中原油田常用泥漿材料簡明手冊中原油田技術(shù)監(jiān)測中心二0一一年二月目錄第一部分鉆井液基礎(chǔ)知識第一章粘土膠體化學基礎(chǔ) 11.1.1粘土礦物的基本構(gòu)造單元 11.1.2高嶺石 21.1.3葉臘石、蒙脫石、伊利石 21.1.4粘土—水界面雙電層 61.1.5粘土的水化作用 81.1.6粘土—水懸浮體的穩(wěn)定性 101.1.7凝膠 12第二章鉆井液的性能 131.2.1鉆井液密度 131.2.2鉆井液的流變性 141.2.3鉆井液的濾失性 171.2.4鉆井液的潤滑性能 201.2.5鉆井液的PH值與堿度 231.2.6鉆井液的抑制性 25第三章泥漿處理劑與其作用原理 261.3.1無機處理劑 261.3.2有機降粘劑 281.3.3有機降失水劑 311.3.4增粘劑 361.3.5油層保護劑 361.3.6表面活性劑 37第四章常用的鉆井液體系 421.4.1分散性鉆井液 421.4.2無機鹽抑制性鉆井液 461.4.3聚合物鉆井液體系 51第五章完井洗井液與腐蝕 571.5.1鉆井液對油氣層的不良影響 571.5.2鉆開油氣層的洗井液 581.5.3封閉液 59第六章高溫對鉆井液性能的影響 611.6.1高溫水基泥漿的主要特點 621.6.2高溫對泥漿中粘土的作用 651.6.3高溫對處理劑與其作用效能的影響 70第二部分常用泥漿材料介紹第一章膨潤土類 一、組成 二、分類 三、作用與用途 四、影響膨潤土性能的因素 五、簡單測試 第二章加重材料 一、重晶石粉二、第三章無機鹽類 一、碳酸鈉 二、氫氧化鈉 三、氫氧化鉀KOH 四、氯化鉀KCl 五、硅酸鈉（Na2SiO3或Na2OmSiO2） 六、硅酸鉀（K2SiO3） 七、氯化鈉（NaCl） 八、氯化鈣CaCl2 九、氫氧化鈣Ca(OH)2 十、生石灰CaO 十一、石膏CaSO4 十二、重鉻酸鈉Na2CrO7.10H2O 十三、正電膠MMH 第四章發(fā)泡劑消泡劑 一、發(fā)泡劑 二、消泡劑 第五章解卡劑 一、粉狀解卡劑AD 二、液體解卡劑CN-1 第六章水泥外加劑 一、水泥速凝劑 二、水泥緩凝劑 第七章潤滑劑 一、十二烷基磺酸鈉 二、皂化油 三、石墨 四、塑料小球 五、bk液體潤滑劑 第八章殺菌劑 一、Bd殺菌劑 第九章堵漏劑 一、瞬間堵漏劑 二、高粘堵漏劑 三、膨脹堵漏王 四、單向膨脹封閉劑 五、海帶粉 六、核桃皮 七、云母片 八、石棉 九、鋸末 十、混合堵漏劑 第十章絮凝劑包被劑 一、聚丙烯酰胺 二、聚丙烯酸鉀 三、PAC—141 四、80A-51 五、FA—367 六、潤滑絮凝劑 第十一章增粘降濾失劑 一、羧甲基纖維素鈉Na—CMC 二、聚陰離子纖維素PAC 三、羥乙基纖維素HEC 四、羧甲基淀粉CMS 五、羥丙基淀粉HPS 六、抗溫淀粉DFD—140 七、黃原膠XC 八、羥丙基瓜爾膠HPC 第十二章降粘降失水劑 一、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCLS 二、磺化單寧SMT 三、磺化栲膠SMK 四、磺化瀝青粉SAS 五、磺化褐煤樹脂SPNH 六、磺化酚醛樹脂SMP 七、磺化褐煤SMC 八、腐植酸鉀KHm 九、陽離子褐煤PMC 十、無熒光潤滑防塌劑 十一、水解聚丙烯腈胺鹽NH4—PAN 十二、水解聚丙烯腈鈉鹽Na-PAN 第十三章復合材料 一、廣譜護壁劑 二、高粘防塌劑 三、三磺聚合物 鉆井液完井液化學是研究鉆井液與完井液的配制、組成、性能、維護以與相關(guān)化學反應(yīng)的學科，涉與到粘土礦物學、表面化學、高分子材料、石油工程等相關(guān)學科，它是一門涉與多個領(lǐng)域的邊緣科學、實驗科學、工程科學。鉆井液是指油氣鉆井過程中以其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱。鉆井液又稱為鉆井泥漿，或簡稱泥漿。鉆井液的循環(huán)是通過泥漿泵來完成的。從泥漿泵排出的高壓鉆井液通過地面高壓管匯、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆挺到鉆頭，從鉆頭噴嘴噴出，以清洗井底并攜帶巖屑，然后再沿著鉆桿與井壁(或套管)形成的環(huán)形空間向上流動，在達到地面后經(jīng)排出管線流入泥漿池，經(jīng)各種固控設(shè)備進行處理后返回上水池，最后進入泥漿泵循環(huán)使用。鉆井液的種類很多，分類也很復雜，通常把鉆井液分為水基泥漿和油基泥漿兩大類。水基泥漿是由膨潤土、水(或鹽水)、各種處理劑、加重材料以與鉆屑所組成的多分散體系；油基鉆井液是以水滴為分散相，油為連續(xù)相，并添加適量乳化劑、潤濕劑、親油的固體顆粒(有機土、氧化瀝青等)、石灰和加重材料等形成的乳狀液體系。鉆井液工藝技術(shù)是油氣鉆井工程的重要組成部分。隨著鉆井難度的逐漸增大，該項技術(shù)在確保安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井中起著越來越重要的作用。鉆井液最基本的功能有以下幾點：(1)攜帶和懸浮巖屑。鉆井液首要和最基本的功能，就是通過其本身的循環(huán)，將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶至地面，以保持井眼清潔，使起下鉆暢通無阻，并保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復切削，保持安全快速鉆井。在接單根、起下鉆或因故停止循環(huán)時，鉆井液中的固相顆粒不會很快下沉，防止沉砂卡鉆等情況的發(fā)生。(2)穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力。井壁穩(wěn)定、井眼規(guī)則是實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井的基本條件。性能良好的鉆井液應(yīng)能借助于液相的濾失作用，在井壁上形成一層薄而韌的泥餅，以穩(wěn)固已鉆開的地層并阻止液相侵入地層，減弱泥頁巖水化膨脹和分散的程度。與此同時，在鉆井過程中需要不斷調(diào)節(jié)鉆井液密度，使液柱壓力能夠平衡地層壓力，從而防止井塌和井噴等井下負責情況的發(fā)生。(3)冷卻和潤滑鉆頭、鉆具。在鉆井過程中鉆頭一直在高溫下旋轉(zhuǎn)并破碎巖層，產(chǎn)生很多熱量，同時鉆具也不斷地與井壁摩擦而產(chǎn)生熱量。正是通過鉆井液不斷的循環(huán)作用，將這些熱量與時吸收，然后帶到地面釋放到大氣中，從而起到冷卻鉆頭、鉆具，延長其使用壽命。由于鉆井液的存在，使鉆頭和鉆具均在液體中旋轉(zhuǎn)，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。(4)傳遞水動力。鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊井底，從而提高了鉆井速度和破巖效率。高壓噴射鉆井正是利用這一原理，使鉆井液所形成的高壓射流對井底產(chǎn)生強大的沖擊力，從而顯著提高了鉆速。使用渦輪鉆具鉆進時，鉆井液由鉆桿內(nèi)以較高流速流經(jīng)渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動鉆頭破碎巖石。為了防止和盡可能減少對油氣層的損害，現(xiàn)代鉆井技術(shù)還要求鉆井液必須與所鉆遇的油氣層相配伍，滿足保護油氣層的要求；為了滿足地質(zhì)上的要求，所使用的鉆井液必須有利于地層測試，不影響對地層的評價；此外，鉆井液還應(yīng)該對鉆井人員與環(huán)境不發(fā)生傷害和污染，對井下工具與地面裝備不腐蝕或盡可能減輕腐蝕。第一章粘土膠體化學基礎(chǔ)粘土作為最基本的配漿材料，其晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對鉆井液的性能有十分重要影響；地層中含有大量粘土，井壁穩(wěn)定、油氣層保護均與地層中的粘土礦物類型和特性密切相關(guān)。粘土主要由細粒狀的具有晶體結(jié)構(gòu)的粘土礦物組成的顆粒聚集體?；瘜W分析表明，粘土中主要含氧化硅、氧化鋁、水、少量鐵、鉀、鈉、鈣、鎂、鋁。粘土礦物的化學成分是含水鋁硅酸鹽。礦物組成上看，粘土中含有三類礦物：(1)粘土礦物：具有晶體結(jié)構(gòu)，顆粒細，決定粘土的性質(zhì)。如蒙脫石、高昂嶺石；(2)膠體礦物：具有非晶體結(jié)構(gòu)，如蛋白質(zhì)、氫氧化鋁(鐵)，含量少；(3)非粘土礦物：如長石、云母、石英，具有晶體結(jié)構(gòu)、顆粒粗。1.粘土礦物的基本構(gòu)造單元1.1.硅氧四面體與四面體片四面體：由一個硅原子和4個氧原子組成，硅位于正四面體中心(見圖1-1)。由多個硅氧四面體在a、b兩方向上有序排列組成四面體片。四面體片有如下特點：(1)共有三個層面：兩層氧原子和一層硅原子，上下兩層氧原子均形成六角環(huán)(空心)；(2)在a、b兩方向上無限延續(xù)。.2鋁氧八面體和八面體片鋁氧八面體：由一個鋁和六個氧或氫氧原子團組成，鋁位于正八面體中心，氧或氫氧原子團位于六個頂角。(見圖1-2)。由多個鋁氧八面體在a、b兩方向上有序排列組成八面體片。