泥浆工艺原理教案(第4-5讲)ppt课件

1、,泥浆工艺原理,资源与地球科学学院,1,二、 粘土-水界面的吸附作用,1、粘土的离子交换吸附,（1）粘土颗粒表面带电的原因,（2）离子交换吸附的特点,同电性离子进行等电量交换,阳离子之间的交换按一定的顺序进行,晶格置换、,氢氧层中氢的电离、,断键作用、,吸附阴离子,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,2,1、粘土的离子交换吸附,离子吸附平衡是动态平衡,离子交换吸附的速度很慢，达到平衡需要一定时间。,离子性质、,离子浓度、,温度,增加离子浓度，平衡向吸附方向移动； 吸附还受温度的影响；,低价离子浓度高时，也可以取代高价离子。,阳离子交换容量：一百克粘土所能吸附的阳离子毫克当量数。,矿物成

2、分,分散度,溶液PH值,温度,几何效应,交换位置是否被堵塞,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,3,2、粘土-水界面的扩散双电层,（1）界面扩散双电层的形成, 浓集同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面 的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及离子的扩散运动引起 的脱附两者共同作用的结果，形成扩散双电层。, 粘土颗粒在碱性溶液中带负电荷，必须吸附阳离子到粘土颗粒 表面（浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正 电荷相对应的双电层，以保持电的平衡。,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,4,粘土-水界面的扩散双电层结构,5,2、粘土-水界面的扩散双电层,（3）影响电

3、动电位的因素,a、阳离子的种类,b 、阳离子的浓度,吸附高价阳离子,电动电位低,扩散层中阳离子数目少,粘土表面水化膜薄,粘土颗粒易于聚结,问题：钙质膨润土为什么用碳酸钠处理？,阳离子浓度大,挤入吸附层机会增大,电动电位降低,本身水化性能不好，并夺去粘土直接吸附的水分子,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,6,2、粘土-水界面的扩散双电层,（4）粘土颗粒的两种双电层,a、粘土颗粒层面带负电荷的扩散双电层,b、粘土颗粒端部带正电荷的扩散双电层,决定扩散层厚薄的电动电位高低,粘土的类型、,泥浆的PH值、,阳离子的价数、,电解质浓度、,为使粘土颗粒带稳定的负电荷，形成稳定的带负电荷扩散双电层，

4、 必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即PH值大于7，一般为8.09.0， 有时要求PH值高达910以上。,处理剂的加入量。,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,7, 钙质膨润土造浆，需要加入一价钠盐；, 泥浆受钙侵时，钙离子浓度增大，扩散双电层中的钠离子转为 钙离子，电动电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失 去稳定性；, 为处理泥浆而加入的低价阳离子电解质时，应严格控制加量；, 可通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆的分散 或聚结，配制不同种类的泥浆，或进行泥浆化学处理。,结论,第三节 粘土-水分散体系的基本胶体化学性质,8,3、粘土的水化与膨胀,（1）粘土水化膨胀的原因,

5、粘土表面直接吸附水分子；, 粘土吸附的阳离子的水化。,（2）影响粘土水化膨胀的因素,粘土矿物本身、,交换性阳离子的种类、,水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量。,4、粘土-水分散体系的稳定和聚结,粘土水化与膨胀：粘土颗粒的表面吸附水分子，粘土颗粒表面 形成水化膜，粘土晶格的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,9,有色废水的处理,高分子化合物的絮凝作用,10,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,11,4.3 泥浆的性能及其测定,一、泥浆的比重和固相含量,1、泥浆的固相含量：泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。, 固相含量,有用固相,粘土、重晶石等,无用固相,岩

6、屑等,采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量 /体积）在4-6%以下，便可达到要求的粘度，此时 泥浆的比重在1.03-1.05左右。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,12,一、泥浆的比重和固相含量,2、泥浆的比重和固相含量意义,（1）地层压力的控制,调节泥浆比重 ，获得与 地层间的物理力的平衡。,P,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,13,2、泥浆的比重和固相含量意义,（2）对钻速的影响, 随着泥浆比重增加，钻速下降；, 比重相同，固相含量越高则钻速越低；, r相同时，加重泥浆的钻速高于普通泥浆。, 比重和固相含量相同时，固相分散得越高，钻速越低。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测

7、试,14,2、泥浆的比重和固相含量意义,（3）无用固相的危害, 泥浆流变特性变差；引起卡钻、抽吸、压力激动， 造成漏失或井塌。, 泥饼松疏，韧性低。失水量大，引起孔壁 水化崩塌；泥皮易脱落，形成井下事故, 对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大。,提倡使用低相对密度泥浆钻进,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,15,3、泥浆的比重和固相含量的测定,（1）比重的测量, 比重秤, 液体比重计,（2）固相含量的测量,ZNG型泥浆固相含量测定仪,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,16,二、泥浆的流变特性, 泥浆的流变特性：描述泥浆在外力作用下变形和流动特性的常数, 泥浆的流变特性参数，对于计算泥浆流

