钻井液胶体化学
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钻井液基础知识讲座课件
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． C.E.C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
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粘土带电量通常用C.E.C表示， C.E.C越大，说明粘土所带电荷 越多， 三种常见粘土矿物的C.E.C大致如下。
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
C.E.C 3-15 70-130 20-40
思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而 C.E.C却比蒙脱石小？
•钻井液基础知识讲座
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三、粘土矿物带电量及影响因素
Ｅ、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
关，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•只钻井古液2基5础％知o识讲座
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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(P．A．Thiessen)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。
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。
第二讲粘土矿物学及钻井液胶体化学
1. 高岭石(Kaolinite)
① 化学式是 Al4[Si4O10][OH]8(2Al2O3·4SiO2·4H2O ）.
② 晶体构造是由一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八 面体晶片组成,两层间由共同的氧原子联结在一起 组成晶层，故称为1:1型粘土矿物。
③ 粘土矿物颗粒是由上述晶层在垂直方向上一层一 层重叠，而在平面上延伸而形成的。其相邻两晶
Figure 2-5. Atom arrangement（原子排列图） in the unit cell（单元晶胞） of a 3-layer mineral-pyrophyllite（叶蜡石）
注：The oxygen network is exposed on both basal surfaces（基面）
Test 2
1. Cutting 2. Foam 3. Kelly 4. Annulus 5. Filter cake 6. Water-based Drilling
Fluid 7. Emulsion 8. Fresh water 9. Shale shaker 10. Gellant
Answers
1. Drilling Fluid (Mud) 2. Viscosity 3. Marsh funnel 4. Gel strength 5. Bentonite 6. Hydrate 7. Free water 8. Water loss 9. Yielded 10. Makeup water
1. 钻井液（泥浆） 2. 粘度 3. 马氏漏斗 4. 凝胶强度 5. 膨润土 6. 水化 7. 自由水 8. 失水 9. 造浆 10. 配浆水
between juxtaposed atoms.
2. Consequently, the lattice cleaves（劈裂） readily along the basal surfaces, forming tiny mica-like flakes.
第一章 钻井液胶体化学基础1
3、胶体颗粒扩散双电层
粘土表面吸附的带相反电荷的正离子（即反离子） 与水接触时，在静电吸引和热运动两种效应的作用下， 只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二 个离子厚度称为吸附层； 另一部分离子按一定 的浓度梯度扩散到溶液中， 称为扩散层。
双电层由吸附层和扩
散层构成。 固体和液体相对运动 时，固体带动部分反离子 一起滑动，滑动面上的电 位即为ξ电位。 ξ电位是指由粘土颗粒所具 有的负电荷与紧密层（吸附层） 中的阳离子相抵消后的剩余电
二、胶体的基本性质
1、吸附作用
（1） 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（钻井液处理剂）
吸附剂：吸附吸附质的物质（粘土）
二、胶体的基本性质
1、吸附作用
（2）分类