八面體片特點：(1)在a、b二維方向上無限延伸；(2)共有三個層面，鋁原子層位于中間；上下兩個層面組成六角形(實心)。圖1-1硅氧四面體圖1-2鋁氧八面體1..3層狀粘土礦物與分類四面體片和八面體片對稱性相似(都是六角對稱的)，六角環(huán)大小相等，他們可以共用頂角氧原子而連接起來，組成層狀粘土礦物的晶層，晶層在C軸方向上的有序排列就構(gòu)成層狀粘土礦物。根據(jù)四面體片和八面體片的數(shù)量可把層狀粘土礦物分為：(1)1:1型：一片四面體片和一片八面體片通過共用頂角氧形成晶層，如高嶺石。(2)2:1型：兩片四面體片和一片八面體片形成晶層，如葉臘石、蒙脫石。(3)2:1:1型：2:1型晶層再結(jié)合一片水鎂石片(三八面體)形成晶層，如綠泥石。1.2高嶺石高嶺石是1:1型的層狀粘土礦物，其晶體構(gòu)造見圖1-3。晶層面一層是氧，另一層是氫氧原子團。所謂晶層是指在Ｃ軸方向上能重復再現(xiàn)的最小單位，而把晶層內(nèi)重復再現(xiàn)的最小單位成為單位晶胞，圖1-3就是高嶺石的單位晶胞示意圖，其面積為5.15×8.9?2。圖1-3高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖C軸間距：晶層中某一晶面與相鄰晶層的對應(yīng)晶面間的距離，單位為?。高嶺石的片狀結(jié)構(gòu)中，一面為OH，另一面為O，晶層之間能形成氫鍵，故晶層間聯(lián)接力有氫鍵力和范德華力，晶層間聯(lián)接力強，水分子不能進入晶層間。從高嶺石的單位晶胞來看，高嶺石是電中性。1.3葉臘石、蒙脫石、伊利石.1葉臘石葉臘石是2:1型層狀粘土礦物，單位晶胞見圖1-4。葉臘石是2:1型層狀粘土礦物的原狀礦物，是電中性的。其中的八面體片為二八面體片，若換成三八面體片，則變?yōu)榛慕Y(jié)構(gòu)。葉臘石晶層的上下兩個晶面全是氧原子，晶層間聯(lián)接力僅有范氏引力，晶層間聯(lián)接力弱，水分子能進入晶層之間。圖1-4葉蠟石的晶體結(jié)構(gòu).2蒙脫石、伊利石(1)共同點①蒙脫石、伊利石都是2:1型層狀粘土礦物。②晶層中均存在晶格取代。晶格取代：占據(jù)晶格點陣位置的原子或離子被其他原子或離子取代而晶格點陣保持不變的現(xiàn)象。例：八面體中部分Al3+被Mg2+取代，四面體中部分Si4+被Al3+取代。(2)區(qū)別①晶格取代的位置與程度不同。蒙脫石晶格取代主要發(fā)生于八面體片中，Al3+被Mg2+取代；伊利石晶格取代主要發(fā)生于四面體片中，Sl4+被Al3+取代；伊利石晶格取代程度較蒙脫石強，多1~1.5倍。②補償陽離子不同。由于晶格取代的存在，使晶層表面帶負電，為維持電中性，在晶層表面吸附有陽離子，這些陽離子稱為補償陽離子。蒙脫石的補償陽離子大多是Na+、Ca2+，有時是K+、Li+；伊利石的補償陽離子全是K+。③晶層間聯(lián)接力不同蒙脫石晶層間聯(lián)接力是范氏引力，很弱，水分子易進入晶層之間；而伊利石晶層間聯(lián)接力是范氏引力和K+嵌力。K+嵌力是這樣形成的：未水化K+尺寸與六角環(huán)直徑相近，嵌入兩個相鄰晶層的六角形之間，把兩晶層聯(lián)接起來。K+的嵌入是在其形成過程中完成的。即使是鉀蒙脫石，晶層間聯(lián)接力也較伊利石弱得多。其原因是K蒙脫石中K已水化，其直徑遠大于六角環(huán)尺寸，無此K嵌力。表1-1三種常見粘土礦物的主要特點粘土礦物化學組成結(jié)晶型C-間距晶層間引力膨脹量/%高嶺石Al2[Si2O5][OH]41:17.2?強<5蒙脫石(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2·nH2O2:19.6~21.4?弱90~100伊利石(K,Na,Ca2)(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4·nH2O2:110.0?較強2.51.4粘土—水界面雙電層.1電泳、電滲1809年萊斯觀察到水中的粘土顆粒在電場作用下向陽極運動，水向陰極運動。通常把在電場作用下，分散相微粒向某一電極運動的現(xiàn)象成為電泳。把在電場作用下，液體向某一電極運動的現(xiàn)象成為電滲。電泳和電滲現(xiàn)象表明：粘土(膠粒)和水(分散介質(zhì))都帶電，且電性相反。.2擴散雙電層理論既然膠體粒子帶電，在它周圍必然分布著電荷相等的反離子，于是在固液界面形成雙電層。雙電層中的反離子，一方面受到固面電荷的吸引，不能遠離固面，另方面由于反離子的熱運動，又有擴散到液相內(nèi)部去的趨勢，這兩種相反作用的結(jié)果，使得反離子擴散地分布在膠粒周圍，形成雙電層。見圖1-5。擴散雙電層：從固體表面到過剩正電荷為0的部分，由兩部分組成：圖1-5擴散雙電層示意圖吸附層：固體表面緊密吸附的反離子和水分子所組成的部分。擴散層：反離子和水分子吸附的力較弱。吸附層和擴散層的分界面稱為滑動面。固體運動時帶著吸附層一起運動。從固體表面到均勻液相的電勢降稱為表面電勢ф0；從滑動面到均勻液相的電勢降稱為ξ—電勢。從擴散雙電層的物理圖象出發(fā)，根據(jù)電荷的分布規(guī)律，可以導出電動方程：式中：ξ—伏；η—介質(zhì)粘度，牛頓·秒/米2，1牛頓·秒/米2=10泊=1000厘泊；u—電泳速度米/秒；ε—介電常數(shù)，ε=ε0εr，ε0=8.85×10-12庫侖2牛頓-1米-2E—電場強度伏/米.3粘土顆粒表面的雙電層片狀的粘土顆粒表面可分為晶層平表面(用F表示)和端表面(用E表示)。粘土顆粒晶層平面的雙電層與粘土種類有關(guān)。對蒙脫石和伊利石而言，平表面電荷主要來源于晶格取代，負電荷集中于晶層平面，電荷的多少由晶格取代的程度決定，因此晶層平表面是負電型的恒表面電荷型雙電層。高嶺石來講，由于沒有晶格取代，平表面的電荷來源于表面的OH的電離和吸附定勢離子，其平表面帶負的恒表面電勢型雙電層。粘土顆粒端面的雙電層與平表面明顯不同。端表面的產(chǎn)生是四面體片和八面體片斷裂而形成，因此端表面裸露有Al—O和Si—O結(jié)構(gòu)。故可以由氧化硅和氧化鋁的性質(zhì)推斷端表面的雙電層。由膠體化學可知，氧化硅溶膠和氧化鋁溶膠有如下特點：(1)氧化硅和氧化鋁膠粒表面的雙電層由帶吸附定勢離子產(chǎn)生，是恒表面電勢型雙電層；(2)氧化鋁膠粒：在酸性條件下帶正電，在減性條件下帶負電；(3)氧化硅膠粒：一般帶負電，但可吸附少量Al3+而帶正電；粘土懸浮體中有少量溶解Al3+，且裸露Al—O結(jié)構(gòu)的機會較多，故粘土顆粒端表面是恒表面電勢型雙電層，其電性取決于介質(zhì)pH，酸性或中性帶正電，堿性下帶負電。許多實驗支持端面帶正電的概念。B.Rand實驗測得高嶺石等電點pH=7.3；粘土在酸性條件下有一定的陰離子交換容量；Thiessen發(fā)現(xiàn)負電性的金溶膠選擇性地吸附在粘土顆粒的端表面。需要指出的是，泥漿一般是堿性環(huán)境，端表面帶負電；平表面的雙電層占絕對優(yōu)勢。.4電解質(zhì)對雙電層的壓縮作用電泳實驗表明，膠體中的電解質(zhì)濃度越高，電泳速度越慢，即ξ電位越小，這就是電解質(zhì)對雙電層的壓縮作用。壓縮程度與反離子濃度和價數(shù)有關(guān)：反離子價數(shù)約高，壓縮增強；反離子濃度越大，壓縮增越利害。當電解質(zhì)的濃度增大到一定值時，ξ電勢為0(電泳速度為0)，該狀態(tài)稱為等電點。圖1-6電解質(zhì)對擴散雙電層的壓縮作用對于因電離或吸附定勢離子形成的雙電層，隨著電解質(zhì)濃度增加，ξ電位變小，雙電層變薄，但其表面電勢保持不變，這種雙電層成為恒表面電勢型雙電層。對于因晶格取代所形成的雙電層，表面電荷多少取決于晶格取代的程度，與溶液中的電解質(zhì)無關(guān)，隨著電解質(zhì)濃度增加，ξ電位變小，雙電層變薄，但其表面電荷保持不變，表面電勢下降(導致ξ電位更快的降低)，故稱其為恒表面電荷型雙電層，該種雙電層更易被壓縮。.5離子交換吸附離子交換吸附是指一種離子被吸附的同時，從吸附劑表面頂替出等當量的帶相同電荷的離子的過程。它有如下特點：同電性離子等當量交換；離子交換吸附是動態(tài)過程(可逆過程)；離子交換吸附速度較慢。除離子交換樹脂具有離子交換吸附的特性外，粘土顆粒表面也具有離子交換吸附的特性。粘土晶層平表面吸附的補償陽離子可部分或全部被水中的其它陽離子所交換。例如，鈉蒙脫石表面的Na+可全部被水中的Ca2+所交換；高嶺石表面的H+可被水中的Na+交換下來。離子交換吸附遵守如下規(guī)則：(1)帶正電的吸附劑交換吸附負離子；帶負電的吸附劑交換吸附陽離子。(2)陽離子價數(shù)越高，吸附能力越強。(3)對同價陽離子：離子的水化能力越低或水化半徑越小，吸附能力越強。常見陽離子在粘土上吸附能力有如下順序：Li+<Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+注意：NH4+水化能力弱(72千克/mol)，且是多原子離子，吸附能力較強；H+水化很差，體積特別小，吸附能力比Fe3+、Al3+均強，故泥漿pH對泥漿性能影響很大。1.5粘土的水化作用粘土顆粒表面或晶層表面吸附水分子，使C—軸間距增大，產(chǎn)生體積膨脹以致分散的現(xiàn)象稱為水化作用。粘土的水化作用包含水化膨脹和水化分散兩個方面。.1粘土表面吸水原因(1)粘土顆粒表面直接吸附水分子。