泥浆工艺原理

钻井液的分浆
油基泥浆
泡沫
充气泥浆
空气
天然气
钻井液的组成
水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水 中，油可以乳化到水中，此时，水是连 续相。(粘土+水+化学处理剂) 油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或 盐水乳化在油中，即油是连续相。 (柴油+沥青/有机搬土+处理剂) 气体：用高速气体或天然气清除钻屑

对于幂律流型
e / K
n1
表观粘度
剪 切 速 率
c
b
a a / a b b / b c c / c
a
切应力
结构粘度

由表观粘度的定义
e ( 0 塑 ) / 0 / 塑
塑 结构

结构粘度：分散相颗粒之间的相互作用 或空间网架结构给流动增加的摩擦力， 与泥浆的屈服值（0）紧密相关。
伊利石
伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同 之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的 硅被铝取代，因取代所缺的正电荷由处在 相邻两个硅氧层之间的 K+ 补偿，因 K+ 存在 于晶层之间并进入相邻氧送层的孔穴中， 使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间 ，因此它是不易膨胀的粘土矿物。
海泡石
是铝和镁的水硅酸盐，其晶体构造常为纤 维状。颗粒形状不是片状而是棒状，含 有较多的吸附水，内有较高的热稳定性 ，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情 况几乎一样（良好的抗盐性）。因此， 它是配制深井泥浆的好材料。

触变性
泥浆的触变性：搅拌后泥浆变稀（切力降 低），静置后泥浆变稠（切力升高）的特 性。 触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10 分钟切力（终切） 钻井工艺要求泥浆具有良好的触变性，在 泥浆停止循环时，切力能较快地增大到某 个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又 不致于静置后开泵泵压过高。

对钻井液流变性的一般要求
切应力：
宾汉塑性流型（Bingham plastic model）

模型：
=0+塑
0 ：动切力（屈服值）Yield point (YP) Pa
塑：塑性粘度(PV) Plastic viscosity (cp)
：剪切速率(s-1)
宾汉塑性流型（Bingham plastic model）


可容性盐类，减低电位 有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成 较 大 的 水 化 膜 。
粘土－水胶质悬浮体的聚结作 用（凝胶）
聚 结 （ Aggregation ） 面－面：颗粒变大，分散度降低，不利于 网架的形成，粘度下降。 凝 胶 （ Flocculation ） 边－边／边－面：形成网架结构，网架结 构增强，引起粘度切力增加。 形成胶凝的强度，主要取决于单位体积中 网架结构的数目和每个网架结构的强度。




粘土含量（含量大，粘度大） 土粒的分散度（增加塑性粘度） 土粒的聚结稳定状况或絮凝强度（结构粘度） 高分子处理剂的性质、分子量和浓度

表现粘度：在某一流速梯度下，其剪切 应力与剪切速率的比值。
e /

对于宾汉流型
e ( 0 塑 ) / 0 / 塑
粘土-水界面的扩散双电层理论

双电层中的反离子，一方面受到固面电 荷的吸引，不能远离固面，另一方面， 由于反离子的热运动，又有扩散到液相 内部去的能力。这两种相反作用的结果 ，使得反离子扩散地分布在界面周围， 构成扩散双电层。
粘土颗粒（片体）表面的双电 层
蒙脱石 晶格取代：在蒙脱石的晶格里，四面体 层中的部分 Si+4被 A1+3取代，八面体层中 的A1+3与 Mg+2取代，使粘土表面吸附 Na+ 、 Ca+2 、 Li+ 等），当蒙脱石放在水中， 吸附的阳离子向水中扩散，使蒙脱石表 面带负电。 吸附OH-、含阴离子基团的有机处理剂
n
( Pas )
n
卡森流型
１／２

c:卡森动切力 ：极限高剪粘度
1 2
1 2 c
1 2
1 2
c１／２
１／２
卡森流型的参数计算
c
1/ 2
1.570 [(6 100 ) 1.195(
1/ 2 100
1/ 2 1/ 2 600
600
1/ 2
] ( Pa)
层流
0
=0+塑
塞流 静止
s
剪切速率
=Dv/dx
参数计算（范式粘度计）
＝1.703 (s-1) =0.511 (Pa) 塑=PV=600-300 (cp) 1cp=1mPa.s 0=0.511(300-塑) (Pa)
表 600 300 2

