第二章 钻井液化学

二、钻井液的组成
钻井液由分散介质、分散相和钻井液处理剂组成。
钻井液中的分散介质可以是水、油或是气体。
钻井液中的分散相，若为悬浮体则为粘土和（或）密度调整材料； 若为乳状液则为油或水；若为泡沫则为气体。
钻井液处理剂是为调节钻井液性能而加入钻井液中的化学剂。钻井
液处理剂，若按元素组成，可分为无机钻井液处理剂（包括无机的酸、 碱、盐和氧化物等）和有机钻井液处理剂（如表面活性剂和高分子等）； 若按用途，则可分为下列15类，即钻井液pH值控制剂、钻井液除钙剂、
钻井液起泡剂、钻井液乳化剂、钻井液降粘剂、钻井液增粘剂、钻井液
降滤失剂、钻井液絮凝剂、页岩抵制剂（又称防塌剂）、钻井液缓蚀剂、 钻井液润滑剂、解卡剂、温度稳定剂、密度调整材料、堵漏材料。
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第二节 钻井液密度及其调整
单位体积钻井液的质量称为钻井液密度。它是根据平衡地层压 力和地层构造应力的需要而调整的。合理的钻井液密度可以防止井 喷或钻井液漏进地层，也可以控制或减轻井壁坍塌。 调整钻井液密度包括降低钻井液密度和提高钻井液密度。 可用加水或充气的方法降低钻井液密度，因水和气体的密度都
沉砂池
环形空间 钻杆内 钻头水眼 4．牛顿粘度与表观粘度 牛顿内摩擦定律为
10 ~ 20
2
s 1
s 1 s 1
15 ~ 1.5×102 s
1
10 ~ 103 104 ~ 105