①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。例：泥浆中阴离子和非离子处理剂在粘土上的吸附。
例如：在玻璃容器中注满钻井液，静 止24h后，分别测定上部与下部钻井液 的密度，其差值越小，则动力稳定性越 强，说明粒子沉降速度很慢。
聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动 聚结变大的性质。
本章完
②化学吸附：化学键力引起，具有选择性，吸附热较大， 不易脱附。例：泥浆中阳离子处理剂在粘土上的吸附。
2、带电性
☞定义：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量
☞粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负 电荷）
2、带电性
1809年，俄国 物理学家Рейсе将两 支玻璃管插在潮湿的 粘土块中，加水至两 管液面相平。各放一 电极，接通电源。 发现如下现象： 正极粘土粒子不断富集，水变浑浊，且水面略下降，负 极管内水慢慢上升 结论： 湿粘土： 粘土粒子——→电泳，带负电 介质水——→电渗，带正电
第一章 钻井液化学
3、 纯碱（Na2CO3) Na2CO3 → 2 Na+ + CO32－ CO32－ + H2O → HCO3－ + OH－ HCO3－ + H2O → H2CO3 + OH－ Ca 2+ + CO32－ → Ca CO3 ↓
③在破岩的同时，井底岩屑被清除出来； ④提高了钻井速度和效益。
目前这种方法在世界各国被广泛使用。
连续管钻井法(柔杆钻井法)
钻头、加压装置、动力机 连续管 下放至井底
为动力机提供动力
循环洗井液
钻头旋转，破碎岩石 清洗井底 延伸井眼
连续管钻井示意图
连 续 管 钻 井 法 特 点
(1)连续管钻井实现了起、下钻的连续机械化，节省了 时间和劳动量； (2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环；
第三节 钻井液酸碱性及其控制
3、碱度分类: 钻井液的甲基橙碱度（Mm) 甲基橙碱度 按指示剂 滤液的甲基橙碱度 (Mf) 钻井液的酚酞碱度(Pm) 滤液的酚酞碱度(Pf)
不同分
酚酞碱度
第三节 钻井液酸碱性及其控制
酚酞为指示剂，体系滴定变色时（ pH=8.3 ）
发生的化学反应：
OH－+ H+ → H2O CO3
钻井液密度与钻井工作的关系
钻井时，靠钻井液液柱的压力（Pf）来平衡地层的 压力Pl（即地层孔隙流体的压力）Pf=hl· df 1）若Pl﹤ Pf （=hl· df ） df过高，钻井液将增稠，流动性变差，需消耗大 量循环设备功率，影响钻速；还会引起井漏等事 故，损害油、气层。 2）若： Pl ﹥ Pf （=hl· df ） df过低，Pf不能平衡Pl，地层中的流体（油、气、 水）易侵入钻井液而引起井喷等事故。 3）当： Pl = Pf （=hl· df） df适宜，可维持平衡钻井。
③在破岩的同时，井底岩屑被清除出来； ④提高了钻井速度和效益。
目前这种方法在世界各国被广泛使用。
连续管钻井法(柔杆钻井法)
钻头、加压装置、动力机 连续管 下放至井底
为动力机提供动力
循环洗井液
钻头旋转，破碎岩石 清洗井底 延伸井眼
连续管钻井示意图
连 续 管 钻 井 法 特 点
(1)连续管钻井实现了起、下钻的连续机械化，节省了 时间和劳动量； (2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环；
第三节 钻井液酸碱性及其控制
3、碱度分类: 钻井液的甲基橙碱度（Mm) 甲基橙碱度 按指示剂 滤液的甲基橙碱度 (Mf) 钻井液的酚酞碱度(Pm) 滤液的酚酞碱度(Pf)
不同分
酚酞碱度
第三节 钻井液酸碱性及其控制
酚酞为指示剂，体系滴定变色时（ pH=8.3 ）
发生的化学反应：
OH－+ H+ → H2O CO3
钻井液密度与钻井工作的关系
钻井时，靠钻井液液柱的压力（Pf）来平衡地层的 压力Pl（即地层孔隙流体的压力）Pf=hl· df 1）若Pl﹤ Pf （=hl· df ） df过高，钻井液将增稠，流动性变差，需消耗大 量循环设备功率，影响钻速；还会引起井漏等事 故，损害油、气层。 2）若： Pl ﹥ Pf （=hl· df ） df过低，Pf不能平衡Pl，地层中的流体（油、气、 水）易侵入钻井液而引起井喷等事故。 3）当： Pl = Pf （=hl· df） df适宜，可维持平衡钻井。
第五章 钻井液胶体化学基础
第五章钻井液胶体化学基础一、有关胶体的基本概念和术语胶体化学研究的是难溶物分散在分散介质中构成的系统的性质，在这种系统中，分散相高度分散，具有很大的相界面，这是热力学上一个不稳定的系统，但有些胶体体系却是相对稳定的，所以胶体稳定性的原因，胶体体系的制备和破坏，都是胶体化学研究的对象。
钻井液就是这样一个相对稳定的胶体体系。
分散系统的分类：按分散相粒子尺度分类。
