鉆井液和完井液化學

1、 鉆井液與完井液化學鉆井液和完井液化學第1頁 目 錄 第一章 鉆井液概論第二章 粘土礦物和粘土膠體化學第三章 鉆井液流變性第四章 鉆井液濾失和潤滑性能第五章 鉆井液配漿材料與處理劑第六章 水基鉆井液第七章 油基鉆井液第八章 鉆井液固相控制第九章 對付井下復雜情況鉆井液技術第十章 保護油氣層鉆井液技術第十一章 國內外鉆井液技術新進展 鉆井液與完井液化學鉆井液和完井液化學第2頁 鉆井液與完井液化學 第一章 鉆井液概論鉆井液和完井液化學第3頁鉆井液 油氣鉆井過程中以其各種功效滿足鉆井工作需要各種循環(huán)流體總稱。鉆井液又稱做鉆井泥漿（Drilling Muds），或簡稱為泥漿(Muds) 。第一節(jié) 鉆井

2、液功用、類型和組成鉆井液和完井液化學第4頁完井液 在油氣井完井作業(yè)過程中所使用工作液統(tǒng)稱為完井液（CompletionFluids）。這些作業(yè)包含鉆開油層、下套管、射孔、防砂、試油、增產辦法和修井等。所以從廣義上講，從鉆開油層到采油及各種增產辦法過程中每一個作業(yè)步驟，所使用與產層接觸各種工作液體系統(tǒng)稱為完井液。國外普通把鉆開油層工作液稱為鉆開液（Drill-influids），將射孔、防砂以及各種增產辦法中用于產層工作液稱為完井液（Completion-Fluids），將為維護或提升產能而修井時所用工作液稱為修井液（WorkoverFluids）。 第一節(jié) 鉆井液功用、類型和組成鉆井液和完井液

3、化學第5頁鉆井液和完井液化學第6頁 鉆井液主要功效攜帶、懸浮巖屑控制壓力形成泥餅冷卻、潤滑保護油氣層傳遞水功率鉆井液和完井液化學第7頁1攜帶和懸浮巖屑 這是鉆井液首要和最基本功用2穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力3冷卻和潤滑鉆頭、鉆具4傳遞水動力5獲取井下信息6. 保護油氣層 鉆井液主要功效鉆井液和完井液化學第8頁 伴隨鉆井液工藝技術不停發(fā)展，鉆井液種類越來越多。當前，國內外對鉆井液有各種不一樣分類方法。密度大?。悍羌又劂@井液和加重鉆井液。粘土水化作用：非抑制性鉆井液和抑制性鉆井液。固相含量：低固相鉆井液與無固相鉆井液。 鉆井液類型鉆井液和完井液化學第9頁 普通所采取分類方法是按鉆井液中流體介質和體系組

4、成特點來進行分類。 鉆井液類型依據(jù)流體介質水基鉆井液油基鉆井液氣體型合成基鉆井液鉆井液和完井液化學第10頁 鉆井液類型 下面是在參考國外鉆井液分類標準基礎上，在國內得到認可各種鉆井液類型：鉆井液和完井液化學第11頁 鉆井液類型1.分散鉆井液（Dispersed Drilling Fluids)：分散鉆井液是指用淡水、膨潤土和各種對粘土與鉆屑起分散作用處理劑(簡稱為分散型)配制而成水基鉆井液。優(yōu) 點：(1)可容納較多固相，較適于配制高密度鉆井液。 (2) 形成較致密泥餅，濾失量較低 (3)一些分散鉆井液，如三磺鉆井液體系含有較強抗 溫能力，適于在深井和超深井中使用。缺 點：除抑制性和抗污染能力較

5、差外，還因體系中固相含量 高，對提升鉆速和保護油氣層都有不利影響。鉆井液和完井液化學第12頁 鉆井液類型 2鈣處理鉆井液(Calciumtreated Drilling Fluids )組成特點：體系中含有一定濃度Ca2+和分散劑。Ca2+經過與鈉膨潤土發(fā)生離子交換，鈉膨潤土轉變?yōu)殁}膨潤土，減弱水化程度。分散劑主要是預防Ca2+引發(fā)體系中粘土顆粒絮凝過分并保持在適度絮凝狀態(tài)，確保鉆井液含有良好穩(wěn)定性能。特 點：(1) 抗鹽、鈣污染能力較強； (2)對所鉆地層中粘土有抑制其水化分散作用，所以可在一定程度上控制頁巖坍塌和井徑擴大，同時能減輕對油氣層損害。鉆井液和完井液化學第13頁 鉆井液類型 鹽水

6、鉆井液是用鹽水(或海水)配制而成。在含鹽量從1(CL-質量濃度為6000 mgL直至飽和(CL-質量濃度為189000 mgL)之前整個范圍內都屬于此種類型。鹽水鉆井液也是一類對粘土水化有較強抑制作用鉆井液。3鹽水鉆井液(Saltwater Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學第14頁 鉆井液類型 鉆井液中Nacl含量到達飽和時鹽水鉆井液體系。它能夠用飽和鹽水配成，亦可先配成鉆井液再加鹽至飽和。飽和鹽水鉆井液主要用于鉆其它水基鉆井液難以對付大段巖鹽層和復雜鹽膏層，也可作為完井液和修井液使用。4飽和鹽水鉆井液(Saturated Saltwater Drilling Fluids)

7、鉆井液和完井液化學第15頁 鉆井液類型 聚合物鉆井液是以一些含有絮凝和包被作用高分子聚合物作為主處理劑水基鉆井液。這些聚合物可使鉆井液中各種固相顆粒保持在較微細顆粒狀態(tài)。5聚合物鉆井液 (Polymer Drillig Fluids)其主要優(yōu)點表現(xiàn)在： (1) 鉆井液固相含量低，鉆速可顯著提升，對油氣層損害程度小。 (2) 剪切稀釋性強。環(huán)空流體粘度、切力較高，攜帶巖屑能 力強；鉆頭噴嘴處流動阻力較小，有利于提升鉆速。 (3) 聚合物處理劑含有較強包被和抑制分散作用，有利于保持 井壁穩(wěn)定。鉆井液和完井液化學第16頁 鉆井液類型 鉀基聚合物鉆井液是一類以各種聚合物鉀(或銨、鈣)鹽和KCl為主處理

