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钻井液复习资料
õ钻井液，又称“泥浆”（Mud），是石油钻井的“血液”。在旋转钻井过程中，凡是能够满足钻井工艺要求的循环流体都称为钻井液。
泥浆的主要功能

v 清洗井底，携带岩屑
v 冷却和润滑钻头；
v 形成泥饼,保护井壁；
v 控制和平衡地层压力；
v 悬浮加重剂和岩屑；
v 提供所钻地层的有关资料；
v 将水功率传给钻头。
钻井液分类
固相含量
低固相钻井液
无固相钻井液
流体介质和体系的组成特点
水基钻井液
油基钻井液
气体型钻井液
合成基钻井液

分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂(简称为分散剂)配制而成的水基钻井液，也称为细分散钻井液或淡水钻井液。它是一类使用历史较长、配制方法较简单、配制成本较低的常用钻井液。
钙处理钻井液体系主要由含Ca2+的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。由于体系中的粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，因此又称之为粗分散钻井液。
盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。凡NaCl含量超过1％(Cl-质量浓度约为6000mg/L)的钻井液统称为盐水钻井液
。聚合物钻井液是指将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的水基钻井液体系
钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。
以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液称油基钻井液。目前含水量在5％以下的普通油基钻井液已较少使用，而主要使用油水比在 (50-80)：(50-20)范围内的油包水乳化钻井液。
合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。
气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。
空气或天然气钻井流体、雾状钻井流体、泡沫钻井流体、充气钻井液。
水基钻井液是由膨润土、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6 g/cm3，通常称它们为低密度固相，而加重材料常被称为高密度固相。最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2 g/cm3。
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、润滑剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。
任务2 钻井液巡回路线的检查

第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
研究粘土矿物的意义：
粘土是钻井液的重要组成成分，钻井过程中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中的粘土矿物类型和特性密切相关。粘土主要是由粘土矿物组成的。
粘土的组成
粘土矿物：高岭石、伊利石、蒙脱石等
粘土 非粘土矿物：石英、长石等
非晶质的胶体矿物：蛋白石、氢氧化铁、
氢氧化铝等
第一节 粘土矿物的晶体构造和性质
一、粘土矿物（Clay Mineral）的分类和化学组成
1. 分类
粘土矿物按照硅氧四面体和铝氧八面体这两种晶片的配合比例可分为1：1（一层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层）、2：1（两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层）、2：2（硅氧四面体晶片与铝氧八面体晶片交替排列的四层晶片构成单元晶层）以及层链状结构（硅氧四面体组成的六角环依上下相反方向对列）等几类。

晶层概念
四面体晶片与八面体晶片通过共用的氧原子连接在一起结合，构成晶层。
高岭石 (Kaolinite) ： 晶体构造

由于晶体构造的特点，阳离子交换容量小，水分子不容易进入晶层中间，为非膨胀型粘土矿物，故水化性能差，造浆性能差。一般不做配浆材料。
晶格取代作用的概念
是在其结构中某些原子被其他化合价不同的原子取代而晶体骨架保持不变的作用。例如四面体中的部分Si4+被Al3+取代，八面体中的Al3+被Mg2+、Fe2+、Zn2+等取代。

三 粘土的电性
粘土晶体的电荷可分为：
永久负电荷、可变负电荷和正电荷。
永久负电荷
结论：
a 伊利石的永久负电荷主要来源于硅氧四面体
晶片中的硅被铝取代；
b 永久负电荷多少规律：
伊利石>蒙脱石>高岭石
c 粘土的永久负电荷大部分分布在粘土晶层的
层面上。
粘土的交换性阳离子及
阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子的概念：
（Exchange Cation）
粘土一般都带负电荷，为了保持电中性，粘土必然从分散介质中吸附等电量的阳离子，这些被粘土吸附的阳离子，可以被分散介质中的其他阳离子所交换，因此成为粘土的交换性阳离子。
阳离子交换容量概念：
粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的pH值为7时的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以100g粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示。
粘土的水化作用
1. 粘土矿物的水分
按其存在的状态可分为
§ 1）  结晶水：是粘土矿物晶体构造的一部分，温度达到300度以上，方可释放出来。
§ 2）  吸附水：吸附在带电的粘土表面上，形成水化膜，随着粘土的移动而运动，也称束缚水。
§ 3）  自由水：存在粘土颗粒的空穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由运动

