钻井液
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L.Z.J
重庆科技学院石油工程学院
第 5页
Drilling Fluids
三、钻井液主要功用
(Function of Drilling Fluids)
1）软化地层，帮助破岩; 2）悬浮和携带岩屑; 3）保护井壁，防止垮塌; 4）清洗井底，提高破岩效率; 5）提供水力作用; 6）冷却和清洗润滑钻头钻具; 7）平衡地层压力，防止地下油气喷出; 8）传递井下信息； 9）保护和发现油气层。
钻 井 液 循 环 示 意 图
Circulation System
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第 4页
Drilling Fluids
二、主要性能:
1、基本性能:
流变性: 粘度、切力、密度等
滤失造壁性: 滤失量、泥饼性能等
抑制性: PH ﹑矿化度、防侵污、防塌等
2、特殊性能:
高温高压性能、乳化稳定性、润滑性等。
五、钻井液的基本组成
1.水基钻井液：
水+膨润土+各种处理剂+加重剂等
2.油基钻井液： 油+水（分散相）+乳化剂+亲油固体+加重 剂等
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L.Z.J
第13页
Drilling Fluids
六、钻井与钻井液工艺发展概况
（一）.发展历史
钻井液是钻井的血液，钻井液的发展离不 开钻井工艺的发展。随着钻井工艺的不断发展， 对钻井液提出新的要求。为了满足钻井工艺的 要求，钻井液工艺技术不断发展。 中国早在256B.C.就开始在自贡一带打盐井， 随后是波斯、埃及和欧洲，美国从1806年才开 始打井。1844年开始出现旋转钻井（英国专 利），1845年循环系统问世（法国Fauvelle） 1850s年代出现单牙轮钻头，1860年出现金刚石 钻头。此前均以水为钻井液。主要功用为：软 化地层，清除岩屑
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第27页
Drilling Fluids
3.是不稳定的分散体系 是不稳定的分散体系：
体系表面能E=ΔSσ
表面分子
ΔS—总表面积
σ—单位面积的表面能
内部分子
a:引起吸附 b: ΔS降低（符合能量原理—热力学第二 定律）
L.Z.J
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表面和内部分子差别
第28页
Drilling Fluids
三．常见粘土矿物晶体构造和特点
1.基本构造单位：
硅氧四面体与铝氧八面体
常见的粘土矿物都 是由硅氧四面体片 和铝氧八面体片组 合而成的。
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第29页
Drilling Fluids
硅 氧 四 面 体 晶 片
铝 氧 八 面 体 晶 片
气液类 充气 钻井液
气体类
其它 泡沫 天然气 空气 气体 钻井液
(以液为主) (以气为主)
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第 7页
Drilling Fluids
钻井液分类
2.根据钻井液的作用分为(广义)
(1)钻井液 (2)完井液 (3)固井液 (4)修井液 (5)射孔液 (6)酸化\压裂液 (7)隔离液等
L.Z.J
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第15页
Drilling Fluids
（三）.钻井液技术的关键内容
深井高温、高密度钻井液； 井壁稳定机理与防塌钻井液； 水平井、大位移、小井眼等特殊工艺井的钻井液技术； 欠平衡钻井液技术； 保护储层钻井与完井液技术； 钻井液防漏、堵漏技术； 钻井液流变学研究； 钻井液固控技术； 环保钻井液与废弃钻井液处理； 新型钻井液处理剂及体系的研发与应用； 计算机和信息技术在钻井液工艺中的应用。
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第20页
Drilling Fluids
第二章 粘土胶体化学基础
（ Fundaments of clay colloid chemistry ）
学习本章的意义:
粘土是配浆的基础材料 钻井液是粘土--水的溶胶--悬浮体 地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层
Drilling Fluids
第一章 概论
Introduction
钻井的目的:
凿开地层，建立地下油 气资源的输出通道。 获取地下岩石和油、气、 水等有关信息。
L.Leabharlann Baidu.J
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第 1页
Drilling Fluids
钻井液：油井的命脉
1900 年，在德克萨斯州的 Spindletop 钻 探油井期间，钻井工人驱赶一群牛趟过了一 个灌满水的地坑。被牛趟过的水坑中就会形 成泥浆，它是一种粘稠的、泥浆状的水和泥 土的混合物，钻井工人用泵将它送入钻孔中。 钻井液如今仍被称作泥浆，但工程师们已不 再只依赖水和泥土作为钻井液的原料。他们 对混合物的成分进行精心调配，以满足各种 钻探条件下的具体需要。现代化的钻井液确 实是油井的命脉——钻井的血液。今天如果 没有它们，就不可能钻出深井。 L.Z.J
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第16页
Drilling Fluids
七、钻井液与钻井工程的关系:
钻井液密度关系到安全、钻速. 滤失造壁性与井壁稳定、地层损害、钻速有关. 钻井液流变性与水马力、净化有关,对钻速影 响大. 钻井液中固相类型、含量对钻速影响大. 钻井产层的完井液直接影响油气产量.