1、分子分散体系（R＜10-9m）2、胶体分散体系（10-9m ＜R＜10-7m ）3、粗分散体系（R＜10-7m）胶体实际上是分散颗粒直径在1nm～1um之间的细分散体系。
由于钻井液中的粘土颗粒、聚合物分子及乳化状态的微小水珠，具有明显的胶体特征和特性，聚合物溶液中的高分子线团结构也具有胶体的一些通性，因此，了解胶体的基本性质，特别是熟悉胶体化学的基础理论和基本概念，对于掌握钻井液的胶体特性，以便更好地控制和维护处理钻井液的性能是十分重要的。
胶体是由难溶物构成的高度分散的系统，粒子的粒度为10-9m ＜R＜10-7m，胶体的性质主要是由于它特殊的分散程度。
从热力学上来讲，他是一个不稳定的系统，这时因为界面很大，所以界面能很大，有聚沉的趋势。
但有些胶体却是十分稳定的，这种稳定性来源于胶体特殊的胶粒结构。
如果光是把不溶性的固体分散在一种介质中，是不能制备出一种稳定的胶体的，还必须有第三种作为稳定剂的物质存在（这种物质通常是电解质），作为稳定剂的离子吸附在胶粒的表面，形成双电层，由于胶粒的带电和离子的溶剂化作用，胶粒才能稳定的存在于介质中形成胶体体系。
我们可以从以下几方面认识胶体体系：1、胶体中的不溶物具有晶体的特性，在溶液里，晶体颗粒大小不定（在一定范围内）；2、胶体是一个多相体系，相界面大，是一个热力学不稳定的系统，有聚沉的趋势。
3、胶体的稳定性来源于稳定剂的存在而形成的双电层结构体系。
二、胶体化学中的基本术语⑴相—是指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。
《钻井液工艺学(修订版)》(鄢捷年)第二章粘土胶体化学基础
（1）K+离晶层表面近，相邻晶层与K+产生较强的静电引力，使 晶层间拉的较近；
（2）K+有特殊尺寸，刚好嵌入相邻晶层间硅氧四面体形成的空 穴中，增加了层间的结合力；
（3）K+被固定不参加交换，同时本身水化较弱。
伊利石对油层的潜在影响：
• 多是搭桥式，有很多的微细孔隙，产生强的吸水区，外 来液体侵入后易造成含水饱和度增加，使油的相对渗透率 下降；
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 1. 1：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （3）晶片的结合－晶层 ✓ 2. 2：1型晶层
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 2.高岭石的晶体构造：
2.1.2常见粘土矿物的结构 5.绿泥石对储层的影响
✓ 富含铁，具有酸敏性。 ✓ 酸化时被溶解，并释放铁离子。当酸耗尽时，会形成氢氧化
铁沉淀造成酸化失败。一般酸化后产量反而下降，在很大程 度上原因就在于此。
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.2 粘土矿物的性质
2.2.1带电性 1.电泳现象
✓ 将均匀的粘土水溶液放进容器中，插入正负电极，通直流电。 ✓ 现象：粘土颗粒向正极方向移动，最后正极周围聚集了很多
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
✓ （1）硅氧四面体 ✓ 硅氧四面体片
硅氧四面体片
D=0.28nm
第二章 粘土胶体化学基础
• 2.1 储层中常见粘土矿物
2.1.2常见粘土矿物的结构 1.粘土矿物的两种基本构造单元
《钻井液化学》课件
固相控制设备
固控设备是实现固相控制的关键设备，包括振动筛、除砂器、除泥器、离心机等 ，用于分离和清除钻井液中的固相物质。
钻井液的油气层保护技术
油气层保护的重要性
油气层是油田开发的重要资源，保护油气层不受损害对于提 高油田采收率和降低开发成本至关重要。
油气层保护技术
采用适当的钻井液和完井液体系，减少对油气层的损害，同 时采取有效的油气层保护措施，如采用屏蔽暂堵技术、酸化 解堵技术等，提高油气层的渗透率和产能。
钻井液的滤失性
滤失性
钻井液中的水分通过滤饼在井壁上形成的液柱压 力差，向地层渗透的性能。
滤失量的测量
使用滤失仪测量钻井液在一定时间内向滤纸渗透 的水量。
滤失性的控制
通过调节钻井液的配方，控制滤失量，以保持井 壁稳定和防止地层水化膨胀。
钻井液的润滑性
01
02
03
润滑性
描述钻井液在钻柱与井壁 、钻屑与钻柱之间的润滑 性能。
润滑系数的测量
使用润滑系数测试仪测量 钻柱在钻井液中旋转时的 摩擦阻力。
润滑性的改善
通过添加润滑剂，降低摩 擦阻力，减少磨损和卡钻 事故。
钻井液的抗温性与抗盐性
抗温性
描述钻井液在高温下保持其性能稳定的能力。
抗盐性
描述钻井液在高盐度的地层水中保持其性能稳定的能力。
抗温性与抗盐性的改善
通过使用耐温、耐盐的钻井液处理剂，提高其抗温性和抗盐性，保 证钻井作业的安全和效率。
率。
教训分析
在钻井液技术应用中，也出现过一些问题和事故。这些问题和事故的原因主要包括技术 不成熟、操作不当、管理不善等。在教训分析中，需要深入剖析问题原因，提出改进措
施，避免类似问题的再次发生。
