钻井液工艺原理讲义前三章Word文档格式.docx
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大段泥页岩层、岩盐层、石膏层以及其他可溶性盐类地层时，其抗污染能力差，性能不稳定，于是发展了以石灰、石膏及氯化钙为絮凝剂的钙处理钻井液。
20世纪70年代初，成功的发展了低固相铁铬盐混油（或盐水）钻井液、褐煤氯化钙钻井液、褐煤石膏钻井液以及低固相饱和盐水钻井液等，同时高分子有机处理剂开始广泛应用于钻井液中。
从20世纪70年代到80年代，我国钻井液技术有了很大发展，钻井液技术水平不断提高，主要表现在：
（1）适用于深井、超深井的三磺钻井液（磺化丹宁或磺化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂）的推广应用，大大减少了井下复杂情况，创下了钻超深井7175m的纪录。
（2）低固相不分散聚合物钻井液技术得到全面推广，开始时只使用聚丙烯酰胺单一型聚合物絮凝剂，以后陆续开发出不同基团、不同相对分子量的聚合物处理剂，形成了多种聚合物钻井液体系，在当时有力地配合了高压喷射钻井，大大提高了钻井速度。
（3）油包水乳化加重钻井液，（如在华北、中原、新疆等油田的应用）有效的解决了钻遇大段盐膏层和水敏性泥页岩地层时所遇到的各种复杂问题。
（4）钻井液处理剂、原材料品种迅速增加，质量不断提高。
1978年，我国钻井液处理剂只有40多种，到1983年迅速增加至76种，1985年已发展到了16个门类，129种。
并从80年代初我国开始着手制定钻井液处理剂和原材料的质量标准。
1986-1990年（“七五”期间），我国钻井液工艺技术迅速发展，主要成果包括
（1）在新的基础上对聚合物钻井液进行了全面、系统的研究，研制出了两性离子聚合物钻井液和阳离子聚合物钻井液等新体系。
（2）为保护油气层，实现欠平衡压力钻进，发展了泡沫和充气钻井液技术。
（3）为有效解决井壁失稳问题，系统的研究了各类钻井液及其处理剂与井壁稳定性的关系，研制出了各种具有强抑制性的防塌钻井液体系，并研制出可对付复杂盐膏层的过饱和盐水钻井液和油包水乳化钻井液。
（4）在深井、超深井钻探作业中，研制出聚磺钻井液，兼有聚合物钻井液和三磺钻井液的优点，强抑制性、减少井下复杂、提高钻速。
（5）保护油气层钻井液，3大类11种不同类型的保护油气层的钻井液体系。
1991-1995年我国钻井液技术再上新台阶，聚合物钻井也有了进一步发展；
正电胶钻井液（混合金属层状氢氧化物，MMH），该钻井液体系具有独特的流变性和强抑制性；
水平井钻井液配套技术，成功的解决了钻水平井所遇到的携岩、井壁稳定、防漏堵漏、钻井液润滑性以及保护油气层等技术难题；
钻井液处理剂得以进一步大发展；
保护油气层钻井液得到进一步推广应用。
近年来，我国钻井液技术不断提高，钻井液抑制性不断增强；
聚合醇（多元醇）在钻井液中的应用，为钻井液提供了良好的润滑，并有效地提高了钻井液的抑制性；
有机硅系列钻井液处理剂的研制成功，缓解了硅酸盐钻井液性能不稳定现象，进一步提高了钻井液的封堵防塌能力；
开始进行合成基（仿油基）钻井液的研究开发，但现场应用仍然较少，这与钻井液整体资金投入和重复回收利用有关；
井壁稳定理论和钻井液防塌理论研究进一步深入，提出了“钻井液封固-抑制水化-化学位活度平衡-有效应力支撑”多元协同防塌新原理。
但是，由于国内起步较晚，与国际钻井液技术仍有一定差距，主要表现在：
（1）新型钻井液体系和处理剂的研制开发，具有自主知识产权的创新性成果不多；
（2）钻井液、完井液处理剂在质量、配套方面问题较多，这与最近几年钻井液处理剂压价有一定关系；
（3）性能良好的固控设备，在数量上和质量上还远远不能满足现场需要，国外近几年发展的多层可局部更换式震动筛，国内仍很少应用；
（4）基础理论研究有待进一步深入，仪器设备水平与国际相比仍有一定差距；
（5）深井、超深井、特殊工艺井钻进速度、成本、综合效益与国外比还有一定差距，这与钻井液技术有重要关系；
（6）环保方面起步较晚，应积极进行无毒原材料处理剂、钻井夜完井液研究，加速钻井液固液分离、废弃钻井液无害化处理以及钻井液固化（MTC）等技术的研究工作。
5、钻井液新技术展望
随着国内外钻井技术向高难度方向的发展，对钻井液技术也提出了更高的要求，根据近期研究情况分析，预计在今后研究的重点应在以下几方面：
（1）钻井液强化井壁稳定技术