O、G、J报道: Selection of the wrong drilling fluid could reduce the productive index of a well by 80% or more .
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第17页
Drilling Fluids
钻井工艺对钻井液功用与性能的要求
单位层
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第30页
Drilling Fluids
2.基本术语：
(1)晶格取代：晶格结点中一质点被另一质点取 代的现象。 如：硅氧四面体中的Si+4——AL+3、Fe+3
八面体系中的AL+3——Mg+2、Ca+2
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第18页
Drilling Fluids
思 考 题（一）
1．什么是钻井液？ 2．钻井液有哪些主要功用？ 3．钻井液的有哪些类型？ 4．钻井液的主要成份是什么？ 5．钻井液与钻井工艺的关系如何？
L.Z.J
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第19页
Drilling Fluids
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历史
第 2页
Drilling Fluids
一、定义:
泥浆(drilling mud)
洗井液(flush fluid)
钻井液(drilling fluid)—— 用于钻井工艺中具有符合工艺要 求性能和功用的循环流体。
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第 3页
Drilling Fluids
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第14页
Drilling Fluids
（二）、钻井液工艺发展阶段
1920年以前自然造浆阶段: 清水作为洗井介质 (1845年法国最早报道泥浆功用) 细分散钻井液阶段(1920- 40): 30年代U.S 首先使用了 土+碱+丹宁. 栲胶. NaC等钻井液处理剂. 粗分散钻井液阶段(1940- 68): 钙处理、盐 水等钻井液体系（inhibited mud）。 1968至今: 不分散聚合物钻井液（无、低固 相→重泥浆） 相应发展了油基、矿物油、SB、定向、水平、 小井眼及特殊用途的钻井液体系.
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第25页
Drilling Fluids
二．胶体分散体系的基本性质：
1.是不均匀的分散体系（多相性）
相和相界面(phase and interface)： 相—是指物质的物理性质和化学性质都 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。相与相 之间的接触面称为相界面。
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第 8页
Drilling Fluids
钻井液分类 2.根据钻井液的作用分为(狭义)
(1)钻井液 (2)防塌钻井液 (3)防卡钻井液 (4)堵漏(钻井)液 (5)完井钻井液等
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L.Z.J
第 9页
Drilling Fluids
钻井液分类 3.根据钻井液(水基)中粘土分散的程度
粗分散体系 （悬浮体） （乳状液） 胶体分散体系 （溶 胶） 分子与离子分 散体系 （溶 液）
0.1微米～1毫微米
＜1毫微米
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第24页
Drilling Fluids
钻井液——胶体悬浮分散体系
钻井液中的分散相颗粒范围较大，有
各种尺寸的分散相颗粒，具有胶体、悬 浮体系的性质。
单相： 多相：
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气 油 水
水
油 粘土 处理剂
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第26页
Drilling Fluids
2.是表面积特大的分散体系： 分散度：分散相的分散程度。 比表面积S0=总面积/体积 单位体积或单位重量对应的分散相 的总表面积。比表面积越大，物质 分散得越小，分散度就越高。
1cm3的物质分割成边长为1微米的小颗粒时，总 面积由原来的6cm2增大为6m2，即增加一万倍。
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第11页
Drilling Fluids
钻井液分类
5.根据特殊钻井工艺要求
(1)抗高温深井钻井液 (2)水平井钻井液 (3)欠平衡低密度钻井液 (4)小井眼钻井液等
6.根据钻井液添加剂的种类
如:聚合物、正电胶等
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第12页
Drilling Fluids
分散与溶解区别？
溶液： 溶剂+溶质 溶解
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分散体系： 分散相+分散介质 分散
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第22页
Drilling Fluids
2.分散体系分类：
