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
绪论（Introduction）
钻井液（Drilling Fluid），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-based Drilling Fluids）
1）淡水钻井液（细分散体系） Nacl < 1% ；Ca2+ <120 mg/L
2）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-based Drilling Fluids)
1.普通油基钻井液 2.W/O乳化钻井液
3.合成钻井液(Synthetic Drilling Fluids)
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-typed Drilling fluids)
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、
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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
Chapter one 粘土胶体化学 (Clay Colloidal Chemisty)
§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：
总表面积6L26比表面积? 对于正方体：比表面积?3?
体积LL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 w????s
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
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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+4 Mg+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+2
2. 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15mpa?s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
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1）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
?1：1型高岭石???层状结构1型蒙脱石、伊利石?2：???间层型伊?蒙混层 ????凹凸棒石?纤维状???海泡石?§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
?物理吸附（1）按作用的性质分类?
化学吸附?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
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