8、劑防塌鉆井液。在各種常見無機鹽中，以KCl抑制粘土水化分散效果為最好；而聚合物處理劑存在使該類鉆井液含有聚合物鉆井液各種優(yōu)良特征。所以，在鉆遇泥頁巖地層時，使用它能夠取得比較理想防塌效果。6鉀基聚合物鉆井液(Potassiumbased PoIymer Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學第17頁 鉆井液類型 以油(柴油或礦物油)為連續(xù)相鉆井液稱做油基鉆井液。油基鉆井液主要特點是抗高溫，抑制性強，抗鹽、鈣污染能力高，潤滑性好，對油氣層損害小。 所以，使用該類鉆井液已成為鉆探井、超深井、大位移井、水平井和各種復雜地層重要伎倆之一。但其次，由于其配制成本較高，以及使用時會對環(huán)境造成一

9、定污染，因而使其應用受到一定限制。7油基鉆井油(Oilbased Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學第18頁 鉆井液類型 合成基鉆井液是以合成有機化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進劑一類新型鉆井液。 因為使用無毒而且能夠生物降解非水溶性有機物取代了油基鉆井液中柴油，所以，其保持了油基鉆井液各種優(yōu)良特征，同時含有連良好環(huán)境友好性，尤其適合用于海上鉆井。8合成基鉆井液(Synthetic Drilling Fluids)鉆井液和完井液化學第19頁 鉆井液類型 氣體型鉆井流體主要適合用于鉆低壓油氣層、易漏失地層以及一些稠油油層。其特點是密度低，鉆速快，

10、可有效保護油氣層，并能有效預防井漏等復雜情況發(fā)生。通常又將氣體型鉆井流體分為以下4種類型：1)空氣或天然氣鉆井流體； 2)霧狀鉆井流體； 3)泡沫鉆井流體； 4)充氣鉆井液9氣體型鉆并流體(Gastyped Drillg Fluids)10保護油氣田鉆井液(Drilling-in Fluids)鉆井液和完井液化學第20頁 鉆井液組成水基鉆井液經典組成鉆井液和完井液化學第21頁 鉆井液組成油基鉆井液經典組成 1油 (0.54) 2鹽(0.04) 3水(0.30） 4低密度固體(0.03) 5高密度固體(0.09)鉆井液和完井液化學第22頁 第二節(jié) 鉆井液性能及測試 按照API推薦鉆井液性能測試標

11、準，需檢測鉆井液常規(guī)性能包含： 常規(guī)性能流 變 性：漏斗粘度、塑性粘度、 動切力、靜切力、密 度：g/cm3濾 失 量：API濾失量、HTHP濾失量濾液分析：氯離子、堿度、石灰、 硬度、硫酸鈣其 他：油水含量、固相含量、搬土鉆井液和完井液化學第23頁 鉆井液性能及測試 鉆井液密度 合理鉆井液密度是確保安全、快速鉆井和保護油氣層十分主要參數(shù)。 調整鉆井液密度作用：調整鉆井液靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力。 不適當鉆井液密度帶來危害：密度過高，可引發(fā)鉆井液過分增稠、易漏失、鉆速下降、對油氣層損害加劇和增加成本等問題；密度過低，則可發(fā)生井涌甚至井噴，或造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。 所以，在鉆井

12、工程設計中，必須準確、合理地確定不一樣井段鉆井液密度范圍，并在鉆進過程中隨時進行檢測和調整。鉆井液和完井液化學第24頁 鉆井液性能及測試鉆井液密度測試方法鉆井液比重秤(Mud balance) 首先在泥漿杯中盛滿鉆井液，蓋上計量蓋，然后用棉紗擦凈從計量蓋小孔溢出鉆井液，再將比重秤刀口放置在底座刀墊上，不停移動游碼，直至水平泡位居兩條線中央。此時游碼左側刻度即表示所測量鉆井液密度。鉆井液和完井液化學第25頁 鉆井液性能及測試鉆井液密度調整方法 加重鉆井液密度方法： 加重材料是提升鉆井液密度最慣用方法。在加重前，應調整好鉆井液各種性能，尤其要嚴格控制低密度固相含量。普通情況下，所需鉆井液密度越高，

13、加重前鉆井液固含及粘度、切力應控制得越低?？扇苄詿o機鹽也是提升密度慣用方法。如保護油氣層清潔鹽水鉆井液，經過加入NaCl，可將鉆井液密度提升至1.20 g/cm3左右。鉆井液和完井液化學第26頁 鉆井液性能及測試鉆井液密度調整方法降低鉆井液密度方法：為實現(xiàn)平衡壓力鉆井或欠平衡壓力鉆井，通常降低密度方法有以下幾個： (1)去除無用固相: 最主要方法用機械和化學絮凝方法去除無用固相，降低鉆井液固相含量。 (2)加水稀釋:但往往會增加處理劑用量和鉆井液費用。 (3)混 油:但有時會影響地質錄井和測井解釋。 (4)充 氣:鉆低壓油氣層時可選取充氣鉆井液等。鉆井液和完井液化學第27頁 鉆井液性能及測試鉆

14、井液流變性 鉆井液流變性(Rheological Properties of Drilling F1uids)是指鉆井液流動和變形特征。 該特征通常是由不一樣流變模式及其參數(shù)來表征，最慣用流變模式為賓漢和冪律模式。其中賓漢模式參數(shù)為塑性粘度(PV)和動切力(YP)；冪律模式參數(shù)為流性指數(shù)和稠度系數(shù)。另外，漏斗粘度、表現(xiàn)粘度和靜切力等也是鉆井濃主要流變參數(shù)。因為鉆井液流變性與攜巖、井壁穩(wěn)定、提升機械鉆速和環(huán)空水力參數(shù)計算等一系列鉆井工作親密相關，所以它是鉆井液最主要性能之一。相關內容將在第三章中作詳細討論。鉆井液和完井液化學第28頁 鉆井液性能及測試鉆井液濾失造壁性 鉆頭鉆穿滲透性地層時,因鉆井

15、液靜液柱壓力大于地層壓力,鉆井液中液體在壓差作用下向地層內滲透,這個過程稱為鉆井液濾失。在鉆井液產生濾失同時，在井壁表面形成一層固體顆粒膠結物-濾餅。 濾餅形成過程是由較大顆粒將大孔堵塞一部分，然后次大顆粒堵塞大顆粒之間空隙，依次下去，孔越堵越小。所形成濾餅滲透率比地層巖心滲透率小幾個數(shù)量級。形成濾餅阻止濾液向地層滲透，同時又有穩(wěn)定井壁作用。濾餅在井壁上形成過程稱為造壁過程。 鉆井液和完井液化學第29頁 鉆井液性能及測試鉆井液PH值 通慣用鉆井液濾液PH值表示鉆井液酸堿性。因為酸堿性強弱直接與鉆井液中粘土顆粒分散程度相關，所以會在很大程度上影響鉆井液粘度、切力和其它性能參數(shù)。右圖為經預水化膨潤