或
（2-8） （2-9）

式中， ——牛顿粘度。

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Baidu Nhomakorabea
符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。（图2-6）为牛顿 流体的剪切应力与剪切速率之间的关系线。从图2-6可以看到，牛 顿流体的剪切应力与剪切速率之间的关系线为一过原点的直线，即 剪切应力与剪切速率成正比。牛顿粘度在不同剪切速率下是常数。 不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的 粘度随剪切速率而变。即对非牛顿流体：
1．钻井液降滤失剂分类 （1）改性褐煤（又称改性腐殖酸） 下列改性褐煤，可用做钻井液降滤失剂：
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（2）改性淀粉
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（3）改性纤维素
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（4）改性树脂
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（5）烯类单体聚合物
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和高温高压滤失量（即在温度为150℃±3℃，压差为3.45MPa，渗 滤面积为45.8 cm2 ，时间为30min下测得的滤失量）。（图2-3）为 钻井液常规滤失量测试仪的示意图。
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可根据滤失前后的一些边界条件和Darcy公式，推导钻井液的静 滤失方程。 由滤失前后固相体积不变，而钻井液中的固相体积分数也保持 不变的条件，可得
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第三节 钻井液酸碱性及其控制
钻井液的酸碱性与钻井液中粘土的分散程度，Ca 2、 Mg 2 和钻 井液处理剂的存在状态，钻井液的流变性和钻井液对钻具的腐蚀密 切相关。 钻井液的酸碱性可用pH值表示。 钻井液的pH值一般控制在弱碱性（8～10）范围，因为在这个 pH值范围，钻井液中的粘土有适当的分散性，钻井液处理剂有足够 的溶解性，对 Ca 2、Mg 2 在钻井液中的浓度有一定的抑制性，钻井 液对钻具有低的腐蚀性。
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下式为Darcy公式：
dqFL kAp dt L
（2-3）
式中，
dq FL 3 1 ——钻井液滤液的渗滤速率，m s ； dt 2
m ； K ——滤饼的渗透率， p ——滤饼两侧的压力差，Pa； ——滤液的粘度，Pa· s。
将式（2-2）代入式（2-3）并积分，可得
饼的冲蚀速率可与固体颗粒在滤饼上的沉积速率相等，即滤饼厚度
趋于不变，因此可假设k和L均为常数。在此条件下将式（2-3）积 分，可得动滤失方程：
qFL
kApt L
（2-5）
从式（2-4）和式（2-5）可以看到，影响静滤失量的因素同样
对动滤失量也有影响，但影响程度不同。
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二、钻井液滤失性的控制
制在3以内。
钻井液的酸碱性可用pH值控制剂（或称碱度控制剂）控制。由 于钻井液通常使用在弱碱性范围，所以钻井液使用的pH值控制剂均 为碱性化学剂。 常用下列pH值控制剂：
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1．氢氧化钠 氢氧化钠可在水中解离，直接给出OH ：
NaOH Na OH
因此氢氧化钠有很强的pH值控制能力。氢氧化钠解离产生的 Na ， 可使钻井液中的钙土转变为钠土，有利于提高钻井液的稳定性，但
第二章
钻井液化学
钻井液（原称泥浆）是指钻井中使用的工作流体。它可以是液体或
气体。因此，钻井液应确切地称为钻井流体。
第一节 钻井液的功能与组成
1．冲洗井底 2．携带岩屑 3．平衡地层压力 4．冷却与润滑钻头
一、钻井液的功能
5．稳定井壁 6．悬浮岩屑和密度调整材料
7．获取地层信息 8．传递功率
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碳酸氢钠控制钻井液酸碱性的作用与碳酸钠类似。由于碳酸氢 钠为酸式盐，它可将钻井液的pH值控制到更低的数值（可达8.3）因
此它比碳酸钠更有利于控制钙侵：
Ca2 OH NaHCO3 CaCO3 Na H2O
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第四节 钻井液滤失性及其控制
一、钻井液滤失性
钻井液滤失性是指钻井液是否易于滤失进地层的性质。它可 用钻井液滤失量衡量。钻井液滤失量是指钻井液在一定温度、一 定压差和一定时间内通过一定面积的渗滤面所得的滤液体积（单
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2．降滤失剂作用机理
（1）增粘机理
（2）吸附机理 作用机理 （3）捕集机理 （4）物理堵塞机理
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第五节 钻井液流变性及其调整
一、基本概念
1．流态
流体的流态可分为层流和紊流两种类型。 层流是指流体质点呈层状流动，流动的每一层（流动层） 的流速不等，但都与流动方向平行。 紊流是指流体质点完全呈不规则流动。在整个流体体积内 充满小漩涡，质点的宏观速度基本相同。
位用mL表示）。
通常，滤失量少的钻井液一般可在渗滤面上形成薄而韧、结 构致密、耐冲刷和低摩擦系数的滤饼。 钻井液的滤失量可按不同的标准分类。若按测定过程中钻井 液是否流动，可分为静滤失量和动滤失量；若按测试温度和压差 的不同，可分为常规滤失量（即在温度为24℃±3℃，压差为 0.69MPa，渗滤面积为45.8 cm2 ，时间为30min下测得的滤失量）
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从图2-8可以看到，这类钻井液的流变曲线（0→1→2→3→4→5） 可将流动过程分成五个阶段：
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静止阶段（0→1）：当所受剪切应力小于 时，钻井液不发生流
动；
的钻井液结构破坏，产生塞流流动；
1
塞流阶段（1→2）：当所受的剪切应力大于 1 时，只有接近管壁 塞流-层流过渡阶段（2→3）：所受的剪切应力继续增大（ 2 → 3 ) 钻井液内部结构逐渐破坏，流动由塞流向层流过渡； 层流阶段（3→4）：所受的剪切应力大于 3后，钻井液内部的结 构破坏与结构恢复处于平衡状态，钻井液呈层流流动；
AV
式中，

（2-10）
AV ——表观粘度。
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5．触变性
一些非牛顿流体在机械作用下变稀（或变稠），在机械作用消
除后则变为稠（或变稀）的性质称为触变性。
二、钻井液的流变模式
1．Bingham模式 图2-7所示的流变曲线（直线）可用下面的Bingham模式表示：
d pv
3．碳酸钠
碳酸钠是通过在水中解离和碳酸根在水中水解，间接产生 OH
起调整钻井液pH值的作用： 2 Na2CO3 2Na CO3
CO3 H2O HCO3 OH
HCO3 H2O H2CO3 OH