(1)按聚集状态： S/L（钻井液）、L/L（牛奶、油包水、 水包油乳状液）、G/L （泡沫）等共9 类 (2) 按颗粒尺寸：(下表) 粗分散体系：>0.1μm 胶体分散体系：0.1μm-1mμm 分子与离子分散体系：<1mμ
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第23页
Drilling Fluids
分散体系分类(按颗粒尺寸)
类 别 颗 粒 大 小
＞0.1微米
主 要 特 性
颗粒不能通过滤纸， 不扩散，显微镜下可见 颗粒能通过滤纸，扩 散很慢，不能通过半透 膜，显微镜下不可见， 超级显微镜下可见 颗粒能通过半透膜， 扩散很快，超级显微镜 下也看不见
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第 6页
Drilling Fluids
四、钻井液分类(Types)
1.根据连续相流体介质的不同可分为以下类型
钻井液体系 液体类 油 基 水 基 合成基 钻井液 钻井液 钻井液
普 通 油 基 油 包 水 乳 状 液 细 分 散 体 系 粗 分 散 体 系 不 分 散 体 系
第二章 粘土胶体化学基础
（ Fundaments of clay colloid chemistry ）
粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘
土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。
狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之间）
的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。
广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）； 溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。
(1)细分散钻井液 (2)粗分散钻井液 (3)不分散钻井液
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第10页
Drilling Fluids
钻井液分类 4.根据钻井液(水基)中含盐量及类型
(1)淡水钻井液 (2)盐水钻井液(普通/饱和) (3)钙处理钻井液(石灰/石膏/氯化钙) (4)钾基钻井液等
L.Z.J
1）悬浮和携岩 ─ 要求钻井液有足够的粘滞性(流变性)和 密度 2）保护井壁，防止垮塌 ─ 要求钻井液有稳定井壁的性能(密 度、化学抑制性能、滤失造壁性) 3）平衡地层压力，防喷 ─ 要求钻井液有一定的密度 4）传递水功率，清洗底 ─ 要求钻井液有较低的流动阻力(流 变性和润滑性能) 5）冷却和清洗钻头 ─ 要求钻井液有较好的散热性能（传 导性、流变性） 6）传递井下信息 ─ 要求钻井液与地层岩石或流体有较好 的相容性（配伍性、电导、化学抑制性能、性能稳定等）
粘土矿物有关
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第21页
Drilling Fluids
§2-1粘土胶体化学概述
( Summarizing of Clay-colloid Chemistry)
一．基本概念：
1.分散体系— (dispersed system) 由分散相（被分散的物质）和分 散介质（用来分散分散相的物质）组 成的体系。
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第 5页
Drilling Fluids
三、钻井液主要功用
(Function of Drilling Fluids)
1）软化地层，帮助破岩; 2）悬浮和携带岩屑; 3）保护井壁，防止垮塌; 4）清洗井底，提高破岩效率; 5）提供水力作用; 6）冷却和清洗润滑钻头钻具; 7）平衡地层压力，防止地下油气喷出; 8）传递井下信息； 9）保护和发现油气层。
钻 井 液 循 环 示 意 图
Circulation System
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二、主要性能:
1、基本性能:
流变性: 粘度、切力、密度等
滤失造壁性: 滤失量、泥饼性能等
抑制性: PH ﹑矿化度、防侵污、防塌等
2、特殊性能:
高温高压性能、乳化稳定性、润滑性等。
五、钻井液的基本组成
1.水基钻井液：
水+膨润土+各种处理剂+加重剂等
2.油基钻井液： 油+水（分散相）+乳化剂+亲油固体+加重 剂等
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六、钻井与钻井液工艺发展概况
（一）.发展历史
钻井液是钻井的血液，钻井液的发展离不 开钻井工艺的发展。随着钻井工艺的不断发展， 对钻井液提出新的要求。为了满足钻井工艺的 要求，钻井液工艺技术不断发展。 中国早在256B.C.就开始在自贡一带打盐井， 随后是波斯、埃及和欧洲，美国从1806年才开 始打井。1844年开始出现旋转钻井（英国专 利），1845年循环系统问世（法国Fauvelle） 1850s年代出现单牙轮钻头，1860年出现金刚石 钻头。此前均以水为钻井液。主要功用为：软 化地层，清除岩屑
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Drilling Fluids
3.是不稳定的分散体系 是不稳定的分散体系：
体系表面能E=ΔSσ
表面分子
ΔS—总表面积
σ—单位面积的表面能
内部分子
a:引起吸附 b: ΔS降低（符合能量原理—热力学第二 定律）
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表面和内部分子差别
