泥浆工艺原理

牛顿流体
剪切速率 Dv/dx
dv dx
：剪切应力dynes/cm2 dv/dx:剪切速率:s-1 :粘度（Poise、泊)

1dyn/cm2=1x10-5N/10-4m2=0.1Pa 1 poise=1 dynes.s/cm2=0.1 Pa.s 1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.s
伊利石
伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同 之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的 硅被铝取代，因取代所缺的正电荷由处在 相邻两个硅氧层之间的K+ 补偿，因K+ 存在 于晶层之间并进入相邻氧送层的孔穴中， 使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间 ，因此它是不易膨胀的粘土矿物。
海泡石
是铝和镁的水硅酸盐，其晶体构造常为纤 维状。颗粒形状不是片状而是棒状，含 有较多的吸附水，内有较高的热稳定性 ，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情 况几乎一样（良好的抗盐性）。因此， 它是配制深井泥浆的好材料。

分散体系的分类
类型 颗粒大小
>0.1m 粗分散体系 (1X10-5cm) （悬浮体、乳状液） 0.1m~1mm 胶体分散体系 -5 -7 1X10 -1X10 cm （溶胶） <1mm 分子与离子 -7 1X10 cm 分散体系
高岭石结构
高岭石的晶体构造由一个硅氧四面体和一个 铝氧8面体组成，硅氧四面体和铝氧八面体由 共用的氧原子联结在一起。高岭石的片状结 构中，一面为OH层，另一面为氧层，而OH 键具有强的极性，片与片之间容易形成氢键 ，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面距仅为 7.2Ａ（1A=10-8 cm），故高岭石的分散度较 低。这种粘土矿物是比较稳定的，晶格中的 离子取代现象几乎是不存在的。水分不易进 入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物，水 化性能差，造浆性能不好，不是配制泥浆的 好材料。

触变性
泥浆的触变性：搅拌后泥浆变稀（切力降 低），静置后泥浆变稠（切力升高）的特 性。 触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10 分钟切力（终切） 钻井工艺要求泥浆具有良好的触变性，在 泥浆停止循环时，切力能较快地增大到某 个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又 不致于静置后开泵泵压过高。

对钻井液流变性的一般要求
流动特性：＝0时，=s s为静切应力（胶凝强度）Gel strength 〈s 时，塑性流体象固体一样，不会发生 流动 〉s 时，塑性流体，粘度随剪切应力的变 化而降低（图中曲线段） 直线段：粘速不随剪切应力的变化而变化 ，直线的斜率为塑性粘度。

宾汉流动曲线
紊流 切应力：


可容性盐类，减低电位 有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成 较 大 的 水 化 膜 。
粘土－水胶质悬浮体的聚结作 用（凝胶）
聚 结 （ Aggregation ） 面－面：颗粒变大，分散度降低，不利于 网架的形成，粘度下降。 凝 胶 （ Flocculation ） 边－边／边－面：形成网架结构，网架结 构增强，引起粘度切力增加。 形成胶凝的强度，主要取决于单位体积中 网架结构的数目和每个网架结构的强度。

钻井液的分类
液 体 气体
气－液混合物 混
水基泥浆
油基泥浆
泡沫
充气泥浆
空气
天然气
钻井液的组成
水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水 中，油可以乳化到水中，此时，水是连 续相。(粘土+水+化学处理剂) 油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或 盐水乳化在油中，即油是连续相。 (柴油+沥青/有机搬土+处理剂) 气体：用高速气体或天然气清除钻屑
] ( Pa)
1/ 2
1/ 2
Biblioteka Baidu

) (cp)
1/ 2
赫－巴流型
0 K

n
对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是 在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模 式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。 因其为三参数方程，参数计算较复杂。
流变参数分析：粘度
粘度：泥浆流动时，固体颗粒之间、固体 颗粒与液体之间、以及液体分子之间的内 摩擦的总反映。 影响泥浆粘度的基本因素
泥浆工艺原理
复杂情况处理(1学时) 油基钻井液(0.5学时)