2

碳酸钠在控制钻井液pH值的同时，还可起降低钻井液 中 Ca 2 、 2浓度的作用： Mg
除pH值外，还可用碱度表示钻井液的酸碱性。
碱度是指用浓度为0.01 mol L1的标准硫酸中和1mL样品至酸碱 中和指示剂变色时所需的体积（单位用mL表示）。
从碱度定义可以看到，钻井液的碱度越大，则其碱性越强。
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用酚酞做酸碱中和指示剂测得碱度称为酚酞碱度（记为 Pf ）， 用甲基橙做酸碱中和指示剂测得的碱度称为甲基橙碱度（记为 M f ） 钻井液的碱度最好保持在1.3～1.5mL范围，而所以 M f / Pf 控
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2．剪切应力

式中，
F A
（2-6）
——剪切应力；F——剪切力；
A——相邻流动层的接触面积。
3．剪切速率

式中，
dv dz
（2-7）
——剪切速率； dv——相邻流动层之间的速度差； dZ——相邻流动层之间的垂直距离。
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在钻井液循环过程的不同位臵，有不同的剪切速率：
它也可使井壁的页岩膨胀、分散，因而不利于井壁稳定。
2．氢氧化钾 氢氧化钾也可在水中解离，直接给出 OH ：
KOH K OH
因此氢氧化钾控制pH值的能力与氢氧化钠相同。与氢氧化钠不同的 是氢氧化钾解离产生的 K 对井壁的页岩有抑制膨胀、分散作用，
有利于提高井壁的稳定性。
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2kp SC / SM 1t q FL A
式（2-4）称为钻井液静滤失方程。
1/ 2
（2-4）
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由静滤失方程可以看到，钻井液滤失量与渗滤面积成正比；与 渗滤时间、滤饼渗透率、固相含量因子 (SC / SM 1) 、滤饼两侧压 差（或称滤失压差）的平方根成正比；与滤液粘度 的平方根成反 比。 由于一定流速的钻井液在经过一定时间的流动后，它对井壁滤
低于钻井液密度。
可用加入高密度材料的方法提高井液密度。 提高钻井液密度的材料有两类：
一类是高密度的不溶性矿石（表2-1）的粉末。这些粉末可悬浮
在粘土矿物颗粒形成的空间结构中提高钻井液密度。由于重晶石来源 广、成本低，所以它为目前使用最多的高密度材料。 另一类是高密度的水溶性盐（表2-2） 。这些盐可溶于钻井液中提高 钻井液密度。
紊流阶段（4→5）：所受的剪切应力大于 时，钻井液开始进入
紊流状态，此后已不能再用Bingham模式对钻井液流变性进行描述。
4
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图2-8说明，钻井液的流变性只有在层流阶段（3→4）才符
合Bingham流体的流变模式。
图2-8中的
g
力（用 表示），它反映钻井液在静止状态下结构的强弱。相
式中，
（2-11）
d ——直线在
轴的截距；
pv——直线斜率的倒数。
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符合Bingham模式的流体称为Bingham流体（又称塑性流体）。
Bingham流体的特点是流体所受的剪切应力必须超过一定数值时才
开始流动。这一能够使流体流动的最低剪切应力（即直线在 轴 的截距， d ）称为屈服值。Bingham流体流变曲线（直线）斜率的 倒数称为塑性粘度，它反映Bingham流体在流动状态下内摩擦的大 小。
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将式（2-11）代入式（2-10），可得
AV PV
d
（2-12）
从式（2-12）可以看到，Bingham流体的表观粘度是由塑性
粘度和 d / 两部分组成。由于 d / 决定于Bingham流体中结 构的强弱，所以称为结构粘度。 用膨胀土配制的钻井液的流变性一般符合Bingham模式。 (图2-8)是这类钻井液的流变曲线。
Ca 2 CO32 CaCO3 Mg 2 CO32 MgCO3
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4．碳酸氢钠
碳酸氢钠是通过在水中解离和碳酸氢根在水中水解，间接产
生 OH 起调整钻井液pH值的作用：
NaHCO3 Na HCO3

HCO3 H 2O H 2CO3 OH
qFL ALSC / SM 1
——渗流面积， 2 ； m ——滤饼厚度，m；
（2-1）
式中，
q FL ——钻井液滤失量， 3 ； m
A L
SC ——固相在滤饼中所占的体积分数； SM ——固相在钻井液所占的体积分数。 整理式（2-1），可得 (qFL AL)SM ALSC （2-2）