钻井液基础知识讲座.ppt

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1、钻井液基础知识讲座,王树永,粘土矿物和粘土胶体化学基础,第一部分,（1）粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成的，除粘土矿物外，还含有不定量的非粘土矿物，如 石英、长石等。（2）大多数粘土颗粒的粒径小于2m，它们在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性。,粘土,粘土与钻井的关系,（1）粘土作为钻井液的重要组成成分。（2）钻井过程中井眼的稳定性（3）油气层的保护。,前言,第一节 粘土矿物的晶体构造,一、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晶片,硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图上。

2、硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右下图。,一、粘土矿物的两种基本构造单元,2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片,铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右上图所示)。铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的AL-O八面体网络。,一、粘土矿物的两种基本构造单元,3、晶片的结合晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。,O,OH,Si-O,Al-O,一、粘土矿物的两种基本构造单元,2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八

3、面体晶片构成。,氧原子,氧原子,Si-O,Al-O,Si-O,一、粘土矿物的两种基本构造单元,C,晶层间距C：一个晶层到相临晶层的垂直距离层间域：相邻晶层之间的空间层间物：层间域中的物质单位构造：晶层+层间域,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,1、基本概念（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。Si-O四面体：Al3+取代Si4+粘土带负电荷Al-O八面体：Mg2+、Fe2+取代Al3+蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al2Si4O(OH)2.nH2O 蒙脱石的实际结构式为：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)

4、4.nH2O,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为：Al4（Si8O20）（OH）4 伊利石的实际结构式为：(K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20（2）阳离子交换容量（C.E.C)定义：分散介质PH=9时，100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。是粘土的一个很重要的指标，因为它与粘土性质（如水化膨胀、分散等）密切相关。,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为15mPa.s钻 井液的体积数，m3/T。造浆率越高，说明粘土的水化分散能力越强。,二、几种常见粘土矿物的晶体构造

5、,2、几种常见粘土矿物的晶体构造（1）高岭石,高岭石晶体结构示意图,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,高岭石特点A、1：1型粘土矿物B、几乎不存在晶格取代，负电量少。C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。,Si-O,Al-O,OH,O,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,D、低（3-15 mmol/100g)在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数

6、目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以小。、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,蒙脱石蒙脱石晶体结构示意图,Al-O,Si-O,Si-O,Si-O,Si-O,Al-O,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,蒙脱石特点A、2：1型粘土矿物B、存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面体中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡。C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=9.6-40，属膨胀型粘土矿物。为什么？蒙脱石

7、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。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，使蒙脱石膨胀。,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土)原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以大。、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

8、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要配浆材料。,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,（3）伊利石 伊利石晶体结构示意图,伊利石特点A、2：1型粘土矿物B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。C、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10，属非膨胀型粘土矿物。为什么？由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层间引力较强，水分子不易进入晶层；,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,Al-O,Si-O,Si-O,Si-O

9、,Si-O,Al-O,K+,二、几种常见粘土矿物的晶体构造,K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，周围有12个氧与它配伍，起到连接作用，水分子不易进入晶层；D、C.E.C 大介于高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土)蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力，K+不易交换下来 K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此，K+连接通常非常牢固，不易交换下来。、造浆率低,第二节 粘土的电性,一、概述,从电泳现象得到证明

10、，粘土颗粒在水中通常带有负电荷。粘土的电荷是使粘 土具有一系列电化学性质的基本原因，同时对粘土的各种性质都发生影响。例 如：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。,二、电荷种类及产生原因,1、永久负电荷 定义：由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取带作用的多少，而不受pH值的影响。因此，这种电荷被称为永久负电荷。由于不

11、同粘土矿物晶格取代情况是不相同的，所带的永久负电荷也不相同。几种常见的粘土矿物单位晶胞所带永久负电荷大致如下表所示。粘土的永久负电荷大部分分布在粘土晶层的层面,二、电荷种类及产生原因,2、可变负电荷 定义：粘所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变，这种电荷叫做可变负电荷。可变负电荷产生的原因大致有两个：（1）解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离，因而使粘土带上可变负电荷 Al-OH OH-Al-O-+H2O(2)吸附：粘土晶体的端面上吸附了某些阴离子，如：OH-、SiO3等，或吸附了有机阴离子聚电解质，如：PHP等。粘土永久负电荷与可变负电荷的比例与粘土矿物的种类有关

12、，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，高岭石只古25o,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(PAThiessen)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。产生原因：粘土中裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-所致。Al-OH H+Al+OH-粘土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土晶体的净电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷。,三、粘土矿物带电量及影响因素,1、常见粘土矿物带电量 粘土带电量通常用表示，越大

