘土矿物有石英、长石、云母等，是泥浆中的含砂量成分；
有机质如树木屑、叶子及有机腐植质；
可溶盐主要是Ca、 Mg、 Na、 K 的可溶盐如碳酸盐，硫酸盐等。
总之，粘土中非粘土矿物质越少越好。
2. 粘土的分类
依其性能分成四大类
1）高岭石族：以高岭石为主的粘土叫高岭土（陶土、瓷土），此外，还有多水高岭石、地开石和珍珠陶土等。
2）蒙脱石族：以蒙脱石为主的粘土叫膨润土，是钻井泥浆的主要材料。（膨润土）
3）伊利石族：以伊利石为主的粘土叫伊利石粘土（水云母粘土）。
4）海泡石族：以海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石为主的粘土叫海泡石、凹凸棒石或坡缕缟石粘土。
3. 粘土矿物的两种基本构造单位
任何粘土矿物，其基本构造单位都是相同的，为硅氧四面体和铝氧八面体两种。
1）硅氧四面体
如图2.1所示，四面体由一个Si离子和四个O离子组成，Si4+在中心，四角是O2-，O2-以其一个负电荷与Si4+ 相连结，同时每个氧剩余的负电荷又与其它的硅离子组成另一些四面体，从而形成图2.1所示的六角环片状构造或链。
2） 铝氧八面体
如图2.1所示，八面体由中心的一个Al3+（可被Fe2+、Mg2+取代）和两层紧密堆叠的O2-及OH-组成，同样可构成八面体片状结构，且在六角环中心留有空位。

二、几种粘土矿物的晶体构造及性质
各类粘土矿物均属于含水硅铝酸盐或含水铝镁酸盐，其主要化学成分为SiO2和Al2O3。
1. 高岭石（Kaolinite）:
由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成一个高岭石晶体（胞），两层间由共同的O2-联结在一起。如图2.2所示属于1：1两层结构，沿C轴空间可迭加在一起

特点：
1）晶胞中正负电荷中和，内部无离子置换作用。
2）晶胞层间形成氢键联结，水分子不易进入晶胞之间，故其属于不膨胀晶体，分散度低，分散颗粒较粗，造浆率低，不适于做泥浆材料。
3）自然界中存在较多，能耐高温，适于做陶瓷材料。
2. 蒙脱石（Montmorillonite）
其晶体由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成，属2:1三层结构。如图2.3所示，两层间由共用的O2-联结。

蒙脱石特点：
1）两晶层间靠O2-层的分子力联结，水分子易进入两晶格间，使其沿C轴方向产生膨胀（9.6~21.4 Å）属膨胀型晶体，水化分散性好，造浆率高（达10~30m3/T），是泥浆的主要材料。
2）晶格内部有明显的同晶置换现象（Al3+被Mg2+ 、Fe2+取代，Si4+被Al3+取代），由此产生电荷不饱和，使粘土颗粒带负电荷，吸附外界阳离子，因此有很强的离子交换能力。此外，同晶置换使晶格破碎，有肋于蒙脱石矿物的分散。
3. 伊利石（I llites）
其晶体构造同蒙脱石，也属2：1三层结构。如图2.4所示

特点：
1）两晶胞层之间有K+，且有直径（2.66 Å）与Si –O 四面体六角环空穴内径（2.80 Å）相当，K+嵌入后不易出来，使上下两晶胞间连结很紧，水分子不易进入晶层间故其属不膨胀型晶体，分散性差。
2）晶格内有一定的离子置换现象（Al3+置换Si4+），但吸附K+之后由于K+不易电离出去，从而使其交换能力降低。

