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第四章钻井液在钻井工程中，人们常常以“泥浆是钻井的血液”来形象地说明钻井液在钻井中的重要地位。钻井液的作用可以概括为：清洗井底，携带岩屑；冷却和润滑钻头及钻柱；平衡地层压力；保护井壁；协助破岩；地质录井；将水力功率传递给钻头；保护油气层等。在钻井实践过程中钻井液技术不断发展，从最初采用清水开始，经历了清水、天然泥浆、细分散泥浆、粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、无固相泥浆等几个阶段。在这一过程中，为了解决某些复杂问题，出现了油基泥浆以及空气、泡沫等新型钻井液，远远超出了粘土和水形成的“泥浆”范围，因此人们用“钻井液”来代替“泥浆”这一名称。本章从钻井液的基本组成——粘土出发，介绍钻井液的基本性能及调整方法、现场常用钻井液的组成和特点。第一节粘土基本知识一、几种主要粘土矿物的晶体构造及特点粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。粘土矿物的种类很多，不同粘土矿物有不同的晶体构造及特点，但其晶体都是由两种基本构造单位组成的。1．粘土晶体构造中的基本单位1)硅氧四面体。每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子以相等的距离相连，硅在四面体的中心，四个氧原子(或氢氧)在四面体的顶点。2)铝氧八面体。铝原子处于八面体的中心，与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。2．高岭石的晶体结构高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片，二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在一起。由于它是一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，所以称高岭石为1：1型粘土矿物。高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层，片与片之间易形成氢键，晶胞之间连结紧密，故高岭石的分散度低。高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象，它的电荷是平衡的，因此高岭石电性微弱。这些特点决定了高岭石水化很差。油气层中高岭石颗粒大而附着力弱。常常因运移堵塞孔喉而降低渗透率。3．蒙脱石的晶体结构蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片组成，硅氧四面体的尖顶朝向铝氧八面体，铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层，因此称为2：1型。在铝氧八面体中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面体中的Si4+也有少量被Al3+取代，这样就使蒙脱石的晶格显负电性，这种现象称为晶格取代现象。蒙脱石晶层上下皆为氧原子层，各晶层间以分子间力联结，联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料，但地层中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。4．伊利石的晶格结构伊利石的晶体构造和蒙脱石相似，也是2：1型晶体结构，即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成，但它们之间的区别是：伊利石的硅氧四面体中有较多的Si4+被Al3+取代，晶格出现的负电荷由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和。K+的直径为0.266nm，而晶层表面的氧原子六角环空穴直径为0.28nm，因此K+正好嵌入氧原子六角环中。由于嵌入氧层的吸附K+的作用，将伊利石的相邻二晶层拉得很紧，联结力很强，水分不易进入层间，所以它不易膨胀。伊利石由于晶格取代显示的负电性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角环中，接近于成为晶格的组成部分，不易解离，所以伊利石电性微弱。5．海泡石族海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(或称山软木)，它是铝和镁的含水硅酸盐，晶体构造为链状、棒状或纤维状。海泡石的晶体结构中有很大的空穴，有极大的内部表面，因此含有较多的吸附水，而且有很高的热稳定性(350℃以上)和抗盐类污染的能力。