16、土基漿表觀粘度隨PH值改變情況。鉆井液和完井液化學第30頁 鉆井液性能及測試鉆井液PH值 在實際應用中，大多數(shù)鉆井液pH值要求控制在811之間，即維持一個較弱堿性環(huán)境。這主要是因為有以下幾方面原因：(1)可減輕對鉆具腐蝕；(3)可抑制鉆井液中鈣、鎂鹽溶解； (4)有相當多處理劑需在堿性介質下才能充分發(fā)揮其效能，如單寧類、褐煤類和木質素磺酸鹽等處理劑。(2)可預防因氫脆而引發(fā)鉆具和套管損壞；鉆井液和完井液化學第31頁 鉆井液性能及測試鉆井液PH值 對不一樣類型鉆井液，PH值范圍也有所不一樣： 1、普通要求分散鉆井液pH值在10以上。 2、含石灰鈣處理鉆鉆井液PH值多控制在11-12，含石膏鈣處理

17、鉆井液PH值多控制在9.5-10.5。 3、而在許多情況下聚合物鉆井液PH值只要求控制在7.5-8.5。鉆井液和完井液化學第32頁 鉆井液性能及測試鉆井液堿度 因為使鉆井液維持堿性無機離子除OH-外，還可能有HCO3-和CO32-等離子, PH值并不能完全反應鉆井液中這些離子種類和質量濃度，所以在實際應用中，除使用pH值外，還常使用堿度(Alkalinity)來表示鉆井液酸堿性。 堿度是指溶液或懸浮體對酸中和能力，API選取酚酞和甲基橙兩種指示劑來評價鉆井液及濾液堿性強弱。酚酞變色點為pH8.3。在進行滴定過程中，當PH值降至該刻度時，酚酞即由紅色變?yōu)闊o色。此時鉆井液與濾液酚酞堿度分別用PM和

18、Pf。同理，可測得甲基橙堿度。鉆井液與濾液甲基橙堿度分別以Mm和Mf表示。鉆井液和完井液化學第33頁鉆井液性能及測試鉆井液和完井液化學第34頁鉆井液性能及測試鉆井液和完井液化學第35頁 鉆井液性能及測試鉆井液含砂量 鉆井液含砂量是指鉆井液中不能經過200目篩網(wǎng)，即粒徑大于74m砂粒占鉆井液總體積百分數(shù)。在現(xiàn)場應用中，該數(shù)值越小越好，普通要求控制在0.5以下。含砂量過大危害： (1)使鉆井液密度增大，對提升鉆速不利。 (2)使形成泥餅松軟，濾失量大，不利于井壁穩(wěn)定。 (3)泥餅摩擦系數(shù)增大，輕易造成壓差卡鉆。 (4)增加對鉆頭和鉆具磨損，縮短其使用壽命。鉆井液和完井液化學第36頁 鉆井液性能及測

19、試鉆井液和完井液化學第37頁 鉆井液性能及測試鉆井液和完井液化學第38頁 鉆井液性能及測試鉆井液固相含量 鉆井液固相含量通慣用鉆井液中全部固相體積占鉆井液總體積百分數(shù)來表示，固相含量高低以及這些固相顆粒類型、尺寸和性質均對鉆井時井下安全、鉆井速度及油氣層損害程度等有直接影響。所以，在鉆井過程中必須對其進行有效控制。鉆井液中固相表示方式以及對鉆井影響： 鉆井液中固相類型：活性固相和惰性固相鉆井液和完井液化學第39頁 鉆井液性能及測試鉆井液固相含量 過高固相含量對井下安全造成很大危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)使鉆井液流變性能不穩(wěn)定，粘度、切力偏高，流動 性和攜巖效果變差。(2)使井壁上形成厚

20、泥餅，而且質地渙散，摩擦系 數(shù)大，從而造成起下鉆遇阻，輕易造成粘附卡鉆。(3)泥餅質量不好會使鉆井液濾失量增大，常造成井壁 泥頁巖水化膨脹、井徑縮小、井壁剝落或坍塌。(4)鉆井液易發(fā)生鹽鈣侵和粘土侵，抗溫性能變差，維 護其性能難度顯著增大。鉆井液和完井液化學第40頁 鉆井液性能及測試鉆井液固相含量鉆井液固相含量測定： 使用鉆井液固相含量測定儀，可用蒸餾方法快速測定鉆井液中固相及油、水含量。注意：對于含鹽量1淡水鉆井液，需扣除因為鹽析出引發(fā)體積增加部分，在這種情況下，鉆井液固相含量計算式以下： 式中：fs、fw、fo分別是鉆井液中固相、水、油體積分數(shù) f考慮鹽析出而引入體積校正系數(shù)，顯然它總是大

21、于1無因次常數(shù)，在不一樣鹽度情況下f能夠使用表-查得。鉆井液和完井液化學第41頁 鉆井液性能及測試鉆井液和完井液化學第42頁 鉆井液性能及測試鉆井液和完井液化學第43頁 鉆井液性能及測試鉆井液膨潤土含量鉆井液濾液分析采取滴定法，用亞甲基藍測定陽離子交換容量。采取AgNO3滴定Cl-1；采取EDTA法測定鈣鎂離子。鉆井液和完井液化學第44頁 第三節(jié) 鉆井液技術發(fā)展1. 初步形成時期 1888-1928年；2. 快速發(fā)展時期 1928-1948年；3. 高速發(fā)展時期 1948-1965年；4. 科學發(fā)展時期 1965年-現(xiàn)在。鉆井液和完井液化學第45頁 鉆井液技術發(fā)展1. 初步發(fā)展時期 自然造漿階

22、段主要處理問題： 攜帶鉆屑 控制地層壓力經典技術： 水+鉆屑+地面土 使用重晶石、鐵礦粉（19)鉆井液和完井液化學第46頁 鉆井液技術發(fā)展2. 快速發(fā)展時期 細分散泥漿階段主要處理問題： 泥漿性能穩(wěn)定 井壁穩(wěn)定經典技術： 性能測定儀器研制出來 使用膨潤土、單寧、燒堿、褐煤鉆井液和完井液化學第47頁 鉆井液技術發(fā)展3. 高速發(fā)展階段 粗分散泥漿階段主要處理問題： 石膏、鹽污染 溫度影響經典技術： 各種鹽水、鈣處理泥漿 油基泥漿 處理劑品種16大類鉆井液和完井液化學第48頁 鉆井液技術發(fā)展4. 科學發(fā)展時期 聚合物不分散鉆井液階段主要處理問題： 快速鉆井 保護油氣層經典技術： 不分散低固相鉆井液