3）伊利石粘土由于不易分散，阳离子交换能力低，其造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。
4）在钻孔中钻到伊利石粘土或含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但易剥落掉块。
4. 海泡石族
其晶体构造由硅氧四面体的六角环双链和铝（镁）氧八面体联结而成的棒状，链状或纤维状。
特点：
1）含Mg量高，属含水铝镁硅酸盐矿物。
2）晶体构造中有一系列空穴，水分子可进入。含较多的吸附水，因此其热稳定性好。抗高温（260℃）能力强。适于配制深井或地热井泥浆。
3）凹凸棒石抗盐能力强，在盐水中能很好膨胀，可用于配制盐水泥浆或海洋钻井泥浆。
4）有一定的离子交换能力。
常常利用K+的这一特殊性质（降低晶格中离子交换能力的特殊性质），向冲洗液中加入一定量的K+（KCl），使其进入粘土质泥页岩石晶体的六角环空穴中阻止水分子进入，从而抑制泥页岩水化膨胀而护壁。（水化膨胀过程：1.表面水化膨胀;2.渗透水化膨胀。）
钻进水敏性地层时（蒙脱石）加入K+(KCl)防止地层溶蚀。
粘土矿物的主要特点对比
矿物名称
结构
晶胞间距
层间力
阳离子交换量mg/100g土
分散性
性能
高岭石
1：1
7.2Å
大
3～15
差
不膨胀，造浆难
蒙脱石
2：1
14 Å
小
80～150
好
膨胀，造浆好
伊利石
2：1
10 Å
中
10～40
中
不膨胀，造浆较差，含K+高
海泡石
2：1
12.9 Å
中
20～30
中（好于伊利石）
抗高温，抗盐强，造浆一般
Å （埃） 10-10m
三、粘土的水化膨胀作用：
它是指粘土颗粒表面吸附水分子而产生膨胀以至分散的作用。它对于泥浆性能及井壁稳定都具有十分重要的意义。
1. 粘土矿物中的水分
粘土矿物中水分以如下状态存在：
1）自由水（液态水、重力水）
不受粘土颗粒的束缚，在重力作用下可在粘土颗粒间自由移动的水。（在100~110℃下失去）

2）吸附水（层间束缚水） 海泡石
吸附在粘土矿物晶体表面及晶层间的水。特点是升温时可失，但也可复水（100~200℃下失去）
3）晶格水
以OH-离子形式存在于粘土矿物晶格中的水，是矿物晶体结构的一部分。特点是晶格水失去时，晶格就受到破坏。(一般在450℃以上失水)
因此可以利用各种粘土矿物中各种状态的水分含量不同，对粘土样品进行加热失水来鉴定粘土矿物（粘土类型）（差热及热分析法）。
2. 粘土的水化方式
粘土的水化方式有两种：
1）粘土直接吸附水分子水化
a. 分子间引力作用，使水分子吸附到粘土颗粒周围。
b. 静电引力作用。粘土颗粒表面带负电，水分子是极性分子，因此水分子受到静电引力作用而定向排列。
c. 氢键作用。粘土晶格中的O2-或OH-层与水分子形成氢键联结。如图2.5所示，水分子进入层间使晶格层间距增大（可由17 Å长至19～130 Å），使粘土产生膨胀分散。

2）粘土吸附水化阳离子而水化膨胀
由于静电引力作用，粘土表面吸附了许多水化的阳离子，使其表面形成水化膜。这种水化作用的影响比粘土直接吸附水分子大的多。
3. 影响粘土水化的因素（半径r ↓ 电价 ↑ 温度T ↑ 时间t ↑ 盐↓ 有利水化）
1）吸附阳离子半径的影响
同价离子离子半径越小，水化能力越强。即Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+；Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+
2）吸附阳离子电价的影响
离子半径相近时，电价越高水化能力越强。如Ca2+>Na+。但粘土颗粒按等当量计算吸附，如吸附一个Ca2+就可吸附两个Na+。Na+ 的水化数为8.4个，Ca2+为10.0个。所以吸附Ca2+时的吸附水分子数为10个，而吸附等当量的Na+时的吸附水分子数为2×8.4=16.8个，所以Na膨润土的水化膨胀能力比Ca膨润土强得多。一般常用加Na+（Na2CO3）取代Ca2+来将自然界中的的Ca土改型成Na土以提高其水化分散能力，这就是我们泥浆用Na2CO3进行碱处理的目的。
（泥浆碱处理原因）
3. 钙膨润土为什么要进行碱处理？

3）可溶盐的影响
可溶盐类使粘土吸附水分子的能力降低。
4）温度及时间的影响
温度越高→水化越快 时间越长→水化越完全
4. 粘土水化过程
粘土吸水产生水化膨胀→分散
1）吸水膨胀：短距离作用
2）分散：远距离作用，可达120Å。