粘土水化膨胀受三种力制约：
表面水化力、
渗透水化力和
毛细管作用
表面水化是由粘土晶体表面（膨胀性粘土表面包括外表面和内表面）吸附水分子与交换性阳离子水化作用而引起的。
§ 第一层：水分子与粘土表面的六角形网格的氧原子形成氢键而保持在表面上。水分子自身也通过氢键结合为六角环。第二层类似。以后的水层依次类推。
交换性阳离子以两种方式影响粘土的表面水化：
§ a 许多阳离子本身是水化的，即本身有水分子的外壳
§ b 它们与水分子竞争，键接到粘土晶体的表面上，并且倾向于破坏水的结构。
当粘土表面吸附的阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水分向粘土晶层间扩散，水的这种扩散程度受电解质的浓度差控制，这就是渗透水化膨胀的机理。
a 因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不同，层面上厚，端面上薄
b粘土矿物不同，水化作用不同。蒙脱石的水化最好；高岭石最差。高岭石和伊利石都属于非膨胀性粘土矿物。
C交换性阳离子不同，水化程度不同。钠蒙脱石强于钙蒙脱石，故在施工时，应先将钙膨润土转变为钠膨润土。

1.钻井液的概念、功用和分类
2.晶格取代作用的概念以及对粘土电性的影响
3.粘土交换性阳离子的概念
4.粘土的阳离子交换容量的概念及其测定方法
5.粘土矿物水化膨胀的作用机理

胶体化学的基本概念
扩散双电层的理论要点：
从胶团的结构可知，既然胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形成了双电层。双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面；另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力。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，构成扩散双电层。在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠近固体表面处密度高，形成紧密层（吸附层）。但随着与界面的距离增大，反离子的分布由多到少，到了定势离子的电力线所不及的距离处，反离子的电荷就等于零。从固体表面到反离子为零处的这一层称为扩散双电层
钻井液的滤失和润滑性能
1、钻井液的滤失性能：
主要指钻井液滤失量的大小和所形成的泥饼的质量。
2、钻井液的润滑性能：
主要指钻井液自身的润滑性能和所形成的泥饼的润滑性能。
钻井液的造壁性能：
1、滤失作用：
在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用。
2、发生滤失的条件：
3、泥饼（质量？） 造壁性
钻井液在井内发生滤失的全过程由三个阶段组成：
1 、瞬时滤失
2、 动滤失
3、 静滤失
瞬时滤失
1、过程
岩石破碎 新的自由面 岩石孔隙 泥饼
2、特点
1）、时间很短
2）、泥饼未形成
3）、滤失速率高
动滤失
1、过程

瞬时滤失 形成泥饼 泥饼增厚 动平衡

2、特点
1）压力差大
2）泥饼厚度较薄
3）单位时间滤失量先大，逐渐减小，最后稳定
静滤失
1、过程
发生在停钻时，此时钻井液停止循环，液流冲刷作用消失，泥饼增厚，滤失量降低。
2、特点
1）压差小
2）泥饼厚
3）单位时间内的滤失量比动滤失量小
对钻井液滤失性能的要求
1、在钻开油气层时，尽力控制滤失量，API滤失量应小于5ml,HTHP滤失量应小于15ml。
2、钻遇易坍塌地层时，滤失量需要严格控制，API滤失量最好不大于5ml；对于一般的地层，API滤失量尽量控制在10ml，HTHP滤失量不应大于20ml。
3、提高泥饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性能好的滤饼
4、加氢对钻井液滤失性能的测定
钻井液润滑性能

大多数水基钻井液，摩阻系数：0.2

水平井钻井液：0.08～0.10
钻井液的流变参数：
塑性粘度、动切力、静切力、流性指数、稠度系数、漏斗粘度、表观粘度、剪切稀释性、动塑比和触变性。
塑性粘度
意义：
塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦作用的强弱。