粘土顆粒與分散介質(zhì)水之間存在著界面，根據(jù)能量最低原則，粘土顆粒表面必然要吸附水分子，以最大限度地降低體系的表面能。從力的角度看，粘土表面與水分子之間有氫鍵力和范德華力，故水分子可自動濃集于粘土表面。(2)粘土顆粒表面間接吸附水分子。粘土表面吸附有補償陽離子，補償陽離子的水化作用給粘土帶來水化膜。.2粘土的水化膨脹機理粘土的水化膨脹可分為兩個階段：第一個階段是表面水化(干的粘土顆粒表面吸附兩層水分子)；第二個階段是滲透水化，粘土表面吸附兩層水分子后存在自由水，補償陽離子進入自由水中形成雙電層，發(fā)生滲透膨脹。(1)表面水化能引起的膨脹—顆粒間的短程相互作用此階段粘土晶層表面吸附兩層水分子，晶層之間共有4層水分子。粘土的吸水等溫線和C—間距的對比研究表明：當P/P0=0.9時，表面吸附滿2層水分子；當P/P0>0.9時，粘土中已有自由水存在。表面水化所吸附的水與一般的水不同。由于其與粘土表面吸附力很強，具有固態(tài)水的性質(zhì)，故又把它稱為強結(jié)合水、結(jié)晶水、固態(tài)水，它具有一定粘彈性和高抗剪切強度，密度約為1.3g/cm3。表面水化的動力主要是表面水化能，即表面吸附水分子所放出的能量，包括直接吸附水分子和補償陽離子吸附水分子所放出的能量。粘土顆粒外表面總是已經(jīng)表面水化的。當E水化>E層間聯(lián)接，水分子進入晶層間，能在晶層間進行表面水化；當E水化<E層間聯(lián)接，水分子不進入晶層之間，不能在晶層間進行表面水化，僅在顆粒外表面進行。前人的研究表明，表面水化引起的膨脹體積約為75~100%，膨脹壓力在幾十~4000atm。膨脹壓力是指保持粘土遇水不膨脹所須的外壓。OlpHen指出：擠出粘土表面最后兩層水分子所需壓力在2000~4000atm之間；前蘇聯(lián)測得：第一層水分子產(chǎn)生的膨脹壓力約為4850atm。(2)滲透水化引起的膨脹—顆粒間的長程相互作用當粘土晶層表面吸滿兩層水分子后，體系中存在自由水，粘土表面吸附的補償陽離子離開粘土表面進入水中形成擴散雙電層。由于雙電層的排斥作用使粘土體積進一步膨脹。由于它的作用距離較遠，故又稱為顆粒間的長程相互作用。滲透水化吸附的水與粘土表面的結(jié)合力較弱，故把這部分水稱為弱結(jié)合水、滲透水。滲透水化引起的體積膨脹很大，可使粘土體積增大8~20倍，但滲透水化引起的膨脹壓力較小，一般在幾十~0.1atm范圍。因此地層中的粘土一般是未滲透水化的，當鉆開地層形成井眼時，泥頁巖與泥漿中的水接觸有發(fā)生滲透水化的趨勢。(3)影響粘土水化膨脹的因素礦物本性對粘土的水化膨脹強弱起決定性的影響。蒙脫石晶層間聯(lián)接力僅有范德華力(弱)，不足以抗衡粘土的水化能，因此能在蒙脫石晶層與顆粒外表面進行水化作用，蒙脫石吸水膨脹性強。對伊利石而言，水化作用不能在晶層間進行，只能在顆粒外表面進行，吸水膨脹性弱，其原因是伊利石晶層之間聯(lián)接很緊。晶層之間存在K+嵌力；此外伊利石的晶格取代強，晶層表面電荷密度大，且負電荷中心更靠近K+，晶層之間靜電引力很強。高嶺石晶層之間的聯(lián)接力是氫鍵和范德華引力，其聯(lián)結(jié)力足以抗衡表面水化能，水化僅在高嶺石顆粒外表面進行，其吸水膨脹性差。補償陽離子的類型對粘土的水化作用也有重要的影響。補償陽離子的水化能越大，粘土水化膨脹性越強。例如，Na+水化能為97千卡/摩耳，K+水化能為77千卡/摩耳，因此鈉蒙脫石的水化膨脹性強于鉀蒙脫石。粘土表擴散雙電層厚度不同，粘土的水化膨脹性相差很大。擴散雙電層越厚，水化膨脹性越強。例如，Na+水化能97千卡/摩耳；Ca2+水化能377千卡/摩耳，鈉蒙脫石C—間距可達40?；而鈣蒙脫石C—間距最大為17?，鈉蒙脫石的水化膨脹性強于鈣蒙脫石。介質(zhì)pH與含鹽量對粘土的水化膨脹有明顯影響。介質(zhì)pH越高，粘土表面的ξ電位越大，粘土的水化膨脹性增強；介質(zhì)含鹽量越大，或鹽的陽離子價數(shù)越大，由于鹽對粘土表面雙電層的壓縮作用使ξ電位降低，從而導致粘土的水化作用減弱。.3粘土的水化分散粘土的水化分散是指粘土顆粒因水化作用分散成更小顆粒的現(xiàn)象。粘土的水化分散與能力粘土礦物種類(水化膨脹能力)和膠結(jié)強度有關(guān)。粘土吸水膨脹越強，它的水化分散能力越強，在水中顆粒越細。粘土顆粒間膠結(jié)越強，水化分散越弱。實驗表明，蒙脫石可分散到單個晶層的厚度；其水化分散很好，因此把蒙脫石含量高的粘土稱為膨潤土，膨潤土被廣泛用來配制鉆井液。.4粘土的陽離子交換容量粘土晶層平表面吸附有補償陽離子，部分補償陽離子可被水中其它的陽離子交換下來(交換性陽離子)，可交換陽離子總量即為陽離子交換容量，一般把每100克干粘土所含可交換陽離子的總量定義為陽離子交換容量，用CEC表示，單位為毫克當量/100粘土的陽離子交換容量主要與粘土礦物種類有關(guān)。蒙脫石是膨脹性粘土，水能進入所有晶層之間，幾乎所有補償陽離子均可交換，CEC高達90~100毫克當量/100克土；盡管伊利石補償陽離子總量較蒙脫石多，但水不能進入晶層之間，僅顆粒外表面的陽離子是可交換的，CEC較蒙脫石低的多，一般在10~40毫克當量/100克土；高嶺石無晶格取代，補償陽離子很少，CEC很低，僅3~5毫克當量/100克測定粘土陽離子交換容量的方法很多，其中之一是用亞甲基蘭(染料)交換粘土的補償陽離子，即稱為亞甲基蘭法。亞甲基蘭化學式為C16H18N3SCl·3H2O，亞甲基蘭有機陽離子在水中呈藍色，它與粘土晶片親合力很強，能將粘土顆粒外表面所有補償陽離子交換下來。在吸附達飽和之前，補償陽離子未被完全交換出來，此時溶液中不存在游離的染色離子，在濾紙上的滲透液無色；只有當粘土吸附亞甲基蘭達飽和后，溶液中才有游離的亞甲基蘭，此時滴在濾紙上滲透液呈藍色，根據(jù)吸附達飽和時所耗亞甲基蘭量即可計算出粘土的陽離子交換容量：測定時，由于吸附速度慢，在攪拌情況下需經(jīng)1~2min才能保證吸附完全進行。一般，鈣膨潤土的CEC為70mg當量/100g土。根據(jù)這一經(jīng)驗(統(tǒng)計)值，亞甲基蘭法通常用來測定泥漿中的膨潤土含量。1.6粘土—水懸浮體的穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性：在重力作用下分散相顆粒(粘土顆粒)是否容易下沉的性質(zhì)。用沉降速度來衡量。沉降速度慢，沉降穩(wěn)定性越好；沉降速度快，沉降穩(wěn)定性越差；泥漿的沉降穩(wěn)定性用沉降穩(wěn)定計來測定。泥漿在穩(wěn)定計中靜置24h后，測定上下部分泥漿的密度ρ上和ρ下，(ρ下-ρ上)越小，沉降穩(wěn)定性越好。一般地說，ρ下-ρ上<0.06時，泥漿沉降穩(wěn)定性好。分散相顆粒(粘土顆粒)是否容易聚結(jié)變大(降低分散度)的性質(zhì)稱為聚結(jié)穩(wěn)定性。聚結(jié)速度越低，聚結(jié)穩(wěn)定性越好。影響沉降穩(wěn)定性的因素設(shè)分散相為球形，半徑R、密度ρ，下沉速度u，分散介質(zhì)密度ρ0、粘度η，分散相在介質(zhì)中的重力，分散相下沉所受阻力。下沉速度越大，阻力f越大，故粒子在介質(zhì)中下沉時會很快變成等速下沉。當P=f時，分散相勻速下沉，其速度(沉降速度)為u：上式稱為STOCKS定律。由此式可見，影響沉降穩(wěn)定性的因素有三：分散相顆粒的尺寸，分散相越粗，沉降穩(wěn)定性急劇下降；分散相與分散介質(zhì)的密度差，密度差越大，沉降穩(wěn)定性越差；分散介質(zhì)的粘度，分散介質(zhì)的粘度越高，沉降穩(wěn)定性越好。需要指出，在泥漿、水泥漿中STOCKES定律不能定量使用，但能定性分析，原因是體系中粒子之間能形成結(jié)構(gòu)，而推導公式時曾假設(shè)粒子之間無相互作用；STOCKES定律僅適用于球形粒子，對非球形粒子，可采用等效半徑；一般地，懸浮體的沉降穩(wěn)定性差，膠體體系的沉降穩(wěn)定性好。影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素在粘土-水分散體系中，粘土顆粒的分散與聚結(jié)相互轉(zhuǎn)化。聚結(jié)穩(wěn)定性主要取決于粘土顆粒相互接近時吸力和斥力的相對大小。如果吸力大于斥力，則發(fā)生聚集；如果斥力大于吸力，則保持穩(wěn)定，這就是DLVO理論的基本觀點。(1)阻礙膠粒聚結(jié)的因素：雙電層排斥力如前所述，粘土顆粒周圍存在擴散雙電層，當粘土顆粒相互接近時，隨著顆粒一起運動的僅是吸附層中的反離子，這樣，粘土粒子呈負電(具有ξ電位)，ξ電位越大，顆粒之間的斥力越大，越難以聚結(jié)合并。雙電層排斥能大小可表示為：式中：κ-1—雙電層厚度；d—顆粒間距離雙電層排斥力與介質(zhì)中的電解質(zhì)濃度有關(guān)，電解質(zhì)濃度增加，VR變小。此外，在粘土顆粒表面吸附有水化膜，這種水化膜具有很高的粘度和彈性，能構(gòu)成阻礙膠粒聚結(jié)的機械阻力。(2)引起粘粒聚結(jié)的因素：范德華引力無論是粘土-水溶膠或是其它膠體，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)量上足以和雙電層排斥力相抗衡的吸力，這就是范德華引力。