固控设备是实现固相控制的关键设备，包括振动筛、除砂器、除泥器、离心机等 ，用于分离和清除钻井液中的固相物质。
钻井液的油气层保护技术
油气层保护的重要性
油气层是油田开发的重要资源，保护油气层不受损害对于提 高油田采收率和降低开发成本至关重要。
油气层保护技术
采用适当的钻井液和完井液体系，减少对油气层的损害，同 时采取有效的油气层保护措施，如采用屏蔽暂堵技术、酸化 解堵技术等，提高油气层的渗透率和产能。
钻井液的滤失性
滤失性
钻井液中的水分通过滤饼在井壁上形成的液柱压 力差，向地层渗透的性能。
滤失量的测量
使用滤失仪测量钻井液在一定时间内向滤纸渗透 的水量。
滤失性的控制
通过调节钻井液的配方，控制滤失量，以保持井 壁稳定和防止地层水化膨胀。
钻井液的润滑性
01
02
03
润滑性
描述钻井液在钻柱与井壁 、钻屑与钻柱之间的润滑 性能。
润滑系数的测量
使用润滑系数测试仪测量 钻柱在钻井液中旋转时的 摩擦阻力。
润滑性的改善
通过添加润滑剂，降低摩 擦阻力，减少磨损和卡钻 事故。
钻井液的抗温性与抗盐性
抗温性
描述钻井液在高温下保持其性能稳定的能力。
抗盐性
描述钻井液在高盐度的地层水中保持其性能稳定的能力。
抗温性与抗盐性的改善
通过使用耐温、耐盐的钻井液处理剂，提高其抗温性和抗盐性，保 证钻井作业的安全和效率。
率。
教训分析
在钻井液技术应用中，也出现过一些问题和事故。这些问题和事故的原因主要包括技术 不成熟、操作不当、管理不善等。在教训分析中，需要深入剖析问题原因，提出改进措
施，避免类似问题的再次发生。
钻井液的化学基础
粘土产生阳离子交换的原因 二 粘土产生阳离子交换的原因
1．粘土矿物晶格内部离子置换 ． 前述已提到，蒙脱石粘土矿物内部离子置换量大， 产生负电荷多，能吸附较多的外部阳离子。而高岭石粘 土矿物，一般不存在内部离子置换作用。伊利石粘土矿 物也有少量内部离子置换作用。 2．粘土矿物晶格表面氢氧层中氢的电离 ． 由于氢的电离使粘土带负电，引起阳离子交换，这 只能在碱性条件下产生。酸性条件下，则产生氢氧的电 离，使粘土带正电，变为吸附外界的阴离子。 这是高岭 石粘土矿物产生负电荷的主要原因，但这一原因所产生 的交换量是不大的。 3．断键作用 ． 断键(有的叫破键)作用是指粘土晶格周围存在断裂面， 电荷不饱和所产生的吸附外界阳离子的作用(也可吸附阴 离子)。 由于断键作用产生的负电荷也是不大的。当粘 土矿物晶格破坏严重及分散度增加时，这一作用所引起 的交换量也增加。如蒙脱石矿物就约有20％的阳离子交 换量是由于断键作用引起的。断键作用也是高岭石、伊 利石和海泡石族矿物产生离子交换的重要原因。
图2 渗透水化膨胀与双电层斥力
(二)粘土的水化性能 粘土的水化性能或水化作用是指粘土颗粒吸附水分子 的状态和能力。 如前所述，粘土颗粒表面可以直接吸附极性水分子一 吸附水。更主要的是，粘土颗粒表面的水化作用，还可 通过吸附阳离子的水化来实现，使粘土颗粒表面形成水 化膜。 各种阳离子的水化能力是不相同的，如表3—2所 示。
2．离子交换次序及其影响因素 粘土中阳离子交换次序如下： H+＞Fe3+＞A13+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+ 影响因素有下列方面： (1)离子电价的影响 电价高的离子，其电荷密度大，引力强，因 此一般是高价离子取代低价离了，高价离子的交换能力比低 价离子强。如Ca2+比Na+更易被粘土所吸附。 (2)离子半径或原子序数的影响 价数相同的离子，离子半径或周 期表中原子序数大的，其交换能力要比小的强。如同样是一 价的钾、钠离子，钾的离子半径为1.33A，原子序数为19，而 钠离子半径为0.98A，原子序数为11，因此钾的交换能力比钠 强。 (3)离子水化能力的影响 同价离子，离子半径大的水化能力要弱 些。水膜薄些，更易被吸附，即水化能力小的离子易被吸附 (参考前表3—2)，交换能力大些。 上述次序中，氢离子是个例外，它虽属一价阳离子，而 其交换能力比三价离子还强。这主要是由于H+的体积特别小， 水化能力又差，易被粘土吸附。但这种吸附是不稳定的，并 且只有在酸性条件下才存在。
1．粘土矿物晶格内部离子置换 ． 前述已提到，蒙脱石粘土矿物内部离子置换量大， 产生负电荷多，能吸附较多的外部阳离子。而高岭石粘 土矿物，一般不存在内部离子置换作用。伊利石粘土矿 物也有少量内部离子置换作用。 2．粘土矿物晶格表面氢氧层中氢的电离 ． 由于氢的电离使粘土带负电，引起阳离子交换，这 只能在碱性条件下产生。酸性条件下，则产生氢氧的电 离，使粘土带正电，变为吸附外界的阴离子。 这是高岭 石粘土矿物产生负电荷的主要原因，但这一原因所产生 的交换量是不大的。 3．断键作用 ． 断键(有的叫破键)作用是指粘土晶格周围存在断裂面， 电荷不饱和所产生的吸附外界阳离子的作用(也可吸附阴 离子)。 由于断键作用产生的负电荷也是不大的。当粘 土矿物晶格破坏严重及分散度增加时，这一作用所引起 的交换量也增加。如蒙脱石矿物就约有20％的阳离子交 换量是由于断键作用引起的。断键作用也是高岭石、伊 利石和海泡石族矿物产生离子交换的重要原因。
