钻井与完井工程教材第三章钻井液

1第三章 钻井液一口油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性质和性能。钻井液始终是为钻井工程服务的，它的发展与钻井工程的发展紧密相关。由于初期的钻井液是由最简单的泥土和水组成， “泥浆”就成为钻井液沿用至今的代名词。实际上，这种称呼既不正确更不准确。钻井液的定义是指具有各种各样功能以满足钻井工程需要的循环流体。第一节 钻井液的功能、组成和类型一、钻井液的功能油气钻井的基本功能是打开找油、找气和采油、采气的通道，是实现油气勘探开发的重要工程手段。为油气钻井、完井服务是钻井液的目的，钻井、完井的需要是钻井液发展的动力。因此，钻井液的功能就体现在油气井钻井、完井的两个方面，即在整个钻进过程中，要保持安全优质快速低成本钻井；在进入油气层时，要具有保护储层的作用。所以，钻井液的功用也就是钻井、完井对钻井液的基本要求。在钻井方面，钻井液的主要功能有 清洗井底，携带岩屑。 冷却、润滑钻头和钻柱。 形成泥饼，保护井壁。 控制和平衡地层压力。 悬浮岩屑和加重材料。 提供所钻地层的地质资料。 传递水功率。 防止钻具腐蚀。在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功用是保护油气层的渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。主要表现在以下两方面： 控制固相粒子含量及级配，防止固相粒子对油气层的损害。 保持液相与地层的相容性。二、钻井液的组成和类型钻井液属于复杂的多相多级胶体-悬浮体分散体系。它既可以是固体分散在液体中，或者是液体分散在另一种液体中，也可以是气体分散在液体中，或者是液体分散在气体中所形成的分散体系。钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。各相具体成分可以是：然 气 等 ）气 体 （ 空 气 、 氮 气 、 天油 （ 轻 质 油 等 ） 盐 水 等 ）水 （ 淡 水 、 盐 水 、 饱 和分 散 介 质2水 ， 气 ， 油 矿 粉 等 ）加 重 材 料 （ 重 晶 石 ， 铁 ， 有 机 土 ， 抗 盐 土 等 ）膨 润 土 （ 钠 、 钙 膨 润 土分 散 相处理剂（各种维护分散体系稳定和调整分散体系性能的化学添加剂） 。在以水为连续相的水基钻井液中，通常用重量体积百分含量表示钻井液配方中各组分，不考虑处理剂本身的体积。例如，某种水基钻井液组分为：1000ml 水 + 50g 膨润土 + 20g处理剂。用组分表示的钻井液配方为：5%膨润土浆+2%处理剂。随着钻井工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液已有各种不同的分类方法，其中较简明的分类方法有以下几种：按照密度大小可将钻井液分为高密度钻井液和低密度钻井液，高低密度的界限一般为1.35g/cm3。按照与粘土水化作用强弱程度可将钻井液分为抑制性钻井液和非抑制性钻井液；按照连续相性质可将钻井液分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液。根据美国石油学会(API)和国际钻井承包商协会(IADC)认可的钻井流体共有九个类别：不分散钻井液；分散钻井液；钙处理钻井液；聚合物钻井液；低固相钻井液；盐水钻井液；油基钻井液；合成基钻井液；空气、雾、泡沫和充气钻井流体（俗称低压钻井液） 。1.不分散钻井液（Non-dispersed Drilling Fluids ）该类型钻井液特指未经处理的天然泥浆或者仅仅轻度处理的泥浆，用在浅井或者上部井段钻进。一般不添加处理剂或者用极少量处理剂处理。需要说明的是，此处的“不分散”是指不作任何处理（或少量处理）的意思，与我国定义钻井液中加入有机高分子絮凝剂和包被剂以增强钻井液抑制性的不分散含义不同。2.分散钻井液（Dispersed Drilling Fluids）该类钻井液是指以水、膨润土和各类分散剂（如木质素磺酸盐、褐煤或单宁）配制而成的水基钻井液。通常用在需要高密度的中深井、深井或对井壁泥饼质量要求严格的地区钻井。3.钙处理钻井液（Calcium treated Drilling Fluids）滤液中钙离子含量大于 120mg/l 的钻井液，其特点是抑制粘土水化和抗可溶盐侵污能力强。根据提供钙离子的无机盐类型又分为石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液。4.聚合物钻井液（Polymer Drilling Fluids）主要靠天然改性的或者人工合成的线性长链高分子聚合物调整钻井液的流变性、滤失性等工艺性能，由于长链高分子聚合物对钻屑有包被作用，因而对钻屑有比较强的稳定作用。该类型钻井液可用于浅井、深井，是目前国内外使用最普遍的钻井液类型。5.低固相钻井液（Low Solids Drilling Fluids）这种钻井液的核心是控制固相的总量和固相类型，以利于提高钻井速度。其标准为：总固相体积百分含量在 610%；粘土含量小于等于 3%；钻屑与膨润土之比小于 2。6.盐水钻井液（Saltwater Drilling Fluids ）主要指无机盐酸盐钻井液。盐水钻井液的含盐量可由 10000ppm 到饱和含量。盐的含量3可来自配浆水、地面加盐或井下钻遇的岩盐层。根据特定要求可采取各种不同的盐类（氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等） 。7.