13、，说明粘土所带电荷 越多，三种常见粘土矿物的大致如下。,思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而却比蒙脱石小？,三、粘土矿物带电量及影响因素,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 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,三、粘土矿物带电量及影响因素,（2）粘土的分散度 对同种 粘土矿物，分散度(或比表面)越大，越大。特别是高岭石，其阳离子交换主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而颗粒愈小，露在

14、外面的氢氧根愈多，交换容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。高岭石与颗粒大小的关系,三、粘土矿物带电量及影响因素,（3）PH值在粘土矿物与分散度相同的条件下，PH，C.E.C,原因如下：吸附OH-：溶液中OH-，通过氢键吸附到粘土矿物边缘上的OH-，可变负电荷，C.E.C。解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离，因而使粘土的可变负电荷增多。Al-OH OH-Al-O-+H2O PH值和分散度 影响可变负电荷 影响,三、粘土矿物带电量及影响因素,常见粘土矿物带电性区别,第三节

15、粘土的水化膨胀作用,水化膨胀性：粘土吸水后体积增大的性质。膨胀性是衡量粘土亲水性的指标。粘土亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。一、粘土矿物的水分 粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水等三种类 型。(1)结晶水。这种水(矿物中铝氧八面体中的OH-层)是粘土矿物晶体构造 的一部分，只有温度高于300以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来。,第三节 粘土的水化膨胀作用,(2)吸附水：由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带 电的粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水随粘土颗粒一起运 动，所以也称为束缚水。(3)自由水：这部分水存在于粘土颗粒的

16、孔穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由地运动。二、粘土水化膨胀作用的机理 各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化力渗透水化力和毛细管作用。,第三节 粘土的水化膨胀作用,(1)表面水化 定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子(2)渗透水化 定义：由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部 的阳离子浓度，因而发生水的浓差扩散，使水进入晶层，增加晶层间距，从而形成扩散双电层。作用机

17、理：浓差扩散,第三节 粘土的水化膨胀作用,扩散双电层的形成：,+,滑动面,吸附层,扩散层,吸附层：固体表面紧密地连接着的部分反离子构成的这一层。扩散层：扩散地分布到液相中的反离子构成的这一层 当颗粒运动时，吸附层随颗粒一起运动，与扩散层分开。电动电位：从滑动面到均匀液相内的电位；其大小取决于颗粒 表面电荷与吸附层内反离子电荷差。,水,第三节 粘土的水化膨胀作用,三、影响粘土水化膨胀的因素(1)因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同。粘土晶体所带的负电 荷大部分都集中在层面上，于是吸附的阳离子也多。粘土的表面水化膜主要是阳 离子水化造成的。在粘土晶体的端面上带电量较少，故水化膜薄。总之，粘土

18、晶体表面的水化膜厚度是不均匀的，其层面上厚，端面上薄。(2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。蒙脱石的阳离子交换容量高，水化最好，分散度也最高。而高岭石阳离子交换容量低，水化差，分散度也低，颗 粒粗，是非膨胀性矿物。伊利石由于晶层间K+的特殊作用也是非膨胀性矿物。,第三节 粘土的水化膨胀作用,(3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别。如钙蒙脱石水化后其晶层间距最大仅为1710-1nm，而钠蒙脱石水化后其晶层间距可达 17 10-140 10-1nm。所以为了提高膨润土的水化性能，一般都需使钙蒙脱石转变为钠蒙脱石。,第四节 粘土胶体化学基础,一、基本概念 1.相：物理性质和化学

19、性质都完全相同的均匀部分。体系中有两 个 或两个以上的相，称为多相体系.2.相界面：相相与相之间的接触面称为相界面.3.分散相 在多相分散体系中，被分散的物质.4.分散介质：在多相分散体系中，包围分散相的另一相.例如: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.,第四节 粘土胶体化学基础,5.分散度和比表面 分散度D：分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度 a的倒数来表示。D=1a 比表面S比：物质分散度的另一种量度，其数值等于全部分散相 颗粒 的总面积S与总质量m(或总体积v)之比。S比Sv(m-1)S比Sm(m2kg)细分散体系：S比104m2kg；a=1nm-