图2 渗透水化膨胀与双电层斥力
(二)粘土的水化性能 粘土的水化性能或水化作用是指粘土颗粒吸附水分子 的状态和能力。 如前所述，粘土颗粒表面可以直接吸附极性水分子一 吸附水。更主要的是，粘土颗粒表面的水化作用，还可 通过吸附阳离子的水化来实现，使粘土颗粒表面形成水 化膜。 各种阳离子的水化能力是不相同的，如表3—2所 示。
2．离子交换次序及其影响因素 粘土中阳离子交换次序如下： H+＞Fe3+＞A13+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+ 影响因素有下列方面： (1)离子电价的影响 电价高的离子，其电荷密度大，引力强，因 此一般是高价离子取代低价离了，高价离子的交换能力比低 价离子强。如Ca2+比Na+更易被粘土所吸附。 (2)离子半径或原子序数的影响 价数相同的离子，离子半径或周 期表中原子序数大的，其交换能力要比小的强。如同样是一 价的钾、钠离子，钾的离子半径为1.33A，原子序数为19，而 钠离子半径为0.98A，原子序数为11，因此钾的交换能力比钠 强。 (3)离子水化能力的影响 同价离子，离子半径大的水化能力要弱 些。水膜薄些，更易被吸附，即水化能力小的离子易被吸附 (参考前表3—2)，交换能力大些。 上述次序中，氢离子是个例外，它虽属一价阳离子，而 其交换能力比三价离子还强。这主要是由于H+的体积特别小， 水化能力又差，易被粘土吸附。但这种吸附是不稳定的，并 且只有在酸性条件下才存在。
钻井液化学品简介
钻井液化学品简介钻井液用聚丙烯酰胺钾盐（大钾）性能与特点本产品由丙烯酰胺聚合、水解而成，用作水基钻井液的包被抑制剂，并兼有一定的降滤失作用。
技术指标使用方法本产品应预先配制成稀溶液投入。
加量为0.2～0.5%。
包装储存本产品采用三合一包装，内衬聚乙烯薄膜袋，每袋净重不少于25kg；储存于阴凉、干燥、通风处。
避免与眼睛接触，否则用大量清水冲洗。
润滑剂性能与特点以高馏程液烃和不饱和脂肪酸和多种表面活性剂按一定的比例和工艺经反应制成的一种液态润滑剂，具有降低摩擦系数和提高极压膜强度，对固体表面吸附能力强，并具有防塌效果。
按一定的比例直接加到钻井液中既能改善润滑性能的良好效果，而且抗盐、无泡，对钻井液的流变和降滤失性能无不良影响，是一种理想的降摩阻抗磨损且防塌的润滑剂。
技术指标使用方法本产品可以直接加入各种钻井液体系中，用作钻井液润滑剂。
加量为1.0～2.0%。
包装储存本产品采用铁桶包装，每袋净重200kg；储存于阴凉、干燥、通风处。
避免与眼睛、皮肤接触，否则用大量清水冲洗。
钻井液用降滤失剂水解聚丙烯腈盐性能与特点本产品为自由流动的粉末或颗粒。
含有—COOH、—COONH4 (—COOK)、—CONH2、—CN等基团，分子量在10000～50000之间，具有一定的抗盐抗温能力。
由于NH4+ (K+)、在泥页岩中的镶嵌作用，具有良好的防塌、降失水效果。
技术指标理化性能钻井液性能使用方法本产品可以直接应用于各种水基钻井液体系中，用作降滤失剂、防塌剂，与聚丙烯酰胺钾盐共同使用兼有降粘作用，可与多种处理剂配合使用。
一般加量为0.5～2%。
包装储存本产品采用三合一包装，内衬聚乙烯薄膜袋，每袋净重不少于25kg；储存于阴凉、干燥、通风处。
安全事项避免与眼睛、皮肤接触，否则用大量清水冲洗。
阳离子乳化沥青防塌剂KFYL-n性能与特点本品为棕褐色液体或胶状物，是通过沥青改性制成。
能有效地抑制泥页岩水化，封堵微裂缝，改善泥饼质量，并兼有润滑、降滤失的作用。
油田化学：第二章 钻 井 液 化 学
加水稀释（但有时会增加处理剂的用量和费用 ） 混油 （但会使钻井液成本增加，且影响地质录井 ） 充气
第二节 钻井液密度及其调整
（2）提高钻井液密度 方法：加入高密度材料
加重材料
高密度不溶性矿物或矿石粉末
高密度的可溶性盐类 （流变性能较好）
第二节 钻井液密度及其调整
表1 高密度不溶性矿物或矿石
名称
第二节 钻井液密度及其调整
二、为什么要调整钻井液密度 （1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生 （2）钻井液密度与油气层损害有关 （3）钻井液密度影响钻井速度
第二节 钻井液密度及其调整
三、怎样调整钻井液密度 1、调整钻井液密度原则
平衡地层压力和地层构造应力
2、调整钻井液密度方法 （1）降低钻井液密度
降低钻井液固相含量 √
3、钻井液静滤失方程
静滤失方程
Vf A
2Kp
Csc Csm
1t
式中： A----渗滤面积 K----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差 Csc----泥饼中固相体积分数 Csm----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
动滤失方程
KApt
Vf h
h——滤饼厚度
第四节 钻井液滤失性及其控制
第一节 钻井液的功能与组成
三、钻井液的组成
组成
分散介质 水、油、气体
分散相
粘土、密度调整材料（悬浮体） 油或水（乳状液）