第28页
Drilling Fluids
三．常见粘土矿物晶体构造和特点
1.基本构造单位：
硅氧四面体与铝氧八面体
常见的粘土矿物都 是由硅氧四面体片 和铝氧八面体片组 合而成的。
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Drilling Fluids
硅 氧 四 面 体 晶 片
铝 氧 八 面 体 晶 片
气液类 充气 钻井液
气体类
其它 泡沫 天然气 空气 气体 钻井液
(以液为主) (以气为主)
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钻井液分类
2.根据钻井液的作用分为(广义)
(1)钻井液 (2)完井液 (3)固井液 (4)修井液 (5)射孔液 (6)酸化\压裂液 (7)隔离液等
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（三）.钻井液技术的关键内容
深井高温、高密度钻井液； 井壁稳定机理与防塌钻井液； 水平井、大位移、小井眼等特殊工艺井的钻井液技术； 欠平衡钻井液技术； 保护储层钻井与完井液技术； 钻井液防漏、堵漏技术； 钻井液流变学研究； 钻井液固控技术； 环保钻井液与废弃钻井液处理； 新型钻井液处理剂及体系的研发与应用； 计算机和信息技术在钻井液工艺中的应用。
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第二章 粘土胶体化学基础
（ Fundaments of clay colloid chemistry ）
学习本章的意义:
粘土是配浆的基础材料 钻井液是粘土--水的溶胶--悬浮体 地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层
Drilling Fluids
第一章 概论
Introduction
钻井的目的:
凿开地层，建立地下油 气资源的输出通道。 获取地下岩石和油、气、 水等有关信息。
L.Leabharlann Baidu.J
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第 1页
Drilling Fluids
钻井液：油井的命脉
1900 年，在德克萨斯州的 Spindletop 钻 探油井期间，钻井工人驱赶一群牛趟过了一 个灌满水的地坑。被牛趟过的水坑中就会形 成泥浆，它是一种粘稠的、泥浆状的水和泥 土的混合物，钻井工人用泵将它送入钻孔中。 钻井液如今仍被称作泥浆，但工程师们已不 再只依赖水和泥土作为钻井液的原料。他们 对混合物的成分进行精心调配，以满足各种 钻探条件下的具体需要。现代化的钻井液确 实是油井的命脉——钻井的血液。今天如果 没有它们，就不可能钻出深井。 L.Z.J
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Drilling Fluids
七、钻井液与钻井工程的关系:
钻井液密度关系到安全、钻速. 滤失造壁性与井壁稳定、地层损害、钻速有关. 钻井液流变性与水马力、净化有关,对钻速影 响大. 钻井液中固相类型、含量对钻速影响大. 钻井产层的完井液直接影响油气产量.
O、G、J报道: Selection of the wrong drilling fluid could reduce the productive index of a well by 80% or more .
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第17页
Drilling Fluids
钻井工艺对钻井液功用与性能的要求
单位层
L.Z.J
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第30页
Drilling Fluids
2.基本术语：
(1)晶格取代：晶格结点中一质点被另一质点取 代的现象。 如：硅氧四面体中的Si+4——AL+3、Fe+3
八面体系中的AL+3——Mg+2、Ca+2
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第18页
Drilling Fluids
思 考 题（一）
1．什么是钻井液？ 2．钻井液有哪些主要功用？ 3．钻井液的有哪些类型？ 4．钻井液的主要成份是什么？ 5．钻井液与钻井工艺的关系如何？
L.Z.J
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Drilling Fluids
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历史
第 2页
Drilling Fluids
一、定义:
泥浆(drilling mud)
洗井液(flush fluid)
钻井液(drilling fluid)—— 用于钻井工艺中具有符合工艺要 求性能和功用的循环流体。
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Drilling Fluids
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Drilling Fluids
（二）、钻井液工艺发展阶段
1920年以前自然造浆阶段: 清水作为洗井介质 (1845年法国最早报道泥浆功用) 细分散钻井液阶段(1920- 40): 30年代U.S 首先使用了 土+碱+丹宁. 栲胶. NaC等钻井液处理剂. 粗分散钻井液阶段(1940- 68): 钙处理、盐 水等钻井液体系（inhibited mud）。 1968至今: 不分散聚合物钻井液（无、低固 相→重泥浆） 相应发展了油基、矿物油、SB、定向、水平、 小井眼及特殊用途的钻井液体系.