分子間的范德華引力很小，其吸引力與距離的六次方成反比，隨分子間的距離增大而急劇降低，作用范圍很小(一般是幾個?)。但范德華引力具有加和性，粘粒間的范德華引力是許多分子間引力的總和，其大小與顆粒間距離的三次方成反比，作用的范圍較大，吸引能與距離的二次方成反比：式中：A為常數(shù)(與電解質(zhì)無關(guān))。粘粒間的范德華引力有如下特點：VA與d的平方成反比，且與介質(zhì)中的電解質(zhì)濃度無關(guān)。(3)凈勢能曲線以顆粒間的排斥能(為VR)正，吸引能(VA)為負，凈勢能(V)定義為：V=VR-VA典型的凈勢能曲線見圖1-7。圖1-7凈勢能曲線其中虛線表示溶劑化層的阻礙和Bonn斥力(粘土晶格突出點的阻礙)；在低電解質(zhì)濃度下，能峰高，聚結(jié)狀態(tài)不容易達到，膠體穩(wěn)定性好；在中等電解質(zhì)濃度，能峰較低，聚結(jié)穩(wěn)定性較差；而在高電解質(zhì)濃度，無能峰，吸引力占絕對優(yōu)勢，聚結(jié)穩(wěn)定性很差。(4)電解質(zhì)對粘土懸浮體的聚結(jié)作用隨著介質(zhì)中電解質(zhì)濃度增大，粘土表面的ξ電位和雙電層厚度均降低，VR下降，斥能峰降低，穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生沉淀。我們把溶膠開始明顯聚沉所需電解質(zhì)的最低濃度稱為聚結(jié)值(聚沉值)，用rC表示，而把溶膠開始明顯聚沉時的ξ電位臨界ξ電位。rC越小，電解質(zhì)的聚結(jié)能力越強，或者說溶膠的聚結(jié)穩(wěn)定性越差。根據(jù)大量的實驗研究總結(jié)出如下聚結(jié)規(guī)律：叔采-哈迪規(guī)則：對溶膠起聚結(jié)作用的是反離子；反離子價數(shù)越高，聚結(jié)能力越強；rC與反離子價數(shù)的六此方成反比：rC+:rC2+:rC3+=1:(1/2)6:(1/3)6=100:1.6:0.13(理論值)同價反離子的聚結(jié)能力也有差異，水化越強，聚結(jié)能力越弱(感膠離子序)：Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+<H+Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+(5)粘土顆粒的聯(lián)結(jié)方式圖1-8粘土顆粒的聯(lián)結(jié)方式當粘土顆粒發(fā)生聚結(jié)時，由于其具有片狀結(jié)構(gòu)，存在平表面和藹端表面，同一泥漿體系中可能同時存在三種聯(lián)結(jié)方式(上左圖)，只是各種聯(lián)結(jié)的強度和多少不同程度。右圖是泥漿中多個粘土顆粒聯(lián)結(jié)的情況，該結(jié)構(gòu)通常被稱為粘土顆粒之間的卡片房子結(jié)構(gòu)。1.7凝膠凝膠是指分散相粒子相互聯(lián)結(jié)(形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu))，分散介質(zhì)充填于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空隙中形成的體系。如豆腐、鉆井液。凝膠具有如下特點：分散相和分散介質(zhì)均處于連續(xù)狀態(tài)；體系具有一定屈服強度，具有半固體的性質(zhì)。形成凝膠的條件是分散相顆粒濃度足夠大，所需濃度與顆粒形狀有關(guān)。對球形粒子，顆粒濃度為5.6%(體積)時就能夠形成凝膠；顆粒形狀不規(guī)則，所需濃度越小。對粘土懸浮體，由于其形狀極不規(guī)則，形成凝膠所須粘土濃度為1~2%(體積)。因此，鉆井液具有凝膠的某些特性，如具有屈服值和靜切力。影響粘土凝膠強度的因素：(1)單位體積中雙T鏈環(huán)的數(shù)目：與粘土含量與其分散度有關(guān)。粘土含量越多或者與其分散度越高，粘土凝膠強度越大；(2)單個鏈環(huán)的強度：它取決于邊—面聯(lián)接和邊—邊聯(lián)結(jié)的強度，吸力勝過斥力越多，聯(lián)接越強；粘土懸浮體中電解質(zhì)濃度越高，吸力勝過斥力越多。鉆井液的性能鉆井液的常規(guī)性能包括密度、流變性(馬氏漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力等)、濾失特性(API濾失量、HTHP濾失量、泥餅質(zhì)量)、pH值和堿度與潤滑性能等。本節(jié)主要介紹鉆井液密度、濾失性、流變性和酸堿度與潤滑性能的概念和一般的調(diào)整方法。2.1鉆井液密度2.1.1鉆井液的密度是指單位體積鉆井液的質(zhì)量，其單位常用kg/m3(或g/cm3)表示。鉆井液密度主要用來調(diào)節(jié)鉆井液的靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力，確保安全鉆井。同時亦用來平衡地層構(gòu)造應(yīng)力，以避免井塌的發(fā)生。鉆井液密度必須滿足地質(zhì)和工程的要求。如果密度過高，會引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題，而密度過低則容易發(fā)生井涌甚至井噴，有時還會造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降等。調(diào)整鉆井液密度的方法加入各種加重材料是提高鉆井液密度最常用的方法。在加重之前，應(yīng)調(diào)整好鉆井液的各種性能，特別是要嚴格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前鉆井液的固相含量應(yīng)越低，粘度、切力亦應(yīng)越低。此外，加入可溶性無機鹽也是提高密度較常用的方法，如NaCl可將鉆井液密度提高到1.20g/cm3左右。降低鉆井液密度的方法有以下幾種：(1)用機械和化學絮凝的方法清除固相，降低鉆井液的固相含量；(2)加水稀釋，但有時會增加處理劑的用量和費用；(3)混油，但會使鉆井液成本增加，且影響地質(zhì)錄井；(4)鉆低壓油層時可選用充氣鉆井液等。鉆井液的常用加重材料有以下幾種：(1)重晶石粉。這是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石，經(jīng)過加工后而制成的灰白色粉末狀產(chǎn)品。密度約為4.2/cm3，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種鉆井液加重材料。(2)石灰石粉。其主要成分為CaCO3，密度為2.2~2.9/cm3。易與鹽酸等無機酸發(fā)生反應(yīng)，生成CO2、H2O和可溶性鹽，因而適用于在非酸敏性而又需進行酸化作業(yè)的產(chǎn)層中使用，以減輕鉆井液對產(chǎn)層的損害。(3)鈦鐵礦粉和鐵礦粉。前者的主要成分為TiO2·Fe3O4，密度4.5~5.1g/cm3；后者的主要成分為Fe2O3，密度4.9~5.3g/cm3。均為棕紅或黑褐色粉末。因其密度大于重晶石，故可用于配制密度更高的鉆井液。且由于它們均具有酸溶性，因此可應(yīng)用于需進行酸化的產(chǎn)層。(4)方鉛礦粉。這是一種主要成分為PbS的天然礦石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高達7.5g/cm3，可用于配制密度大于2.3g/cm3的超高密度鉆井液。由于該加重材料的成本高，貨源少，一般只限于在地層孔隙壓力極高的特殊井中使用。2.2鉆井液的流變性鉆井液流動和變形的特性稱為其流變性，其中流動性是主要的。鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題時起著十分重要的作用：(1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔。(2)懸浮巖屑和重晶石。(3)合理地確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的作用，提高機械鉆速。(4)減輕鉆井液造成的壓力激動和對井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生。(5)有效地發(fā)揮固控設(shè)備的效能。(6)防止氣侵。因此，鉆井液流變性與安全、快速鉆井密切相關(guān)，對鉆井液的流變參數(shù)進行有效的控制、優(yōu)選和調(diào)整已成為當今鉆井液工藝技術(shù)的重要組成部分。常用的鉆井液流變模式長期以來，賓漢(Bingham)模式和冪律模式一直作為最常用的兩種鉆井液流變模式而被廣泛應(yīng)用。賓漢模式用于描述塑性流體的流變性，其數(shù)學表達式為：式中：兩個流變參數(shù)―塑性粘度μp和動切力(或稱屈服值)τ0分別由以下兩式確定：＝θ600－θ300(mPa·s)τ0=0.51(θ300-)(Pa)θ600、θ300分別為當旋轉(zhuǎn)粘度計轉(zhuǎn)速為600和300rpm時，刻度盤讀數(shù)。冪律模式用于描述假塑性流體的流變性，其數(shù)學表達式為：式中：兩個流變參數(shù)―流性指數(shù)n和稠度系數(shù)K的計算式如下：(mPa·sn)近年來，卡森(Casson)模式也越來越廣泛地用來描述鉆井液的流變性。