23、氣體鉆井 保護油氣層完井液鉆井液和完井液化學第49頁 鉆井液技術發(fā)展發(fā)展過程水基鉆井液清水 分散鉆井液 抑制性鉆井液 不分散聚合物鉆井液油基鉆井液原油 柴油為連續(xù)相鉆井液 油包水乳化鉆井液鉆井液和完井液化學第50頁 鉆井液技術發(fā)展國內鉆井液技術發(fā)展特點一樣經歷了這些階段,但滯后一定時間;水基體系研究應用比油基體系多;深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成熟；成功研制了一些鉆井液處理劑；成功應用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚合物體系、聚磺體系等；研制了大量鉆井液性能評價儀器；計算機應用相對滯后。鉆井液和完井液化學第51頁 鉆井液技術發(fā)展對鉆井液新技術發(fā)展預測（5）保護油氣田技

24、術（1）鉆井液強化井壁技術（3）復雜地層條件下深井、超深井、大位移 井鉆井液技術（2）新型鉆井液體系及處理劑研究與應用（4）廢棄鉆井液處理技術鉆井液和完井液化學第52頁 鉆井液與完井液化學 第二章 粘土礦物和粘土膠體化學鉆井液和完井液化學第53頁第一節(jié) 粘土礦物晶體結構與性質 粘土作為鉆井液主要組成成份，其晶體結構與性質對鉆井液性能有十分主要影響。鉆井過程中井眼穩(wěn)定性、油氣層保護均與地層中粘土礦物類型和特征親密相關。粘 土：主要由粘土礦物和少許非粘土礦物組成細粒粘滯土狀物質。 特點：粒度 蒙脫石高嶺石。 永久負電荷主要分布在粘土晶層層面上。鉆井液和完井液化學第65頁粘土電性2 . 可變負電荷

25、表面電荷起源： 晶體端面Al OH鍵 比如：在堿性條件： 端面吸附OH-、SiO3 2-等無機陰離子，或有機陰離子聚電解質。Al O-. H+OH-SiO3 2-鉆井液和完井液化學第66頁粘土電性3. 正電荷 表面電荷起源：當PH8時, Al O H Al+ + OH-特點: 受環(huán)境PH值影響 。 正電荷 3000C，釋放出結晶水。2. 吸附水（束縛水）定義：因為分子間力和靜電引力吸附極性水分子而在粘土表面上形成一層水化膜。隨粘土顆粒一起運動，成為束縛水。特點：溫度1100C，釋放出吸附水。包含：薄膜水、毛細管水、膠體水。3. 自由水定義：粘土顆?？紫痘蚩椎乐写嬖谒２皇苷惩潦`，能夠自由運動

26、。鉆井液和完井液化學第71頁粘土水化作用二、粘土水化和水化膨脹1. 幾個名稱概念粘土水化 粘土礦物遇水后，在其顆粒表面吸附水分子形成水化膜過程。粘土膨脹 水分子進入粘土礦物晶層間，其體積由小變大過程。粘土分散 水分子進入粘土礦物晶層間，使粘土由大顆粒變?yōu)樾☆w粒過程。粘土收縮 在高溫作用下，粘土礦物吸附水分子逐步蒸發(fā)，其體積由大變小過程。鉆井液和完井液化學第72頁粘土水化作用2. 引發(fā)粘土礦物水化原因 靠靜電吸附水分子產生水化 靠氫鍵吸附水分子產生水化鉆井液和完井液化學第73頁粘土水化作用3. 粘土水化過程兩個水化過程：表面水化和滲透水化。 表面水化定 義：粘土礦物晶層表面吸附水分子和賠償陽離子

27、吸附水分子、增大晶層間距過程。影響原因：影響表面水化膨脹三種力： a. 晶層間范德華力； b. 水化能； c. 晶層間靜電引力。鉆井液和完井液化學第74頁粘土水化作用表面水化特點： 主要推進力：表面水化能（水吸附能）。 表面吸附水分子只有兩個水分子厚度，體積膨脹小。產生膨脹壓大（ -4000kg/cm2)。鉆井液和完井液化學第75頁粘土水化作用滲透水化： 因為晶層之間陽離子濃度大于溶液 內部濃度，所以，水發(fā)生濃差擴 散，進入層間，由此增加晶層間距， 從而形成擴散雙電層。滲透膨脹引發(fā) 體積增加比晶格膨脹大得多。滲透水化特點： 主要推進力：雙電層斥力。 體積膨脹大。 膨脹壓較小。鉆井液和完井液化學

28、第76頁粘土水化作用 滲透性水化產生原因：依據(jù)杜南(Donnan)平衡理論，當一個容器中有一個半透膜，膜一邊為膠體溶液，另一邊為電解質溶液時，假如電解質離子能夠自由地透過此膜，而膠粒不能透過，則在到達平衡后，離子在膜兩邊分布將是不均等。 膜兩邊稱做兩個“相”，含膠體一邊稱為“內相”，僅含自由溶液一邊稱為“外相”。在這種情況下，膠粒不能透過此膜原因是因為孔徑較小半透膜對粒徑較大膠粒機械阻力。以后發(fā)覺，形成杜南體系并不一定需要一個半透膜存在，只要能夠設法使膠體相與自由溶液相分開即可。當粘土表面吸附陽離子濃度高于介質中濃度時，便產生滲透壓，從而引發(fā)水分向粘土晶層間擴散。水這種擴散程度受電解質濃度差控

29、制，這就是滲透水化膨脹機理。 早在1931年，這一理論就應用于鉆井液，使用溶解性鹽以降低鉆井液和坍塌頁巖中液體之間滲透壓，以后深入發(fā)展了飽和鹽水鉆井液、氯化鈣鉆井液等。 鉆井液和完井液化學第77頁粘土水化作用4.影響粘土水化膨脹原因(1)因粘土晶體部位不一樣，水化膜厚度也不相同。 層面上水化膜厚，端面上薄。(2)粘土礦物不一樣，水化作用強弱也不一樣。 蒙脫石、伊利石、高嶺石(3)因粘土吸附交換性陽離子不一樣，其水化程度有很大差異(如鈣蒙脫石，鈉蒙脫石，見下列圖)。 Ca2+ max17A, Na+ max 40A(4)泥漿中可溶性鹽類及泥漿處理劑影響可溶性鹽類，減低電位有機處理劑親水基團，被粘