气体（泡沫）
钻井液处理剂
降滤失剂 增粘剂 降粘剂 絮凝剂 ……
第二章 钻井液化学
第二节 钻井液密度及其调整
第二节 钻井液密度及其调整
一、钻井液密度定义 定义：单位体积钻井液的质量（用ρ表示） 单位： g/cm3 或 t/m3
第二节 钻井液密度及其调整
（2）提高钻井液密度 方法：加入高密度材料
加重材料
高密度不溶性矿物或矿石粉末
高密度的可溶性盐类 （流变性能较好）
第二节 钻井液密度及其调整
表1 高密度不溶性矿物或矿石
名称
第二节 钻井液密度及其调整
二、为什么要调整钻井液密度 （1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生 （2）钻井液密度与油气层损害有关 （3）钻井液密度影响钻井速度
第二节 钻井液密度及其调整
三、怎样调整钻井液密度 1、调整钻井液密度原则
平衡地层压力和地层构造应力
2、调整钻井液密度方法 （1）降低钻井液密度
降低钻井液固相含量 √
3、钻井液静滤失方程
静滤失方程
Vf A
2Kp
Csc Csm
1t
式中： A----渗滤面积 K----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差 Csc----泥饼中固相体积分数 Csm----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
动滤失方程
KApt
Vf h
h——滤饼厚度
第四节 钻井液滤失性及其控制
第一节 钻井液的功能与组成
三、钻井液的组成
组成
分散介质 水、油、气体
分散相
粘土、密度调整材料（悬浮体） 油或水（乳状液）
气体（泡沫）
钻井液处理剂
降滤失剂 增粘剂 降粘剂 絮凝剂 ……
第二章 钻井液化学
第二节 钻井液密度及其调整
第二节 钻井液密度及其调整
一、钻井液密度定义 定义：单位体积钻井液的质量（用ρ表示） 单位： g/cm3 或 t/m3
钻井液 化学
钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层 的损害程度也较小； 剪切稀释特性强。在一定泵排量下，环空流体的粘度、切力较高， 因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率 下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速； 聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，因此有利于保 持井壁稳定。
钻井液的pH值和碱性
1．钻井液的pH值 通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。 2．钻井液的碱度 碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力。
为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示 剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为 pH=8.3。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞 即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至8.3所需的酸量 被称做酚酞碱度（Phenolphthalein Alkalinity）。钻井液及 其滤液的酚酞碱度分别用符号Pm和Pf表示。
6. 钾基聚合物钻井液（Potassium-based Polymer Drilling Fluids） 钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾（或铵、钙） 盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中， 以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的
存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此， 在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。
水泥浆化学是通过研究水泥浆的组成、性能及其控制与调整，达 到封隔漏失层、复杂地层和保护产层、套管的目的。因此，水泥浆外 加剂和外掺料的类型、结构、性能及其作用机理成为水泥浆化学的主 要组成部分。 粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿
物，粘土矿物的结构和基本特性与钻井液的性能及其控制与调整密切
7. 油基钻井液（Oil-based Drilling Fluids） 以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液