卡森模式的數(shù)學表達式為：式中：τc——卡森動切力(或稱卡森屈服值)，Pa；——極限高剪速率下的粘度,mPa·s將上式中每一項分別除以，可得卡森模式的另一形式：式中：η為某一剪切速率下的有效粘度?？ㄉ匠讨袃蓚€流變參數(shù)的物理意義是：τc表示鉆井液內(nèi)可供拆散的結(jié)構(gòu)強度，該值一般低于賓漢動切力，而與初始靜切力較接近；表示體系的內(nèi)摩擦作用強度，常用以近似表示鉆井液在鉆頭水眼處紊流狀態(tài)下的流動阻力，俗稱極限高剪粘度或水眼粘度。τc和η∞同樣使用范氏旋轉(zhuǎn)粘度計測得，測量時的轉(zhuǎn)速一般選用600和100rpm(分別相當于剪切速率1022和170.3s-1)。其計算式如下：卡森模式的另一特性參數(shù)是剪切稀釋指數(shù)Im，它反映鉆井液剪切稀釋性能的強弱，可用下式求得：除以上流變參數(shù)外，表征鉆井液流變性的其它參數(shù)還有漏斗粘度(s)、表觀粘度(mP·s)、靜切力(Pa)以與動塑比(動切力與塑性粘度的比值Pa/mPa·s)等。表觀粘度是剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，它的一般計算式為：式中：為表觀粘度；N是轉(zhuǎn)速，rpm；θN表示轉(zhuǎn)速為N時的粘度計讀數(shù)。在不同剪切速率下，有不同的數(shù)值。一般，剪切速率增加，泥漿中的結(jié)構(gòu)被拆散越多，鉆井液的表觀粘度下降，這種性質(zhì)稱為剪切稀釋特性。但通常所指的，是當N=600rpm時的測得值，即：靜切力(又稱切力或凝膠強度)，是使鉆井液開始流動所需的最低切應(yīng)力一般用τs表示。測量τs時，先將鉆井液充分攪拌(600rpm下攪拌1min)，然后分別測量靜置10s后和10min后在3rpm下粘度計的讀數(shù)。前者稱為初切，后者稱為終切。測定初切和終切的目的是用兩者的差值表示鉆井液觸變性的大小。觸變性是指泥漿攪拌后變稀，靜止后泥漿又變稠的性質(zhì)。圖1-9總結(jié)了鉆井液的τs隨時間變化的4種典型情況，曲線3的觸變性(τs)是我們所期望的，這類鉆井液具有初切較低、終切適中的特征，按經(jīng)驗規(guī)律，能夠懸浮重晶石的最低初始靜切力為1.44Pa。圖1-9鉆井液觸變性曲線對鉆井液流變性的一般要求鉆井液良好的流變性能是通過對流變參數(shù)的控制和調(diào)整來實現(xiàn)的。在一定條件下，各流變參數(shù)的數(shù)值必須維持在適宜范圍，否則就會引起一系列不良的后果。一般來講，當鉆井液粘度、切力過高時，不僅流動阻力增加，使鉆速受到影響，而且還容易出現(xiàn)泥包鉆頭、脫氣困難、壓力激動大以與固控設(shè)備難以充分發(fā)揮其效能等問題。但粘度、切力過低，又容易因井眼凈化不良和對井壁的沖刷加劇而導致卡鉆、井塌等復雜情況的發(fā)生。對于非加重鉆井液，的適宜范圍為5~12mPa·s，一般應(yīng)保持在1.4~14.4Pa范圍內(nèi)。靜切力值過高時會造成開泵困難，甚至憋漏地層；其值過低又直接影響鉆并液的懸浮能力，按經(jīng)驗規(guī)律，能夠懸浮重晶石的最低初始靜切力為1.44Pa。此外，為了能夠有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比值。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的有關(guān)計算，一般將τ0/保持在0.48Pa/mPa·s左右是適宜的。在使用冪律模式時，n值保持在0.4~0.7之間對維持平板型層流和剪切稀化性能是有利的。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應(yīng)在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時所需的壓力。為了滿足噴射鉆井的需要，將卡森模式的流變參數(shù)保持在以下范圍是必要和可能的：=0.6~3.0Pa；=2.0~6.0mPa·s；η環(huán)(環(huán)空有效粘度)＝20~30mPa·s；Im=300~600。流變參數(shù)的調(diào)整調(diào)整賓漢和密律模式流變參數(shù)的方法可概括如下：(1)降低。通過合理使用固控設(shè)備，加水稀釋或化學絮凝等方法。盡量減少固相含量。(2)提高μp。加入低造漿率粘土，重品石以與混入原油均可提高，另外增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提的作用。(3)降低τ0。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如果是因Ca2+、Mg2+等污染引起的τ0升高，則可用化學沉淀方法除去這些離子、此外，適當加水稀釋也可起到降τ0(4)提高τ0?？杉尤腩A水化膨潤土或增大聚合物的加量。對于鈣處理或鹽水鉆井液，還可通過適當增加Ca2+、Na+濃度來達到提τ0的目的。(5)降低n值。增加鉆井液中高分子聚合物和無機鹽的含量，以與將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使n值降低，但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低n值(改進流型)。試驗表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣(CPA)等都是非常有效的流型改進劑。(6)降低或提高K值。與前面降低或提高、τ0值的方法基本相同。2.3鉆井液的濾失性鉆井液的濾失性主要是指其濾液向地層濾失量的大小以與在井壁所形成濾餅的質(zhì)量。質(zhì)量好的濾餅一般薄而韌，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)致密，耐沖刷，且摩阻系數(shù)小。濾失性也是鉆井液一項十分重要的性能，如控制不好將對鉆井和地質(zhì)工作產(chǎn)生多方面不利的影響。一般來講，濾失量過大常會引起以下不良的后果：(1)損害油氣層，降低產(chǎn)能；(2)井壁垮塌，井徑不規(guī)則，起下鉆遇阻；(3)在高滲透性地層形成較厚濾餅，造成壓差卡鉆；(4)因濾液侵入半徑過大，致使測井解釋不準，甚至失去發(fā)現(xiàn)油氣層的機會。PI濾失量和動濾失量目前測定鉆井液常規(guī)濾失性能的儀器為如圖1-10所示的濾失量測定儀。使用這種儀器，可測出一定條件下鉆井液的靜濾失量與所形成濾餅的厚度。圖1-10常規(guī)濾失量測定儀示意圖由于鉆井液濾液透過濾餅的滲濾過程可近似地用達西定律進行描述，因此其滲濾速率可表示為：式中：──滲濾速率,,──濾餅滲透率,;──滲透面積,──濾餅兩邊的壓差(或稱滲濾壓力),Paμ——鉆井液濾液粘度,pa·s;──濾餅厚度,在滲濾過程的任一時刻，均對應(yīng)著某一定體積()的鉆井液被全部滲濾掉，這部分鉆井液中的固相體積等于所形成濾餅的固相體積，即式中：表示鉆井液中固相所占的體積分數(shù)；c表示濾餅中固相所占的體積分數(shù)。上式還可進一步寫成：因此，將上式代入，并積分得：上式稱為鉆井液的靜濾失量方程。為了比較不同鉆井液的濾失性能，API規(guī)定，儀器滲濾面積A=45.8cm2，滲濾時間t=30min，壓差選用0.689Mpa(100psi)。凡符合上述條件的濾失量可稱為標準濾失量，或API濾失量。對于常規(guī)濾失量，還規(guī)定測試溫度為室溫。由靜濾失量方程可知與成正比。因此，30min濾失量(V30)應(yīng)等于7.5min濾失量(V7.5)的兩倍。為了節(jié)省時間，我們經(jīng)常只測V7.5，然后乘以2得到API濾失量。但應(yīng)注意，當鉆井液的瞬時濾失量Vsp(spurtloss)較大時，V30與V7.5之間并非簡單的兩倍關(guān)系，此時需用下式由V7.5計算鉆井液的API濾失量：確定瞬時濾失量的方法是，以Vf對作圖。然后將所得直線外推至t=0，由軸截距讀取Vsp的值。上面討論的濾失量均為鉆井液的靜濾失量，而實際上井筒內(nèi)的鉆井液總是以一定的環(huán)空流速在不斷地循環(huán)和流動。顯然，如果能考慮流速因素，測出鉆井液的動濾失量，將具有更為重要的實際意義。然而遺憾的是，鉆井液的濾失量受流速和流態(tài)的影響較大，難以建立統(tǒng)一的測量標準，并且靜、動濾失量之間的關(guān)系也難以確定，因此，目前在生產(chǎn)現(xiàn)場仍然用靜濾失量表示鉆井液的濾失性能。近年來，國內(nèi)外對動濾失性能開展了大量的研究工作，并研制出各種動濾失量測定裝置。濾失性能的控制與調(diào)整對鉆井液濾失性能的一般要求是：(1)在鉆井油氣層時，應(yīng)盡最大努力控制濾失量，以減少對油氣層的損害，API濾失量應(yīng)小于5ml，模擬井底溫度的HTHP濾失量應(yīng)小于15ml。(2)鉆遇易塌地層時，濾失量需嚴格控制，API濾失量最好不大于5ml。