泥浆工艺原理复习资料

1《泥浆工艺原理》复习资料第一章——钻井液概论1.钻井液：指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液功用：（1）携带和悬浮岩屑（2）稳定井壁和平衡地层压力（3）冷却和润滑钻头、钻具（4）传递水动力。2.密度（1）低密度活性固相（粘土）：2.2gcm-32.3gcm-3（2）低密度惰性固相（钻屑）：2.5gcm-32.7gcm-3(平均：=2.6gcm-3)（3）钻井液密度低密度：gcm-3中高密度：1.8gcm-32.5gcm-3高密度：2.5gcm-33.0gcm-3超高密度：3.0gcm-3（4）加重材料API重晶石：=4.2gcm-3石灰石粉：2.7gcm-32.9gcm-3铁矿粉：4.9gcm-35.3gcm-3钛铁矿粉：4.5gcm-35.1gcm-3方铅矿：7.4gcm-37.7gcm-3（5）无机处理剂纯碱：2.5gcm-3烧碱:2.0—2.2gcm-33.钻井液密度作用（1）稳定井壁，防井塌。（2）实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速。（3）平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体污染。（4）钻开油气层，合理选择钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。4.实际应用中，大多数钻井液pH控制在8—11之间，维持一个较弱的碱性环境。酚酞变色点：pH=8.3左右；甲基橙变色点：pH=4.3左右。常温下：10%Na2CO3(aq)pH=11.1；Ca(OH)2(饱和aq)pH=12.1；10%NaOH(aq)pH=12.9；25.钻井液组成①分散介质+分散相+化学处理剂②连续相+不连续相③液相+固相+化学处理剂6.钻井液含砂量：钻井液中不能通过200目筛的砂粒体积占钻井液体积的百分数。一般砂含.【即粒径74的砂粒占钻井液总体积的百分数】第二章——粘土矿物和粘土胶体化学基础1.相：物质物理化学性质完全相同的均匀部分。分散度：分散相的分散程度。分散度==吸附：物质在两相界面上自动浓集的现象。【包括：物理吸附、化学吸附】2.粘土矿物的两种基本晶体构造：硅氧四面体（硅氧四面体晶片）、铝氧八面体（铝氧八面体晶片）。3.主要粘土矿物——多数粘土颗粒粒径2晶格取代：物质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。交换性阳离子：粘土为保持电中性在分散介质中吸附的等电量的阳离子。离子交换特点：等电量、同电性、速度慢。阳离子交换容量（CEC）：分散介质pH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数。单位：mmol（100g粘土）-1.①高岭石——非膨胀性粘土矿物，1：1构型，CEC：3—15mmol（100g粘土）-1晶层间作用力：氢键力，引力强；相关性质：晶层间连接紧密、阳离子交换容量低、水化分散膨胀性差、矿物较稳定。②蒙脱石——配浆用土，2：1构型，CEC：70—130mmol（100g粘土）-1晶层间作用力：分子间作用力，引力弱；相关性质：晶格取代（主要在八面体）而带负电、比表面积大、阳离3子交换容量高、水化膨胀能力强。③伊利石——最丰富粘土矿物，2：1构型，CEC：20—40mmol（100g粘土）-1晶层间作用力：分子间作用力、K+连接；相关性质：晶格取代（主要在四面体）而带负电、单位晶胞电荷数高、阳离子交换容量低、水化膨胀能力差。附加——伊利石水化膨胀性差原因分析：K+大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，周围12个氧与K+配位，K+将相邻晶层牢固的连接在一起（晶格固定作用）；伊利石负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水不易进入晶层间，只在晶层外表面发生水化作用，水化膨胀性差。】4.粘土电性（1）永久负电荷：粘土在自然界形成时发生晶格取代作用而产生的负电荷。（2）可变负电荷：粘土电荷数量随介质pH值改变而改变的负电荷。（3）正电荷：粘土介质pH值低于9时，粘土晶体端面上所带正电荷。