钻井液基础知识共164页
钻井液基础知识
第三章钻井液基础知识一、钻井液概念钻井液是指油气开发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。
钻井液的循环是通过泥浆泵实现的。
循环池中的钻井液由泥浆泵泵入地面高压管汇，经过立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到达钻头，然后从钻头喷嘴喷出，沿着钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间返出，到达地面后经各种固控设备处理后返回循环池。
因此，钻井液又被人们普遍称为石油钻井工程的“血液”。
钻井液又称做钻井泥浆或简称泥浆。
钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分，在确保安全、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用。
现场钻井液循环系统如图所示。
泥浆池泥浆泵地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆固控设备沉砂池震动筛泥浆槽井眼环空钻头钻铤钻杆二、钻井液的组成1、分散介质---水（盐水）或油2、分散相---膨润土、加重材料、各种处理剂、钻屑膨润土是常用的配浆材料，主要起提粘和造壁作用，加重材料用于提高钻井液密度，处理剂用于调整钻井液性能，钻屑是无用固相应通过各种固控措施除去。
三、钻井液的基本功用1、携带和悬浮岩屑通过钻井液循环将钻头破碎的岩屑从井底携带到地面，让钻头始终接触、破碎新地层，保证快速钻进。
钻井液停止循环时使钻屑在钻井液中悬浮不下沉，防止沉沙卡2、稳定井壁和平衡地层压力钻井液借助液相滤失作用，在井壁上形成一层薄而致密的泥饼，阻止液相进一步滤失，从而减弱泥页岩水化膨胀和分散程度，达到稳定井壁的作用。
平衡地层压力是通过钻井液提供的液注压力来实现，从而防止井塌、井喷、卡钻等复杂情况。
3、冷却和润滑钻头钻具钻进过程中钻头破碎岩屑，钻具与井壁摩擦会产生大量热，这些热量通过钻井液循环被带出地面从而达到冷却钻头钻具的作用。
钻具在井下旋转过程中钻井液在钻具与地层之间又会起到很好的润滑作用。
4、传递水动力钻井液将地面泥浆泵赋予的动力除了用于克服沿程阻力外，当它从钻头喷嘴高速喷出时，对井底产生强大冲击力从而显著提高钻速。
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2、粘土矿物带电量影响因素 粘土阳离子交换容量大小的因素有三：粘土矿物的本性， 粘土的分散度和分散介质的酸碱度。 （1）粘土矿物的本性． C.E.C实际上是粘土所带净负电荷的量度。
晶格取代的数量 影响粘土矿物所带净负电荷的因素为： 晶格取代的位置
吸附阳离子类型 分散介质的PH
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粘土带电量通常用C.E.C表示， C.E.C越大，说明粘土所带电荷 越多， 三种常见粘土矿物的C.E.C大致如下。
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
C.E.C 3-15 70-130 20-40
思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而 C.E.C却比蒙脱石小？
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三、粘土矿物带电量及影响因素
Ｅ、造浆率高 ◆蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分子间力为主，层间引 力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。 ◆蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，在它周围必然会吸附等电量的阳离
子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。
因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主
关，蒙脱石的永久负电荷最高，约占负电荷总和的95％，伊利
石约占60％，高岭石•只钻井古液2基5础％知o识讲座
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二、电荷种类及产生原因
3、正电荷
很多研究结果证明，当粘土介质的pH值低于9时，粘土晶体端面上 带正电荷。兹逊(P．A．Thiessen)用电子显微镜照相观察到高岭石边角 上吸附了负电性金溶胶，由此证明了粘土端面上带有正电荷。
1、粘土吸附阳离子的多少决定于其所带负电荷的数量； 2、钻井液中的无机＼ 有机处理剂的作用； 3、钻井液胶体的分散＼絮凝等性质，也都受到粘土电荷的影响。 粘土晶体因环境的不同或环境的变化，可能带有不同的电性，或 者说带有不 同的电荷。粘土晶体的电荷可分为永久负电荷＼可变负 电荷＼正电荷三种。
第一编 胜利钻井液基础知识和基本技能
第一编胜利钻井液基础知识和基本技能第一章胜利钻井液及相关概念钻井液：在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统称为钻井液（Drilling Fluids）。
钻井液又称作钻井泥浆（Drilling Muds），现场简称为泥浆（Muds）。
粘土的造浆率：1吨干粘土能够配制粘度为15厘泊钻井液的体积数（或M3数），称为粘土的造浆率。
钻井液密度：是指每单位体积钻井液的质量。
常用符号“ρ”表示。
