中南钻井专2005级钻井液讲稿

钻井液讲稿（中南钻井专2005级，48学时）教师：王勇教材：《泥浆工艺原理》罗平亚主编参考教材：《钻井液工艺学》鄢捷年主编二○○七年二月1绪论（Introduction）钻井液（DrillingFluid），又称泥浆（Muds）。一、钻井液的功用钻井液在钻井过程中起着十分重要的作用，是钻井的血液。1.携带和悬浮岩屑2.平衡地层流体压力3.稳定井壁4.冷却、润滑钻头及钻具。5.清洗井底，利用水力功率帮助破岩6.防止各种污染7.录取岩性，显示油气水等地层资料二、钻井液的类型根据钻井液中分散介质不同，钻井液分成三种基本类型1.水基钻井液（Water-basedDrillingFluids）1）淡水钻井液（细分散体系）Nacl1%；Ca2+120mg/L2）粗分散体系（1）盐水钻井液（Saltwater）、饱和盐水钻井液（2）钙处理钻井液（Calcium-treated石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钙钻井液）（3）不分散体系无固相钻井液、聚合物（Polymer）低固相钻井液2.油基钻井液(Oil-basedDrillingFluids)1.普通油基钻井液2.W/O乳化钻井液3.合成钻井液(SyntheticDrillingFluids)合成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。4.气体钻井液(Gas-typedDrillingfluids)泡沫、充气钻井液、空气、天然气，此外还有泡沫、空气、天然气等钻井液。三、钻井液工艺技术发展概况1.钻井液技术的发展阶段（1）清水阶段（1914~1916）（2）天然气钻井阶段（3）泥浆阶段（1921~1960）（4）分散泥浆体系（60年代）由于泥浆中粘土无限制水化分散，带来了许多缺点，如受到化学污染和粘土侵，使泥浆急剧变稠，泵压升高，至使开泵困难。后来在实践中，泥浆要受盐侵和钙侵后，经处理后，泥浆流动性好，维护周期长，从机理上说就是粘土在盐和钙作用下适当絮凝，粘土颗粒变粗，故此类泥浆称为粗分散泥浆如在泥浆中加入适当的盐，使粘土颗粒保持适度絮凝状态，则此细分散泥浆流动性好，是有更高的抗盐，抗石膏污染的能力。（5）不分散体系阶段。（70年代）钻井液工作经历上述几个阶段、钻井液的类型，由最初的细分散泥浆剂现在普通使用的不分散钻井液：钻井液处理剂以最初的烧碱纯碱到现在上百种处理剂：在处理喷、2漏、卡、塌等方面积累了丰富的经验，近十几年钻成大量超深井、定向井，使泥浆处理经验更加丰富。泥浆流变学和钻井液水力学理论研究逐步深入，完善了固控理论和设备等。2.钻井液技术的预测1）钻井液强化井壁技术2）复杂地质条件下深井、超深井、大位移钻井液技术。3）新型钻井液体系及处理剂研制与应用。4）废弃钻井液处理技术5）保护油气层技术Chapterone粘土胶体化学(ClayColloidalChemisty)§1—1钻井液的组成及其属性一、泥浆的组成二、分散体系及其种类1.分散体系一种物质或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系。2.分散体系分类按分散颗粒尺寸的大小可以分为三类类别颗粒大小粗分散体系（悬浮体）大于0.1微米胶体分散体系（溶胶）0.1微米～1毫微米分子或离子分散体系（溶胶）小于1毫微米钻井液中的粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.1～2微米），少数在胶体范围，但胶体对钻井液性能影响大，在钻井液中易发生变化，这里介绍一下胶体的性质。三、胶体分散体系的基本性质1.多相性2.高度分散性分散程度常用“比表面积”来量度：体积总表面积比表面积对于正方体：LLL6632比表面积以上可以看出颗粒越小，比表面积越大，分散度越高，既高度分散体系具有巨大的表面积。3.聚结不稳定性胶体体系中分散相的细颗粒自动聚结变成大颗粒的性质。原因：表面分子受力不平衡表面分子受力不平蘅，表面分子受到一个指向内部的力，内部分子移到表面需克服这个力做功。