20、1um 分散体系 粗分散体系。S比104m2kg；a=1-40um,第四节 粘土胶体化学基础,6.吸附：物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部浓度)的现象。吸附质：被吸附的物质，吸附剂：吸附吸附质的物质。物理吸附：范德华引力引起，一般无选择性，吸附热较小，容易脱附 吸附分类 化学吸附：化学键力引起，具有选择性，吸附 热较大，不易脱附。,第四节 粘土胶体化学基础,二、粘土-水胶体分散体系的稳定性1、基本概念（1）动力稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。（2）聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质 失去聚结稳定性 失去动力稳定性2、动力稳定性影响因素（1）重力影响 固

21、体颗粒在液体介质中受到的净重力为：F1=（4/3）r3(-0)g F1=f（r,(-0)（2）布朗运动：当颗粒直径5um时，就没有布朗运动。（3）介质粘度 固体颗粒在液体介质中的下沉速度为：v=2r2(-0)g/9,第四节 粘土胶体化学基础,3、聚结稳定性影响因素(1)粒子间作用力 引力：范德华引力，静电引力 静电斥力：扩散双电层 斥力 水化膜斥力：水分子在粒子周围定向排列（2）聚结稳定性影响因素 电解质浓度 压缩扩散双电层 电动电位 斥力 反离子价数 压缩扩散双电层 电动电位 斥力 反离子直径 水化半径 越容易靠近粒子 压缩扩散双电层 电动电位 斥力,第二部分钻井液处理剂,一、稀释剂,稀释剂

22、是指能解除泥浆稠化的化学剂。泥浆稠化的主要原因是泥浆中固相颗粒过多及粘土颗粒形成网架结构。在含有聚合物的泥浆中，聚合物长链分子和粘土颗粒作用，或聚合物分子间相互作用形成网架结构也会引起泥浆粘切增大。无机电机质的污染，使粘土颗粒水化层变薄也易形成空间网架结构导致泥浆增稠。,稀释剂的作用机理,稀释剂的稀释作用首先是通过试剂吸附在粘土颗粒的边-端面上，拆散或削弱了粘土颗粒形成的网架结构达到稀释作用。同时，由于稀释剂具有较强的吸附能力及与聚合物分子形成化和物等作用，可使吸附在粘土颗粒上的长链聚合物分子解吸，从而起到稀释的作用。,铁铬木质素磺酸盐（FCLS）,简称铁铬盐，是有含有大量木质素磺酸盐的亚硫酸

23、纸浆废液制成。由于铁铬盐分子中含有磺酸基，和与木质磺酸形成了稳定的螯合物。所以Fcls是一种抗盐、抗钙的有效稀释剂，其热稳定性高，可抗150以上的高温。由于铁铬盐具有弱酸性，因此必须配合烧碱使用才能发挥良好的稀释作用。,在泥浆中fcls的加量为1-2%，加量超过3%时其抑制粘土水化膨胀的作用较显著。铁铬盐泥浆泥饼磨擦系数较高，在用水中钙，镁含量较高时易产生泡沫，可用少量硬脂酸铝、甘油聚醚等消泡剂以消泡，也可用原油消泡。铁铬盐稀释效果好，抗盐、抗高温能力强。但使用时需要PH值较高（10），不利于井壁稳定，且铁铬盐泥浆摩阻大，易发泡，另外铁铬盐含重金属铬,在制造和使用过程中易污染环境,对人身体有害

24、因此被逐步淘汰。,水解聚丙烯腈铵盐（NH4-NPAN）,简称铵盐，是由人造羊毛的下脚料（腈纶废丝）经高温高压水解反应的产物。普通铵盐的分子量5-11万，水解度60%左右，降粘降失水效果随分子量的不同而改变。分子量低降粘效果好降失水作用减弱，分子量高降粘效果减弱降失水效果增强。在铵盐分子中腈基（-CN）和胺基（-CONH2）作为吸附基，通过吸附在粘土边-端面上拆散粘土的网架结构。以羧铵基（-COONH4）作为水化基形成保护粘土颗粒的水化膜。,由于有铵离子的存在，铵盐除具有降粘、降滤失的作用外,还有抑制粘土水化膨胀的作用。铵盐在泥浆中的加量一般为0.3%-0.7%,加量增加降失水效果增强,但粘度会

25、略有升高。复配铵盐是以普通水解聚丙烯腈为起始原料，与多元化的乙烯基共聚物复配而成。具有较强的抗盐、抗钙能力，可适用于海水、淡水及矿化度小于4%的盐水泥浆。复配铵盐在抑制粘土水化分散，改善泥浆流变性和抗高温等方面也优于普通铵盐，加量在0.5%-1%左右。,东营地区钻井时铵盐的使用一般是在钻至沙河街组地层后。因为东营组以上地层为疏松砂岩及蒙脱石含量高的泥岩，泥岩易缩径砂岩易形成厚泥饼引起糊井壁。因此上部地层钻进须适当打大井眼，防止井眼过小引起起下钻不畅通。铵盐作为一种稀释剂具有抑制膨胀和降滤失作用，加入泥浆后能有效的保护井壁防止井径扩大，因此不适用于上部地层钻进使用。,高效硅氟降粘剂SF-1,硅氟