8、动时的压力损失，起下 钻时的压力激动，岩屑升举等都是重要参数。,（一）流体与流变方程,1、牛顿流体,流变图,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,17,（一）、流体与流变方程,1、牛顿流体,剪切应力，液层单位面积上的剪切力，Pa,剪切速率或剪切梯度，S-1,牛顿粘度， PaS,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,水,无机盐水,甘油,二、泥浆的流变特性,粘度,18,2、非牛顿流体,（1）塑性流体, 静止时流体内部形成结构，需要附加一定的力，才能开始流动， 流动开始后，剪切应力和剪切速率之间呈正比关系。,流变曲线,宾汉方程,静切力（凝胶强度），Pa,剪切速率或剪切梯度，S-1,塑性粘度， PaS,第

9、四节 泥浆体系的基本性质及其测试,静切力是指泥浆静止时内部所形成的结构强度，其大小与泥浆的粘土含量、类型、分散度、带电性和吸附水化膜等因素有关。,19,流变参数, 表观粘度,反映出静止状态下，体系内部颗粒之间 形成结构的强弱。,是直线上任一点与原点连线 的斜率,剪切稀释性流体,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,20,（1）塑性流体, 从静止开始流动，需要附加一定的力，但流动开始后的最初 速度较低的阶段，剪切应力和剪切速率之间不是线性关系， 达到一定的剪切速率后，剪切应力与剪切速率呈正比关系。,宾汉方程,动切力（屈服值），Pa,剪切速率或剪切梯度，S-1,塑性粘度， PaS,第四节 泥浆体系的

10、基本性质及其测试,动切力则是反映泥浆流动时的内部结构状态，影响因素：泥浆的固相含量与分散度，粘土颗粒的电动电位和水化程度，粘土颗粒吸附处理剂，高分子聚合物的使用等。,流变曲线,21, 流变参数,塑性粘度,表观粘度,用DB及其延长线来代替而得到的宾汉方程，在 低剪切速率区有些偏差，计算结果高于实际值， 一般在中剪切速率区域（剪切速率在5001000S-1） 按宾汉方程计算值与实测值较吻合。,泥浆、沥青、水泥浆等,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,泥浆 化妆品霜状、膏状、泥浆面膜、膏状面膜、牙膏,22,（2）幂律流体,流体静止施加一剪切应力，便开始流动，即流体静止 时没有凝胶强度，其流变曲线通过

11、原点。流动开始后， 随着剪切速率的增加，流体逐渐变稀或变稠，即剪切 应力和剪切速率之间的关系不是直线关系。, 流变图, 流变方程,流动 特点,稠度系数，PaS,流性指数或幂律指数,假塑性流体,膨胀性流体,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,n=1,23,（2）幂律流体, 流变图,流变方程,截距,斜率,许多钻井液流体是带屈服值的假塑性流体,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,n=1,24,（2）幂律流体,K, 表观粘度, 流变方程变化形式,流变参数：,粘度越高，K值越大,n,非牛顿性的度量， n值离1越远，非牛顿性越强，,n1 膨胀性流体,如淀粉糊、蔗糖溶液.,对于普通泥浆,低固相泥浆和高浓度聚

12、合物溶液,在低剪 切速率区(小于200S-1)和高剪切速率区(大于1000S-1),按 幂律方程计算值偏低.,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,25,（3）带屈服值的假塑性流体,静止的流体开始流动，需加一定的剪切应力;而流动开始 后,其剪切应力和剪切速率不是简单的直线关系.,卡森方程(Casson),流动特点,卡森动切力或卡森屈服值，Pa,剪切速率为无穷大时的粘度，高剪粘度，PaS,表观粘度,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,26,（3）带屈服值的假塑性流体,卡森方程 流变图,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,乘方,27,（4）流变方程适用性评价,偏差表,第四节 泥浆体系的基本性质及其测

13、试,28,（4）流变方程适用性评价,三参数方程与实测值分布较符合；,在低剪切速率区，宾汉方程计算值偏高；幂律方程则偏低；,在较低剪切速率区，宾汉和幂律两者各有偏差，但幅度较小；,在中剪切速率区（500-1000S-1），各流变方程和实测 曲线都较符合；,宾汉方程较适应于膨润土的原浆;,卡森方程可用于评价喷射式钻井要求的泥浆较为方便。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,29,1、泥浆的静切力与触变性,（1）静切力,衡量静止时泥浆体系凝胶强度的大小。反映静止状态时， 泥浆内部颗粒之间引力的大小。结构力,是时间的函数, API规定，测静止10秒和10分钟的切力，分别为初 切力和终切力。,影响因素：