井壁失稳的物理-化学-力学耦合研究、化学固壁技术研究、钻井液活度平衡防塌技术研究、盐岩层蠕变规律研究以及合成基（仿油基）钻井液研究将有较大程度进展。
（2）复杂地质条件下的深井、超深井、水平井、大位移井、特殊工艺井钻井液技术研究
（3）保护油气层技术
（4）废弃钻井液处理技术
（5）新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用研究
1-2钻井液的功能、组成及其分类
1、钻井液的功能
钻井液是钻井工程的重要组成部分，是保证安全、快速、优质钻井的重要技术之一，因此，钻井液被誉为钻井的血液，主要功能有：
（1）携带和悬浮岩屑
这是钻井液首要的和最基本的功能，钻井液通过自身的循环流动，将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，保持井眼清洁，使起下钻顺利，保证钻头始终接触和破碎新鲜地层，避免重复重复切割重复破碎，钻屑悬浮在钻井液中，避免沉砂卡钻。
如果钻井液的切力太小，不能悬浮和携带钻屑，将会给钻井工程带来很大麻烦。
（2）平衡地层压力稳定井壁
井眼稳定、井径规则是实现安全、优质、快速钻进的基本条件，性能良好的钻井液，不仅可以悬浮和携带岩屑，还可以借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而致密的泥饼（mudcake），从而稳固井壁，减弱、抑制、防止井壁泥页岩的水化、膨胀、分散、剥落掉块和井壁坍塌。
钻井液具有一定密度，液柱压力可以平衡地层压力，防止井壁坍塌、井喷等井下复杂事故
（3）冷却、润滑钻头和钻具
钻头在井下高速旋转破碎地层，放出大量热量，钻头和钻具与井壁摩擦也会产生热量，另外深部地层内部温度也比较高，钻井液可以通过自身的循环作用将热量携带至地面并放掉。
钻井液和可以降低钻头、钻具与地层之间的摩阻，延长了钻头、钻具的使用寿命。
（4）传递水动力
钻井液从钻头喷嘴高速喷出，冲击井底岩石，协助钻头破碎岩石，即水力破岩作用。
高压喷射钻井正是利用这一原理，采用高泵压钻进，从而显著提高了钻井速度。
使用涡轮钻具钻进，即是利用钻井液在钻杆内的高速流动冲击涡轮叶片，使叶轮旋转，并带动钻头旋转破碎地层。
（5）传递井下信息、及时发现油气显示和高、低压地层
钻井液携带至地面的岩屑、油、气、水等信息，可以显示井下地层含油气情况，我们称之为“钻井液录井”或“岩屑录井”。
但钻井液出现涌、喷等现象时，表示已钻进高压地层，则需要加重钻井液进行压井，否则会出现井下事故或复杂，井涌或井喷往往又是进入油气储层的前兆。
钻井液进多出少或有进无出，则可能钻至低压、漏失地层或由于钻井液密度过大将地层压漏，此时应采取相应措施进行堵漏，否则造成钻井液巨大浪费。
（6）悬浮加重剂、套管和钻具等
当钻遇高压地层时需要加重剂提高钻井液密度，进行压井，因此钻井液应具有足够的粘度和切力以悬浮加重剂，同时钻井液的流变性等其它性能不能产生太大变化。
钻井液对钻具和套管的选副作用可以大大减轻井架的支撑作用。
（7）保护油气层
当钻井液进入油气层，我们也可以称其为完井液。
对于某一特定油气层，如果其原始状态不变，它的产能是一定的，但由于钻井液与地层的不配伍，或配伍性差造成了地层永久性伤害（如固相颗粒堵塞、粘土膨胀等），因其油气层渗透率下降，产能降低的现象，称之为油气层损害。
（8）保护环境和人身健康
钻井液应有利于保护环境和人身健康，这也是我们广大钻井液工作者今后努力的方向。
2、钻井液的组成
基本组成
3、钻井液分类
（1）分类
（2）钻井液体系简介
a.分散钻井液（DispersedDrillingFluids）
基本组成：
淡水+膨润土+添加剂
优点：
固相容量高，滤失造壁性较好，耐温能力较强
缺点：
抑制性差，不利于防塌，易受污染（盐、钙侵，劣土造浆等），油层保护能力差，由于固相容量高造成钻井液中亚微米颗粒多，影响钻井速度。
b.钙处理钻井液（Calcium-treatedDrillingFluids）
特点：
体系中含有一定浓度的Ca2+离子和分散剂，可以减弱钠膨润土的分散程度，保持适度絮凝，因此钻井液体系抗盐、钙污染能力较强，对地层粘土具有一定的抑制水化分散作用，能够减轻油其层的损害，但该体系固相含量较分散钻井液还高。
配制原理：
通过调整Ca2+浓度和合适加量的分散剂（如降粘降滤失剂），实现控制配浆粘土的分散絮凝的相互关系，最终使配浆粘土处于适度絮凝的粗分散状态，来获取必要的性能，满足钻井工程要求。