它在淡水和饱和盐水中的水化情况几乎一样，因此是配制深井钻井液和盐水钻井液的好材料。6．绿泥石绿泥石的结构是由三层型晶层与一层水镁石交替组成的。水镁石层有些Mg2+被Al3+取代，因而带正荷。于是三层型晶层与水镁石层间以静电相吸联结，同时还有氢键存在，因此绿泥石遇水后不发生膨胀。油层中的绿泥石是一种这富含铁粘土矿物，对油气层的最大危害是对酸的敏感性。二、粘土的吸附及水化作用钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上，自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。由于粘土颗粒表面通常带有负电荷，因而能吸附水分子和各种水化离子，使粘土著人颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜，这种现象称为粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。1．粘土的吸附性能(1)粘土颗粒表面电荷种类及原因电泳现象证明，粘土颗粒在水中通常带负电。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性质的基本原因，同时对粘土的各种性质都发生影响。粘土的电荷可分为永久电荷、可变负电荷和正电荷三种。1)永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。例如，Si—O四面体中Si4+被Al3+所代替，或A1—O八面体中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取代的多少，而不受pH值的影响，因此称为永久负电荷。2)可变负电荷。在粘土晶体的断键边缘上有很多裸露的A1－OH键，其中OH中的H在碱性条件下解离，会使粘土负电荷过剩；另外粘土晶体的边面上吸附了OH-，SiO32-等无机离子或吸附了有机阴离子电解质也使粘土带负电。由于这种负电荷的数量随介质的pH值而改变，故称为可变负电荷。3)正电荷。不少研究者指出，当pH值低于9时，粘土晶体边面上带正电荷。多数人认为其原因是由于裸露在边缘上的Al—O八面体在碱性条件下从介质中接受质子引起的。粘土的负电荷与正电荷的代数和即为粘土的净电荷数，由于粘土的负电荷一般都多于正电荷，因此粘土一般都带负电荷。(2)粘土的吸附性能吸附现象在钻井液中是经常发生的，化学处理剂改善钻井液性能，侵入物损坏钻井液的性能都是通过吸附改变粘土表面的性质而起作用的。钻井液中粘土的吸附作用，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。1)物理吸附。物理吸附是靠吸附剂和吸附质之间分子间引力产生的，物理吸附是可逆的，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。非离子型的有机处理剂，往往是因在粘土表面发生物理吸附而起作用的。2)化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。例如铁铬木质素磺酸盐在粘土晶体的边缘上可以发生螯合吸附。3)离子交换吸附。粘土颗粒因晶格取代等原因，一般是带负电的，为了保持整体的电中性，必然要吸附阳离子。而吸附的阳离子一般来说并不固定，可以与溶液中的阳离子进行交换，这种作用称为离子交换吸附。最常见的交换性阳离子是Na+，Ca2+，Mg2+等。钻井液中粘土吸附的离子与溶液中的离子发生离子交换吸附的现象是经常遇到的，配浆时加纯碱提高粘土的分散度和造浆率，就是利用离子交换吸附的特性。离子交换吸附的特点是：同号离子相互交换；等电量相互交换；离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。离子交换吸附的规律是：浓度相同，价数越高，与粘土表面的吸力越强，交换到粘土表面上的能力越强；价数相同、浓度相近时，离子半径越小，水化半径越大，离子中心离粘土表面越远，吸附能力弱(K+与H+除外)；当浓度很高时，低价离子同样能交换高价离子。常见的阳离子交换能力强弱顺序是：H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+上述顺序中，H+交换能力最强，这是因为H+的体积特别小，周围无法排列水分子，离粘土的距离较近。这是在钻井液性能参数中重视pH值的重要原因之一。粘土的阳离子交换容量是指在PH等于7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。它包括交换性氢和交换性盐基，其数值均以每100g(即1hg)粘土所交换下来的阳离子的物质的量表示。