常用单位“克/厘米3”（g/cm3）、“公斤/升”（kg/l）、“吨/米3”（t/m3）。
在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重是两个等同的术语。
其英制单位通常为lbm/bbl（即磅/加仑，或写作ppg），1g/cm3等于8.33lbm/bbl。
钻井液的流变性：钻井液流动和变形的特性。
塑性粘度：钻井液在层流时，钻井液中的固体颗粒与固体颗粒之间、固体颗粒与液体分子之间、液体分子与液体分子之间的内摩擦力的总和，这个内摩擦阻力就是塑性粘度，用符号“η塑”表示，单位是“厘泊”（cPa）。
表观粘度：用一定体积的钻井液流过规定尺寸的小孔所需要的时间来表示，故也称漏斗粘度，用符号“T”表示，单位是“秒”（s）。
触变性：经搅拌后钻井液变稀（切力降低）、静止后钻井液变稠（切力升高）的特性。
换言之，钻井液的切力随搅拌后静止时间的增长而增大的特性。
动切应力（屈服值）：钻井液在层流时，粘土颗粒之间及高分子聚合物之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。
用符号“τ0”表示，单位“达因/厘米2”。
剪切稀释特性：钻井液的表观粘度随速度梯度的增大而降低的特性。
稠度系数：表示一个流体的可泵性或直观流动性，即反映钻井液稀和稠的程度。
用大写字母“K”表示，单位是“达因·秒n/厘米2”。
流性指数：表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性程度和结构力的强弱。
用字母“n”表示，无因次指数。
浮筒切力计的初切和终切：钻井液中的粘土颗粒，由于其形状不规则，表面带电性和亲水性不均匀，常易形成空间网架结构，破坏钻井液中单位面积上的网架结构所需要的最小切应力，称为钻井液的极限静切力，简称为钻井液的切力。
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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。
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(2) 影响粘土水化膨胀的因素
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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。
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，造浆性能不好，不是配浆的好材料。
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
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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。
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。
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影响沉降稳定性的主要因素：
粘土颗粒的大小、颗粒与分散介质的密度差、分散介质的粘度和钻井液中 粘土颗粒的多少，颗粒愈大、颗粒愈重、介质粘度越小则沉降稳定性越不好。
2. 钻井液的聚结稳定性
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水基钻井液
水基钻井液是以水为分散介质，以粘土、碱、润滑剂等为添 加剂的钻井液。它是最常用的一种钻井液类型，具有制备方 便、成本低、易于维护等优点，适用于大多数地质条件。
水基钻井液根据其组成和性质可分为淡水钻井液、盐水钻井 液、钙处理钻井液等。不同类型的水基钻井液在性能、稳定 性、抗污染能力等方面存在差异，应根据具体地质条件和工 程需要进行选择。
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钻井液的处理剂
粘土分散剂
作用
抑制粘土水化，防止粘土膨胀 和分散。
原理
通过离子交换或物理吸附，使处理 剂吸附在粘土颗粒表面，改变其表 面电性质，从而抑制粘土水化和膨 胀。
常用种类
有机处理剂如栲胶、磺化沥青；无 机处理剂如水玻璃、氯化钙。
降滤失剂
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作用
降低钻井液的滤失量，保 持钻井液的稳定。
研究纳米材料在钻井液中 的应用
纳米材料具有许多独特的性质，如大的比表 面积、良好的化学稳定性等，将其应用于钻 井液中可以提高钻井效率、降低钻井成本。
提高钻井液的抗污染能力
要点一
加强钻井液的滤失性和稳定性
滤失性和稳定性是评价钻井液抗污染能力的重要指标 ，加强这两种性能的研究可以提高钻井液的抗污染能 力。
采用适当的过滤和净化设备， 去除钻井液中的杂质和有害物 质，提高钻井液的水质。
控制钻井液的密度
根据钻井工程的需要，控制钻井 液的密度以保证适当的浮力和稳
定性。
通过添加加重剂或减少水分含量 等方式，调整钻井液的密度。
定期检测钻井液的密度，确保其 在合适的范围内，以保证钻井工
程的顺利进行。
防止钻井液受污染
表面活性剂是钻井液处理剂的重要组成部分，开发保型表面活性剂可以降低钻井液对环 境的污染。
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(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。
2.蒙脱石
(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。