26、降粘剂是一种高活性的表面活性剂，必须通过用载体来实现其性能，SF-1是做好的硅氟和碳黑混合而成的产品。,SF-1的降粘机理是利用其分子链上聚硅氧烷和碳氟基团带来的低的界面张力和高的表面活性，吸附于粘土表面通过改变粘土的表面能，拆散粘土的网架结构达到降粘的目的。并给予胶体表面润滑性并具有一定的消泡作用。有机硅、有机氟具有高的化学耐热性和稳定性，使SF-1具有在高温（2000C以上）及一定矿化度（4%）条件下，仍具有理想的性能。,SF-1在泥浆中的加量0.3-0.7%，具有加量少，降粘效果好，抗高温及抗一定矿化度盐的能力。在密度高（1.50g/m3）或搬土含量高等高固相的情况下,SF-1也表现出优

27、良的降粘效果,并且稳定周期长.对于泥浆中PAM等处理剂含量高,降粘困难的情况,SF-1的降粘效果也优于一般其它的降粘处理剂.,泥浆降滤失剂,泥浆滤失量的重要性,泥浆滤失量大易引起页岩的膨胀和垮塌，造成井壁不稳定。泥浆和滤液侵入地层，引起粘土膨胀，堵塞地层油气流通道，损害产层。在滤失量增大的同时滤饼也增厚，而厚滤饼使井径缩小，造成钻具扭矩大，起钻抽汲，下钻遇阻，固井质量差等问题。因此，适当低的滤失量是泥浆的重要性能之一。,降滤失剂的作用原理,第一、护胶作用。为了形成渗透率低的泥饼，要求泥浆中粘土颗粒粒径有合适的大小分布，同时要求有较多的细颗粒。降滤失剂的护胶作用在于（1）吸附在粘土表面形成吸附层

28、，以阻止粘土颗粒絮凝变大；（2）能把在泥浆循环搅拌下所拆散的细颗粒通过吸附稳定下来，不再粘结成大颗粒。这样增加了细颗粒的比例，有利于形成致密泥饼。,第二、提高滤液粘度可以降低滤失量。滤失量与泥浆滤液粘度的0.5次方成反比。有机降滤失剂加入泥浆后提高了滤液粘度,使滤失量降低。第三增加泥浆中搬土颗粒的水化程度,可以降低滤失量.降滤失剂吸附在泥浆中的搬土颗粒上,使其水化程度增加颗粒的水化膜增厚,形成的滤饼在高压下易变形,滤饼的渗透率降低。,第四、降滤失剂分子本身的堵孔作用。有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒范围内，加入这些外理剂后，它们一方面是分子的长链楔入滤饼的间隙中，另一方面长链分子卷曲成球

29、状，堵塞滤饼微孔隙，使滤饼薄而致密，从而降低滤失量。,羟甲基纤维素钠盐（N-CMC）,CMC是由棉花纤维用20%NOH处理后，加入醚化剂反应而成。由于其聚合度的不同又分高粘、中粘、低粘三种。一般CMC聚合度在200-600左右，醚化度。CMC分子链中羟基、醚基是吸附基团,羟钠基为水化基团。,CMC的降失水机理,第一是由于其分子链较长,一条分子链可吸附多个粘土颗粒,形成混合网状结构,阻止粘土颗粒相互粘结变大起到护胶作用.第二CMC可有效提高泥浆的滤液粘度以及本身的堵孔作用。,CMC性能及使用特点,由于CMC易增加泥浆粘度及滤液粘度,常导致钻屑粘附上部井眼井壁形成“小井眼”，引起起下钻不畅通.因此

30、,一般井使用CMC应在进入沙河街组地层以后,并且每次加量不宜过大(300g).上部地层由于特殊情况被迫使用CMC时,应在井下恢复正常后用低粘、切，高失水的泥浆充分冲洗井眼,使井径适当扩大井眼干净。醚化度的CMC适用于高矿化度水泥浆体系。特别是醚化度的CMC具有抗盐抗钙效果好,流变性易控制等优点。,磺甲基酚醛树脂（SMP）,SMP是在酸性条件下使甲醛苯酚生产成线性酚醛树脂，再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行分步磺化制得。,SMP的结构及性能特点,SMP分子结构有如下特点：1）分子链由亚甲基桥和苯环构成引入磺酸基故热稳定性高，可抗1800-2000C高温。（2）由于引入磺酸基，其抗无机电解质的能力