可变负电荷产生原因分析：粘土晶体端面上与铝连接的OH中的H在碱性或中性条件下解离而使端面带上负电荷；粘土晶体端面上吸附OH-、SiO32-等无机阴离子或吸附有机阴离子聚电解质而使端面待负电荷。正电荷产生原因分析：粘土端面裸露的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-而使端面带负电荷。【Al—O—H在H+条件下断Al—O间键】5.粘土水化膨胀作用机理粘土矿物水分：（1）结晶水：粘土矿物晶体结构中的水。（2）吸附水（束缚水）：粘土表面因分子间引力、静电引力而吸附的水。【在粘土表面形成水化膜】（3）自由水：存在于粘土颗粒孔穴或孔道中，不受粘土束缚，可以自由运动的水。粘土水化分类：表面水化、渗透水化。【晶格膨胀、渗透膨胀】表面水化：粘土晶体表面吸附水分子、交换性阳离子（本身也水化）而引起。表面水化推动力：晶层间范德华力、水化能、晶层间静电引力。表面水化特点：表面水是多层的，层间、层内水通过氢键结合，膨胀压大，体积膨胀小。4渗透水化：粘土晶层间阳离子浓度大于溶液内部浓度，产生渗透压，引起水分向粘土晶层间扩散，增大晶层间间距，形成扩散双电层。渗透水化推动力：双电层斥力、渗透斥力。渗透水化特点：膨胀压小、体积膨胀大。6.影响粘土水化膨胀的因素：（1）粘土晶体部位不同，水化膜厚度也不同。【层面上厚，端面上薄】（2）粘土矿物不同，水化作用强弱不同。（3）粘土吸附的交换性阳离子不同，水化程度不同。【钠土是配制钻井液的理想材料】7.扩散双电层：胶体离子带电，周围分布着电荷数相等的反离子，在固液界面形成双电层，反离子一方面受固体表面电荷吸引而靠近固体表面，另一方面，由于热运动，又有扩散到液相内部去的能力，两种相反结果使得反离子扩散地分布在胶粒周围，构成扩散双电层。吸附层：固体表面紧密吸引着的部分反离子（溶剂化离子）。电动点位：吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相内的电位。8.热力学电位0：固体表面到均匀液相内部的电位。9.影响双电层厚度与电动电位（的因素——主要取决于溶液电解质反离子价数及电解质浓度溶液中加入电解质后，更多的反离子进入吸附层，扩散层离子数目下降，双电层厚度下降，电动电位下降。【双电层被压缩到吸附层时，胶体不带电】反离子浓度：浓度越高，压缩越多，电位降低越多。反离子价数：价数越高，压缩越多，电位降低越多。附加：扩散双电层对粘土稳定性的影响？扩散双电层越厚，电位越高，水化膜厚度越厚，空间位阻效应越强，粘土颗粒所受斥力越强，越难聚结，易保持分散度，粘土稳定性越强；向溶液中加入电解质，电解质压缩扩散双电层，电位降低，水化膜变薄，空间位阻效应减弱，粘土颗粒所受斥力减弱，易聚结变大，发生沉降，稳定性变差。10.沉降（动力）稳定性：重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性质。聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。钻井液四大基本性能：流变性、失水造壁性、抑制性、润滑性第三章——钻井液流变性1.流变性：钻井液在外力的作用下发生流动和变形的特性。52.流变性相关性质（1）静切应力——塑性流体开始流动时的最低切应力，又称“凝胶强度”。产生原因：存在空间网状结构。实质：钻井液凝胶强度的高低。【钻井液内部结构强弱】影响因素：①粘土含量和分散度：含量大，分散度高，τs大。②粘土颗粒的ζ电位和水化膜：ζ低，水化膜薄，吸力占优势，τs大。③处理剂的种类和加量作用：钻井液静止时悬浮钻屑和加重剂。测量方法：用旋转粘度仪测其静止10分钟的切力。（用最低转速：每分钟3转）（2）动切应力（YP）——塑性流体作层流流动时所需的剪切应力，反映钻井液作层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力。（即结构拆散、恢复达到动平衡时的结构强度。）产生原因：存在空间网状结构。实质：钻井液在层流条件下的结构强度。【形成结构的能力的强弱】影响因素：①粘土含量和分散度。②粒子ζ电位和水化膜。③处理剂的使用：吸附端面，拆散削弱结构，τo降低。④高分子聚合物的使用：吸附桥联，τo升高。作用：钻井过程中悬浮携带岩屑。（动态条件）附加：τo的大小反映了钻井液携屑能力的大小。τo大，说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强，反之弱。