②晶格中存在品格取代
晶格取代：晶格上的质点被另一质点取代的现象。 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 间补偿阳离子的补偿，使晶格保持电中性。 补偿阳离子 -----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
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
钻井液功用 钻井液类型 钻井液组成 钻井液的发展
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论
§1 — 1 钻井液的功用、类型及组成
一、钻井液的功用
钻井液在钻井中起着多方面的作用，概况如下： 一、携带和悬浮岩屑 二、平衡地层压力 三、稳定井壁 四、却和润滑钻头、钻具 五、清洁井底，利用水力功率帮助破岩 六、防止各种污染 七、录取岩性，油气水显示等地层资料
问题与思考：
1.为什么用搬土配钻井液？
2.为什么配浆时泥浆中加纯碱？
这些问题都需要用粘土胶体化学基础知识
来解释, 粘土胶体化学知识可指导钻井液的
钻井液化学PPT课件
降滤失剂 1、钻井液滤失量过大的危害及使用降滤失剂的 必要性
（1）钻井过程中钻井液滤失量大，容易引 起泥页岩的水化膨胀、造浆和井漏井塌，造成井 壁不稳定；
（2）钻井液和滤液侵入地层引起粘土膨胀， 堵塞地层油气流通道损害产层。
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（3）滤失量大的同时滤饼增厚，而滤饼增厚使 井径缩小，给旋转的钻具造成大的扭矩，容易造 成卡钻
Cc：滤饼中固相的体积分数； C m ： 钻 井 液 中 固 相 体 积 分第数31；页/共174页
•其中 ( Cc 1) 固相含量系数、K主要由钻井液固相含
Cm
量、固相类型、颗粒分布以及水化分散程度有关，具 体来讲： （1）钻井液中优质活性固体——膨润土含量增加一般 滤失量下降。然而钻井液中固相含量增加会使钻井液 粘度升高，为了使钻井液有好的流动性，不采用提高 钻井液固相含量的方法来降低滤失量。 （2）降滤失剂如：CMC、磺甲基褐煤、酚醛树酯、 烯类单体聚合物等能堵塞滤饼的孔，降低K。
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4、平衡地层压力 调节钻井液密度建立与地层压力相适应的液柱
压力，防止发生井喷、井长、井漏的井下复杂问 题。
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5、冲洗井底 钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷
向井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力 与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲 洗井底的作用。
第一节 钻井液的功能与组成
一、钻井液的功能 1、携带和悬浮钻屑
泥浆的一个基本功用，就是要把钻头破碎的 岩屑从井底带出井眼。
当接钻杆换钻头或临时停止循环时，泥浆又 把井眼内的钻屑悬浮住，不致很快下沉，防止沉砂 卡钻的危险。
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2、稳定井壁 井壁稳定、井眼规则是优质快速钻井的基础
钻井液(讲义)
现场测定标准为：若现场无上述实验
设备。可将膨润土与清水配制成密度为1.05
克/厘米3的钻井液，再加0.5%左右的Na2CO3，
钻井液的漏斗粘度应大于20秒，滤失量小于
10毫升，这种膨润土即可作为配制钻井液的 原材料。 膨润土是基础配浆材料，适用于淡水 和矿化度小于2000毫克/升的咸水钻井液，也 可以作为降滤失剂、增粘剂和堵漏剂。
材料有如下几种：
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(一)膨润土
膨润土现场俗称白土粉。以蒙脱石为主 要成分，化学代表式为： （Si8-yAly）. 4 . nH2O 膨润土外观特征是适当粒度的粉末，因 含杂质的不同，有白色、灰色、灰黄色和紫红 色等颜色，易吸潮，吸潮后结块。
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(Al4-xMgx) O20 .
(OH)
一般要求膨润土的造浆率为16米3。钠膨
钻井液
第一节
钻井液的基本知识
2
第一章
钻井液技术
3
第一节
钻井液的基本知识
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钻井液是钻井工程的血液，在现代钻井技术 中，应用先进的钻井液技术和优质钻井液，就 能安全、优质、快速地钻井，也能迅速地取得 良好的油气勘探成果，有效地开发和开采油气 田。在钻遇复杂地层、保证井下安全、防止化 学污染、克服井底温度等方面起着十分重要的 作用。
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一、钻井液在钻井中的作用 钻井液在钻井中的作用可以概括为以下几 个作用： 1、清洗井底，携带岩屑，保持井底清洁， 保证钻头不断破碎新地层，使钻进不中断。 2、平衡地层中流体（油、气和水）压力，
防止井喷和井漏，并防止对油气层的污染。
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3、平衡地层侧压力，维持井壁稳定，防 止地层坍塌。 4、发挥水力效能，冲击井底，提高钻井 速度。 5、悬浮岩屑和加重料，降低岩屑沉降速