30、土吸附后形成較大水化膜。鉆井液和完井液化學第78頁粘土水化作用鉆井液和完井液化學第79頁粘土水化作用 不一樣交換性陽離子引發(fā)水化程度不一樣原因是： 粘土單元晶層間存在著兩種力，一個是層間陽離子水化產生膨脹力和帶負電荷晶層之間斥力；另一個是粘土單元晶層層間陽離子粘土單元晶層之間靜電引力。粘土膨脹分散程度取決于這兩種力百分比關系。假如粘土單元晶層層間陽離子粘土單元晶層之間靜電引力大于晶層間斥力粘土就只能發(fā)生晶格膨脹(如鈣土)；與此相反，假如晶層之間產生斥力大到足以破壞單元晶層層間陽離子粘土單元晶層之間靜電引力，粘土便發(fā)生滲透膨脹，形成擴散雙電層，雙電層斥力使單元晶層分離開，如鈉土。所以鈉土是配制鉆

31、井液理想材料。 鉆井液和完井液化學第80頁 第二節(jié) 粘土膠體化學基礎粘土膠體化學：在普通膠體化學規(guī)律指導下，專門研究粘土膠體生成、破壞和物理化學性質科學。狹義膠體：膠體大小（三維中任一維尺寸在1-100nm之間）微粒分散在另一個連續(xù)介質中所形成分散體系。廣義膠體：包含粗分散體系（懸浮體、乳狀液、泡沫；溶膠；高分子真溶液；締合膠體）。學習本章意義:粘土是配漿基礎材料鉆井液是粘土-水溶膠-懸浮體地層造漿、井壁穩(wěn)定、儲層保護等均與地層粘土礦物相關。鉆井液和完井液化學第81頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎一、幾個基本概念1. 相和相界面相 物質物理化學性質都完全相同均勻部分。 體系中有兩個或兩個以上相，稱為

32、多相體系。相界面 相與相之間宏觀物理界面。 在相互接觸兩相中： 若一相為氣體，相界面稱為表面。 若是液/固分界面，稱為界面。鉆井液和完井液化學第82頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎2. 分散相與分散介質分 散 相 在多相分散體系中，被分散物質。分 散 介質 分散相所在連續(xù)介質。比如：鉆井液中，粘土顆粒分散在水中。 粘土為分散相； 水為分散介質。鉆井液和完井液化學第83頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎分散度和比表面分散度 分散相分散程度。比表面 單位體積（重量）物質總表面積。 比表面 = S/V 或 比表面 = S/W 鉆井液和完井液化學第84頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎3、吸附作用吸附物質在兩相界面上自動濃

33、集（界面濃度大于內部濃度）現(xiàn)象。吸附質被吸附物質吸附劑吸附質物質鉆井液和完井液化學第85頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎化學吸附特點：化學吸附可看作是兩相界面上發(fā)生化學 反應。這類吸附含有選擇性，吸附熱較大 （近于反應熱），脫附也不那么輕易。 吸附類型：物理吸附和化學吸附兩類；物理吸附：僅由范德華引力引發(fā)吸附?；瘜W吸附：假如吸附質與吸附劑表面間力是化 學鍵力（化合物中原子間結協(xié)力。物理吸附特點：這類吸附普通沒有選擇性，吸附熱較小， 脫附也比較輕易。鉆井液和完井液化學第86頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎泥漿中兩類吸附劑都能碰到。 比如：丹寧酸鈉經過配價鍵吸附在粘土顆粒端面上而起了稀釋作用；多聚磷酸鈉與粘土

34、顆粒端表面形成絡陰離子等，是泥漿中經常碰到化學吸附例子。 又如：泥漿中粘土顆粒吸附Na+、Ca2+等無機陽離子，吸附CMC大分子，則是物理吸附例子。 泥漿中較主要是固液界面吸附（包含離子交換吸附）和油水界面、氣液界面上吸附。這些吸附作用是泥漿化學處理膠體化學基礎。應該指出，固液吸附速度較慢這一特點在泥漿化學處理中是值得重視,作泥漿處理試驗時，加入處理劑攪勻后就測性能，根本不考慮粘土吸附處理劑需要一定時間，這種錯誤法經常造成室內試驗與井下效果很不相符。鉆井液和完井液化學第87頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎4 電動現(xiàn)象萊斯試驗 試驗中觀察到兩個現(xiàn)象： 粘土顆粒經過細砂層向陽極移動，并沉積起來。 水經過

35、粘土團塊毛細管向陰極流動。 總結這兩種試驗現(xiàn)象，得到兩個概念： 電泳：在電場作用下，分散相微粒在介質中向某一電極移動現(xiàn)象。 電滲：在電場作用下，液體對固定帶電荷固體表面作相對運動現(xiàn)象。 顯然，電泳和電滲都是外加直流電場于膠體體系引發(fā)運動現(xiàn)象。 電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電。土粒水電泳電滲+-鉆井液和完井液化學第88頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎5 膠團結構溶膠粒子大小在1nm-lm之間，每個溶膠粒子是由許多分子或原子聚集而成。 以AgI膠團形成為例：AgI膠團結構鉆井液和完井液化學第89頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎鈉蒙脫石膠團結構鉆井液和完井液化學第90頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎二、膠體顆粒擴散雙電

36、層 膠粒周圍帶有電荷后，會出現(xiàn)以下現(xiàn)象： 反離子擴散分布于膠粒周圍，形成擴散雙電層。 擴散雙電層結構 擴散雙電層 從固體表面到過剩反離子為零處。 吸附層 固體表面緊密吸引著部分反離子所組成。 擴散層其余反離子擴散地分布在液相中所組成。 滑動面 吸附層與擴散層錯開界面。-滑動面吸附層擴散層距離粘土鉆井液和完井液化學第91頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎擴散雙電層形成 因為膠體粒子帶電，在其周圍必定分布電荷相等反離子，以保持整個分散體系電中性。于是在固液界面形成雙電層。 雙電層中反離子，首先受到固面電荷吸引，不能遠離固面；另方面因為反離子熱運動，又有擴散到液相內部去能力，這兩種相反作用結果，使得反離子擴

37、散分布在界面周圍，組成擴散雙電層。 鉆井液和完井液化學第92頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎 雙電層中電位 熱力學電位 定義：從固體表面到均勻液相內電位。特點： 固體表面電位最大。 熱力學電位隨離表面距離增大而大致依指數(shù)關系降低。 電動電位定義：從滑動面到均勻液相電位降。特點： 膠粒帶電越多，電位越高。 大小取決于吸附層內靜電荷數(shù)。0 x0鉆井液和完井液化學第93頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎電解質對電動電位影響電泳試驗表明：任何電解質加入均要影響電位數(shù)值。這是因為加入電解質后，反離子濃度伴隨增大，反離子擴散進入吸附溶劑化層機會增加，膠粒電荷降低，同時擴散雙電層變?。ㄟ@就是電解質壓縮雙電層作用），電位降