影响因素：
①钻井液中的固相含量 主要因素
固相含量增大，钻井液的密度增大，固相颗粒间的内摩擦增大，粘度增大。
②钻井液中粘土的分散程度
粘土含量相同时，分散度愈高，塑性粘度增大。
③高分子聚合物处理剂
加入高分子聚合物处理剂，提高了液相粘度，塑性粘度也随之增大。
调整方法
①     降低塑性粘度
减少固相含量就能降低塑性粘度：可通过合理使用固控设备、加水稀释或者化学絮凝等方法。
② 提高塑性粘度
加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油、适当提高pH值、增加聚合物处理剂浓度，均可提高塑性粘度。
意义：
反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。

影响因素：
①     粘土矿物的类型和浓度
随着膨胀型粘土浓度的增大，钻井液的动切力上升。
②     电解质
无机电解质会引起钻井液絮凝程度增大，增加动切力。
③     降粘剂
加入降粘剂降低了动切力
调整动切力：
①     降低动切力
最有效的方法：加入降粘剂
或者（采用清水或者稀浆）稀释钻井液
②     提高动切力
可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量

非加重钻井液：
塑性粘度：5～12mPa·s
动切力：1.4～14.4Pa

意义：
指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度。
n值越小，非牛顿性越强。
一般希望钻井液有较低的n值，以确钻井液具有良好的剪切稀释性，有利于携带岩屑、清洗井眼。

影响因素：
受形成网架结构因素的影响，网架结构增强，n值降低。
如加入高分子聚合物或加适量的无机电解质。

降低n值
最常用的方法：加入XC生物聚合物（黄原胶生物聚合物）

意义：
K值与粘度和切力相联系。K值大，粘度大。
对于钻井液而言，K值反映着钻井液的可泵性。K值大，重新开泵难度大，可泵性差；
影响因素：
体系固体含量高，K值大；
液相粘度大，K值大；聚合物处理剂加入
结构强度大，K值大。
调整K值：
①降低K值
最有效的方法：加强固相控制或者加水稀释以降低钻井液中固相的含量。
②提高K值
添加聚合物处理剂
将预水化膨润土 盐水钻井液或者钙处理钻井液中
加入重晶石粉
概念：
它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值：μa＝τ/γ
表观粘度也称为有效粘度。
各流体的表观粘度：

宾汉流体表观粘度μa＝μp＋τ0/γ

幂律流体表观粘度：μa＝Kγn-1

意义：
表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。
对于钻井液而言，它既包括流体内部由于内摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土颗粒之间以及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘度。

概念
非牛顿流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。

作用
剪切稀释性是优质钻井液必须具有的性能。它既能充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，而在环形空间又能很好地携带钻屑。

1、塑性流体：
动塑比:此值越大，剪切稀释性越强；
常规：0.36～0.48帕/毫帕秒
2、假塑性流体：
流性指数n：此值越小，偏离牛顿流体越远，
剪切稀释性越强。
常规：0.4～0.7
为了测量静切力，引入初切力和终切力来
表示静切力的相对值。
初切力：是钻井液在经过充分搅拌后，
静置1min（或10s）测得的静切力；
终切力：是钻井液在经过充分搅拌后，
静置10min测得的静切力
概念：
是指搅拌后钻井液变稀（即切力降低），静置后又变稠的这种性质。
采用终切和初切之差相对表示触变性的强弱。
井口？
环形空间？
表观粘度的计算：
μa＝τ/γ＝（300θN）/N
N：表示转速，单位为r/min
θN：表示转速为N时的刻度盘读数
例子：
在300r/min时测得刻度盘读数为12，则该剪切速率下的表观粘度为？
在3r/min时测得刻度盘读数为2，则该剪切速率下的表观粘度为？

表观粘度的计算：
μa＝τ/γ＝（300θN）/N
N：表示转速，单位为r/min
θN：表示转速为N时的刻度盘读数
例子：
在300r/min时测得刻度盘读数为12，则该剪切速率下的表观粘度为？
在3r/min时测得刻度盘读数为2，则该剪切速率下的表观粘度为？
μp＝θ600－θ300
τ0＝0.511（θ300－μp）
静切力计算：
初切：τ初＝0.511θ3（10s或1min）
终切：τ终＝0.511θ3（10min）
例题：
采用旋转粘度计测得刚配制好的某钻井液在转速分别为600、300r/min，粘度计的刻度盘上的读数分别为52.3、32.8，请按上述公式计算出塑性粘度、动切力

  n=3.322lg(θ600/θ300
K=(0.511θ300)/511n
塑性流体：动塑比:0.36～0.48帕/毫帕秒
假塑性流体：流性指数n： 0.4～0.7
流变性与井内液柱
压力激动的关系
概念：
是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发生突然变化（升高或降低），给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象。