(3)對一般地層，API濾失量應(yīng)盡量控制在10ml以內(nèi)，HTHP濾失量不應(yīng)超過20ml，但有時可適當放寬，比如易造漿地層濾失量可以大些，某些油基鉆井液體系正是通過適當?shù)胤艑挒V失控制來提高鉆井速度。(4)要注意提高濾餅質(zhì)量，盡可能形成薄、韌、致密與潤滑性好的濾餅，以利于護壁和避免壓差卡鉆。(5)加強對鉆井液濾失性能的檢測，正常鉆進時，應(yīng)每4小時測一次常規(guī)濾失量。對定向井、叢式井、水平井、深井和復雜井要增測HTHP濾失量和泥餅的潤滑性。在鉆井液工藝中，控制和調(diào)整鉆井液濾失性能的關(guān)鍵在于改善泥餅的質(zhì)量。這里既包括增加濾餅的致密程度、降低其滲透性，同時又包括增強濾餅的抗剪切能力和潤滑性。主要調(diào)整方法是根據(jù)鉆井液類型，組成以與所鉆地層的情況，選用適合的降濾失劑。2.4鉆井液的潤滑性能鉆井液潤滑性的概念鉆井液的潤滑性能通常包括泥餅的潤滑性能和鉆井液自身的潤滑性兩方面，鉆井液和泥餅的摩擦系數(shù)是評價鉆井液潤滑性能的兩個主要技術(shù)指標。國內(nèi)外研究者對鉆井液的潤滑性能進行了評價，得出的結(jié)論是：空氣與油處于潤滑性的兩個極端位置，而水基鉆井液的潤滑性處于其間。用Baroid公司生產(chǎn)的鉆井液極壓潤滑儀測定了三種基礎(chǔ)流體的摩阻系數(shù)(鉆井液摩阻系數(shù)相當于物理學中的摩擦系數(shù))，空氣為0.5，清水為0.35，柴油為0.07。在配制的三類鉆井液中，大部分油基鉆井液的摩阻系數(shù)在0.08~0.09之間；各種水基鉆井液的摩阻系數(shù)在0.20~0.35之間，如加有油品或各類潤滑劑，則可降到0.10以下。從提高鉆井經(jīng)濟技術(shù)指標來講，潤滑性能良好的鉆井液具有以下優(yōu)點：(1)減小鉆具的扭矩、磨損和疲勞，延長鉆頭軸承的壽命；(2)減小鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時間；(3)能用較小的動力來轉(zhuǎn)動鉆具；(4)能防粘卡，防止鉆頭泥包。對大多數(shù)水基鉆井液來說，摩阻系數(shù)維持在0.20左右時可認為是合格的。但這個標準并不能滿足水平井的要求，對水平井則要求鉆井液的摩阻系數(shù)應(yīng)盡可能保持在0.08~0.10范圍內(nèi)，以保持較好的摩阻控制。鉆井液潤滑性的影響因素在鉆井過程中，按摩擦副表面潤滑情況，摩擦可分為以下三種情況：(1)邊界摩擦：兩接觸面間有一層極薄的潤滑膜，摩擦和磨損不取決潤滑劑的粘度，而是與兩表面和潤滑劑的特性有關(guān)，如潤滑膜的厚度和強度、粗糙表面的相互作用以與液體中固相顆粒間的相互作用。有鉆井液的情況下，鉆挺在井眼中的運動等屬邊界摩擦。(2)干摩擦(無潤滑摩擦)：又稱為障礙摩擦，如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦，或井壁極不規(guī)則情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦。(3)流體摩擦：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦。可以認為，鉆進過程中的摩擦是混合摩擦，即部分接觸面為邊界摩擦，另一部分為流體摩擦。在高負荷邊界面上，塑性表面的邊界摩擦更為突出。在鉆井作業(yè)中，摩擦系數(shù)是兩個滑動或靜止表面間的相互作用以與潤滑劑所起作用的綜合體現(xiàn)。鉆井作業(yè)中的摩擦現(xiàn)象較為復雜，摩阻力的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，其影響因素還涉與到鉆柱、套管、地層、井壁泥餅表面的粗糙度；接觸表面的塑性；接觸表面所承受的負荷；流體粘度與潤滑性；流體內(nèi)固相顆粒的含量和大??；井壁表面泥餅潤滑性；井斜角；鉆柱重量；靜態(tài)與動態(tài)濾失效應(yīng)等。在這些眾多的影響因素中，鉆井液的潤滑性能是主要的可調(diào)節(jié)因素。影響鉆井液潤滑性的主要因素有：鉆井液的粘度、密度、鉆井液中的固相類型與含量、鉆井液的濾失情況、巖石條件、地下水的礦化度以與溶液pH值、潤滑劑和其它處理劑的使用情況等。(1)粘度、密度和固相的影響隨著鉆井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也會相應(yīng)增大。這種情況下，鉆井液的潤滑性能也會相應(yīng)變差。這時其潤滑性能主要取決于固相的類型與含量。砂巖和各種加重劑的顆粒具有特別高的研磨性能。鉆井液中固相含量對其潤滑性影響很大。隨著鉆井液固相含量增加，除使泥餅粘附性增大外，還會使泥餅增厚，易產(chǎn)生壓差粘附卡鉆。另外，固相顆粒尺寸的影響也不可忽視。研究結(jié)果表明，鉆井液在一定時間內(nèi)通過不斷剪切循環(huán)，其固相顆粒尺寸隨剪切時間增加而減小，其結(jié)果是雙重性的：鉆井液濾失有所減小，從而鉆柱摩阻力也有所降低；顆粒分散得更細微，使比表面積增大，從而造成摩阻力增大?？梢?，嚴格控制鉆井液粘土含量，搞好固相控制和凈化，盡量用低固相鉆井液，是改善和提高鉆井液潤滑性能的最重要的措施之一。(2)濾失性、巖石條件、地下水和濾液pH值的影響致密、表面光滑、薄的泥餅具有良好的潤滑性能。降濾失劑和其它改進泥餅質(zhì)量的處理劑(比如磺化瀝青)主要是通過改善泥餅質(zhì)量來改善鉆井液的防磨損和潤滑性能。巖石條件是通過影響所形成泥餅的質(zhì)量以與井壁與鉆柱之間接觸表面粗糙度而起作用的。井底溫度、壓差、地下水和濾液的pH值等因素也會在不同程度上影響潤滑劑和其它處理劑的作用效能，從而影響泥餅的質(zhì)量，對鉆井液的潤滑性能產(chǎn)生影響。(3)有機高分子處理劑的影響許多高分子處理劑都有良好的降濾失、改善泥餅質(zhì)量、減少鉆柱摩阻力的作用。有機高分子處理劑能提高鉆井液的潤滑性能，還與其在鉆柱和井壁上的吸附能力有關(guān)。吸附膜的形成，有利于降低井壁與鉆柱之間的摩阻力。某些處理劑，如聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂等具有提高鉆井液潤滑性的作用。(4)潤滑劑試驗表明，使用清水作鉆井液，摩擦阻力是較大的。而往清水中加入千分之一至千分之幾的潤滑劑(主要是陰離子表面活性劑)后，潤滑性能會得到明顯改善，表現(xiàn)為鉆具回轉(zhuǎn)工作電流下降很多。因此，使用潤滑劑是改善鉆井液潤滑性能、降低摩擦阻力的主要途徑。因此，正確地使用潤滑劑可以大幅度提高鉆井液的防磨損和潤滑性能。鉆井液潤滑劑品種一般可分為兩大類，即液體類和固體類。前者如礦物油、植物油、表面活性劑等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等。用于鉆井液的潤滑劑鉆井液潤滑劑的選擇應(yīng)滿足下列基本要求：(1)潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜和次生結(jié)構(gòu)；(2)應(yīng)與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產(chǎn)生不良影響；(3)不降低巖石破碎的效率；(4)具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性；(5)不腐蝕金屬，不損壞密封材料；(6)不污染環(huán)境，易于生物降解，價格合理，且來源充足。鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命與其工作指標外，還應(yīng)不影響對地層資料的分析和評價，即潤滑劑應(yīng)具有低熒光或無熒光性質(zhì)。因此，潤滑劑基礎(chǔ)材料的選擇應(yīng)注意盡量不用含苯環(huán)，特別是多芳香烴的有機物質(zhì)，而原油，尤其是重餾分、釜殘物、瀝青等因含熒光物質(zhì)較多，也應(yīng)盡量少用?；谝陨弦?，一般植物油類，既無熒光和毒性，又易于生物降解，且來源較廣，較適合作潤滑材料?？蛇x用的植物油有蓖麻油、亞麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸，而脂肪酸則是潤滑劑所需要的表面活性物質(zhì)。經(jīng)化學改性后，其表面活性可進一步提高。如磺化棉子油就可以作為抗溫抗擠壓的極壓潤滑劑使用。磺化棉子油還可增加礦物油的活性，使其潤滑效果得以提高。鉆井液中常用的潤滑劑有如下幾種：(1)惰性固體潤滑劑該類產(chǎn)品主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微珠與堅果圓粒等。塑料小球和玻璃小球這類固體潤滑劑由于受固體尺寸的限制，在鉆井過程中很容易被固控設(shè)備清除，而且在鉆桿的擠壓或拍打下，有破壞、變形的可能，因此在使用上受到了一定的限制。石墨粉作為潤滑劑具有抗高溫、無熒光、降摩阻效果明顯、加量小、對鉆井液性能無不良影響等特點。最近一種新的適用于鉆井液和水泥漿的多功能固體潤滑劑—彈性石墨已在路易斯安那州、得克薩斯州、俄克拉荷馬州、墨西哥灣和北海等地區(qū)的200多口井中獲得了成功的應(yīng)用。