31、强。其中SMP-1可适用于矿化度小于10万PPM的泥浆体系，SMP-2可适用于盐水泥浆、饱和盐水泥浆体系。SMP能有效降低泥浆的高温高压失水，明显改善泥饼质量，增强泥浆的热稳定性。同时，它还有较好的润滑和防塌作用。,SMP的使用方法,SMP单独做为降滤失剂的加量是3%-5%，其中SMP-2用于盐水钻井液时其加量是5%-8%，SMP-1有增粘作用，SMP-2略降粘，SMP与褐煤类降失水剂共同使用可增强其降失水效果。因此建议在垂深超过2500米的井才开始使用SMP，以免造成浪费。,高温高压降失水剂SCUR（褐煤类降失水材料）,SCUR是由风化褐煤与碳酰胺衍生物接枝、缩聚、磺化而成。该类处理剂具有较

32、好的降滤失作用和一定的降粘效果。其作用机理是SCUR吸附于粘土颗粒表面形成吸附水化层，同时提高粘土的电动电位，增加泥浆中粘土细颗粒数量，改善泥饼质量。其次SCUR增大粘土颗粒聚结的机械阻力和静电压力，防止粘土聚结达到降失水降粘的目的。,SCUR的性能特点及使用方法,SCUR在泥浆中的加量为1%-3%，抗温达1800C以上，但其抗无机盐的性能较差，可适用淡水泥浆或矿化度小于4%的盐水泥浆。同时，它对泥饼的润滑性能略有影响，稍增加泥饼的磨擦系数。其它褐煤（腐植酸）类产品性能使用与其相似,抗盐抗高温降滤失剂LY-1,LY-1为低分子量的烯类单体的三元共聚物，由丙烯腈、烧碱、植物油等高温反应而成。由于

33、在碳链上引进了酰胺基、腈基、羟基、羟钠基和磺酸钠基等吸附基团和水化基团，在结构上保证了较好的抗温和抗无机盐的能力。,LY-1的降滤失机理、特点和加量,LY-1的降滤失作用首先是通过各基团之间的协同作用，给粘土颗粒带来了厚的水化膜，提高了粘土颗粒的电动电位，保证了形成致密的压缩性好的泥饼。其次是提高了泥浆滤液粘度，达到了降失水的目的。LY-1在淡水泥浆中加量0.5-1%，盐水泥浆中加量1-2%，饱和盐水泥浆中的加量2-3%。LY-1具有加量较小、抗盐效果好、抗高温能力强、降滤失效果明显等特点。,LY-1存在的不足,由于LY-1能较大地提高泥浆及滤液的粘度，易导致钻屑糊井壁，因此首次使用应在进入沙

34、河街组地层以后，如无特殊情况每次处理量不易超过泥浆总量的0.2%。此外LY-1存在着抗含C+,Mg+等高价离子无机盐能力差,降高温高压失水不太理想等问题。,聚合物降滤失剂FI-J16,聚合物降滤失剂是以丙烯腈为原料的一种多元共聚物类降滤失剂，是水解聚丙腈铵盐类的改性产品。其主体聚合物呈非离子性质，因此可以用于多种泥浆体系，不会对泥浆的电性质产生影响。,淡水泥浆中的加量0.3%-0.5%,在4%盐水泥浆中的加量1.0%-2.0%。具有加量少、降滤失效果好、降粘效果明显的优点。但该降滤失剂存在着抗盐效果差、不抗高温的缺点，不适合深井使用。,聚合物降滤失剂FI-J16的特点及使用方法,改性淀粉降滤失

35、剂,改性淀粉是由植物淀粉经改性而成，主要是在淀粉的主链上引入醚基，羟丙基等基团，改进了淀粉的性能。淀粉做为降滤失剂其降失水机理与CMC类似。,改性淀粉降滤失剂的特点与加量,由于原材料价格低廉，因此改性淀粉价格较低，但在降滤失方面却有许多优点：它加量少，抗无机盐效果好，降失水作用明显。在淡水泥浆中加量0.3-0.5%,在4%盐水泥浆中加量0.6-0.8%,饱和盐水泥浆中加量1-1.5%,并且其抗Ca2+、Mg2+等高价离子无机盐效果好,对泥浆粘、切影响不大。同时该类处理剂属非离子型,可适用于各种泥浆体系。,改性淀粉降滤失剂的不足,改性淀粉抗温效果较差（抗温能力小于1400C）、易被生物发酵变质、