四、粘土的吸附性能
泥浆中广泛存在着粘土—水这一固—液界面吸附，粘土的水化、泥浆处理剂对泥浆性能的作用、可溶盐对泥浆性能的影响等都是通过吸附作用改变粘土颗粒表面性质来进行的。
1. 吸附的分类
根据吸附理论，可将其分成以下三类：
1）物理吸附
由分子间相互作用力（即范德华力）所产生的吸附。
特点：a. 吸附力弱并易解吸
b. 吸附速度快
c. 无选择性
d. 分散度高，比表面大则吸附量大
泥浆中PAM、CMC等有机处理剂分子与粘土间广泛存在物理吸附
2）化学吸附
吸附物质之间靠化学键力（离子键、共价键、配价键）所产生的吸附。该吸附可看作是两相界面上发生化学反应。
特点：a. 吸附力强，不易解吸
b. 吸附速度慢
c. 有选择性吸附
d. 可逆
泥浆中广泛存在化学吸附，粘土与处理剂间大量存在化学吸附。如丹宁酸钠与粘土的吸附，焦磷酸钠与粘土的吸附。
3）离子交换吸附 （泥浆进行化学处理和性能调节的依据）
粘土颗粒表面吸附的阳离子同泥浆中的另一种阳离子进行等当量交换的过程叫离子交换吸附。它是一种物物理—化学吸附，整个过程中既有物理吸附又有化学吸附。
特点：a. 可逆
b. 等当量交换
离子交换吸附是泥浆进行化学处理和性能调整的依据。
如 2Na++Ca土Na土+Ca2+ 就是用Na+将Ca2+交换出来。
2. 粘土产生阳离子交换的原因
1）矿物晶格内部的离子交换作用，产生负电荷最多，一般交换量蒙脱石>伊利石>高岭石。
2）在碱性条件下，矿物晶格表面OH层中的H+的电离，使粘土带负电，但不大。高岭石以此为主。
相反在酸性条件下则产生OH-的电离，使粘土带正电，变为吸附外界的阴离子。
3）断键作用，能产生少量的负电荷或正电荷，吸附外界阳离子或阴离子。交换量随粘土分散度增大而增加，是高岭石、伊利石、海泡石产生离子交换的主要原因。
3. 阳离子交换吸附的特点
1）同号离子等电量交换，正与正交换，负与负交换。如一个Ca2+与两个Na+交换。
2）交换是有顺序的、可逆的、并受浓度效应的影响。
阳离子交换顺序是：H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+
浓度越高，交换反应能力越强 ，所以反应是可逆的。
阳离子交换顺序的原则是：离子电价高，离子半径大，水化能力弱的的离子容易被吸附，按影响从大到小排列。
其中H+是个例外，因其体积小，水化差，容易被吸附，但只能在酸性条件下存在。
3）几何效应对交换有影响。离子直径与前述Si—O四面体六角环空穴大小相当（如K+、NH4+）时，离子进入后不易出来，成为不可交换的离子。故常用KCl泥浆防止井壁粘土质岩石水化膨胀，维持井壁稳定。
4）温度及时间效应的作用。温度越高则交换容量越低，交换反应速度越快；温度越高则交换量越大，尤其是层面反应时间较长（一天），而侧面快些。
4. 阳离子交换容量
在中性条件下（PH=7），粘土所能吸附离子的总量叫阳离子交换容量或吸收容量。以mg当量/100g土表示。
一般交换性阳离子为H+及盐基Na+、K+、Ca2+、Mg2+
影响因素：
1）粘土矿物本身成分的影响
蒙脱石 80~150 伊利石 10~40 海泡石 20~30 高岭石 3~15
用下列指标区分钠膨润土和钙膨润土：
Na+/ Ca2+>1 或 Na++K+>Ca2++Mg2+ 时，为钠土
Na+/ Ca2+<1 或 Na++K+<Ca2++Mg2+ 时，为钙土
Na++K++Ca2++Mg2+ / Na++K++Ca2++Mg2++H+<1 PH<7 时，为氢土
常常采用天然钙土加Na+或H+改型成钠土或氢土，以提高造浆率。
2）粘土分散度的影响：分散度越高，则交换容量越大。
3）水溶液PH值的影响：PH>7时，交换容量越大。

5. 阳离子交换速率
原则：晶体侧面交换速率快，而晶体层间交换速度慢。所以高岭石交换速度快，加碱处理瞬间即见效，而蒙脱石等交换速度慢，加碱处理需要一天时间搅拌方可加快反应速度。
6. 阳离子交换的其它作用
粘土可吸附有机阳离子，由此可进行染色反应，粘土可吸附阳离子表面活性剂，使亲水粘土变为亲油粘土。某些粘土在PH>7时带负电，在PH<7时带正电。
五、粘土—水界面的双电层理论