油基钻井液（Oil Based Fluids）油基钻井液包括两种类型：纯油基钻井液和油包水乳化钻井液（又称逆乳化钻井液） 。纯油基钻井液仅由柴油（原油或白油）加上沥青或有机膨润土及有关化学处理剂组成，配方里面本身不含水，少量的水来自所钻进的地层。通过酸、碱皂和柴油浓度的调节来维持粘度和凝胶性能。主要用于油气层保护、井壁稳定和抗可溶盐侵污。油包水乳化钻井液以柴油或原油作连续相，以氯化钙盐水或其它亲油粉末状物质作非连续相（乳化相） ，加入乳化剂等处理剂配制而成。主要特点是：热稳定性高，有较好的防塌效果，对油气层损害小，常用于超深井的高温井段、钻进易塌地层和低压油气层。8.合成基钻井液（Synthetic Drilling Fluids）合成基钻井液具有油基钻井液的性能却不对环境造成损害，该钻井液的主要类型为酯、醚、聚烯烃和异构化烯烃钻井液。近年来已经发展了两代：第一代合成基钻井液，基液有酯类、醚类、聚烯烃 (PAO)、醛酸醇等；第二代合成基钻井液的连续相是线性烷基苯、线性烯烃(LAO)、内稀烃(IO)、线型石蜡(LP)。第一代合成基液比第二代润滑性能好、毒性低。但第二代合成基液来源较广，生物降解(无论在有氧或厌氧条件下)速度快，粘度低，可配制低油水比(60/4065/35)的钻井液(而第一代合成基液仅能配较高油水比(75/2570/30)的钻井液)；因而第二代合成基钻井液成本低、对环境造成的影响小、钻井效率高。9.空气、雾、泡沫和充气体系（Air、Mist、 Foam and Aerated System）这四种钻井流体是服务于低压钻井技术的特殊流体。空气是指经脱水后的干空气钻井流体，这种干空气以能够清除环空钻屑的速度注入井筒，保证钻进的正常进行，其它气体如氮气、柴油机废气等也具备这种作用；雾化钻井流体则是将起泡剂注入含水的空气流中混合形成；泡沫流体由表面活性剂和少量的粘土及部分聚合物与水组成，由于泡沫的循环粘度很高，其携带岩屑的能力很强。充气流体依靠向钻井液中注入空气（降低流体静水压力）来实现消除井眼内钻屑的目的，与泡沫流体相比，充气流体的气液比相对较小。第二节 粘土胶体化学基础大多数钻井液是粘土-水的胶体悬浮体系，因而胶体悬浮体系的性能直接影响到钻井液的工艺性能，进而影响到钻井工程的安全。学习钻井液中常用的粘土矿物和粘土胶体化学的基础知识，对于今后理解和掌握钻井液体系的稳定性原理、化学处理剂的作用原理和钻井液工艺性能的维护控制原理具有重要意义。一、粘土胶体化学的几个基本概念相和相界面、分散相和分散介质、分散度和比表面积是粘土胶体化学中经常用到的几个基本概念，在学习本节之前，需要首先明确其概念并加以掌握。1.相和相界面相是指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。体系中若有两个或两个以上的相，称为多相体系。如纯水是单相体系，含有粘土的钻井液体系是多相体系。相界面则是相与4相之间的宏观物理界面。通常，在相互接触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。若是液相与固相的分界面，称为界面。2.分散相与分散介质分散相是指在多相分散体系中被分散的物质。分散介质则是分散相所在的连续介质。例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。3.分散度和比表面积分散度是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将分散度表示为：（3-1）L1颗 粒 平 均 直 径分 散 度比表面积是单位体积（V）或单位重量（W）物质的总表面积。用数学式表示为：（3-2）WSV比 表 面 积（3-2）式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高，两者有相互对应的关系。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点粘土是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。粘土颗粒的粒度通常小于25微米，主要矿物成分由粘土矿物、非粘土矿物和胶体矿物组成。粘土矿物是含水的层状及层链状构造铝硅酸盐的总称。其特点是具有相对固定的化学组成和确定的内部结构内部格子构造。1.粘土矿物的两种基本构造单元（1）硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体由一个硅离子和四个等距的氧离子配位组成的正四面体。硅离子在四面体的中心，氧离子在四面体的顶点。硅离子与各氧离子之间的距离相等，如图3-1所示。在图中，四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体顶点一个氧离子为顶端氧。氧离子之间距离2.6110 -1nm。硅离子与氧离子距离为1.6110 -1nm。单个四面体与若干个相邻四面体通过底氧相连，构成平面连续的四面体晶格。见图3-2。四面体片的分子式为【Si 4O10】 4-.。由图3-2可见，四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一个平面上，平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。由于四面体片含o Si图 3-1 硅氧四面体图 3-2 硅氧四面体片5有负电荷，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存在。