彈性石墨(ResilientGrapHiticCarbon，簡稱RGC)無毒、無腐蝕性，在高濃度下不會阻塞泥漿馬達；即使在高剪切速率下，它也不會在鉆井液中發(fā)生明顯的分散。石墨粉能牢固地吸附(包括物理和化學吸附)在鉆具和井壁巖石表面，從而改善摩擦副之間的摩擦狀態(tài)，起到降低摩阻的作用：同時當石墨粉吸附在井壁上，可以封堵井壁的微孔隙，因此兼有降低鉆井液濾失量和保護儲層的作用。(2)液體類潤滑劑該類產(chǎn)品主要有礦物油、植物油和表面活性劑等。液體類潤滑劑又分為油性劑和極壓劑,前者主要在低負荷下起作用，通常為酯或羧酸；后者主要在高負荷下起作用，通常含有硫、磷、硼等活性元素。往往這些含活性元素的潤滑劑兼有兩種作用，既是油性劑，又是極壓。性能良好的潤滑劑必須具備兩個條件，一是分子的烴鏈要足夠長(一般碳鏈R在C12~C18之間)，不帶支鏈，以利于形成致密的油膜；二是吸附基要牢固地吸附在粘土和金屬表面上，以防止油膜脫落。許多潤滑劑大多屬于陰離子型表面活性物質(zhì)，多含有磺酸基團，如磺化脂肪醇、磺化棉子油、磺化蓖麻油和其它含硫的潤滑劑如硫代烷烴琥珀酸(或酸酐)的唑啉化合物，或含酯的脂肪族琥珀酸(或酸酐)如十八碳烯琥珀酸酐和二硫代烷基醇等化合物。常用的作為潤滑劑使用的表面活性劑有：OP-30、聚氧乙烯硬脂酸酯-6、甲基磺酸鉛(CH3SO3)2Pb和十二烷基苯磺酸三乙醇胺(ABSN)等。潤滑劑的作用機理(1)惰性固體的潤滑機理固體潤滑劑能夠在兩接觸面之間產(chǎn)生物理分離，其作用是在摩擦表面上形成一種隔離潤滑薄膜，從而達到減小摩擦、防止磨損的目的。多數(shù)固體類潤滑劑類似于細小滾珠，可以存在于鉆柱與井壁之間，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，從而可大幅度降低扭矩和阻力。固體潤滑劑在減少帶有加硬層工具接頭的磨損方面尤其有效，還特別有利于下尾管、下套管和旋轉(zhuǎn)套管。固體類潤滑劑的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和防腐蝕能力等良好，適于在高溫、但轉(zhuǎn)速較低的條件下使用，缺點是冷卻鉆具的性能較差，不適合在高轉(zhuǎn)速條件下使用。(2)瀝青類處理劑的潤滑機理瀝青類處理劑主要用于改善泥餅質(zhì)量和提高泥餅潤滑性。瀝青類物質(zhì)親水性弱，親油性強，可有效地涂敷在井壁上，在井壁上形成一層油膜。這樣，既可減輕鉆具對井壁的摩擦，又可減輕鉆具對井壁的沖擊作用。由于瀝青類處理劑的作用，井壁巖石由親水轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉?，可阻止濾液向地層滲透。(3)液體潤滑劑的潤滑機理礦物油、植物油、表面活性劑等主要是通過在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜，使鉆柱與井壁巖石接觸產(chǎn)生的固一固摩擦，改變?yōu)榛钚詣┓菢O性端之間或油膜之間的摩擦，或者通過表面活性劑的非極性端還可再吸附一層油膜。從而使回轉(zhuǎn)鉆柱與巖石之間的摩阻大大降低，減少鉆具和其它金屬部件的磨損，降低鉆具回轉(zhuǎn)阻力。極壓(EP)潤滑劑在高溫高壓條件下可在金屬表面形成一層堅固的化學膜，以降低金屬接觸界面的摩阻，從而起到潤滑作用。故極壓(EP)潤滑劑更適應(yīng)于水平井中高側(cè)壓力情況下，鉆柱對井壁降摩阻的需要。2.5鉆井液的pH值與堿度通常用鉆井液濾液的PH值表示鉆井液的酸堿性，由于酸堿性的強弱直接與鉆井液中粘上顆粒的分散程度有關(guān)，因而在很大程度上影響著鉆井液的粘度和其它性能參數(shù)。圖1-11表示經(jīng)預水化的膨潤土/水懸浮體的表觀粘度隨pH值的變化，其中膨潤土含量為57.1kg/m3。由圖可知，當PH值大于9時，隨pH值的升高而劇增。其原因是由于當pH值升高時，會有更多的OH－被吸附在粘土晶層的表面，進一步增強表面所帶的負電性，從而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。在實際應(yīng)用中，大多數(shù)鉆井液的pH值要求在之間，即維持在一個較弱的堿性環(huán)境。這一方面是為了使體系中的粘土顆粒處于適度的分散狀態(tài)，從而使鉆井液的各種性能便于控制和調(diào)整，與此同時還有以下幾個原因：(1)可減輕對鉆具的腐蝕；(2)可抑制體系中鈣、鎂鹽的溶解；(3)有許多有機處理劑在堿性介質(zhì)中才能充分發(fā)揮其效能，如丹寧類、褐煤類和木質(zhì)素磺酸鹽類處理劑等。圖1-11泥漿pH值對泥漿粘度的影響燒堿(即工業(yè)用NaOH)是調(diào)節(jié)鉆井液pH值的主要添加劑，有時也使用純堿(Na2CO3)和石灰Ca(OH)2。通常用pH試紙測量鉆井液的pH值，如要求精度較高時，可使用pH計。對不同類型的鉆井液，所要求的pH值范圍也有所不同。例如，一般要求分散型鉆井液的pH值超過10，石灰處理鉆井液的pH值多控制在11~12，石膏處理鉆井液的pH值多控制在9.5~10.5，而許多情況下不分散聚合物鉆井液的pH值只要求控制在7.5~8.5。由于使鉆井液維持堿性的無機離子除了OH-外，還可能有HCO3－和CO32-等離子，而pH值并不能反映鉆井液中這些離子的種類和濃度，因此，在實際應(yīng)用中，除使用pH值外，還常使用堿度來表示鉆井液的酸堿性。引入堿度參數(shù)主要有兩點好處，一是由堿度測定值可以較方便地確定鉆井液濾液中OH-、CO32-和HCO3-三種離子的含量，從前可判斷鉆井液堿性的來源，二是可以確定鉆井液體系中懸浮石灰的量(即儲備堿度)。堿度是指溶液或懸浮體對酸的中和能力，為了建立統(tǒng)一的標準，API選用酚酞和甲基橙兩種指標劑來評價鉆井液與其濾液堿性的強弱。酚酞的滴定指數(shù)為pH=8.3。在用酸進行測定的過程中，當pH值降至該值時，酚酞即由紅色變?yōu)闊o色。因此，能夠使pH值降至8.3所需的酸量被稱作酚酞堿度。鉆井液與其濾液的酚酞堿度分別用Pm和Pf表示。甲基橙的滴定指數(shù)pH為4.3，當pH值降至該值時，甲基橙由黃色轉(zhuǎn)就變?yōu)槌燃t色。使pH值降至4.3所需的酸量則被稱作為甲基橙堿度，鉆井液與其濾液甲基橙堿度分別用Mm和Mf表示。Pf和Mf值可用來表示濾液中OH-、CO32-和HCO3-的濃度。當pH=8.3時，以下兩個反應(yīng)已基本進行完全：而存在于溶液中的HCO3－不參加反應(yīng)，當繼續(xù)用H2SO4溶液滴定至pH=4.3時，HCO3－與H+的反應(yīng)也基本上進行完全，即：顯然，若測得結(jié)果是Mf=Pf，表示濾液的堿性完全同OH－所引起，若測得Pf=0，表示堿性完全由HCO3-引起，如果Mf=2Pf，則表示濾液中只含有CO32-。鉆井液濾液中這三種離子的濃度可按表1-2中的有關(guān)公式進行計算，但需注意，有時鉆井液濾液中存在著某些易與H+起反應(yīng)的其它無機離子(如SiO32-、PO43-等)和有機處理劑，這樣會使Mf和Pf的測定結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。表1-2Mf、Pf值與離子濃度的關(guān)系離子濃度條件[OH-(mg/l)[CO32-](mg/l)[HCO3-](mg/l)Pf=02Pf<Mf2Pf=Mf2Pf>MfPf=Mf000340(2Pf－Mf)340Mf01220Pf1220Pf1200(Mf-Pf)01220Mf1220(Mf－2Pf)000根據(jù)對Pf和Pm的測定結(jié)果，可以確定鉆井液中懸浮固相的儲備堿度。所謂儲備堿度，主要指未溶石灰所構(gòu)成的堿度。當pH值降低時，Ca(OH)2會不斷溶解進入溶液，一方面提供一定數(shù)量的Ca2+，另一方面有利于鉆井液的pH值保持穩(wěn)定。鉆井液的儲備堿度通常用體系中水溶Ca(OH)2的含量來表示，其計算式為：儲備堿度(mg/l)=742(Pm－fwPf)式中，fw為鉆井液中水的體積分數(shù)。CO32-和HCO3-在鉆井液中均為有害離子，它們會破壞鉆井液的性能，因此應(yīng)盡量予以清除。Mf和Pf可表示它們的污染程度。當Mf/Pf=3時，表明CO32-濃度較高，即已出現(xiàn)CO32-污染，如果Mf/Pf≥5，則為嚴重的CO32-污染。根據(jù)CO32-與HCO3－的污染濃度，可采取相應(yīng)的處理措施。pH值與這兩種離子的關(guān)系是：當pH>11.3時，HCO3-幾乎不會存在；當pH<8.3時，則只存在HCO3－，因此，在pH＝8.3~11.3范圍內(nèi)，這兩種離子可以共存。在實際應(yīng)用中，也可用堿度代替pH值，表示鉆井液的酸堿性。具體要求是：(1)一般鉆井液的Pf最好保持在1.3~1.5ml；(2)飽和鹽水鉆井液的Pf保持在1ml以上即可，而海水鉆井液的Pf應(yīng)保持在1.3~1.5ml；(3)深井耐高溫鉆井液應(yīng)嚴格控制CO32-的含量，一般應(yīng)將Mf/Pf比值控制在3以內(nèi)。2.6鉆井液的抑制性鉆井液的抑制性是指其抑制地層造漿的能力。從本質(zhì)上講，抑制性是指鉆井液對泥頁巖地層中的粘土水化膨脹與水化分散的抑制能力。要起到抑制作用，鉆井液必須具備抑制性的化學環(huán)境。