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Drilling Fluids
二．胶体分散体系的基本性质：
1.是不均匀的分散体系（多相性）
相和相界面(phase and interface)： 相—是指物质的物理性质和化学性质都 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。相与相 之间的接触面称为相界面。
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钻井液分类 2.根据钻井液的作用分为(狭义)
(1)钻井液 (2)防塌钻井液 (3)防卡钻井液 (4)堵漏(钻井)液 (5)完井钻井液等
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钻井液分类 3.根据钻井液(水基)中粘土分散的程度
粗分散体系 （悬浮体） （乳状液） 胶体分散体系 （溶 胶） 分子与离子分 散体系 （溶 液）
0.1微米～1毫微米
＜1毫微米
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钻井液——胶体悬浮分散体系
钻井液中的分散相颗粒范围较大，有
各种尺寸的分散相颗粒，具有胶体、悬 浮体系的性质。
单相： 多相：
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气 油 水
水
油 粘土 处理剂
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2.是表面积特大的分散体系： 分散度：分散相的分散程度。 比表面积S0=总面积/体积 单位体积或单位重量对应的分散相 的总表面积。比表面积越大，物质 分散得越小，分散度就越高。
1cm3的物质分割成边长为1微米的小颗粒时，总 面积由原来的6cm2增大为6m2，即增加一万倍。
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钻井液分类
5.根据特殊钻井工艺要求
(1)抗高温深井钻井液 (2)水平井钻井液 (3)欠平衡低密度钻井液 (4)小井眼钻井液等
6.根据钻井液添加剂的种类
如:聚合物、正电胶等
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Drilling Fluids
分散与溶解区别？
溶液： 溶剂+溶质 溶解
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分散体系： 分散相+分散介质 分散
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Drilling Fluids
2.分散体系分类：
(1)按聚集状态： S/L（钻井液）、L/L（牛奶、油包水、 水包油乳状液）、G/L （泡沫）等共9 类 (2) 按颗粒尺寸：(下表) 粗分散体系：>0.1μm 胶体分散体系：0.1μm-1mμm 分子与离子分散体系：<1mμ
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Drilling Fluids
分散体系分类(按颗粒尺寸)
类 别 颗 粒 大 小
＞0.1微米
主 要 特 性
颗粒不能通过滤纸， 不扩散，显微镜下可见 颗粒能通过滤纸，扩 散很慢，不能通过半透 膜，显微镜下不可见， 超级显微镜下可见 颗粒能通过半透膜， 扩散很快，超级显微镜 下也看不见
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四、钻井液分类(Types)
1.根据连续相流体介质的不同可分为以下类型
钻井液体系 液体类 油 基 水 基 合成基 钻井液 钻井液 钻井液
普 通 油 基 油 包 水 乳 状 液 细 分 散 体 系 粗 分 散 体 系 不 分 散 体 系
第二章 粘土胶体化学基础
（ Fundaments of clay colloid chemistry ）
粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘
土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。
狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之间）
的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。
广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）； 溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。
(1)细分散钻井液 (2)粗分散钻井液 (3)不分散钻井液
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钻井液分类 4.根据钻井液(水基)中含盐量及类型
(1)淡水钻井液 (2)盐水钻井液(普通/饱和) (3)钙处理钻井液(石灰/石膏/氯化钙) (4)钾基钻井液等
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1）悬浮和携岩 ─ 要求钻井液有足够的粘滞性(流变性)和 密度 2）保护井壁，防止垮塌 ─ 要求钻井液有稳定井壁的性能(密 度、化学抑制性能、滤失造壁性) 3）平衡地层压力，防喷 ─ 要求钻井液有一定的密度 4）传递水功率，清洗底 ─ 要求钻井液有较低的流动阻力(流 变性和润滑性能) 5）冷却和清洗钻头 ─ 要求钻井液有较好的散热性能（传 导性、流变性） 6）传递井下信息 ─ 要求钻井液与地层岩石或流体有较好 的相容性（配伍性、电导、化学抑制性能、性能稳定等）
粘土矿物有关
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§2-1粘土胶体化学概述
( Summarizing of Clay-colloid Chemistry)
一．基本概念：
1.分散体系— (dispersed system) 由分散相（被分散的物质）和分 散介质（用来分散分散相的物质）组 成的体系。