如图2.6所示粘土颗粒带负电，其表面会吸附等当量的阳离子形成双电层，以保持电中性。
靠近粘土颗粒表面，且能随其一起运动的一层叫吸附层，其层厚仅几个Å；而远离粘土表面，不能随其一起运动的一层叫扩散层，其层厚达10~100 Å。整个双电层就构成了粘土周围的水化膜，且扩散层增厚，则水化膜变厚。吸附层扩散层之间有一假想滑动面。
粘土颗粒表面与水溶液间的电位差叫热力学电位E，E是一常数。
E增大→粘土表面负电荷增多→可吸附阳离子增多
滑动面上的电位差叫ζ 电位（电动电位）
ζ 电位增大→扩散层厚度增大→水化膜厚度增大→粘土在溶液中稳定性增大
一秀粘土层面吸附的水化膜厚，而边角部分薄常成为颗粒间粘结的活性中心。
ζ电位可用电泳或电渗测定。
ζ电位的影响因素：
1）阳离子浓度的影响
离子浓度增大→吸附层中阳离子增多→扩散层厚度变小→ζ电位减小，压缩双电层→水化膜变薄→聚结沉淀；
此外：离子浓度增大→阳离子水化减少→水化膜变薄
因此，泥浆产生联结，形成结构，甚至产生聚结而失稳。如泥浆使用时受盐侵、Ca2+侵等。
2）阳离子电价的影响
电价越高→电性中和越多→ζ电位越低→扩散层越薄→水化膜越薄→粘土颗粒聚结凝聚→泥浆失稳。
反之亦然。
高价离子成为聚结离子，其聚结值比（胶体开始明显聚结时，加电解质（mg分子/L）的最低浓度）为：
一价 : 二价 : 三价=25~100 : 0.5~2 : 0.01~0.1
同价离子中，离子半径越大→降ζ电位越多，如水泥侵
如 K+>Na+ Ba2+>Ca2+>Mg2+
3）阳离子水化程度的影响
离子水化弱→易吸附在吸附层→ζ电位降低。
由双电层理论可知：
a. 适量加入Na+可使粘土改型，促使其水化分散，使泥浆稳定；
b. 加入高价离子（Ca2+ Mg2+ 等），使ζ电位降低，泥浆失稳；
c. 加入过量低价离子也会压缩双电层，降低ζ电位，使泥浆失稳。
六. 泥浆的稳定与聚结
泥浆的稳定与聚结作用对泥浆性能影响很大，所以是十分重要的。它主要受粘土本身及电介质的影响。
泥浆中粘土颗粒的分散与稳定是相对的，而凝聚与聚结是绝对的。泥浆中主要存在沉降稳定性和聚结稳定性两方面的问题。
1. 泥浆的沉降稳定性
泥浆中的粘土颗粒抵抗由于自重产生的沉降，而分散稳定于泥浆中的能力。
如现场粗粒土搅拌→分散，停搅→沉淀，水土分层现象。
影响粘土沉降的因素：
1）分散相（粘土）粒子的大小，形状。 大→沉降快 层状→沉降慢 球状→沉降快
2）分散相与分散介质（水）的密度（比重）差，差越大→沉降越快；
3）分散介质的粘度η，η越大→沉降越慢，如东西在水中比在油中沉的快；
4）温度t，t越高→η越小→沉降速度越快。
为了减少泥浆中颗粒的沉降速度，可提高泥浆的粘度η，增加其沉降稳定性。