（2）铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧（有时为铝-氢氧）八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离子团，铝、铁或镁离子处于正八面体中心，六个氧离子或氢氧离子处于八面体顶点，如图3-3所示。八面体中心位置通常由体积较大的阳离子Al 3+、Mg 2+、Fe 2+和Fe 3+配位，而不适应象Ca 2+、Na +或K +等体积更大的阳离子配位。在图中，八面体氧离子之间距离为2.60埃，氢氧离子之间距离为2.9410 -1nm。铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧离子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图3-4所示。如果每三个八面体中心只有二个中心被Al 3+、Fe 3+等三价离子占据，留下1/3空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。当八面体片的中心全被Mg 2+、Fe 2+占据时，这种晶片称为三八面体晶片，又叫镁氧片。与四面体片不同，八面体片能够独立地存在。（3）晶片的结合四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层，即晶层。许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而构成晶体。能代表晶体性质的单位层内最小物质组合叫单位晶胞。常以a、b轴范围表示其大小。某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离叫C轴间距，如图3-5所示，。四面体片与八面体片的相互结合构成了层状硅酸盐矿物的基本结构层。按照四面体片和八面体片的配合比例，可以把层状构造硅酸盐矿物的基本结构层分为1：1层型和2：1层型两个基本类型。单独的1：1型层或2：1型层可以是电中性的，也可以是由于晶格取代（在晶体结构保持不变的条件下，中心高价阳离子被低价阳离子取代的现象）等原因而带负电荷。为了平衡负电性，晶层间必然吸附了一些阳离子作为补偿阳离子。在有水存在时，补偿阳离子的部分或者全部可能被溶液中的其它阳离子交换，这部分补偿阳离子成为交换阳离子。交换阳离子的多图 3-3 铝氧八面体氢氧 铝氢氧 铝图 3-4 铝氧八面体片CC 间距ba图 3-5 晶片结合示意图CaC间距b6少用阳离子交换容量CEC表示（一般以每100克干粘土所吸附的可交换阳离子的毫克当量数表示）。由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子等的不同，加上结晶学上的有序-无序和多型等现象，就使得自然界粘土矿物的种类繁多。2.几种主要粘土矿物的晶体构造（1）高岭石（Kaolinite）高岭石的单元晶层构造由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体。四面体晶片与八面体晶片通过共用氧原子连接在一起。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。如图3-6所示。高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为Al 4Si4O10(OH)8。因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故也称为1：1型粘土矿物。在高岭石单元晶层中，一面为OH层，另一面为O层，由于OH键具有强极性，晶层与晶层之间容易形成氢键，因此，晶层之间连接紧密，晶层间距仅为7.210 -1nm，高岭石的分散度较低且性能稳定，几乎无晶格取代现象。故高岭石矿物在溶液中阳离子交换容量小，水分子不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好，一般不用作钻井液的配浆粘土。（2）蒙托石（Montmorillonite）蒙托石是2：1型层状构造硅酸盐，由两层四面体片中间夹一层八面体片组成。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体，如图3-8所示。蒙托石矿物的结晶构造天然具有晶格取代的现象，晶格取代多发生在二八面体片中间，即由低价的Fe 2+、Mg 2+等取代高价的Al3+，构造单元层剩余电荷为0.20.6。单位层间含有水分子和补偿性阳离子Na +和Ca 2+，这些补偿性阳离子是可以被溶液中其它阳离子交换的。蒙托石的阳离子交换容量为70130毫克当量/100克土。蒙托石单位晶层两面均为O层，晶层间依靠分子间力连接，引力小，连接不紧密，水分子容易进入晶层之间而发生膨胀，水化分散性好，造浆能力强，是配制钻井液的好材料。（3）伊利石（illite）OH O 硅图 3-7 高岭石晶体结构平面图C间距图 3-8 蒙托石晶体结构平面图7伊利石也称为水云母，是2：1型粘土矿物，其晶体构造与蒙托石类似，主要区别在于晶格取代比蒙托石多，取代作用主要发生在四面体中，铝离子取代四面体里的硅。晶格取代作用也可以少量发生在八面体中，典型的是Mg 2+和Fe 2+取代Al 3+，其单位晶胞剩余电荷为0.61.0，比蒙托石的高11.5倍，产生的负电荷主要由K +来平衡。伊利石单位晶层间距为1010-1nm。