14、,粘土种类和单位体积中粘土颗粒的含量；,处理剂的种类和数量；,静止持续时间。,降低静切力：,清除无用固相，加稀释剂,提高静切力：,加无机盐或膨润土,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,30,（2）触变性,泥浆静止时，颗粒之间相互吸引 而形成结构，结构中束缚一定量的 分散介质，而当外加一定的切力时， 结构拆散，流动性增长，这种特性 称为泥浆的触变性。,对静切力和触变性的要求：,静止时，能悬浮岩屑和加重剂,在开泵时，不困难，不会憋漏地层,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,31,（3）动切力,反映泥浆层流流动时，泥浆体系内部粘土颗粒之间，粘土 颗粒和高分子化合物之间以及高分子化合物之间的相互 作用

15、力，即泥浆流动时形成结构的能力。, 固相含量大，分散度高,动切力大, 若降低粘土颗粒的电动电位,影响动切力的因素：,固体颗粒的含量和分散度、颗粒表面特性即其电动电位 大小和水化程度，加入无机和有机处理剂的种类和加入量。,动切力大, 若粘土颗粒吸附有机处理剂以改变其端部状态（如端部水化 膜增厚，吸附有稀释剂分子）,动切力降低, 若加入高聚物的分子量较大，分子量较大,动切力大,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,32,（3）动切力,对动切力的要求：,泥浆能将岩屑顺利带出地表，而不引起地面沉淀岩屑的困难。,问题：,动切力过低的结果：,动切力过高的结果：,钙侵、盐侵和粘土侵的结果：,动切力增加,降低动

16、切力的方法：,除钙、,加稀释剂、,除砂,提高动切力的方法：,优质粘土、,结构剂（钙盐）,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,33,泥浆的粘度,（1）悬浮液的粘度,层流状态下（爱因斯坦）,分散相较浓时,分散相颗粒带电,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,34,影响泥浆粘度的因素,泥浆粘度反映体系内部的摩擦,液相分子间的内摩擦，液相粘度随有机物含量增加而升高,分散相颗粒间的相互作用力，它是表征特性不同的分散相 颗粒相互产生的作用力和形成网架结构而增加的流动阻力,分散相颗粒之间的内摩擦,液体分子与分散相固体颗粒间的内摩擦。,影响泥浆粘度的基本因素,粘土和惰性固体颗粒的含量、,粘土和惰性固体颗粒的分散

17、度、,粘土颗粒的形状和表面特性、,高分子处理剂的种类、分子量和加入量,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,35,（3）泥浆的塑性粘度和表观粘度,泥浆表观粘度是层流运动时，流体内部四种阻力之和。,塑性粘度,塑性粘度,结构粘度,反映泥浆层流条件下，分散相固体颗粒 之间，固体颗粒与液相之间和液相分子 之间的内摩擦阻力。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,36,影响因素,固体的含量和分散度、,有机处理剂的种类、分子量和加入量,有些有机处理剂加入适量，可降低塑性粘度；但大多数有机 处理剂作用相反。, 降低塑性粘度的方法：,减少加土量,尽量除去无用固相,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,塑性粘度,37

18、,（3）泥浆的塑性粘度和表观粘度,结构粘度,反映泥浆层流条件下，粘土颗粒之间及高分子化 合物之间所形成的网架结构的力有关。,取决于动切力和剪切速率,提高结构粘度，即提高动切力。,如何提高泥浆的携带和悬浮岩屑的能力？,在表观粘度一定时，应尽量降低塑性粘度和提高 结构粘度，来达到携带和悬浮岩屑的目的。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,38,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,粘度,泥浆流变参数的测量,电动六速旋转粘度计,39,泥浆的剪切 稀释指数,剪切稀释指数I：,动塑比,动高比,泥浆的剪切稀释性,实际施工中，应设法提高动切力，降低塑性粘度，以提高泥浆 的剪切稀释性。,第四节 泥浆体系的基本性

19、质及其测试,40,（三）泥浆流变参数与钻井的关系,1 对 机 械 钻 速 的 影 响,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,粘度高的泥浆减弱钻头牙齿或切削刃对岩石的冲击和切削作用。,动塑比,41,2对泥浆携带岩屑的影响,（1）层流：流速小，环空压力降小，对孔壁冲刷小； 携带性不好，孔内净化不好，形成假泥皮，钻具 升降阻力大，有时造成粘附卡钻。,（2）紊流：流速分布均匀，岩屑无贴壁现象，孔内净化好， 泥皮薄，钻具升降阻力小；但流速大，液层翻滚，对 孔壁冲刷大，不利于孔壁稳定，环空压力降大，泵压 大，易压漏地层。,（3）平板型层流：孔壁稳定，孔内净化好。,实现平板型层流的途径：增大动塑比，动塑比36