分类：
Ca2+
c.盐水、饱和盐水钻井液体系
利用盐水或海水配制而成
抑制能力强，对付大段盐岩层和复杂的盐膏层。
饱和盐水钻井液液可用作完井液和修井液。
d.聚合物钻井液（PolymerDrillingFluids）
钾基聚合物钻井液（Potassium-basedPolymerDrillingFluids）、聚合物不分散钻井液（NondispersedPolymerDrillingFluids）。
使用具有絮凝或包被作用的高分子聚合物作为主要处理剂。
钻井液密度和固相含量低，可以明显提高钻速，减少油气层损害；
剪切稀释特性好，粘度切力高，具有较好的悬浮和携带岩屑的能力；
抑制性好，有利于保持井壁稳定。
钾基聚合物钻井液：
以各种钾盐（铵、钠、钙）和KCl作为主处理剂，抑制粘土水化分散能力强，钾离子具有晶格固定作用，防塌效果理想。
不分散聚合物钻井液：
指钻屑不分散，使用选择性高分子絮凝剂，包被钻屑、抑制分散，最终将其从钻井液中除去。
e.油基钻井液（Oil-basedDrillingFluids）
以油（柴油或矿物油）作为连续相的钻井液体系。
抗高温，具有很强的抑制性，抗盐抗钙污染能力强，润滑性好，保护油气层效果好；
成本高，风险大，环保性能差。
f.气体型钻井流体（Gas-typedDrillingFluids）
主要用来对付低压、易漏、井壁相对稳定不易坍塌地层。
密度低，钻速快，可有效保护油气层，防止井漏。
空气或天然气钻井流体（Air/NaturalGasDrillingFluids），关键技术在于必须有足够大的注入压力，以保证能达到将钻屑从井底携带至地面。
雾状钻井流体（MistGasDrillingFluids），少量液体分散于气体中，介于空气钻井流体和泡沫钻井流体之间的一种过渡形式。
泡沫钻井流体（FoamDrillingFluids），将气体（一般为空气）分散在液体中，并加入适量发泡剂和稳泡剂而形成的分散体系。
充气钻井液（AeratedDrillingFluids）,将气体（一般为空气）均匀的分散于钻井液中。
g.保护油气层的钻井液（Drilling-inFluids）（或称为完井液）
在储集层中钻进时使用的钻井流体。
为满足钻井工程、地质以及保护油气层的要求，与正常钻进相比往往需要做出适当调整，如密度和流变参数应调整在合理范围内，滤失量应尽可能低，所选处理剂与油气层配伍性好，并加入合适的暂堵剂等。
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础
2-1粘土矿物的基本构造和性质
一、粘土、粘土岩、粘土矿物
1、概念
粘土矿物是泥页岩的主要组成成分，而钻井所遇地层的75%以上是泥页岩地层，其它种类地层也含有大量粘土或粘土矿物；
粘土矿物是钻井液的重要组成部分。
粘土：
疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
粘土岩：
粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。
粘土矿物：
细分散的（≤2um）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的。
2、为什么讲粘土矿物？
粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造和性质对钻井液的性能具有十分重要的影响。
钻井过程中井眼的稳定性，以及油气储层的保护等均与粘土矿物有着密切的关系，因此需要了解粘土矿物及其胶体化学特性。
3、粘土矿物的特性
粒径小<
2um，具有带电性、膨胀性、吸附性和凝聚性四大基本特性。
（书中的分散性、带电性、离子交换性和水化性不够确切）
二、粘土矿物的基本构造
1、粘土矿物基本构造单元
粘土矿物的基本构造单元（晶体单元）简称晶元，晶元——晶片（基本构造单元片）——晶层（基本构造单元层）——粘土颗粒（基本构造单元层聚集体）——粘土、粘土岩
粘土矿物基本构造单元（晶元）是硅氧（Si-O）四面体和铝氧（Al-O）八面体，硅氧四面体由一个硅原子和四个氧原子组成，四个氧原子分别位于四面体的四个顶点，硅原子位于四面体的中央；
而铝氧八面体则是由一个铝原子和六个氧原子组成，六个氧原子分别位于八面体的顶点，铝原子位于八面体的中央。
结构如下图示：
顶氧
底氧
氧或羟基