伊利石的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，层间补偿阳离子K +与晶层负电荷之间的静电引力比氢键还强，加之K +的体积大小刚好嵌入相邻晶层间的氧离子网格形成的六角形空隙中，起着一定的固定作用，所以，伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也不是配制钻井液的好材料。伊利石晶层间的钾离子难以与其它阳离子发生交换，但是，在伊利石矿物颗粒外表面的阳离子却能够发生阳离子交换。伊利石阳离子交换容量为1040毫克当量/100克土。除了常见和常用的蒙托石、高岭石和伊利石层状粘土矿物外，还有伊利石/蒙托石等间层矿物和链状构造的铝镁硅酸盐矿物，如海泡石、坡缕石等，可参考有关书籍阅读，本节不再叙述。三、粘土-水悬浮体系的胶体化学1.粘土-水界面扩散双电层（1）电泳与电渗1809 年莱斯（PeHcc）观察到水中粘土颗粒在直流电场中向阳极移动的现象。后来了解到，许多胶体体系都有类似的现象，若将二电极插入胶体溶液而通以电流，即可发现胶粒向阳极或阴极移动。在电场作用下，胶体颗粒在介质中向某一电极移动的现象，称为电泳；若固相不动而液相对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象称为电渗。电泳现象表明：胶体粒子是带电的。（2）扩散双电层的形成与结构既然胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面；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胶粒周围，构成扩散双电层。在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠固体表面密度高，形成紧密层（吸附层） ，如图 3-9 所示。图 3-9 扩散双电层模型_吸附层 扩散层反离子x-距离同号离子0 X滑动面 过剩反离子8假如固体表面吸附的反离子为负离子，随着与界面的距离增大，负离子的分布由多而少，到了正电荷的电力线所不及的距离处，过剩反离子的浓度就等于零。从固体表面到过剩反离子为零处的这一层称为扩散双电层。反离子是溶剂化（例如水化）的，固体表面上紧密地连接着部分反离子，构成图 3-9 中的吸附溶剂化层（紧密层） 。其余的离了带着其溶剂化壳，扩散地分布到液相中，构成扩散层。当胶粘运动时，界面上的吸附溶剂化层随着一起运动，与外层错开。吸附溶剂化层与外层错开的界面称为滑动面。（3）扩散双电层中的电位从吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相（过剩反离子为零）内的电位，称为电动电位（或 Zeta 电位，又写作 ） ；从固体表面到均匀液相内部的电位，称为热力学电位（ 0） 。热力学电位决定于固体表面所带的总电荷，而 Zeta 电位则取决于固体表面电荷与吸附溶剂化层内反离子电荷之差。如图 3-10 所示。1）电动电位（ 电位）电动电位是扩散双电层的重要特点，它与胶体体系的稳定性密切相关。从图 310 可以看出，电动电位（）的数值取决于吸附层滑动面上的净电荷数，也就是取决于扩散层中的反离子数。如图 39 中，定势离子带 10 个正电荷，吸附层中有 4 个负电荷，则滑动面上的净电荷数为 6 个负电荷，此值与电动电位相对应。吸附层（紧密层）中的电位降为直线下降。根据赫姆霍兹-斯茅拉朝维斯基（ HelmhohzSmoluchowski）公式，胶体电动电位（电位）的计算如下：(3-3)230DEV4式中，电动电位，伏；V电泳速度，cms；E电位梯度，等于电泳池两端电压除以电极距离，伏cm；介质粘度，mPa.s；D液体介电常数，在 20时水为 80；3002单位换算系数。上式中常数 4 仅适用于板状、棒状胶体。如果是小的球形胶体颗粒则用 6。层状构造粘土颗粒通常为板状，而层链状构造粘土颗粒则为棒状。2）扩散层电位扩散层电位比较微弱，随距固体表面的距离 x 而变化，服从指数关系，即扩散层电位（）按指数关系下降，如下式：（3-4）Kexp000 x图 3-10 双电层中的电位9式中，扩散层中任一点的电位；0热力学电位（表面电位） ；K德拜常数；lK离子氛（扩散双电层）的厚度；x离开表面的距离。显然，当 x=lK 时，(3-5)e/0由该式可以看出，在距离 x 等于 1/K 处，电位下降为 0 的 1/e 倍。当 x时，0。当 x 等于零时，= 0。3）电解质对双电层厚度和电动电位（）的影响胶体的聚结稳定性与双电层厚度、电动电位大小有密切关系，双电层愈厚， 愈大，胶体愈稳定。根据强电解质的德拜一休格理论，双电层的厚度主要决定于溶液中电解质的反离子价数与电解质的浓度，因为：(3-6)21enZkTK/1式中，n电解质浓度；Z电解质中离子价数（系均称电解质，如 NaC！，MgSO 4） ；k坡兹曼常数；T绝对温度；e电子电荷；S介电常数。由式（3-6）可以看出，随着加入电解质浓度的增加，特别是离子价数的升高，离子氛（即扩散双电层）厚度下降。在溶液中加入电解质，扩散双电层厚度下降的原因是加入电解质后，将有更多的反离子进入吸附层，结果扩散层的离子数目下降，这就导致双电层厚度下降，电动电位下降（电解质压缩双电层的作用） 。当所加电解质把双电层压缩到吸附溶剂化层的厚度时，胶粒即不带电，此时电动电位降到零。这种状态称为等电态。在等电态，胶体容易聚结。如果高价反离子进入吸附层，使 电势改变符号，称再带电现象。此时，胶粒电荷反号，电泳方向改变，如图 3-11 所示。