钻井液的功用
清除井底钻屑并将其携带至地面 控制地层压力 冷却和润滑钻头、钻柱 提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁 停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材 料 给钻头传递水力能量

钻井液不应具有：
既不能伤害钻井人员，又不能损害或污 染环境 对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成任何腐蚀
粘土水化作用产生的原因及其 方式

粘土表面直接吸引水分子而水化

体系表面能的降低 粘土表面带负电而吸附水分子 晶格里的氧和氢氧层，均可以与水分子形成 氢键而吸引水分子。

粘土表面的吸附溶剂化层里，紧密地连 接若干阳离子，这些阳离子的水化给粘 土颗粒带来水化膜。
影响水化作用的因素
不同的交换性阳离子对粘土水化的影响 Ca2+ max17A, Na+ max40A 粘 土 矿 物 本 性 对 水 化 的 影 响 蒙脱石、伊利石、高岭石 泥浆中可容性盐类及泥浆处理剂的影响
剪切稀释特性 表 0 / 塑
定义：表现粘度随剪切速率增大而降低的现象 塑越低，0越高，即0／塑比值越大，剪切稀 释能力越高。 在实际钻井井眼的各个部位处（如钻杆内、钻 头水眼处、环空等），其剪切速率各不相同， 导致各处的有效粘度各不相同。 0 / 塑 比值大者，剪切稀释能力强，有利于高 压喷射钻井；同时在低剪切速率下会显著增稠 ，有利于带砂。
粘土-水界面的扩散双电层理论

双电层中的反离子，一方面受到固面电 荷的吸引，不能远离固面，另一方面， 由于反离子的热运动，又有扩散到液相 内部去的能力。这两种相反作用的结果 ，使得反离子扩散地分布在界面周围， 构成扩散双电层。
粘土颗粒（片体）表面的双电 层
蒙脱石 晶格取代：在蒙脱石的晶格里，四面体 层中的部分Si+4被A1+3取代，八面体层中 的A1+3与Mg+2取代，使粘土表面吸附Na+ 、Ca+2 、Li+ 等），当蒙脱石放在水中， 吸附的阳离子向水中扩散，使蒙脱石表 面带负电。 吸附OH-、含阴离子基团的有机处理剂

泥浆的流变性
泥浆流变性是泥浆流动和变形的特性。 如泥浆的塑性粘度、动切力、表现粘度 、切力和触变性等性能都属流变性。 泥浆的流变性影响钻速、泵压、排量， 岩屑的携带与悬浮、水泥浆的流变性影 响固井质量。

剪切应力与剪切速率
剪切应力：液体流动过程中，单位面积 上抵抗流动的内摩力。 剪切速率：在垂直于流动方向上单位距 离内流速的增量对于牛顿流体。 对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率成 正比。

粘土胶体化学

典型粘土结构简介

高岭土、蒙脱石、伊利石、海泡石
粘土颗粒（片体）的双电层 粘土的水化作用

分散体系
分散体系：一种或几种物质分散在另一 种物质中的混合体系。 分散相：在分散体系中被分散的物质。 分散介质：分散相颗粒所在的连续介质 按分散相颗粒的分散程度不同，分散体 系可分为三类：
层流
0
=0+塑
塞流 静止
s
剪切速率
=Dv/dx
参数计算（范式粘度计）
＝1.703 (s-1) =0.511 (Pa) 塑=PV=600-300 (cp) 1cp=1mPa.s 0=0.511(300-塑) (Pa)
表 600 300 2