位于硅氧四面体底面的三个氧原子叫做底氧，位于硅氧四面体顶部的氧原子叫做顶氧，无数个硅氧四面体共用底氧在平面上无限延伸，形成了硅氧四面体晶片，因此晶片底面组成呈六角网格状，其内切圆直径为0.288纳米（钾离子直径为0.266纳米，因此刚好镶嵌其中）。
同样铝氧八面体单元在平面上无限延伸形成铝氧八面体晶体结构单元晶片。
晶片按照一定的组合方式组合（常见的为1:
1型或2:
1型），形成了粘土矿物基本结构晶层，如高岭石（1:
1型），伊利石和蒙脱石（2:
1型）。
1:
1型即一层硅氧四面体与一层铝氧八面体组成，硅氧四面体片的顶氧取代了铝氧八面体片的部分氧或羟基，构成了铝氧八面体的一部分，2:
1型即两层硅氧四面体的顶氧分别取代一层铝氧八面体上的部分氧或羟基，可简单表示为：
基本构造单元层在平面上无限延伸，纵向上重复叠置，便形成了粘土矿物的基本颗粒，基本颗粒堆积（聚集）形成粘土矿物。
由于高岭石是1：
1型粘土矿物，铝氧八面体片上存在羟基，因此硅氧四面体片与铝氧八面体片之间，存在氢键+范氏力（分子间作用力也叫范德华力），作用力强，层间距小不易水化。
而蒙脱石的硅氧四面体片之间为范氏力，作用力较弱，易水化膨胀，伊利石由于钾离子的存在，正好镶嵌在硅氧四面体六角网格中间，起到固定作用（晶格固定作用），除范氏力外还有离子间作用力，所以也不易水化。
2、常见粘土矿物简介
（1）高岭石、蒙脱石和伊利石
粘土矿物
高岭石
蒙脱石
伊利石
晶体类型
1
2:
层间力
氢键力
范氏力
分子力,晶格固定
层间距，nm
0.72
0.96~4
层间离子
无
Na+/Ca2+
K+
电荷来源
晶体边缘断键
Mg2+或Fe2+取代Al3+
Al3+取代Si4+
晶格取代
几乎没有
有晶格取代
CEC,mmol/kg土
30~150
700~1300
10~400
比表面积,m2/g土
9~70
600~850
65~180
其它
层间水化难
易水化
不易水化
一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少，因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。
（2）海泡石族
海泡石俗称抗盐土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐矿物，主要包括：
海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等。
它的晶体构造多为纤维状，其特点是：
硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反方向对列，并且相互间被其它的八面体氧或氢氧群所连接，铝或镁位居八面体的中央，同时，构造中还保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道。
实验证明，海泡石和凹凸棒石不仅抗盐性好，抗温性亦比膨润土好。
目前钻井中使用的海水钻井液、盐水（饱和盐水）钻井液一般使用海泡石配浆，而抗高温钻井液则一般使用凹凸棒石作为配浆粘土，性能要比普通造浆土好得多。
三、粘土矿物的性质
1、带电性
（1）永久电荷
晶格取代：
粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子所取代（置换），但晶体结构不变的现象。
由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电。
伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位置不同（伊利石取代位置是硅氧四面体，而蒙脱石则为铝氧八面体），因此层面电荷密度不同，水化难易程度不同。
（2）可变电荷（+/-）（表面电荷）
粘土矿物晶体边面断键处受分散介质化学变化引起的，粘土矿物晶片最终的带电性取决于两种电荷间的强弱对比关系。
如高岭石：
（3）粘土矿物的带电量及其影响因素
a.带电量评价：
CEC（阳离子交换容量）
CEC：
pH值等于7的水溶液中1千克粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。
CEC越大，粘土片带电性（-）越强，粘土越容易水化膨胀和分散
b.影响因素：
粘土类型；
分散程度；
CEC；
pH值等
2、吸附性
吸附：
吸附质在吸附剂表面上浓集的现象。
分类
（1）离子交换吸附