等电点 x-图 3-11 电解质浓度对 电位影响x12104）粘土水界面双电层的特点由于粘土矿物呈片状，其晶体表面与端面结构不同，因此，可以形成两种不同的双电层，这就是所谓粘土胶体双电层的两重性。这一点显著地区别于其它胶体，下面分别加以讨论。 粘土片表面上的双电层结构正如前面所述，在蒙脱石和伊利石的晶格里，硅氧四面体晶片中部分 Si4+可被 Al3+取代，铝氧八面体晶片中部分 Al3+可被 Mg2+或 Fe2+等取代。这种晶格取代作用造成粘土晶格层面上带有永久负电荷，于是它们吸附等电量的阳离子（ Na 、Ca 2+、Mg 2+等） 。当将这些粘土放到水里，吸附的阳离子便解离，向外扩散，结果形成了胶粒带负电的扩散双电层。粘土表面上紧密地连结着一部分水分子（氢键连结）和部分带水化膜的阳离子，构成吸附溶剂化层；其余的阳离子带着它们的溶剂化水扩散地分布在液相中，组成扩散层，如图 39 所示。 粘土片端面上的双电层结构粘土矿物晶体端面上裸露的原子结构和表面上不同。在端面，粘土晶格中铝氧八面体与硅氧四面体原来的键被断开了。当介质的 PH 值低于 9 时，八面体处端面上 OH 解离，露出带正电的铝离子，故可以形成正溶胶形式的双电层；而在碱性介质中，端面上的氢解离，裸露出带负电的表面（一 A O-） ，在这种情况下，形成的双电层，其电性与层面上相同。另外，粘土硅氧四面体的端面，通常由于 H 的解离而带负电。但粘土悬浮体中常常有少量 Al3+存在，它将被吸附在硅氧四面体的破键处，从而使之带正电。粘土端面可以形成正溶胶形式的双电层，这一点与电泳实验中粘土颗粒带负电并不矛盾。因为端面所带的正电荷与粘土平表面上带的负电荷数量相比，是很少的。就整个粘土颗粒而言，它所带的净电荷是负的，故在电场的作用下向正极运动。2.粘土-水悬浮体的稳定性钻井液中的粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.12微米），少数在溶胶范围（0.1微米l毫微米）。钻井液是粘土-水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮体的性质。由于粘土-水分散体系具有多级多相性和巨大的表面积，是一种热力学不稳定的分散体系。所以，掌握粘土-水胶质悬浮体的稳定性及其影响因素对于钻井液的配制、使用、维护和处理具有指导意义。（1）沉降稳定性和聚结稳定性多相分散体系的稳定性包括两个方面，沉降稳定性和聚结稳定性。沉降稳定性是指在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，甚至可略而不计，则称该体系具有沉降稳定性。观察钻井液沉降稳定性的方法，是将充分搅拌好的钻井液注满250毫升量筒，静置24小时后，分别量测上、下部分的钻井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降稳定性愈高（一般要求上下密度差不超过0.06g/cm 3）。聚结稳定性则指分散相颗粒是否容易自动粘结变大（即自动降低分散度）的性质。若实际上不自动降低分散度，则称此体系具有聚结稳定性。钻井液是稠的粘土溶胶一悬浮体，其聚结行为很敏感地反映在屈服值的变化上。此外，由钻井液的失水量和泥饼厚度也可间接观察其聚结稳定性。聚结稳定性是沉降稳定性的基础，沉淀稳定性是聚结稳定性的反映。11（2）影响沉降稳定性的因素对一般的分散体系而言，影响沉降稳定性的因素是分散相粒子的大小、分散相与分散介质的密度差、分散介质的粘度。设分散相的粒子为球形，半径为r，它在分散介质中所受的重力为 ，g)0(3r4P下沉时所受的阻力f=6ru。下沉速度u越大，阻力f亦越大，故粒子在分散介质中下沉时不可能无限制地加速，而是会很快地变成等速下沉。令P=f，即重力等于阻力时求出u，就是该颗粒的下沉速度。（3-7）g)(r92u0式中，u分散相颗粒的下沉速度，cms；r分散相颗粒的半径，cm；、 0分别为分散相和分散介质的密度，gcm 3；分散介质的粘度，泊；g重力加速度；981cms 2。上式称为斯笃克定律。下面举例计算粘土颗粒在水中的下沉速度u和下沉1厘米所需的时间（即1u）。设P=2.7，=l.0g/cm 3，=0.015泊，则不同半径的球形颗粒的下沉速度如表3-1所示。表3-1 不同半径的球形颗粒的下沉速度分散状态 粒子半径（r） 下沉速度u，cm/s 下沉1厘米所需时间（1/u）悬浮态 101 2.4710-22.4710-4 40.5秒67.5 分胶 体0.10.011m2.4710-62.4710-82.4710-10112时5分468 天 14 小时113 年 143 天计算表明：分散相颗粒小，沉降稳定性好，而悬浮体的分散颗粒粗，沉降稳定性不好。对于钻井液这类能形成一定结构（有静切力）的体系，钻井液的结构对粘土颗粒的下沉起阻碍作用，这是一种切力悬浮作用，显著地提高了钻井液的沉降稳定性。除了上述影响因素外，对于尺寸小于1微米的颗粒还具有布朗运动。它是由于周围介质分子处于热运动状态，不断撞击这些质点的缘故。在任一状态的悬浮体中，较大的质点每秒钟从各个方向受到几百万次的撞击，结果这些碰撞都互相抵消；且质点受到撞击时，由于质点较大，所发生的位移要比小质点小得多。但若质点很小，到了胶体粒子的程度，则它所受到的撞击次数比大质点要少得多，以至于各撞击彼此完全抵消的可能性很小。它们在某一瞬间从某一方向得到冲量，而在另一瞬间又从另一方向得到不同的冲量，这样，胶体粒子就发生了不断改变着的无秩序的运动。这种运动使胶体粒子能向上扩散而保持悬浮状态，具有较高的沉降稳定性。（3）影响聚结稳定性的因素12在粘土一水分散体系中，粘土颗粒的分散与聚结相互转化，常常是使钻井液性能发生变化的本质。