粘土含量（含量大，粘度大） 土粒的分散度（增加塑性粘度） 土粒的聚结稳定状况或絮凝强度（结构粘度） 高分子处理剂的性质、分子量和浓度

表现粘度：在某一流速梯度下，其剪切 应力与剪切速率的比值。
e /

对于宾汉流型
e ( 0 塑 ) / 0 / 塑

漏斗粘度

用漏斗粘度计测得的一定体积流体500ml 泥浆所经历的时间。单位为秒。漏斗粘 度与泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪 器的尺寸和形状有关。
静切力、动切力
泥浆的切力是指静切力，其胶体化学的 实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位 体积中结构链下的数目和单个链环的强 度。 动切力：层流流动时，粘土颗粒之间及 高聚物分子之间的相互作用力（形成空 间网架结构的能力）。
cp
幂律流型(Power law Model)

基本方程：=n k ：稠度系数 n：流型指数
流动特性分析

施加极小的切应力就发生流动，没有静切应
力，而且粘度随切应力的增加而降低。
幂律流型的参数计算
600 n 3.32log 300 0.511 600
k 1022

对于幂律流型
e / K
n1
表观粘度
剪 切 速 率
c
b
a a / a b b / b c c / c
a
切应力
结构粘度

由表观粘度的定义
e ( 0 塑 ) / 0 / 塑
塑 结构

结构粘度：分散相颗粒之间的相互作用 或空间网架结构给流动增加的摩擦力， 与泥浆的屈服值（0）紧密相关。
切应力：
宾汉塑性流型（Bingham plastic model）

模型：
=0+塑
0 ：动切力（屈服值）Yield point (YP) Pa
塑：塑性粘度(PV) Plastic viscosity (cp)
：剪切速率(s-1)
宾汉塑性流型（Bingham plastic model）
蒙脱石晶格结构
蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹 在它们中间的一层铝氧八面体组成。每个四面 体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体 所共有。四面体层中的部分Si+4可被Al+3取代， 八面体层中的Al+3 可被Fe+2 、 Mg+2 、Zn+2 等 阳离子取代。由于Al+3 Si+4和Mg+2 Al+3的 取代，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有 较强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分 子间力连接，晶胞连接不紧密，水分子容易进 入两个晶胞之间发生膨胀（全脱水时晶格间距 为9.6A，吸水后可达21.4A），水化分散性能较 好（造浆能力强），是制配泥浆的优质材料。

流变参数的调整
对于非加重钻井液 塑性粘度（PV):5-12mPa.s 动切力（YP):1.4-14.4Pa YP/PV=0.48Pa/mPa.s 流型指数：0.4-0.7 卡森动切力c:0.6-3Pa 极限高剪粘度： :2-6mPa.s
流变参数的调整
降低PV：通过合理使用固相设备、加水 稀释或化学絮凝等方法，尽量减小固相含 量。 提高PV：加入低造浆率的粘土、混入原 油；增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘 度提高。 降低YP：加入适合于本体系的降粘剂， 以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果 是因为Ca2+、Mg2+，可使其沉淀。
阳离子交换容量
在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的阳 离子总量。 通过测定粘土的阳离子交换容量，可以 了解粘土表面所带的负电荷

粘土的水化作用

粘土的水化作用：粘土表面吸附水分子 ，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格层 面间的距离扩大，产生膨胀以至分散的 作用。它是影响水基泥浆性能和井壁稳 定的重要因素。
高岭石
晶格表面有裸露的Al-OH，在碱性介质里
H+部分电离使粘土表面带负电。 吸附ＯＨ,含阳离子基团的有机处理剂。 高岭石无晶格取代。
粘土颗粒（片体）端部表面的 双电层

晶格中铝氧八面体和硅氧四面体原来的 键断开，在酸性介质里铝氧八面体端部 表面是以铝离子作为定势离子，带正电 。在碱性环境里，以氢氧离子作为定势 离 子 ， 带 负 电 。
n
( Pas )
n
卡森流型
１／２

c:卡森动切力 ：极限高剪粘度
1 2
1 2 c
1 2
1 2
c１／２
１／２
卡森流型的参数计算
c
1/ 2
1.570 6 100 ) [( 1.195(
1/ 2 100
1/ 2 1/ 2 600
600
1/ 2