粘土矿物表面上离子（通常为补偿性阳离子）与溶液中同号离子间的交换作用。
如自然界中的膨润土（即蒙脱土）绝大多数为钙蒙脱土，可转化为钠蒙脱土，
Ca2+土+Na2CO3——2Na+土+CaCO3
（2）特点
同号、等电量、可逆
（3）影响因素
a.离子价数离子价数越大越容易发生离子交换
b.离子半径离子半径越大离子水化半径越小，离子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换能力由弱到强的排列顺序为
Li+<
Na+<
K+（NH4+）<
Mg2+<
Ca2+<
Ba2+<
Al3+<
Fe3+<
H+
c.离子浓度离子浓度越大交换能力越强
3、粘土矿物的水化膨胀性
（1）基本概念
水化（亲水性）：
粘土矿物表面容易吸附较多水分子的能力。
水化效应：
粘土矿物吸水后引起的宏观变化，如膨胀、分散、力学性能参数的变化等。
评价方法：
吸水量法和膨胀量法
吸水量：
总吸水量，单位重量土吸附水的总量（重量或质量）；
比亲水量：
单位表面积吸水量（相当于表面水化膜厚度）。
泥页岩比亲水量界面物理化学含义示意图
膨胀量：
单位重量粘土的膨胀体积（体积不受限制），另外一种表示方法水化应力，即体积保持不变时，泥页岩水化所产生的应力效应。
（2）粘土矿物水化膨胀机理
a.表面水化膨胀（晶格膨胀）：
粘土矿物表面水化作用引起的膨胀现象
动力：
表面水化能，增加，膨胀增加
b.渗透水化膨胀：
粘土晶层间的阳离子浓度大于溶液中的阳离子浓度，溶液中的水分子发生浓度差扩散，进入粘土晶层间，形成扩散双电层，引起晶层间距增大的现象。
粘土晶层间阳离子与溶液阳离子浓度差，增大，膨胀增加
c.毛细管作用：
粘土颗粒、晶层之间存在着微小的孔隙或微裂缝，因此水分子可以沿着这些孔隙或微裂缝进入粘土晶层或颗粒之间引起粘土晶层间距增大。
（3）粘土矿物水化膨胀的影响因素
a.粘土的带电量，增加，膨胀性增大
b.粘土矿物种类，蒙脱石>
伊利石>
c.粘土矿物补偿（可交换）阳离子种类有关，如钙土（Ca2+）晶层间距最大可达1.7nm，而钠土（Na+）晶层间距可达4nm。
d.溶液中的离子浓度，离子浓度增加，严重压缩双电层
结果：
e.温度、湿度等条件有关
4、粘土矿物的凝聚性
（1）概念：
粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
粘土颗粒的联结：
絮凝和聚结（集）
（2）粘土颗粒联结方式
（3）粘土颗粒在水分散体系中的存在状态
粘土颗粒的存在状态决定了粘土悬浮体系的流变性和滤失造壁性（8种）
粘土颗粒存在状态
试验：
淡水泥浆钙侵后，失水增大，产生絮凝，粘土颗粒逐渐增大，进一步增加钙离子浓度，最终破坏粘土颗粒的网架结构，形成水土分离的现象。
其原因：
带电离子压缩双电层，使粘土颗粒水化膜变薄，颗粒间的斥力下降，产生絮凝，进一步压缩双电层，粘土颗粒表面ζ（-）电位继续下降，粘土颗粒便会聚结下沉。
泥浆的失水和粘度变化规律
2-2粘土胶体化学基础
一、胶体的来源
胶体一词最早由英国科学家ThmasGraham于1861年提出的，当时由于近代的分子运动理论才成立，胶体一词的应用只限于气体。
Graham最早将该新理论应用于液体体系，他系统的研究了物质在溶液中的扩散。
他将一块羊皮纸缚在一个玻璃筒上，筒中装着要试验的溶液，然后把筒浸在水中，他研究的物质较多，如糖、无机盐、尿素等，扩散较快，很容易从羊皮纸渗析出来；
而另外一些物质明胶、氢氧化铝、硅酸等扩散很慢，不能或很难透过羊皮纸，前一类物质当溶剂蒸发时易于成晶体析出，而后一类物质则不能结晶，大多成无定形胶状物质，于是Graham把后一类物质称作胶体（Colloid），其溶液称之为溶胶。
二、基本概念
1、相和相界面
相：
物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。
相界面：
体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。
相与相之间的接触面称为相界面。
2、分散相和分散介质
分散相：
在多相分散体系中，被分散的物质称之为分散相。
分散介质：
包围分散相的另一相称为分散介质。
例如：
我们的钻井液，水基钻井液中粘土颗粒分散于水中，则粘土为分散相，水为分散介质；
油基钻
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