38、低（見圖2-14）。當所加電解質把雙電層壓縮到吸附溶劑化層厚度時，膠粒即不帶電，電位降到零，此電泳速度亦為零，這個狀態(tài)為零狀態(tài)。在等電點附近，膠粒輕易聚結（自動降低分散度）。 鉆井液和完井液化學第94頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎 影響電位原因： 1. 任何電解質加入都要影響電位數(shù)值，伴隨電 解質濃度增大電位降低； 2.電解質中反離子價愈高，對電位影響愈大； 3. 假如電解質中反離子被強烈吸附到溶劑化層內，還 可能引發(fā)電位改變符號（此即再帶電現(xiàn)象） 鉆井液和完井液化學第95頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎粘土顆粒（片體）雙電層1. 粘土顆粒（片體）雙電層 (1) 蒙脫石：四面體層中部分Si+4被Al+3

39、取代、八面體層中Al+3被Mg+2等取代，這種被低價元素取代結果造成粘土表面存在吸附陽離子（Na+、Ca+、Li+等）。 當蒙脫石放在水里，這些吸附陽離子在中解離、擴散趨勢；伴隨吸附陽離子離開蒙脫石表面，蒙脫石表面就帶有負電子，同時對陽離子以靜電吸引，這兩種相互矛盾原因使陽離子以擴散形式分布在水里。粘土表面上緊密地聯(lián)接著一部分水分子和部分陽離子（帶有溶劑化水），組成吸附溶劑化層；其余陽離子帶著它們溶劑化水擴散地分布在液相中組成擴散層，如圖2-15所表示。另外，蒙脫石表面也有會吸附OH-、吸附含陰離子基團有機處理劑而增加帶電量。 鉆井液和完井液化學第96頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎 (2) 伊利石

40、 伊利石也有晶格取代，也會因吸附陽離子解離、擴散而使晶格層面帶負電。但因晶格取代所吸附為K+，它因尺寸關系恰好落在晶層間相對應二個六角環(huán)中，在水里不易解離，故帶電量比蒙脫石少。 (3) 高嶺石 高嶺石沒有晶格取代，帶負電是因為它晶格表面有裸露AlOH，在堿性介質里H+部分電離使粘土表面帶負電。電離出來H+，一部分被粘土表面吸附，連同一些水分子組成吸附溶劑化層；其余H+帶著它們溶劑化水擴散地分布在液相中組成擴散層。 鉆井液和完井液化學第97頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎 另外，高嶺石表面也能夠吸附其它負離子而帶負電，如，吸附含陰離子基團有機處理劑、高嶺石表面氧原子以氫鍵聯(lián)結方式吸附OH-等。當然，帶

41、電量也是極少。 總而言之，粘土膠粒表面負電荷起源有：a）晶格取代；b）裸露OH-層電離（在堿性介質中）；c）吸附陰離子。 不論是哪種情況，作為反離子陽離子都是以擴散雙電層分布于粘土表面周圍。其電位高低取決于粘土類型、泥漿pH值、泥漿處理劑加入、可溶性鹽類濃度及陽離子價數(shù)等。 鉆井液和完井液化學第98頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎2. 粘土顆粒（片體）端部表面雙電層 粘土晶格單元含有層面與端面。端部可能存在有不一樣擴散雙電層。在端部，粘土晶格中鋁氧八面體和硅氧四面體原來鍵被斷了。 八面體處端部表面相當于鋁釩土顆粒表面。在酸性介質里這個表面是以鋁離子作為定勢離子，帶正電；在堿性介質里以氫氧離子，帶負電

42、。其零電位不一定在中性介質時產生。在中性粘土懸浮液里，粘土端部鋁氧八面體處為帶正電荷雙電層。伴隨pH值降低，正電荷增加；PH升高，帶正電荷將轉為帶負電。 四面體端部表面，即使通常這個表面是帶負電，但當粘土懸浮液中有少許離子存在時，硅氧四面體破鍵將成為帶正電荷。 鉆井液和完井液化學第99頁第二節(jié) 粘土膠體化學基礎 概而言之，粘土顆粒端部在酸性和中性環(huán)境里是帶正電；伴隨pH值升高，帶正電可轉換為負帶電。這個概念與電脈試驗中粘土顆粒帶負電這一事實并不矛盾。因為端部所帶正電與粘土表面所帶負電荷相比是較小，就整個粘土顆粒而言，它所帶凈電荷是負，在電場作用下要向陽極移動。 鉆井液和完井液化學第100頁 粘

43、土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結 在重力作用下分散相粒子是否輕易下沉性質。普通用分散相下沉速度快慢來衡量動力穩(wěn)定性好壞。 比如，在一個玻璃容器中注滿鉆井液、靜止24h后，分別測定上部與下部鉆井液密度,其差值愈小，則動力穩(wěn)定性愈強，說明粒子沉降速度很慢。動力穩(wěn)定性：膠體穩(wěn)定性概念：即動力(沉降)穩(wěn)定性和聚結穩(wěn)定性。影響動力穩(wěn)定性原因重力影響布朗運動影響介質粘度對動力穩(wěn)定性影響鉆井液和完井液化學第101頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結聚結穩(wěn)定性 是指分散相粒子是否輕易自動地聚結變大性質。不論分散相粒子沉降速度怎樣，只要它們不自動降低分散度，聚結度變大，該膠體就是聚結穩(wěn)定性好體系。 必須指出，動力

44、穩(wěn)定性與聚結穩(wěn)定性是兩種不一樣概念，不過它們之間又有聯(lián)絡。假如分散相粒子自動聚結變大，那么，因為重量加大，必定引發(fā)下沉。所以，失去聚結穩(wěn)定性，最終必定失去動力穩(wěn)定性。由此可見，在上述兩種穩(wěn)定性中，聚結穩(wěn)定性是最根本。鉆井液和完井液化學第102頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結聚結穩(wěn)定性理論：靜電穩(wěn)定理論(DLVO理論)，是當前對膠體穩(wěn)定性，以及電解質對膠體穩(wěn)定性影響解釋得比較完善理論。依據(jù)這一理論，溶膠粒子之間存在兩種相反作用力:吸力與斥力。假如膠體穎粒在布朗運動中相互碰按時，吸力大于斥力，溶膠就聚結；反之，當斥力大于吸力時，粒子碰撞后又分開了，保持其分散狀態(tài)。鉆井液和完井液化學第103頁