（3）表观粘度（AV）——某一流速梯度下，速梯与相应切应力之比。【剪切速率不同，表观粘度不同】实质：钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性。作用：衡量钻井液的宏观流动性。测量方法：用旋转粘度仪。现场习惯用600转数据的1/2值表示。（4）塑性粘度（PV）——塑性流体层流流动时的粘度。【不随剪切速率的改变而改变】实质：钻井液中结构拆散与恢复处于动平衡时，固—液之间、液—液之间的内摩擦力的反应。影响因素：固相含量：固含高，则PV高。分散度：分散度↗，则PV↗。6液相粘度：液相粘度↗，则PV↗。水溶性处理剂的粘度：水溶性处理剂的粘度↗，则PV↗。附加：直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。作用：衡量判断钻井液中固相含量的高低及分散程度，高则有害，低则有利。测量方法：φ600、φ300读数之差。（5）剪切稀释性——表观粘度随剪切速率增大而降低的现象。实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性降低。表征量：τo/（动塑比），比值越大，表明结构多（τo大），固含低（小），体系受剪切稀释明显，剪切稀释性越强，反之，越弱。作用：判断携屑能力，强则好，有利低速带砂（结构）。一般要求钻井液的剪切稀释能力强。（太强也有害）。（6）触变性——指钻井液受搅拌后变稀，静止后又变稠的特性。或：钻井液切力（搅拌后）随静止时间的增长而增大的特性。产生原因：受搅结构被拆散，粘度、切力下降——变稀，静止结构恢复。实质：体系恢复结构的能力。影响因素：①粒子浓度↗，结构恢复快、强，触变性强。②ζ电位↗，结构恢复慢、弱，触变性弱。③若是端—面、端—端结构为主，恢复慢，但最终结构强。（需要一定时间完成定向）④若是高聚物吸附土粒形成桥联结构，恢复快，但最终结构强度弱。钻井液对触变性的要求：①结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）②最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）（7）流性指数n——表示假塑性流体中结构的多少及存在的形式。当n→1时：表明结构少，且不连续。n=1时，完全无结构，牛顿体。当n→0时：表明结构逐渐增多，且连续。非牛顿性越强。作用：判别携屑能力，n小，流核大，带砂好。判断剪切稀释性：n越小，剪切稀释能力越强。（结构多）（8）稠度系数K——表示假塑性钻井液的稀稠程度。【K越大，稠度越大】实质：假塑性流体在一定速梯下非结构性内摩擦的反映。作用：衡量钻井液流动阻力的高低及固相含量的多少。7（9）漏斗粘度——一定量的钻井液流出特制漏斗所需的时间。单位：s。实质：是钻井液表观粘度的宏观表征。量具：漏斗粘度计量法：国内——装700mL，测流出500mL的时间。国外——装1500mL，测流出946mL的时间。仪器校正标准：国内——清水值15±0.5s；国外——清水值26±0.5s作用：衡量钻井液的宏观流动性和稀稠程度。3.基本流型：牛顿流体、塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体、4.流变性相关计算公式【注意：书P60，基本流型模式曲线】关系换算：0.511（Pa）；1r/min=1.703s-1，1Pa=10dyn/cm2;【注意单位的换算】（1）塑性流体流变模式：=+；表观粘度：===；【mPa.s】塑性粘度：=；动切力：=0.511（-）；（2）假塑性流体流变模式：=K；表观粘度：=K；流性指数：n=3.322lg(/)；【无单位】稠度系数：K=（0.511）/；【Pa】（3）卡森流变模式：；卡森动切力：0.493[]；【Pa】极限高剪切粘度：1.195（）；【mPa.s】附加：卡森动切力表示钻井液内可拱拆散的网架结构强度，是流体开始流动时的极限动切力，其大小可反映钻井液携带与悬浮钻屑的能力。极限高剪切粘度表示钻井液体系中内摩擦作用的强度。【1/2]2,剪切稀释参数，越大，剪切稀释性越强。同动塑比τo/】（4）赫—巴模式：=+K；【仅作了解】赫—巴模式动切力：流性指数：n=3.322lg[()/(]稠度系数：K=0.511（/附加：是钻井液的实际动切力，表示流体开始