深入分析影响聚结稳定性的因素，对钻井液工艺而言是十分重要的。1）阻碍粘土颗粒聚结的因素双电层斥力 如前所述，粘土胶粒周围形成有扩散双电层。当两个粘土颗粒聚结合并前，必然有个移动的过程，在移动时，随着粘土颗粒一齐运动的仅是吸附层内的反离子，这样，粘土粒子就具有表示负电荷多少的电势，显然，电势越高，颗粒之间的斥力越大，越难以聚结合并。吸附溶剂化层的稳定作用 首先，吸附作用降低了固一液界面的表面能，从而降低颗粒的聚结趋势。同时实验指出，吸附溶剂化层的溶剂（如水化股的水）具有很高的粘度和弹性，这就构成妨碍胶粒聚结的机械阻力。2）引起粘土颗粒聚结的因素颗粒之间的吸力（范德华力） 无论是粘土一水溶胶或是其他胶体，它们的颗粒会聚结合并这一事实说明：颗粒之间存在着在数量上足以和双电层斥力相抗衡的吸力，这就是范德华力。分子之间的引力也是范德华力，但颗粒之间的吸力和分子之间的引力不同，后者与距离的六次方成反比，随分子间距离的增大而急剧减小，作用力范围很小；但对于由许多分子聚集而成的质点颗粒，此力与表面距离的三次方成反比，作用能量则与距离的二次方成反比，作用力的范围较大。所以，当粘土颗粒之间的距离相互靠近到此吸力的作用范围，而且吸力超过斥力时，粘土颗粒之间就发生聚结。电解质的聚结作用 电解质的加入有压缩双电层，降低 电位的作用。当 电位降到一定程度，其静电斥力和吸附溶剂化层的机械阻力减小到不足以阻止胶粒聚结时，体系就要发生明显聚结。聚结作用常以分散相颗粒的沉淀告终，但在有些情况下则引起凝胶的生成。胶粒开始明显聚沉的 电位，称为临界 电位。这个电位很小，约为 25-30 毫伏。使溶胶开始明显聚沉所加电解质的最低浓度，称为聚沉值。一般用“毫克分子升”为单位。从一系列聚沉值测定实验中得出下面规律：电解质中负离子对带正电的溶胶起主要聚沉作用，正离子对负电性溶胶起主要聚沉作用。且其聚沉能力随反离子价的增高而显著增大。例如，一价、二价、三价阳离子对负溶胶的聚沉值之比约为（25100）：（0.52）：（0.010.1） 。此即叔采-哈迪规则。同价离子的聚沉能力亦有差别。例如，负离子相同时，碱金属、碱士金属离子的聚沉能力的大小有如下的顺序（感胶离子序）：Cs+Rb +K +Na +Li +Ba+Sr +Ca +Mg +3）聚结作用与凝胶有些情况下，加电解质于溶胶或悬浮体中并不发生沉淀析出，而是改变了该分散体系的流动性质（表现粘度、塑性粘度、动切应力的数值增大） ，甚至使整个体系失去流动性，变成豆腐块状的凝胶。凝胶是指由于外界条件（如温度、外力、电解质或化学反应）的变化使溶胶（或悬浮体）或高聚物分子相互联结形成的半固体状态。它是分散体系的一种特殊形式，其性质介于固体和液体之间。它实际是一种特殊的絮凝状态。例如钻井液受盐侵、13钙侵时，有时会出现这种情况。产生这种现象的必要条件是：分散相颗粒形状高度不规则（例如片状） ，粒子表面性质不均匀，粒子的浓度足够大。只有具备这些特点，分散相颗粒才能彼此部分粘结，形成凝胶特有的布满整个有效容积的连续网格结构。一般地，钻井液的粘土颗粒浓度都相当大，而且粘土颗粒为片状，其平面和端面的性质很不均匀、不一致（平面处带负电，水化膜较厚；端部有边侧破键，可能带正电，水化膜较薄等） ，具备了生成凝胶的必要条件。钻井液中的粘土颗粒发生聚结时，能以下列几种方式联合，如图 3-12所示。（a）单个分散 （b）面-面重合 （c）端-面联接 （d）端-端联结（e）面 -面重合与端 -面联结 （f）面-面重合与端-端联结 （g）面面重合与端端、端面联结图 3-12 钻井液中粘土颗粒的联结方式图 3-12 中面一面重合的方式将使颗粒的尺寸增大，分散度降低，减少了形成网架结构的粒子数，不利于网架结构的形成，表现为该分散体系的粘度降低；而后面几种联接方式均可形成网架结构。聚结时，上面的几种联接方式可以同时发生，也可能这种或那种方式占优势，从而形成复杂的空间网架结构。这种结构可能是连续的，也可能是一团一团不连续的。颗粒的联接也有松散、紧牢之分，因而网架结构有多有少、有强有弱，它影响着钻井液的流变性质和失水造壁性能。概括而言，凝胶的强度，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。在钻井液中加入较少电解质时，粘土颗粒的 电位下降，颗粒间斥力减小，网架结构增强，因而粘度、切力增大。钻井液降粘剂的作用亦主要是通过吸附（特别是端面上的吸附）减弱粘土颗粒间的联接力，从而大大削弱网架结构强度或拆散其结构而实现的。第三节 钻井液的工艺性能14钻井液的流变性能和失水造壁性能是保证钻井作业正常进行的两项基本工艺性能。这两项性能对于提高钻进速度，保持井下安全，保护油气储集层，降低钻井成本都有着直接影响。一、钻井液的流变性能钻井液的流变性能是钻井液在流动过程的流变性和静止状态下触变性的流体力学表现，主要由粘度、静切应力等流变参数表示。在旋转钻井中，钻井液的循环流动过程为：当钻头靠旋转钻柱向井底加压时，钻井液从钻柱内向下流动，经过钻头喷嘴流出后，产生了冲洗井底及辅助破岩的高速射流，然后钻井液又从井底开始，经过井壁与钻柱构成的环形空间作上返流动。在此期间，被钻头破碎下来的岩屑经高速射流的冲洗作用而脱离井底后，又被环空中流动上返的钻井液携带到地面。当井中上返的钻井液流过地面的振动筛时，把岩屑留在筛布上，于是岩屑便从钻井液中分离出来。然后，无岩屑颗粒的钻井液流经钻井液槽返回钻井液池中。地面上的钻井泵将钻井液池中的钻井液重新泵入钻柱内，进而钻井液再沿着钻柱向下流动。这种钻井液循环流动的不断反复，伴随着一口井的整个钻井过程。