45、粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結 溶膠粒子間吸力，本質上是范德華引力，但它和單個分子不一樣，溶膠粒子是許多分子聚結體，所以，溶膠粒子間引力是膠體粒子中全部分子引力總和，溶膠粒子間吸引力，與距離間3次方成反比。 膠粒間排斥力來源于兩方面：一方面是靜電斥力；其次是溶劑化膜(水化膜)斥力。膠粒間靜電斥力是由擴散雙電層引起，膠粒間靜電斥力大小取決于電動電位大小。溶劑化膜(水化膜)斥力與其厚度有關，厚度越大，斥力越大。鉆井液和完井液化學第104頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結影響聚結穩(wěn)定性原因膠體粒子之間吸力能是永恒，只是當膠體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，吸力能被斥力能所抵消而已。普通說來，外界原因極難改變

46、吸引力大小，然而改變分散介質中電解質濃度與價態(tài)則可顯著影響膠粒之間斥力位能。電解質濃度影響： 在低和中等濃度電解質時，總位能有一個最大值，但伴隨電解質濃度升高，斥能峰降低；而高濃度電解質存在時，除了膠體粒子非常靠近距離以外，在任何距離上都是吸引能占優(yōu)勢，在這種情況下聚結速度最快。在中等電解質濃度下，因為“遠程”斥力能作用，聚結過程延緩了。在低電解質濃度下存在顯著“遠程”斥力作用，聚結過程很慢，要幾周或幾個月才發(fā)生顯著聚結。鉆井液和完井液化學第105頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結反離子價數(shù)影響： 通慣用聚沉值和聚沉率兩個指標定量他表示電解質對溶膠聚結穩(wěn)定性影響。 聚沉值：能使溶膠聚沉電解質

47、最低濃度稱為聚沉值。各種電解質有不一樣。該值僅僅是個相對值，它與溶膠性質、含量、介質性質以及溫度等因親相關。詳細來講，聚沉值(或臨界聚沉濃度)是指在指定條件下，使膠體顯著聚沉所需最低濃度，以mol/l表示。聚沉值愈低，說明電解質聚沉能力愈強。 聚沉率：聚沉值倒數(shù)。聚沉率愈高，電解質聚沉能力愈強。普通，電解質聚沉值與反離子價數(shù)6次方成反比鉆井液和完井液化學第106頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結反離子大小影響：同號離子影響 與膠粒所帶電荷相同離子稱為同號離子，普通說來。它們對膠體有一定穩(wěn)定作用，能夠降低反離子聚沉能力。但有機高聚物離子(聚電解質)例外，即使與膠粒帶電相同、也能被膠粒吸附。 同

48、價離子聚沉率即使相近，但仍有差異，尤其是一價離子差異比較顯著。鉆井液和完井液化學第107頁 粘土-水膠體分散體系穩(wěn)定性與聚結相互聚沉現(xiàn)象： 普通情況下，帶相同電荷兩種溶膠混合后沒改變，當然也有個別例外。若將兩種相反電荷溶膠相互混合，則發(fā)生聚沉，這種現(xiàn)象叫做相互聚沉現(xiàn)象。 因為多數(shù)鉆井液都是粘土水膠體分散體系，所以上面介紹這類體系穩(wěn)定和聚結原理對鉆井液優(yōu)化設計和現(xiàn)場應用含有主要指導意義。鉆井液和完井液化學第108頁 鉆井液與完井液化學 第三章 鉆井液流變性鉆井液和完井液化學第109頁第三章 鉆井液流變性 鉆井液流變性是指鉆井液流動和變形特征。 鉆井液流變性是鉆井液一項基本性能，處理：(1)攜帶、

49、懸浮巖屑與重晶石；(2)提升機械鉆速；(3)保持井眼規(guī)則和確保井下安全。 另外，一些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學相關計算。所以，深入研究鉆井液流變性對油氣井鉆井液流變參數(shù)優(yōu)化設計和有效調控是鉆井液工藝技術一個主要方面。鉆井液和完井液化學第110頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念1. 流體流動類型 穩(wěn) 定 流： 流場中任何點流動參量不隨時間改變，但不一樣點流動參量是能夠不一樣流動。特 點： 穩(wěn)定流動是連續(xù)性。 不穩(wěn)定流：流場中任何點流動參量不但隨位置不一樣而變，而且隨時間不一樣也在改變流動。特 點：舊流動條件剛改變到新流動穩(wěn)定條件建立之間流動。 如：流體剛開始流動時；管道橫斷面變寬、變窄處。

50、鉆井液和完井液化學第111頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念 穩(wěn)定流動類型改變 塞流 Plug Flow 穩(wěn)定流 層流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow塞 流層 流紊 流穩(wěn)定流動類型改變鉆井液和完井液化學第112頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念塞流：流體象塞子一樣流動，流速為常數(shù)。層流：流體分層運動。任意流層與相鄰流層方向相 同，流速不一樣。紊流：流體內形成無數(shù)小旋渦。任一定點流速，其大小、方向都在進行著不規(guī)則、連續(xù)改變。鉆井液和完井液化學第113頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念 2. 基本概念剪切速率：沿垂直于流速方向上單位距離上流速改變量或增加量。表示式以下

51、： 單位為：s-1; 流體各層之間流速不一樣，層與層之間必定存在相互作用。由于液體內部內聚力作用，流速較快液層會帶動流速較慢相鄰液層，而流速較慢液層又會妨礙流速較快相鄰液層。鉆井液和完井液化學第114頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念牛頓內摩擦定律： 剪切應力：內摩擦力F除以接觸面積S即得液體內剪切應力 ，剪切應力可了解為單位面積上剪切力，即是量度液體粘滯性大小物理量，即粘度，單位為Pa.s或mPa. s。 鉆井液和完井液化學第115頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念粘度物理意義：產生單位剪切速率所需要剪切應力。 越大，表示產生單位剪切速率所需要剪切應力越大。粘度是液體性質，不一樣液體有不一樣

52、值。 還與溫度相關，普通隨溫度升高而降低。鉆井液和完井液化學第116頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念流變模式與流變曲線剪切應力和剪切速率是流變學中兩個基本慨念，鉆井液流變性關鍵問題就是研究各種鉆井液剪切應與剪切速率之間關系。這種關系用數(shù)學關系式表示，稱為流變方程，習慣上又稱為流變模式，用圖紙來表示，就稱為流變曲線。鉆井液和完井液化學第117頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念流變方程流變曲線鉆井液和完井液化學第118頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念流體基本流型牛頓流體：通常將剪切應力與剪切速率關系恪守牛頓內摩擦定律流體，稱為牛頓流體。 水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質油、低分量化合物溶液以及低速