36、易发泡、分子链不稳定易失效的缺点。,海水钻井液降滤失SR-1,SR-1是由丙烯酸单体聚合改性而成的烯类单体聚合物。适用于淡水、海水、饱和盐水等多种泥浆体系。,SR-1的使用方法和特点,SR-1具有加量少（在海水中加量为0.5-1%）,降滤失效果好,抗无机盐能力强的特点,并具有一定的降粘、降切作用,抗温可达160度。合成的丙烯酸类产品均具有良好的抗盐效果,加量少,且可以根据泥浆流变性的要求调整处理剂这方面的性能,缺点是降高温高压失水效果较差,价格较高.,褐煤树脂SPNH,SPNH是由磺化褐煤、磺化酚醛树脂和腈钠盐在一定温度压力等条件下复配而成。SPNH能抗矿化度15%的盐，抗高温效果好，有一定的

37、降粘作用，降滤失效果明显。SPNH在淡水中的加量1-2%，在盐水中加量3-5%。褐煤树脂既具有酚醛树脂的抗盐抗高温效果，又具有磺化褐煤的降粘作用，并且加量较SMP略有降低，是低矿化度（10%）泥浆较理想的降失水材料。,防 塌 剂,井塌的原因,一、力学因素。井眼围岩的差应力超过岩石的抗剪强度。二、物理化学因素。1、地层的岩性，包括岩石的矿物成份、结构形态（如裂缝发育程度）。2、钻井液滤液对地层的侵入，导致页岩的水化裂解，粘土的水化膨胀，地层岩石强度降低及坍塌应力升高。,三、钻井工程措施,1、井内压力激动过大。2、井内液柱压力大幅度降低。3、钻井液对井壁的冲蚀作用。4、井身轨迹和井身质量的影响。5

38、、对井壁过于严重的冲击。,防塌剂稳定井壁的基本原理,一、提高泥浆的抑制性。泥浆的抑制性是减轻泥浆同泥页岩地层物理化学作用，防止泥页岩地层水化、膨胀和分散，稳定井壁的关键。为了提高钻井泥浆的抑制性可以采用加入无机钾盐、高或低分子量的聚合物、有机硅、多元醇等处理剂的措施。,二、增强泥浆的造壁性与封堵能力。对于裂缝发育的坍塌层，在井壁周围形成渗透率接近零的封堵带，将井筒内泥浆与井壁地层隔绝为两个系统，控制和减少滤液侵入地层，可以达到稳定井壁的目的。,三、优化泥浆的流型和流变参数。泥浆的流型和流变参数对井壁稳定和携砂影响极大。不同类型的地层选用不同的泥浆流型和流变参数才能有效稳定井壁。,无机钾盐（KC

39、L，KOH）,钾盐防塌是利用K+稳定地层粘土，防止井壁坍塌。在蒙脱石、伊利石粘土矿物中，相邻的硅氧四面体共有氧原子组成的六角环内切圆直径为0.288nm，而未水化K+直径为0.266 nm,因此K+易镶嵌到六角环中,把带负电荷的粘土片紧紧联结在一起,阻止了粘土水化膨胀。,同时K+的水化半径(0.76 nm)小,水化能低也抑制了粘土水化膨胀。而且K+使粘土颗粒的扩散双电层变薄,Zeta电位降低有利于各种处理剂在粘土上的吸附,提高了处理剂的效果。NH+4由于直径与K+相近,防塌效果也较好。其它无机盐类(NaCL)都有减少粘土表面水化和渗透水化的作用,但由于离子半径和水化能与K+不一样,故对粘土页岩

40、的稳定能力较差。,无莹光防塌降滤失剂（PA-1）,PA-1为无莹光的腐植酸钾与阳离子组分接枝的共聚物。,PA-1的作用机理与用量,其防塌作用是由于分子链上的钾离子和其它阳离子协同作用抑制泥页岩水化膨胀。同时阳离子的加入大大提高了处理剂的吸附和水化能力，给粘土颗粒带来厚的水化膜，提高了粘土颗粒的电动电位，形成了致密的压缩性好的泥饼，从而有利于降低泥浆的滤失量，并有一定的降粘效果。PA-1的加量为1.5-3%,适宜的PH值为7.5-11,耐温达1800C.该处理剂类似于其他腐植酸类产品，也具有抗无机盐效果差等缺点.,封堵防塌剂FF-1,FF-1属改性的氧化沥青类防塌剂，其软化点在800C-1400