2. 泥浆的聚结稳定性
泥浆中的粘土颗粒间不产生相互凝聚或聚结在一起的特性。
失稳过程：小颗粒聚结→大颗粒→成团→沉降失稳
影响因素：
1) 分子间力（范德华力）产生的吸力作用；
2) 电介质的聚结作用；
电介质电价高，浓度大→压缩双电层→ζ电位降低→水化膜变薄→聚结。
3) 粘土颗粒间同性电荷（负电荷）的斥力作用；
负电多→ζ电位高→斥力（∝ζ2）大→聚结。
4) 吸附层水化膜的稳定作用；
吸附层水化膜越厚→聚结。
泥浆的粘土颗粒发生聚结作用，形成的空间网状结构。
若结构是连续的，则属于凝胶体系；
若结构是一团一团不连续的，结构松散，内有大量水，呈絮状物，这就发生絮凝物体系，会失去沉降稳定性。
泥浆中加入少量电介质时→ζ电位降低→斥力降低→网状结构多→泥浆黏度变大。
加入稀释剂→吸力减低→网状结构少→泥浆黏度变小。
七. 粘土的寻找与鉴定（略讲）
粘土是配浆的主要材料，其质量好坏影响很大，国外有专门的泥浆公司生产商品化粘土及处理剂，国内也向此方向发展。
1. 粘土的寻找（略讲）
主要以找膨润土为主。膨润土主要由中酸性火山凝灰岩蒙脱石化而成，故应在火山岩地区寻找。一般规定蒙脱石含量达70~80%以上才算膨润土矿。自然界中大都为Ca土（如浙江余抗土），少数为Na土（如新疆夏子街）
凹凸棒石应在富含Mg的蛇纹岩、白云岩等碱性介质中寻找；
海泡石应在含Mg的强碱性介质中寻找，如湖南浏阳、石门；
高岭石是由长石分化而成，多存在于酸性介质中，如江西景德镇。
2. 粘土的鉴定（略讲）
1) 有复杂的较精确的鉴定方法：
a. 电子显微镜法：将粘土晶体放大一万部以上观察晶形的区别；
b. X-光衍射分析法：利用各粘土矿物的X射线衍射图谱的差异来区别；
c. 差热分析法：各种粘土矿物加热时产生不同的吸热及放热效应来区别；
d. 热失重法：利用各种粘土矿物在加热过程中，不同的失水温度来区别。
2) 有一般的较简易的鉴定方法：
a. 如化学分析法：分析粘土的化学组成；
b. 离子交换试验：利用各种粘土阳离子交换量不同，测定其离子交换量来区别，如亚甲基蓝吸收法；
c. 粘土的染色试验：这是一种简易而又有效的方法，简易中常用。它是利用粘土颗粒带负电荷，能吸附可染色的有机阳离子的原理使不同的粘土染上不同的颜色来区别；
d. 粘土的膨胀试验及浸泡试验：利用各种粘土水化膨胀性能不同，通过测定其膨胀性或膨润度来区别。一般Ca土吸水1~2倍，Na土吸水5~12倍。
e. 粘土评价方法：
造浆试验：就泥浆而言，造浆率↑→粘土质量↑
造浆率：API标准规定，不加任何处理剂时，每吨粘土能配制ya为150CP的泥浆量。单位 m3/T土。
利用不同粘土造浆率的差异来区别：
高岭土1~5 m3/T土，膨润土可达8~30 m3/T土。
总之，粘土鉴定方法很多，必须靠多种方法综合鉴定才行。
八、钻探用水（略讲）
钻井冲洗液多用水配制，所以水质对冲洗液影响很大，故应对水质进行分析。主要是分析水的硬度和总矿化度。水的总矿化度是指水中离子，分子及各种化合物的总含量。常以每L水在105~110℃下烘干时所得的干涸残渣重量来表示。单位 g/L水。
按其总矿化度大小，可将水分成三类：
淡水 干涸残渣 < 1g/L水
盐水 干涸残渣 1～50g/L水
卤水 干涸残渣 > 50g/L水
水的硬度是指水中Ca、Mg盐的含量。其中分暂时硬度和永久硬度，以mg当量/L水表示或德国度（1°=1/2.8mg当量/L水）。
暂时硬度是指水中Ca、Mg的重碳酸盐和碳酸盐。这类盐经煮沸后生成沉淀物可除去Ca、 Mg：
M（HCO3）2 → MCO3↓+CO2↑+H2O M=Ca. Mg
永久硬度是指水中Ca、Mg的硫酸盐，氧化物等。煮沸后这部分不能除去，只能外加碳酸盐等沉淀Ca、Mg而软化水：
MSO4+Na2CO3→MCO3↓+Na2SO4 M=Ca. Mg
此外，水中的Na、K盐叫负硬度。水的总硬度=暂时硬度+永久硬度
按总硬度可将水分为：
极软水 Mg. Ca < 1.5mg当量/L水（或 < 4.2）
软 水 Mg. Ca 1.5～3.0mg当量/L水
中硬水 Mg. Ca 3.0～6.0mg当量/L水
硬 水 Mg. Ca 6.0～9.0mg当量/L水
高硬水 Mg. Ca 9.0～14.0mg当量/L水
超硬水 Mg. Ca 14.0～21.0mg当量/L水
极硬水 Mg. Ca >21.0mg当量/L水
硬水软化：用纯碱处理
小结
本部分为泥浆的基础理论知识，是学习泥浆知识的基础，应了解掌握。概述部分主要分析介绍了泥浆的组成、分类及特点：
组成：由粘土、水及泥浆处理剂组成的多相分散体系。
类型：分水基和油基两大类，具体分成8个小类，并分别介绍了其特点和适用方法。
第二节主要分析介绍了粘土的组成、类型、结构、性能及寻找鉴定方法，同时介绍了钻探用水。
组成：化学成分主要为SiO2、 Al2O3，矿物成分为粘土矿物及少量杂质（构成含砂量部分）。
类型：依其各种粘土矿物含量不同分成四类，泥浆以膨润土类为主。
结构：四类粘土矿物均是由Si-O四面体和Al-O八面体构成的层片状或棒状结构。
粘土的性能主要包括：
1. 水化膨胀作用：粘土颗粒表面吸附水分子而产生膨胀一致分散的作用，吸水方式有直接吸附水分子水化和吸附水化阳离子而水化膨胀两种方式。
水化规律是：离子半径小，电价高→水化强，反之亦然。
例：一价Na+吸水8.4个，二价的Ca2+吸水10个。
2. 吸附作用：分物理吸附和化学吸附及离子交换吸附三种方式，各有特点。三种方式在泥浆配制及处理中均广泛存在，以后者为主。
离子交换吸附特点：同号离子等当量交换2Na+→Ca2+; 有顺序；且离子浓度越高→交换吸附越强。
阳离子交换的原则：离子电价低，半径大，水化弱→易被吸附。
阳离子交换容量：蒙脱石 > 伊利石 > 海泡石 > 高岭石。且分散度高、PH高→交换容量大。
3. 双电层理论：粘土表面吸附的水化膜分成吸附层和扩散层。
吸附层越厚→扩散层越薄→ζ电位越小→水化膜越薄→分散性越差
吸附层越薄→扩散层越厚→ζ电位越大→水化膜越厚→分散性越好
吸附阳离子电价高、浓度大→ζ电位小→分散差→聚结沉淀
例Ca2+侵、盐侵，使泥浆B↑直至水土分离破坏.
4. 寻找与鉴定：以找膨润土为主。有精确及简便鉴定方法。钻探常用染色法鉴定。
5. 钻探用水：主要分析水的总矿化度及硬度，减少水中有害物质（如Ca2+,Mg2+,Cl-,SO42-）对泥浆的侵蚀。