53、流動氣體等均為牛頓流體。 其流動特點：加很小剪切力就能流動，而且流速梯度與切應力成正比。在層流區(qū)域內，粘度不隨切力流速梯度改變，為常量。鉆井液和完井液化學第119頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念流體基本流型 在試驗過程中，人們發(fā)覺除牛頓流體外還有一些表現(xiàn)粘度異常非牛頓流體，即不恪守牛頓內摩擦定律流體。 按照流體流動時剪切速率與剪切應力之間關系，能夠劃分為不一樣流型。依據(jù)流變曲線形狀不一樣，可將流體流型歸納為一下四種：四種流型牛頓流體塑性流體假塑性流體膨脹性流體非牛頓流體鉆井液和完井液化學第120頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念鉆井液和完井液化學第121頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念塑性

54、流體 與牛頓流體不一樣，當剪切速率為零時：即 剪切力0，而是s，即施加切應力必須超出某一特定值才能開始流動。 s為開始流動最小切應力，稱為靜切力，簡稱切力或凝膠強度。s0鉆井液和完井液化學第122頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念s0 切應力繼續(xù)增大，并超出s時，塑性流體不能均勻剪切，粘度隨切應力增加而降低，即圖中曲線段；繼續(xù)增加切應力，粘度不隨切應力增加而降低，圖中直線段； 塑性粘度（ 或PV）：不隨切力或流速梯度改變粘度。 動切力（YP）：直線段延長線與切應力交點（0）為動切應力或叫屈服值。鉆井液和完井液化學第123頁第一節(jié) 鉆井液流動狀態(tài)和基本概念s0 此式即是塑性流體流變模式，該式常稱

55、為賓漢模式，并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。塑性流體流變模式與流變曲線鉆井液和完井液化學第124頁 塑性流體機理分析 塑性流體表現(xiàn)上述流動特征是與它內部結構分不開。比如水基鉆井液粘土顆粒表面性質(帶電性和水化膜)極不均勻，可能出現(xiàn)如圖35所描述三種不一樣連接方式，即面面、端面和端端連接，從而形成空間網(wǎng)架結構。鉆井液和完井液化學第125頁 塑性流體機理分析 普通情況下，鉆井液中粘土顆粒部在不一樣程度上處于一定絮凝狀態(tài)。所以，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定剪切應力，破壞絮凝時形成這種連續(xù)網(wǎng)架結構。這個力即靜切應力，因為它反應了所形成結構強弱，所以又將靜切應力稱為凝膠強度。 在鉆井液開始流動以后，

56、因為早期剪切速率較低，結構拆散速度大于其恢復速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，所以表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低。s0鉆井液和完井液化學第126頁 塑性流體機理分析 伴隨結構拆散程度增大，拆散速度逐步減小，結構恢復速度對應增加。所以，當剪切速率增至一定程度，結構破壞速度和恢復速度保持相等(即到達動態(tài)平衡)時，結構拆散程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生改變，對應地粘度也不發(fā)生改變。該粘度即鉆井液塑性粘度。因為該參數(shù)不隨剪切應力和剪切速率而改變，所以對鉆井液水力計算是很主要。s0鉆井液和完井液化學第127頁 假塑性流體 一些鉆井液、高分子化合物水溶液以及乳狀液等均屑于假塑性流體。其流變曲線是經過原點

57、并凸向剪切應力軸曲線。 這類流體流動特點：施加極小剪切應力就能產生流動，不存在靜切應力，它粘度隨剪切應力增大而降低。鉆井液和完井液化學第128頁 假塑性流體 假塑性流體和塑性流體一個主要區(qū)分在于：塑性流體當剪切速率增大到一定程度時，剪切應力與剪切速率之比為一常數(shù)，在這個范圍，流變曲線為直線；而假塑性流體剪切應力與剪切速率之比總是改變，即在流變曲線中無直線段。鉆井液和完井液化學第129頁 假塑性流體流變模式與流變曲線 假塑性流體服從下式所表示冪律方程，即 該式為假塑性流體流變模式，習慣上稱為冪律模式,式中n(流性指數(shù))和是K(稠度系數(shù))是假塑性流體兩個主要流變參數(shù)。鉆井液和完井液化學第130頁

58、假塑性流體流變模式與流變曲線 n:表現(xiàn)出流體非牛頓性程度。普通小于1，為無因次量。鉆井液設計中經常要確定較合理范圍，普通希望有較低n值，使其含有很好稀釋性能。 K(稠度系數(shù))：反應鉆井液可泵性以及攜巖性。 0.25 0.5 1 剪切速率剪切應力鉆井液和完井液化學第131頁鉆井液流變性和現(xiàn)場實際應用普通情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10-20s-；環(huán)形空間50-250s-；鉆桿內100-1000s-；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000-100000s-。鉆井液和完井液化學第132頁鉆井液流變性和現(xiàn)場實際應用在中等和較高剪切速率范圍內，冪律模式和賓漢模式均能很好地表示實際鉆井液流動特征，然而在

59、環(huán)形空間較低剪切速率范圍內，冪律模式比賓漢模式更靠近實際鉆井液流動特征。鉆井液和完井液化學第133頁鉆井液流變性和現(xiàn)場實際應用 在鉆井液設計和現(xiàn)場實際應用中，這兩種流變模式往往同時使用。冪律模式能更加好地表示鉆井液在環(huán)空流變性，并能更準確地預測環(huán)空壓降和進行相關水力多數(shù)計算。 為了深入提升冪律模式應用效果一個經修正冪律模式，即赫-巴三參數(shù)流變模式也已經引入對鉆井液流變性研究中。鉆井液和完井液化學第134頁第二節(jié) 鉆井液流變參數(shù)測量與調控 鉆井液流變性能除上面己提及塑性粘度、動切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)外，還包含漏斗粘度、表現(xiàn)粘度、剪切稀釋性、動塑比和觸變性等。本節(jié)將繼續(xù)討論各種流變參數(shù)物

60、理意義，并簡明介紹其測量與計算方法，以及對它們進行調整和控制原理和伎倆。 鉆井液和完井液化學第135頁 漏斗粘度 在鉆井過程中，鉆井液漏斗粘度需要經常測定。因為測定方法簡便，可直觀反應鉆井液粘度大小，所以該參數(shù)已沿用多年。漏斗粘度計外觀如圖所表示。鉆井液和完井液化學第136頁 漏斗粘度 (1)用鉆井液量杯上端(500 mL)與下端(200mL)準確量取700mL鉆井將左手食指堵住漏斗口，使鉆井液經過篩網(wǎng)后流入漏斗中。 (2)將鉆井液量杯500mL一端置于漏斗口下方；在松開左手食指同時右手按動秒表。注意在鉆井液流出過程中一直使漏斗保持直立。 (3)待鉆井液量杯500ml一端流滿時，按動秒表統(tǒng)計所