按照钻井液在整个循环系统中的作用，在一定的水力能量条件下，要求钻井液的有效粘度（有效粘度是单位流速梯度下钻井液粘滞力大小的反映）在循环系统的不同位置应该具有不同的大小：当钻井液到达钻柱内和钻头喷嘴位置，要求钻井液有效粘度低、流动性好，能降低流动压力损耗，有利于冲洗钻头、清洗井底岩屑，从而提高钻进效率；进入环形空间，对钻井液的要求除了尽量降低环空流动压力损耗外，有效粘度还必须快速增大到一定值以便悬浮、携带钻屑；在地面上，为了沉降、分离钻屑，钻井液又必须快速降低粘度，以利于发挥地面固相分离设备的作用。显然，这就是要求钻井液在井筒内必须具有较强的剪切稀释性。剪切稀释性是指在恒温恒压条件下，流体的有效粘度随着剪切速率的增加而降低的现象；同样，也是指流体的有效粘度随着剪切速率的降低而增加的现象。尽管钻井液在井筒内的流动过程并不处于理想的恒温恒压环境，但在每一个较小的井段内可以认为温度和压力的变化不大，钻井液仍应具有剪切稀释性才能满足钻井的需要。剪切稀释性的特点是剪切速率和流体的粘度均为变量，粘度则是剪切速率的反比函数。1.流变特性与时间无关的非牛顿钻井液流体根据钻井液的流体力学性质分析，钻井液大多属于纯粘性非牛顿流体，描述其流体力学性质的一般本构方程式为：（3-8）.)(式中，为剪切应力， 为剪切速率（又称速度梯度） ，为视粘度或有效粘度。该式表.征出钻井液具有剪切稀释性的特点。在钻井现场，钻井液的流变行为可以符合幂律（Power Law） 、宾汉（Bingham） 、卡森（Casson）和赫巴（HerschelBulkley）等模式之一。究竟采用哪种模式，可以根据流变曲线或数值拟合分析，选择相关性最好的模式来分析和表示实际钻井液的流变行为。（1）幂律流体模式一维简单剪切流动情况下的幂律模式为15（3-9）n.K有效粘度函数为（3-10）1式中，K 为稠度系数，Pa.s n；n 为流性指数。n 是无因次量，（2）宾汉流体模式一维简单剪切流动情况下的宾汉模式为（3-11）.0s有效粘度函数为（3-12）.0.s式中， s为塑性粘度，mPa.s ； 0为动切应力（又称屈服值） ，Pa。（3）卡森流体模式一维简单剪切流动情况下的卡森模式为（3-13）2121c有效粘度函数为（3-14）2121.c/式中， 为卡森极限高剪粘度， mPa.s； c为卡森动切应力（或称卡森屈服值） ，Pa。卡森模式的另一特征参数是剪切稀释指数 Im，可用下式表示：（3-15）2cm1)0(IIm值用于反映钻井液剪切稀释性的强弱。（4）赫巴流体模式一维简单剪切流动情况下的赫巴模式为（3-16）.0n./K有效粘度函数为（3-17）.01n./式中，K 为稠度系数，Pa.s n；n 为流性指数，无因次； 0为动切应力，Pa。（5）考虑温度和压力的流变模式McMordie 等人在 1974 年提出了同时考虑温度和压力时油基钻井液的流变模式：16（3-18）)/(. TBApExKn式中，p压力；T温度；A、B常数。对于带有屈服应力的钻井液，方程（3-18）可以改写成如下形式：（3-19）)/(.0TBApExKn2.流变特性与时间有关的非牛顿流体这种流体的特点在于剪切应力不仅是剪切速率的函数，而且是时间的函数。即=f( ，t).符合这种关系的流体称为触变性流体（Thixotropy） ，绝大多数钻井液具有这种流变特性。在实验中可以观察到这种现象：钻井液摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有状态。所以，从现象的变化上讲，钻井液的触变性是指恒温恒压下搅拌后变稀，静止后变稠的特性。严格的触变性定义为：在固定速梯下，流体的剪切应力随作用时间延长而减小的特性，或者在停止剪切静置后，流体的剪切应力随静置时间延长而逐步增大的特性。从胶体化学的角度看，流体的触变性是指等温情况下流体状态发生凝胶溶胶凝胶可逆转变的特性。触变性机理在于流体内部的粘土粒子因其物化原因容易形成网架结构。静止后，粘土粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶结构。搅拌时，凝胶结构随搅拌时间延长而逐步被拆散。因此，凝胶结构是固相含量、固相类型、温度、时间、剪切过程和处理剂类型的函数。触变性流体具有两个特点：形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的；结构的变化与时间紧密相关。触变性的强弱是用流体恢复内部网架结构所需时间表示，因而可采用某一固定时间的终静切应力与初始静切应力差值表示，或者初始静切应力与终了静切应力的比值表示。例如：触变性=终切力-初切力；或者，触变性=初切力/终切力。具体表示方法又为分为两种情况： 对于低密度钻井液：触变性=初切力/终切力=1分钟静切力/10分钟静切力（s 1 /s 10或者 G 1/G10） 。对于高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力/10分钟静切力（s 10“/s 10或者 G 10”/G10）高密度钻井液的初切应力取值10秒的原因在于考虑到加重材料沉降速度较快，钻井液必须在很短时间内达到一定的静悬浮能力。在实验室内，触变性还采用测定钻井液剪切应力（固定剪切速率）随时间的变化曲线或者测定滞后环的方法来评价钻井液的触变性。图3-13是某种水基钻井液的滞后环曲线（即上流动曲线与下流动曲线的闭合曲线） ，所谓上流动曲线是指剪切速率由小到大进行测试时所得的流动曲线，而下流动曲线是指剪切速率的变化方向是由大到小。一般来说，上流动曲线与下流动曲线之间包络的面积越大，说明该钻井液的触变性越大。图3-14总结了钻井液的静切应力随时间变化的几种典型情况。