第三节 泥浆性能及其测量方法
一、泥浆的流变性
泥浆流变学是研究在外力的作用下，泥浆流动与变形的科学。具体是研究泥浆的黏度η、切力τ及触变性等问题。
泥浆流变性直接影响钻速、泵压、排量、携带与悬浮岩粉固井等工艺。
本部分主要从液流的基本概念→流型→分析泥浆流变性→测量计算流变性→讨论泥浆流变性与钻井的关系。
在外力作用下，液体在管内流动是不均匀的，如图2.7所示流速分布从管中心到管壁由最大逐渐减小到零。

用流速梯度来表示
流速梯度=dv/dx （秒-1）
钻井中，由于各循环部位V不同，也不同：
钻头水眼达10000~70000 s-1 ，钻杆内 100~1000 s-1 ，环空内 50~250 s-1，沉砂池 10~20 s-1
流体流动时，由于各层间V不同，在流体内部产生内摩擦，使液体具有粘滞性（剪切变形）。内摩擦力F与液层间接触面积S和剪切速率（dv/dx）成正比关系：
即: F ∝S·dv/dx ∴ F=η·S·dv/dx
令τ=F/S — 单位面积上的剪切力，叫剪切应力
∴τ=η·dv/dx 或 η=τ/
η – 粘度. 是度量液体的粘滞性大小的常数，泊或厘泊 1P=100cP
η=τ/ 叫液体的内摩擦定律。它只适用于牛顿流体。
τ的单位为达因/厘米2
1. 流型分析
一般流体分为牛顿流体（如清水）和非牛顿流体（如泥浆）。不同的流体用不同的流变方程来表示。一般将流体归纳成四种流型，并用流变曲线（τ—关系曲线）来表示。《（1) 牛顿流型 2) 塑性流型
3) 假塑性流型 4)