41、C，其主要的防塌机理：FF-1在一定的温度和压力下软化变形，改善泥饼质量，封堵页岩微裂缝，提高了对页岩裂缝的粘结力。它在井壁处形成一层致密的憎水性保护膜，阻止水进入泥页岩。同时FF-1还能有效地降低泥浆的高温高压失水，提高泥饼的润滑系数等优点而不影响泥浆的流动性能。,FF-1的用量与特点,FF-1的有效加量为2-3%，具有不同的软化点，是当前防止裂缝性泥页岩坍塌较好的一种防塌剂。同时FF-1和超细CaCO3配合能有效提高地层的承压能力，解决渗透性井漏。,磺化沥青（SAS）,磺化沥青是由沥青与浓硫酸或三氧化硫反应制得。其磺酸基含量大于10%，水溶物70%，油溶物大于25%。其防塌机理既有化学作用

42、又有物理作用，处理剂溶于水的阴离子基团，主要起降滤失作用，并吸附在泥页岩裂缝边缘处阻止泥页岩进一步水化。同时在压差作用下，油溶物和沥青粉起到封堵微裂缝的作用。,磺化沥青（SAS）的用量与特点,SAS的加量一般在1-2%，其不但防止泥页岩垮塌效果良好，而且能显著改善泥饼质量，降低泥浆高温高压失水，提高泥饼的润滑系数。但该产品如果磺化不好时易产生增粘、起泡等副作用。,聚合醇防塌剂（SYP-1）,聚合醇防塌剂由聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醚、表面活性剂等多种成分组成，它具有良好的抑制泥页岩膨胀和稳定泥页岩井壁的能力并且润滑效果良好。,聚合醇防塌剂的防塌机理 强抑制性。聚合醇能够与水分子争抢粘土矿物上的吸附

43、位置，从而阻止水分子吸附到粘土上,阻止粘土水化膨胀和分散。浊点效应。同其他非离子表面活性剂一样，聚合醇具有浊点效应，在低温下可溶于水，当温度超出一定范围后，聚合醇分子便束集成塑性团粒，在井眼压力的作用下被挤入井壁缝隙并逐渐把缝隙堵住，有时聚合醇在井眼内为溶解状态，但随滤液进入井壁缝隙后由于温度高于浊点而析出并堵塞裂缝。与钾离子形成复合物。钾离子与聚合醇具有很好的协同作用，二者配合使用，抑制性更好。,聚合醇防塌剂的使用及特点,SYP-1的加量是1-3%，它对泥浆流变性影响不大。SYP-1还具有一定的降滤失作用。同时润滑效果良好。,硅甲基抗钙防塌剂SAK-1,硅酸盐类防塌剂，能有效增强钻井液的封堵

44、作用和抑制能力，进一步提高钻井液的防塌性。其防塌成份为硅酸盐，含有硅酸盐的滤液进入地层后，因化学环境的改变，能够迅速凝固,起到对近井壁的固化作用。并且硅酸盐离子通过在粘土颗粒表面的吸附，堵塞粘土层片之间的缝隙；硅酸盐能够有效抑制粘土水化分散。SAK-1处理剂还能有效降低钻井液滤液进入地层、减小压力穿透、改善泥饼质量，这些均有利于井壁稳定，,硅甲基抗钙防塌剂SAK-1的使用及特点,SAK-1在钻井液中的加量为2-3%，它要求钻井液体系有一定的抗盐能力，PH值要求大于11。SAK-1由于含有硅酸盐，因此它能增粘、切，静切力较高，并且不能与含铵离子的处理剂一起使用。,絮凝剂和流型调节剂,聚丙烯酰胺（

45、PAM）,PAM是由单体丙烯酰胺在引发剂的作用下聚合而成的链状（线型）高聚物。其分子量在300万500万,主要作用是絮凝泥浆中的钻屑、劣质土和部分搬土，抑制泥页岩水化分散。,聚丙烯酰胺使用及特点,PAM对泥浆流变性的影响主要取决于泥浆中搬土的含量，PAM及其它处理剂的加量等方面。絮凝剂对粘土颗粒的絮凝分三个步骤：第一是通过分子链上羟基（-OH）或酰胺基(-CONH吸附在粘土颗粒上；第二是一条分子链吸附多个粘土颗粒形成架桥；第三是分子链发生旋转和运动将小颗粒聚集到一块，形成絮凝团块下沉。PAM的水解度有30%左右，水解度太低不利于分子链伸展不利于架桥。水解度过高吸附基团少不利于吸附。PAM的分子