图中所示的脆弱型、强17递增型和平坦型都不是理想的钻井液，只有良好型是实际钻井液所期望的，这类钻井液具有初切力较低、终切力适中的特征。4030201000 200 400 600 800 1000剪切速率（s -1） 时间（min）1-平坦型；2-强递增型；3-良好型；4-脆弱型图3-13 水基钻井液的触变性 图3-14 几种类型的静切力3.钻井液流变参数的胶体化学性质钻井液属于多相多级的胶体-悬浮体分散体系，反应其宏观流动性的流变性能必然与分散体系内部组分间的相互作用力相关联，即流变性是以下几种内部阻力的反映。 分 散 相 间 吸 力 、 斥 力分 散 相 与 介 质 粘 附 力分 散 介 质 间 吸 引 力（ 流 动 阻 力 ）钻 井 液 流 变 性 ff钻井液的流变性是可以通过化学处理方法改变的，即：化学处理改变钻井液体系内部结构强弱（改变胶体化学性质） ，从而改变流动阻力，进而改变钻井液的流变性能。因此，学习钻井液流变参数胶体化学性质的目的在于通过钻井液流变性能的变化，可以分析出化学处理剂作用前后，钻井液体系中分散相结构的微观变化和钻井液体系的稳定性，从而寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，更好地满足钻井工程的需要。（1）钻井液的静切应力和动切应力1）静切应力（代号 s或G）静切应力简称静切力，是钻井液静止后形成的凝胶结构强度强弱的反映；从流体力学观点看，它是钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。凝胶结构强度主要取决于单位体积中钻井液内部网架结构的数目和每个网架结构的连接强度，前者由粘土颗粒的浓度（粘土含量和分散度）决定，后者由粘土颗粒之间的吸引力决定。此力又与粘土颗粒的Zeta电位（代号）和吸附水化膜的性质和厚度等因素有关， 电位降低，吸附水化膜变薄，则土粒间的吸引力增强，若不引起分散度的明显降低，静切应力将相应增大。因此，影响钻井液静切力大小的因素主要有：粘土含量和分散度，粘土颗粒的电位和吸附水化膜的性质和厚度。根据影响静切力大小的因素可以得到调整静切力的方法：提高静切力 s，可采用提高10510(s) 5 10 15 20 25123 4剪切应力 Pa静切力PaPa18粘土固相浓度、分散度，降低粘土表面电动电位（） 、减薄粘粒周围水化膜厚度诸种方法的任意一种或者几种的组合；降低静切力 s的方法则与此相反。静切力的实际应用主要在悬浮岩屑和加重材料以及减小井内液柱压力激动。生产现场上，控制静切力的经验数据为：悬浮重晶石的最低初切力为1.44Pa。当初切力为26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。若终切力为2倍初切力，属于良好型触变体。终切力为5倍初切力，属于递增型触变体。此时，会造成开泵泵压过高，易压裂井壁薄弱地层，引起井漏。2）动切应力（代号 0或YP）动切应力简称动切力，其定义为使钻井液开始作层流流动所必需要的最小剪切应力。动切力的实质是钻井液作层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，同时另一部分结构又重新恢复。当拆散与恢复结构速度相等时，流体体系中仍然存在的那部分内部结构产生的剪切流动阻力。动切力与静切力的区别在于动切力只是宾汉流变模式的一个流变参数，反映层流流动条件下固体颗粒之间吸引力强弱的量度。静切力则为大多数实际钻井液本身具有的性质，反映静止条件下固体颗粒之间吸引力强弱的量度。由于两者都反映了固体颗粒之间吸引力的强弱，所以，影响动切应力的因素类似于影响静切力的因素，即粘土含量和分散度，粘土颗粒的电位和吸附水化膜的性质和厚度。同样地，调整动切应力方法与调整静切力的方法类似。提高动切应力的方法主要有：加入预水化膨润土或者增大聚合物的加量。对于钙处理或盐水钻井液，还可通过适当增加Ca2+、Na +浓度来达到提高动切力的目的。降低动切力的方法主要有：加入稀释剂，拆散钻井液中已经形成的结构。如果是因为Ca 2+、Mg 2+等引起的动切力升高，则可用沉淀法除去这些离子。此外，适当加水或稀浆稀释也可起到降低动切力的作用。（2）钻井液的粘度1）塑性粘度（代号 s或PV）和结构粘度（代号 G）宾汉模式是在钻井液工艺中用得最早和最普遍的流变模式。这种模式的有效粘度表达式为： Gs.0s由此可见，宾汉体的有效粘度可以看作是由非结构塑性粘度 s和结构粘度 G两部分组成，这对于分析钻井液胶体性质的变化和调节钻井液组分以维护钻井液流变性能有着明确的对象和指导意义。宾汉体的塑性粘度是宾汉塑性流体的性质，不随剪切速率变化而变化。塑性粘度反映层流流动时，钻井液流体内部网架结构的破坏与恢复处于动态平衡时三部分内摩擦力的微观统计结果：固固颗粒间内摩擦阻力；固液相分子间内摩擦阻力；液液分子间内摩擦阻力。影响塑性粘度的因素是固相含量、粘土的分散度、液相粘度。固含越高，塑性粘度越大；粘土的分散度和液相粘度越高，塑性粘度越大。调整塑性粘度 s的方法可以根据其影响因素提升或降低 s 。宾汉体的结构粘度反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间形成空间网架结构之力所带来的流动阻力。它是随着剪切速率的变化而发生变化的，剪切速率增大，结构被拆散得越多，结构粘度减小，从而导致总的有效粘度减小。结构粘度是钻井19液具有剪切稀释性的性能基础，其在总有效粘度中所占比例越大，钻井液的剪切稀释性将越强。2）有效粘度（又称视粘度）钻井液的有效粘度（代号）是指粘滞性钻井液作层流流动时，单位剪切速率下所受到的剪切应力，即，=/ 。如果