20、0-480,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,（三）泥浆流变参数与钻井的关系,42,3 对孔壁稳定的影响,（1）冲洗液对孔壁岩石的水化作用：,调节粘度和切力，降低滤失量以提高滤液流经裂隙的阻力。,（2）冲洗液对岩层的直接冲刷作用,实现平板层流的上返速度：,临界,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,（三）泥浆流变参数与钻井的关系,43,（3）冲洗液压力激动对岩层的破坏作用,开泵时，压力激动与静切力、孔深、环状间隙尺寸有关；,粘滞力引起的压力激动与泥浆流速、粘度、切力、环状 间隙尺寸有关；,钻具惯性力引起的压力激动与钻具的加速度、泥浆密度、 孔深、环状间隙尺寸有关；,4 流变参数在钻井力学计算中

21、的应用,岩屑颗粒的沉降速度、,压力损失、,压力激动、,钻头喷嘴尺寸的选择计算、,地面循环泵总压力损失和功率的确定、,钻孔漏失损失、,压力平衡的水力学计算等,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,44,5 流变参数和悬浮岩屑和加重剂的关系,Pa,岩石的比重,泥浆的比重,岩石或加重物的直径，mm,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,45,三 泥浆的失水及造壁性,（一）泥浆的失水及造壁性的概念,泥浆的失水和造壁性,失水：泥浆中的自由水，在压差作用下向孔壁岩石的裂隙或孔隙中渗透；,造壁性：泥浆失水时，随着泥浆中的自由水进入岩层，泥浆中的固体颗 粒便附着在孔壁上形成泥皮，这便是泥浆的造壁性。,第四节 泥浆

22、体系的基本性质及其测试,井内所结泥饼与井壁岩石,46,2泥浆的失水全过程,初失水：时间短，孔底岩石表面尚无泥皮，失水率很高，又称瞬时失水。,动失水：压差较大，泥皮厚度维持在较薄水平，单位时间失水量开始较 大，其后逐渐减小，直至稳定在某一值。,静失水：压差较小，泥皮较厚，单位时间的失水量比动失水小。,第四节 泥浆体系的基本性质及其测试,初失水时间很短，但失 水速率最大；动失水时 间较长，失水速率中等； 静失水时间较长，但失 水速率最小。,47,泥浆的失水及造壁性,在规定的压差下通过一定的过滤断面，30min内的滤失量。ml/30min.,高温高压失水仪,打气筒式,一般：10-15ml; 水敏：5

23、ml,48,控制不当时产生：失水量过大和泥皮过厚两个问题。,失水 量过 大,遇水膨胀、剥落,（孔壁为泥页岩、黄土、粘土层等）,孔径扩大或缩小,减小岩层层面间的接触摩擦力,掉块卡钻,（孔壁为裂隙发育的破碎地层）,泥浆滤液矿化度不同，对孔壁岩层稳定性影响也不同。,泥皮过厚,粘附卡钻，阻力，功率消耗增大,高矿化度、碱性弱、含高聚物的滤液，不易引起孔壁岩层的膨胀和坍塌。,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,49,（三）影响泥浆失水量的因素,1、静失水,单位渗滤面积的滤失量,K,泥皮的渗透率,固体含量因素,渗透压差,滤液粘度,泥浆静失水基本方程,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,50,（三）影响泥

24、浆失水量的因素,（1） 渗滤时间对失水量的影响,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,1.理论上2.实验值,K是滤失系数,（2）压差对失水量的影响,随着压差增加呈比例降低，或无影响,51,（三）影响泥浆失水量的因素,（3）固相含量和类型对失水量的影响,降低泥皮中固相含量的方法：采用优质土造 浆，有机处理剂处理。,固体颗粒细而多，水化膜厚，泥皮渗透率低,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,52,（三）影响泥浆失水量的因素,（4）泥皮的压实性和渗透性对失水量的影响,泥皮越厚，失水量越大。,泥皮的渗透性K决定于：泥皮中固相的种类、颗粒的大小形状和级配、 处理剂的种类和含量，以及过滤压力。,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,（5）滤液的粘度、温度对失水量的影响,温度升高，失水量越大。 失水量与滤液粘度的平方根呈反比,（6）岩层的孔隙性和渗透性,架桥,53,2、动失水,与静失水相似，不同之处在于剪切速率 和泥浆流态的影响。,（1）泥浆动失水和泥皮厚度是剪切速率的函数,泥浆的失水量、造壁性与钻井工作的关系,（三）影