所做的功转化为表面能，故表面的分子比内部分子能量大，表面分子多出的部分能量称为表面能。表面能=比表面能总的面积即sw表面积很大的分散体系具有很高的表面能不稳定，分散相会自动聚结变成大颗粒，以减少表面积，使体系能量降低。综上所述，胶体分散体系具有多相性、高度分散性和聚结不稳定性，高度分散的多3相体系具有很高的表面能，因而极不稳定，体系能量有自动降低的趋势，降低体系能量的途径之一就是小颗粒聚结成大颗粒，使总的表面积减少；体系能量降低就出现了集结不稳定性；故聚结不稳定性是多相性和高度分散性的必然结果。§1—2常见粘土矿物的晶格构造及特点粘土是配制钻井液的重要原材料，同时也是易塌地层（泥页岩）的主要组成，粘土配出的钻井液性能如何，地层是否易垮塌与粘土矿物组成性质有关，所以要对粘土矿物的性质要有所了解。结构决定性质，故先介绍粘土的晶格构造特点。构成粘土矿物的基本结构单元：1.硅氧四面体处于中心的硅原子与四个氧原子或氢氧原子以等距离相连构成四面体。每个四面体中的三个氧原子与相邻的三个四面体共用构成四面体片2.铝氧八面体处于中心的铝原子与两层堆叠的6个氧或氢氧原子相连构成八面体。每个八面体两面上的氧或氢氧在相邻的八面体共同构成八面体片。一、蒙脱石(Montmorillonite)1.晶体构造（1）由2层Si－O四面体片夹一层Al－O八面体片组成单位晶胞，由单位晶胞重叠构成粘土矿物。由于是两层Si－O四面体片和一层Al－O八面体组成，故称2：1型或三层粘土矿物。（2）格中存在晶格取代晶格取代：晶格上的高价阳离子被低价阳离子取代的现象。如Ae+3→Si+4Mg+2→Ae+3取代后正电荷亏损，使晶格带负电，此电荷由层间补偿阳离子补偿，使品格保持电中性。补偿性阳离子-----带负电的晶层表面为维持电中性素所吸附的阳离子。蒙脱石的补偿阳离子的主要是Ca+2和Mg+22.特点1）晶层上下皆为氧层，各晶层间以分子间力联接，连接力弱。2）易吸水膨胀，分散。由于蒙脱石易吸水膨胀，分散，配出的泥浆造浆率高，含蒙脱石80%以上的纯净土，称为搬土，是配制泥浆的优质材料，但钻含蒙脱石含量高的泥页岩地层，易出现泥浆增稠、缩径、卡钻、泥包等复杂情况。造浆率—每吨土配出粘度为smpa15的泥浆方数。二、伊利石(Illite)1.晶体构造单位层与蒙脱石相似，其主要区别：（1）晶格取代的位置主要产生在硅氧四面体内。（2）层间的补偿阳离子为K（K的直径为2.066A，而上下晶层的硅氧四面体相对应形成的六角形网格的直径为2.8A）K嵌入层间的六角形网格中。2.特点41）层间因K的静电作用，接合力强。2）不易水化膨胀，呈脆性，易剥落掉块。三、高岭石(Kaolinite)1.晶体构造（1）由一层硅氧四面体片和一层铝氧八面体片组成单位晶胞（2）晶格中几乎没有晶格取代现象2.特点（1）晶层一面为氧层，另一面为氢氧层，层间形成氢键，层间联结力强。（2）不易吸水膨胀故含高岭石多的黄土，配出的泥浆造浆率低。四、凹凸棒石——海泡石1.晶体构造纤维状（或棒状）粘土矿物，构造中有许多通道。2.特点1）造浆率高2）抗盐性和热稳定性好故是配制盐水泥浆和深井泥浆好材料五、粘土矿物类型海泡石凹凸棒石纤维状蒙混层间层型伊型蒙脱石、伊利石：型高岭石：层状结构1211§1—3粘土—水界面的吸附作用一、吸附的概念1.吸附的意义物质在两相界面自动浓集的现象。2.发生吸附的原因表面分子受力不平衡，能将周围的物质吸附在表面上去。减少净吸力，使表面张力降低，从而使表面能降低。3.吸附的特点（1）吸附为动态平衡（2）吸附为放热过程（3）吸附速度慢4.吸附的类型（1）按作用的性质分类化学吸附物理吸附二、离子交换吸附粘土颗粒吸附的阳离子与溶液中的阳离子进行交换的吸附过程。1.特点51）同电性离子等电量交换例Ca2+-2Na+2）离子交换吸附是可逆的粘土胶体2Na++Ca2+=粘土胶体Ca2++2Na+3）离子交换吸附速度慢2.离子交换吸附的规律1）不同价的阳离子，在其它条件相同时，离子价越高。吸附能力越强。2）同价阳离子吸附强弱取决于离子半径和水化程度。