粘土的阳离子交换容量，直接关系到粘土颗粒带电荷的多少和吸附处理剂的能力。影响粘土阳离子交换容量的因素有粘土矿物的本性、粘土矿物的分散度及溶液的pH值。粘土矿物组成和晶体构造不同，阳离子交换容量有很大差别，引起粘土阳离子交换吸附的电荷中，以晶体取代所占的比例较大，由此可以推断，晶格取代愈多的粘土矿物，其交换容量也愈大。高岭石无晶格取代现象，其阳离子交换容量很低，约为3~15mmol/hg,蒙脱石有显著的晶格取代现象，而且取代位置常常在A1—O八面体中，即在单位晶胞的中央，对所吸附的阳离子静电引力较弱，被吸附的阳离子参加交换反应比较容易，因此其阳离子交换容量较大，约为70~130mmol/hg。伊利石也有较多的晶格取代，但其位置多发生在Si—O四面体中，电荷接近表面，加上其晶格中的六角环有固定K+的作用，因而阳离子交换比较困难，只有部分K+参与交换，故其阳离子交换容量介于高岭石和蒙脱石之间，约为10~40mmol/hg。当粘土矿物组成相同时，其阳离子交换容量随分散度的增加而增大，特别是高岭石粘土矿物，其阳离子交换容量受分散度的影响最大，这是因为高岭石的电荷主要是由于裸露的OH中H+解离产生的，裸露的OH愈多，电性愈大。在粘土矿物和分散度相同的条件下，pH值增高，阳离子交换容量增加，原因是：Al—O—OH键是两性的，在碱性条件下H+更容易解离，使粘土表面负电荷增加，另外溶液中OH增多，它靠氢键吸附于粘土表面，使粘土表面的负电荷增多，从而增加粘土的阳离子交换容量。2．粘土的水化作用(1)粘土水化膨胀机理粘土水化膨胀机理主要有两方面：1)表面水化。它是由粘土晶体表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一层水是水分子与粘土表面的六角形网络的氧形成氢键而保持在平面上。因此，水分子也通过氢键结合为六角环，下一层也以类似情况与第一层以氢键连接，以后的水层照此继续。2)渗透水化。由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，水发生浓差扩散，进入层间，在双电层斥力作用下层间距增大。渗透膨胀引起的体积增加比晶格膨胀大得多。(2)影响粘土水化膨胀的因素影响粘土水化膨胀的因素有：1)粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶体所带的负电荷大部分都集中在层面上，吸附的阳离子多，因此水化膜厚。在粘土晶体的边面上带电荷较少，因此水化膜薄。2)粘土矿物不同，水化作用的强弱不同。蒙脱石的阳离子交换容量高，水化最好，分散度也最高；而高岭石阳离子交换容量低，水化差，分散度也低，颗粒粗；伊利石由于晶层间K+的特殊作用也是非膨胀性矿物。3)粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别。如钙蒙脱石水化后晶层间距最大仅为1.7nm，而钠蒙脱石水化后晶层间距可达1.7~4.0nm。三、钻井液中粘土表面的双电层粘土颗粒在水中表面带负电荷，通过静电作用可把交换性阳离子(称为反离子)吸引在它的周围。这些反离子一方面受负电荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反离子的热运动及反离子之间的斥力，会脱离粘土颗粒向溶液中扩散，其结果构成了扩散双电层。粘土颗粒周围的阳离子只有一部分同粘土颗粒一起运动，这部分同粘土吸引得比较牢固的阳离子层，称为吸附层。另一部分阳离子距离粘土颗粒稍远，不随粘土一起运动，这一部分称为扩散层。吸附层和扩散层的交界面称为滑动面。粘土颗粒运动中因丢掉扩散层中的反离子而显示出一定的电势，称为电动电势(ξ电位)，其数值取决于吸附层内反离子总电荷。电解质对电动电势影响较大，溶液中阳离子浓度越高，进入吸附层的阳离子数量多，则使ξ电位降低，当反离子全部进入吸附层时，粘土颗粒呈电中性，这种现象称为电解质压缩双电层。四、钻井液的稳定性钻井液分散系中，粘土颗粒的分散或聚结，稳定或不稳定，是钻井液体系内部存在的一对主要矛盾。钻井液分散系若能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏，就称为具有稳定性。稳定性包括两个方面的含意：沉降稳定性和聚结稳定性。1．钻井液的沉降稳定性沉降稳定性是指在重力作用下钻井液中的固体颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，则称该体系具有沉降稳定性。钻井液中岩屑的沉降决定于其重力和阻力的关系。当重力占优势时，就表现为颗粒的下沉；当阻力等于重力时，则表现为颗粒的悬浮。由于钻井液中粘土颗粒的大小、形状不同，产生沉降阻力也不同，同时粘土颗粒之间还能形成一定强度的网状结构，因此其沉降稳定性也不一样。影响沉降稳定性的因素主要有：粘土