46、量在300万-500万，分子量过低无法架桥，分子量过高溶解困难，分子链易卷曲，絮凝效果差。PAM在泥浆中的加量；淡水泥浆0.3-0.5%,盐水泥浆0.5-1%。,正电胶（MMH）,正是胶是由两种或两种以上金属离子组成的氢氧化物，主要是NaoH、AL(OH)3、Mg(OH)2、Ca(OH)2等。,正电胶（MMH）的特点,80年代末美国DOW公司开发出来正电胶能给泥浆带来独特的流变性，这种泥浆剪切稀释能力强，动塑比高，具有“固/液”双重性，由粘土-水-正电胶组成的复合体，具有静止时呈固态，一经扰动既流动的特点。,正电胶（MMH）的防塌机理,第一由于正电胶颗粒带较高正电荷能有效降低粘土颗粒的Zeta

47、电位，抑制粘土颗粒水化分散；第二正电胶泥浆独特的流变性特别是“滞留层”的存在防止泥浆冲刷井壁；第三正电胶与粘土形成正电胶粒吸附膜稳定地层活度，抑制渗透水化；第四正电胶与粘土形成复合体对泥页岩的“包覆”作用；第五由于正电胶钻井液束缚水的能力较强，可降低水向地层渗透有利于井壁稳定。,第三部分钻井液体系介绍,正电胶（MMH）钻井液体系,正电胶泥浆体系是以正电胶为泥浆的主处理剂配合使用正电胶降失水剂、降粘剂、润滑剂等处理剂的泥浆体系。正电胶（单体）的加量为1-3%。,正电胶（MMH）钻井液体系的特点,正电胶钻井液具有独特的流变性，剪切稀释作用十分显著，其各环节粘度差别相当大。从外观上看正电胶泥浆粘度较

48、高，流动不畅，漏斗粘度偏高；但不能以漏斗粘度判断正电胶泥浆粘度的高低。产生这种粘度是由于正电胶、粘土颗粒形成的电场使极化水产生空间网架结构。,正电胶（MMH）钻井液体系的处理,凡是能破坏泥浆电性，使水分子产生混乱而破坏网架结构的处理剂均能降粘；另一方面控制固相含量和膨润土含量也十分重要。一般的降滤失剂都是极性分子或发生电离因此均能降粘，加少量的降粘剂也可达到很好的降粘效果。但这些处理剂加量大时反而增粘，且加降粘剂后再加降滤失剂则不再降粘，一般选用铵盐降粘效果较好。使用正电胶泥浆的井自二开钻进开始一切处理以正电胶为主，以正电胶作为泥浆的主处理剂来提高泥浆的抑制性，改善泥浆的流变性，其它处理剂做为

49、辅助处理剂。,正电胶（MMH）钻井液流变性特点,先是具有“固-液”特性，在高剪切速率时粘、切较低有利于水力破岩，在低剪切速率时（环空中）粘、切较高，动塑比值高有利于携岩，静止时呈固态性质有利于悬浮钻屑，动切力静切力相近。其次是在环空中近井壁处泥浆呈静止状态称为“滞留层”，滞流层有利于稳定井壁。该泥浆体系适合钻存在疏松砂层、不稳定易垮塌砾石层的井，及井斜位移大，携砂困难的井。,正电胶（MMH）钻井液的缺点,首先是由于正电胶属无机电解质，对失水影响较大，能较大增加泥浆失水，泥饼质量差，降失水剂用量大。其次正电胶泥浆固相容量限较低，因此在泥岩段钻时快时其流变性不易掌握。第三它不太适合于高密度泥浆。,

50、聚合物钻井液体系,聚合物钻井液体系是以聚合物（PAM）为主抑制剂配合使用正电胶提高泥浆的抑制性，改善钻井液的流变性，以铵盐调整泥浆粘度，以聚合物降失水剂、SCUR，SMP-1、LY-1等控制钻井液失水。主要用于地层较稳定，密度小于1.5g/cm3,井深小于3000米的井.,聚合物钻井液体系的处理,该体系二开后以0.1-0.2%PAM+0.05-0.1%MMH溶液大循环钻进，控制地层造浆,MMH的加入提高了泥浆的抑制性有利于钻屑絮凝沉淀.大循环一般钻过馆陶组。改小循环后充分利用振动筛、除砂器、离心机控制固相含量,特别是利用离心机控制搬土含量;以PAM和MMH溶液维护处理泥浆，以适当打大上部井眼。