抑制性化學環(huán)境可以來自兩個方面：其一是鉆井液中加入某些高分子聚合物，當其濃度達到一定值就會具有抑制作用，如聚丙烯酰胺，兩性離子聚合物FA367，XY27，陽離子聚合物等，它們通過吸附在粘土表面，阻止了粘土與水的接觸，或者正負離子的中和作用，使粘土粒子顆粒的表面負電荷減少，從而起抑制作用的；其二是在鉆井液中加入無機鹽，如NaCl、CaCl2、KCl和石灰。此外，某些有機鹽如甲酸鹽(鈉鹽、鉀鹽、銫鹽)、乙酸鹽對鉆井液提供強的抑制性。它們是借助于鹽中的陽離子壓縮粘土表面的擴散雙電層從而防止泥頁的水化作用的。鉆井液抑制性的評價方法很多。常用的方法有頁巖滾動回收率實驗，吸水膨脹實驗，CST實驗和頁巖穩(wěn)定指數(shù)實驗。在鉆井過程中，鉆井液的抑制性一方面是控制地層造漿，使泥漿的固相含量和流變性保持穩(wěn)定，其次是穩(wěn)定井壁，打出規(guī)則的井眼，減少井下復雜情況，有利于地質(zhì)錄井、電測與固井作業(yè)。泥漿處理劑與其作用原理為了保證鉆井泥漿的穩(wěn)定性和調(diào)整泥漿的各種工藝性能，以適應(yīng)各種情況下的鉆井要求，泥漿中使用著各種各樣的化學處理劑(泥漿添加劑)。隨著鉆井工藝向高速優(yōu)質(zhì)、超深井、海洋和復雜地層發(fā)展，泥漿體系不斷發(fā)展，泥漿處理劑的種類也在不斷的增加和更新。目前，美國的泥漿處理劑已經(jīng)超過3000種。按處理劑在泥漿中所起作用不同，可將泥漿處理劑分為以下十六類：(1)堿度和pH控制劑；(2)殺菌劑；(3)除鈣劑；(4)腐蝕抑制劑；(5)消泡劑；(6)乳化劑；(7)降失水劑；(8)絮凝劑；(9)起泡劑；(10)堵漏材料；(11)潤滑劑；(12)頁巖穩(wěn)定劑；(13)表面活性劑；(14)降粘劑和分散劑；(15)增粘劑；(16)加重劑。按處理劑的化學組成，可將其分為無機處理劑、有機高分子處理劑和表面活性劑三大類。3.1無機處理劑純堿純堿就是碳酸鈉(Na2CO3)，又叫蘇打。無水碳酸鈉為白色粉末，密度2.5，水溶液呈堿性(pH值約為11.5)，在空氣中易結(jié)成硬塊(晶體)，存放時要注意防潮。純堿能通過離子交換和沉淀作用使鈣質(zhì)粘土變?yōu)殁c質(zhì)粘土：Ca-粘土＋Na2CO3Na-粘土＋CaCO3↓從而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入適量純堿可使新漿的失水下降，粘度、切力增大。但過量的純堿要產(chǎn)生壓縮雙電層的聚結(jié)作用，反而使失水增大。其合適加量要通過造漿實驗來確定。此外，由于CaCO3的溶解度很小，在鉆水泥塞或泥漿受到鈣侵時，加入適量純堿使Ca++沉淀成CaCO3，從而使泥漿性能變好。含羧基鈉官能團(－COONa)的有機處理劑因鈣侵(或Ca++濃度過高)而降低其處理效果時，一般可以用加入適量純堿的辦法恢復其作用。燒堿燒堿即氫氧化鈉(NaOH)，是乳白色晶體，比重為2~2.2，易溶于水，溶解時放熱，溶解度隨溫度升高而增大，水溶液呈強堿性(pH值為14)，能腐蝕皮膚和衣服。燒堿是強堿，用于控制泥漿的pH值，與丹寧、褐煤等酸性處理劑配制成堿液，使其有效成分溶解，還可控制Ca++濃度，因為。石灰生石灰是CaO，吸水后變成熟石灰Ca(OH)2，在水中的溶解度不大(常溫下約為0.16%)且隨溫度升高而降低。石灰可提供Ca++，控制粘土的水化分散能力使之保持適度的粗分散，配合降粘劑和降失水劑進行鈣化處理，可得性能比較穩(wěn)定、對可溶鹽侵污不敏感、對泥頁巖防塌性能較好的鈣處理泥漿。但石灰泥漿在高溫情況下可能產(chǎn)生固化，因此超深井慎用。石灰還可配制石灰乳堵漏劑封堵漏層。石膏石膏(CaSO4)有生石膏和熟石膏兩種。熟石膏是白色粉未，比重2.5，常溫下溶解度較小(約為0.2%)，40℃以前，溶解度隨溫度增高而增大，40℃以后，溶解度隨溫度增高而降低，其溶解度大于石灰。吸濕后結(jié)成硬塊，存放時應(yīng)注意防潮。在處理泥漿上，石膏與石灰的作用大致相同，都是鈣處理的原材料，其差別在于陰離子的影響不同，石膏提供的鈣離子濃度比石灰高一些，石膏處理會引起泥漿氯化鈣氯化鈣(CaCl2)能大量溶于水中(常溫下約為75%)且其溶解度隨溫度增高而增大，它比石灰、石膏的溶解度大得多，故可用來配制防塌性能較好的高鈣泥漿。由于，用CaCl2處理時常常引起泥漿pH值降低，同時CaCl2泥漿的pH值不宜過高，才能保證較高的Ca++濃度。食鹽食鹽(NaCl)為白色晶體，常溫密度約為2.17g/cm3。純品不潮解，含MgCl2、CaCl2、等雜質(zhì)的食鹽容易吸潮。在水中的溶解度較大(20℃時為36.0克/100克水)，且其溶解度隨溫度增高略有增大(80℃時為38.4克/100克水水玻璃水玻璃一般為粘稠的半透明液體，隨所含雜質(zhì)不同可以呈無色，棕黃色或青綠色等，井場采用的水玻璃比重約為1.5~1.6，pH為11.5~12，能溶于水和堿性溶液，能與鹽水混溶，可用飽和鹽水調(diào)節(jié)水玻璃的粘度。水玻璃的化學式常用Na2SiO3表示，但實際結(jié)構(gòu)常以Si-O-Si鍵連成低聚合度的聚合物，故用Na2O·XSiO2表示水玻璃的組成較好。水玻璃加入泥漿，可以部分水解生成膠態(tài)沉淀：Na2O·XSiO2+(Y+1)H2OXSiO2·YH2O↓+2NaOH可使部分粘土顆粒(或粉砂等)聚沉，從而保持較低的固相含量和比重。此外，水玻璃泥漿對泥頁巖的水化膨脹有一定的抑制作用，故有較好的防塌性能。當水玻璃溶液的pH降至9以下時，整個溶液會變成不流動的凝膠。這是由于水玻璃發(fā)生縮合作用生成較長的帶支鏈的-Si-O-Si-鏈，這種長鏈能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而包住溶液中全部水。從調(diào)勻pH到膠凝所需的時間，隨pH而有很大的變化(可以從幾秒到幾十小時)，利用這個特點，可以將混入水玻璃的泥漿打入預定井段進行膠凝堵漏。重鉻酸鈉重鉻酸鈉(Na2Cr2O7·2H2O)又叫紅礬鈉，紅色針狀晶體，常溫比重約為2.35，易潮解，有強氧化性，易溶于水(25℃時溶解度為190克/100克加堿時平衡右移，故在堿溶液中主要以形式存在。在泥漿中能與有機處理劑起復雜的氧化還原反應(yīng)，生成的又能與多官能團的有機處理劑形成絡(luò)合物(如木質(zhì)素磺酸鉻，鉻腐植酸)，少量鉻酸鹽能提高鐵鉻鹽泥漿和煤堿劑泥漿的熱穩(wěn)定性，有時也用作防腐劑。六偏磷酸鈉六偏磷酸鈉[(NaPO3)6]為無色玻璃狀固體，常溫比重約為2.5，有較強的吸濕性，潮解后會逐漸變質(zhì)，能溶于水，在溫水中溶解較快，溶解度隨溫度增高而增大，水溶液呈弱酸性(pH＝6.0~6.8)。六偏磷酸鈉主要用作粘土泥漿的分散劑。堿式碳酸鋅堿式碳酸鋅[Zn2(OH)2CO3]能與H2S反應(yīng)生成穩(wěn)定的不溶性ZnS，加入泥漿中后不會影響泥漿性能，且能有效地消除H2S的污染和腐蝕，是較好的H2S清除劑。此外，石墨粉可用來改善泥漿的潤滑性；石棉粉可用于提高清水鉆進的帶砂能力，磷酸氫二銨[(NH4)2HPO4]可用作鹽水泥漿的腐蝕抑制劑；亞硫酸鈉可用作低pH值泥漿的除氧劑，減少或消除泥漿中溶解的氧對金屬管材的腐蝕；膠態(tài)氧化鎂或氫氧化鎂可用來代替粘上配制無粘上鉆井液，因其比重低，熱穩(wěn)定性好，用它配制的無粘土鉆井液可以提高鉆速，也適用于超深井?？偫ㄆ饋?，無機處理劑的作用原理主要有以下三個方面：(1)離子交換吸附。主要是粘土顆粒表面的Na+Ca++交換。這一過程在改善粘土的造漿性能，泥漿的鈣侵與其處理，鈣處理泥漿以與防塌等方面都很重要，對泥漿性能的影響也較大。(2)通過沉淀、中和、水解、絡(luò)合等化學反應(yīng)，除去有害離子，控制pH值，使有機處理劑變成能起作用的溶解態(tài)，形成螫合物等。(3)壓縮雙電層的聚結(jié)作用。這在鹽水泥漿、鹽侵與其處理中較重要，還可用來使泥漿保持適度粗分散調(diào)整泥漿的流動性能。3.2有機降粘劑丹寧丹寧又稱鞣質(zhì)，廣泛存在于植物的根、莖、皮、葉、果殼或果實它中，是一大類多元酚的衍生物，由各種植物得來的丹寧，其化學組成頗不一致。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)可將丹寧分為兩類：(1)水解類丹寧：具有酯鍵或配糖鍵，在酸和酶的作用下容易水解產(chǎn)生沒食子酸、雙棓酸、鞣花酸(俗稱黃粉)。例如，粟木、橡椀、五棓子、漆葉等所含的丹寧；(2)縮合類丹寧：所有芳香核以碳鍵相連，在強酸和強氧化劑作用下分子間可以縮合，甚至產(chǎn)生紅色沉淀(紅粉)。例如，堅木(或百雀木)、荊樹皮、拷樹皮、幾茶等所含的丹寧。國內(nèi)常用五棓子丹寧，屬水解類，分子式為C76H52O46、分子量為1701，是五個雙沒食子酸與葡萄糖的縮合物，故又稱為五—雙沒食子酸葡萄糖。丹寧可溶于水，呈弱酸性，加強酸使pH＜5時，丹寧酸即沉淀析出。與NaOH作用生成的丹寧酸鈉水溶性更大，用作泥漿處理劑時，都配或2:l或6:4或1:1的丹寧堿液。丹寧酸鈉(代號NaT)抗鹽析的能力較差，泥漿遇大量可溶鹽侵時，丹寧會顯著減效。五棓子丹寧可在NaOH溶液中水解生成雙沒食子酸鈉和沒食子酸鈉。溫度愈高水解愈烈，水解產(chǎn)物雖有稀釋作用，但由于分子量大大降低，其處理效果(特別是抗鹽性)也降低。丹寧在泥漿中的稀釋作用機理如下：大家知道，泥漿稠