起下钻时的压力激动
下钻：会使钻井液向上流动
起钻：会使钻井液向下流动
上述两种情况均会引起钻井液井内液柱作用于井底和井壁，这就是起下钻引起的压力激动。
开泵时的压力激动
由于钻井液触变性，当停止循环时，井内钻井液处于静止状态，网架结构强度大，切力升高，开泵泵压将超过正常循环时所需要的压力，造成压力激动。
泵压在工作中的变化规律：开泵压大，逐渐在降低，最后达到稳定的工作泵压值。
压力激动对钻井是有害的，因为破坏了井内液柱压力与地层压力之间的平衡，破坏了井壁与井内液柱之间的相对稳定，容易引起井漏、井塌或井喷。
措施

①控制好钻井液的流变性；
②在起下钻和开泵操作上不宜过猛；
③开泵之前最好先活动钻具，以防止因压力激动而引起各种井下复杂情况
固相分类
粘土（或胶粒）：粒径<2μm

固相分类

砂（或API砂）：粒径>74 μm
1、机械方法
2、稀释法
用清水或其它较稀的流体直接稀释循环系统中的钻井液，也可在泥浆池容量超过限度时用清水或性能符合要求的新浆，替换出一定体积的高固相含量的钻井液，使总固相含量降低
3、化学絮凝法
在钻井液中加入适量的絮凝剂，使某些细小的固体颗粒通过絮凝作用聚结成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除。
膨润土粒径：0.03～5 μm
旋流器的工作原理

在压力作用下，含有固体颗粒的钻井液由进浆口沿切线方向进入旋流器。在高速旋转过程中，较大较重的颗粒在离心力作用下被甩向器壁，沿壳体螺旋下降，由底流口排出；而夹带细颗粒的旋流液在接近底部时会改变方向，形成内螺旋向上运动，经溢流口排出。这样，在旋流器内就同时存在着两股呈螺旋流动的流体，一股是含有大量粗颗粒的液流向下做螺旋运动，另一股是携带较细颗粒连同中间的空气柱一起向上做螺旋运动。
分离点(Cut Point

如果某一尺寸的颗粒在流经旋流器之后有50％从底流口被清除，其余50％从溢流口排出后又回到钻井液循环系统，那么该尺寸就称为这种旋流器的50％分离点，简称分离点(Cut Point)。
• ①除砂器 ：直径为150～300mm。
＞74μm（95%）、＞30μm（50%）
• ②除泥器：直径为100～150 mm
＞40μm（95%）、＞15μm（50%）
• ③微型旋流器：直径为50mm， 7~25μm
• 平衡点(Balance Point
•
如果旋流器的底流口尺寸调节适当，那么在给旋流器输入纯液体时，液体将全部从溢流口排出；而含有可分离固相的液体输入时，固体将会从底流口排出，每个排出的固体颗粒表面粘附着一层液膜。此时底流口的大小称作为该旋流器的平衡点。
离心机工作时，钻井液通过一固定的进浆管进入离心机，然后在输送器轴筒上被加速，并通过在轴筒上开的进浆孔流入滚筒内。由于滚筒的转速极高，在离心力作用下，密度或体积较大的颗粒被甩向滚筒内壁，使固液两相发生分离。其中固相被输送器送至滚筒的小端，经底流口排出；而含有细颗粒的流体以相反方向流向滚筒大端，从溢流口排出。

振动筛常用筛布目数(目是指每英寸长度上的网孔数)为12目、16目、20目、40目、60目、80目等，现场使用最密的为200目。

固控流程：
振动筛＋除砂器＋除泥器＋离心机

固控流程：
振动筛＋清洁器＋离心机