粘土胶体化学

典型粘土结构简介

高岭土、蒙脱石、伊利石、海泡石
粘土颗粒（片体）的双电层 粘土的水化作用

分散体系
分散体系：一种或几种物质分散在另一 种物质中的混合体系。 分散相：在分散体系中被分散的物质。 分散介质：分散相颗粒所在的连续介质 按分散相颗粒的分散程度不同，分散体 系可分为三类：
粘土水化作用产生的原因及其 方式

粘土表面直接吸引水分子而水化

体系表面能的降低 粘土表面带负电而吸附水分子 晶格里的氧和氢氧层，均可以与水分子形成 氢键而吸引水分子。

粘土表面的吸附溶剂化层里，紧密地连 接若干阳离子，这些阳离子的水化给粘 土颗粒带来水化膜。
影响水化作用的因素
不同的交换性阳离子对粘土水化的影响 Ca2+ max17A, Na+ max40A 粘 土 矿 物 本 性 对 水 化 的 影 响 蒙脱石、伊利石、高岭石 泥浆中可容性盐类及泥浆处理剂的影响
流动特性：＝0时，=s s为静切应力（胶凝强度）Gel strength 〈s 时，塑性流体象固体一样，不会发生 流动 〉s 时，塑性流体，粘度随剪切应力的变 化而降低（图中曲线段） 直线段：粘速不随剪切应力的变化而变化 ，直线的斜率为塑性粘度。

宾汉流动曲线
紊流 切应力：

漏斗粘度

用漏斗粘度计测得的一定体积流体500ml 泥浆所经历的时间。单位为秒。漏斗粘 度与泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪 器的尺寸和形状有关。
静切力、动切力
泥浆的切力是指静切力，其胶体化学的 实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位 体积中结构链下的数目和单个链环的强 度。 动切力：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（形成空 间网架结构的能力）。

泥浆的流变性
泥浆流变性是泥浆流动和变形的特性。 如泥浆的塑性粘度、动切力、表现粘度 、切力和触变性等性能都属流变性。 泥浆的流变性影响钻速、泵压、排量， 岩屑的携带与悬浮、水泥浆的流变性影 响固井质量。

剪切应力与剪切速率
剪切应力：液体流动过程中，单位面积 上抵抗流动的内摩力。 剪切速率：在垂直于流动方向上单位距 离内流速的增量对于牛顿流体。 对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率成 正比。

分散体系的分类
类型 颗粒大小
>0.1m 粗分散体系 -5 (1X10 cm) （悬浮体、乳状液） 0.1m~1mm 胶体分散体系 -5 -7 1X10 -1X10 cm （溶胶） <1mm 分子与离子 -7 1X10 cm 分散体系
高岭石结构
高岭石的晶体构造由一个硅氧四面体和一个 铝氧8面体组成，硅氧四面体和铝氧八面体由 共用的氧原子联结在一起。高岭石的片状结 构中，一面为 OH 层，另一面为氧层，而 OH 键具有强的极性，片与片之间容易形成氢键 ，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面距仅为 7.2Ａ（1A=10-8 cm），故高岭石的分散度较 低。这种粘土矿物是比较稳定的，晶格中的 离子取代现象几乎是不存在的。水分不易进 入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物，水 化性能差，造浆性能不好，不是配制泥浆的 好材料。
蒙脱石晶格结构
蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹 在它们中间的一层铝氧八面体组成。每个四面 体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体 所共有。四面体层中的部分Si+4可被Al+3取代， 八面体层中的 Al+3 可被 Fe+2 、 Mg+2 、 Zn+2 等 阳离子取代。由于Al+3 Si+4和Mg+2 Al+3的 取代，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有 较强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分 子间力连接，晶胞连接不紧密，水分子容易进 入两个晶胞之间发生膨胀（全脱水时晶格间距 为9.6A，吸水后可达21.4A），水化分散性能较 好（造浆能力强），是制配泥浆的优质材料。
阳离子交换容量
在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的阳 离子总量。 通过测定粘土的阳离子交换容量，可以 了解粘土表面所带的负电荷

粘土的水化作用

粘土的水化作用：粘土表面吸附水分子 ，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格层 面间的距离扩大，产生膨胀以至分散的 作用。它是影响水基泥浆性能和井壁稳 定的重要因素。
1/ 2
1/ 2

) (cp)
1/ 2
赫－巴流型
0 K

n
对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是 在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模 式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。 因其为三参数方程，参数计算较复杂。
流变参数分析：粘度
粘度：泥浆流动时，固体颗粒之间、固体 颗粒与液体之间、以及液体分子之间的内 摩擦的总反映。 影响泥浆粘度的基本因素
高岭石
晶格表面有裸露的Al-OH，在碱性介质里