常见阳离子交换吸附能力强弱顺序见P133）离子交换吸附受离子浓度影响。3.粘土的阳离子交换容量（CEC值）1）定义在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的可交换性阳离子总量（eq/kg）蒙脱石的补偿阳离子基本上可全部交换其CEC值可恒量其带电量和晶格取代程度，但伊利石不行。2）影响因素Ⅰ.粘土的本性蒙脱石伊利石高岭石Ⅱ.分散度Ⅲ.PH值的影响§1—4粘土—水界面双电层一、莱斯实验1809年莱斯实验，通电流时，水中颗粒向阳极移动——电泳；实验表明：粘土颗粒在水中带负电。二、粘土颗粒带电原因1.晶格取代2.裸露的Al—OH中的H+电离3.吸附阴离子（以氢键吸附）带电量的大小主要取决于晶格取代，几种粘土矿物颗粒带电量大小顺序为蒙脱石伊利石高岭石。三、扩散双电层的形成粘土颗粒表面带电性质不仅与粘土本身有关，而且与双电层有关。粘土颗粒表面吸附的阳离子（称反离子）在水中解离，离开粘土颗粒表面，粘土颗粒带负电荷，它对阳离子又产生静电吸引，故作用在反离子的力有两种。1.作用在反离子上的力。（1）扩散力——受极性水分子的影响和自身的热运动向水中扩散的力。（2）吸引力——带电粘土颗粒表面对反离子的静电引力。粘土颗粒表面吸附的反离子在两种相反作用力的作用结果。使反离子扩散地分布在界面周围，构成扩散双电层。2.扩散双电层定义带电表面及反离子构成的电层，它们电荷相反，电量相等。吸附层：与周面紧密连接着的一层反离子和部分水分子构成的内层。扩散层：反离子成扩散的分布在液相内构成的外层。滑动面：吸附层与扩散层的分界面。6当离子移动时，界面上的吸附层随着一起移动，所以固体粒子与吸附层是一整体，称为胶粒。胶粒：固体离子和吸附层胶粒移动时扩散层的反离子而带负电。胶粒所带电荷所产生的电势，称为电势（位）。电位反映了胶粒带电的多少，电位越小，即吸附层内反离子越多，相应地扩散层反离子少，故双电层薄，胶粒带电少。四、电解质对电势的影响1.电解质挤压双电层电解质加入后，使双电层变薄，电势下降的现象。2.原因电解质加入后，溶液中反离子浓度增大，由于反离子的扩散作用和粘土颗粒的静电引力作用，导致反离子进入吸附层的机会增多，使双电层变薄，胶粒电荷减少，电位降低。随着电解质浓度增加，电势逐渐下降，当电解质浓度增大到一定值时，电势为零：电势为零的状态称为等电态，等电态时，胶粒不带电，粘土颗粒静电斥力消失，这时粘土颗粒易发生聚结。五、粘土平表面和端面的双电层区别双电层类型比较项目平表面双电层端面双电层带电性负电性正或负电性电势较高较低双电层较厚较薄§1—5粘土的水化作用粘土的水化作用直接关系水基钻井液性能及井壁稳定。一、水化作用的意义粘土颗粒表面吸附水分子，使其表面形成水化膜，晶层间距增大，产生膨胀乃至分散的作用。二、粘土水化作用产生的原因及方式1.粘土表面直接吸附水分子而水化（称直接水化）原因：(1)降低表面能而产生吸附水分子到粘土表面。(2)粘土带负电，而水分子是极性分子。水分子受静电引力作用定向排列在粘土表面。定向排列的吸附水化膜，具有一定强度。(3)粘土晶格里的氢或氢氧层通过氢键吸附水分子。2.粘土颗粒表面间接吸附水分子水化，由于粘土带负电，表面紧密地排列着一层阳离子，这层反离子的水化给粘土表面带来水化膜。7粘土的水化以间接水化为主，那么阳离子的水化越好，粘土的水化膜越厚。三、影响粘土水化的因素1.粘土的本性。1）晶层间的联结力2）带电量2.补偿阳离子性质例如：钙蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为17A0，钠蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为41A0原因：Na+Ca2+离子半径0.931.06水化半径7.9010.00带电量----Na+的2倍因而使用钙蒙脱石配浆时，要加入Na2CO3Ca土3NaCONa土3.水溶液性质4.温度和时间四、粘土的水化膨胀粘土水化膨胀分为两个阶段，1.表面水化水分子是向排列于晶层表面，达四个水分子层。2.渗透水化