钻井液的pH值和碱性
1．钻井液的pH值 通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。 2．钻井液的碱度 碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力。
为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示 剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为 pH=8.3。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞 即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至8.3所需的酸量 被称做酚酞碱度（Phenolphthalein Alkalinity）。钻井液及 其滤液的酚酞碱度分别用符号Pm和Pf表示。
6. 钾基聚合物钻井液（Potassium-based Polymer Drilling Fluids） 钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾（或铵、钙） 盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中， 以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的
存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此， 在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。
水泥浆化学是通过研究水泥浆的组成、性能及其控制与调整，达 到封隔漏失层、复杂地层和保护产层、套管的目的。因此，水泥浆外 加剂和外掺料的类型、结构、性能及其作用机理成为水泥浆化学的主 要组成部分。 粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿
物，粘土矿物的结构和基本特性与钻井液的性能及其控制与调整密切
7. 油基钻井液（Oil-based Drilling Fluids） 以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液
第二章钻井液化学1-4节
b.容易在井壁上形成较致密的泥饼，故其滤失量一般较低；
c.某些分散钻井液，如以磺化栲胶﹑磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理 剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。但与其 它钻井液类型相比，它也有一些缺点。除抑制性和抗污染能力较差外，还因 体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。
第21页，共49页。
第四节 钻井液滤失造壁性及其调整
一、钻井液滤失、造壁性概念
一1、滤失及分类 ①在压差作用下钻井液中自由液相向地层孔隙内滤失的作用。 （形成失水，与漏失不同） Filtation Loss
评价指标 滤失量多少：一般要求“适当”（根据岩样成分等）
滤液性质：pH值↓矿化度↑有助于井稳、油保
稠油油层。
特点：密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复 杂情况的发生。
第8页，共49页。
4种类型： a.空气或天然气钻井流体（Air/Natural Gas Drilling Fluids）
一即够大钻的井注中入使压用力干，燥以的保空证气能或达天到然将气全作部为钻循屑环从流井体底。携其至技地术面关的键环在空于流必速须。有足 b.雾状钻井流体（Mist Gas Drilling Fluids）
在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。
③ 盐水钻井液（Saltwater Drilling Fluids）
盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。在含盐量从1%（Cl– 浓度为
6000 mg/L）直至饱和（Cl– 浓度为189000 mg/L）之前的整个范围内都
属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井 液。
第3页，共49页。
②钙处理钻井液（Calcium-Treated Drilling Fluids）
c.某些分散钻井液，如以磺化栲胶﹑磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理 剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。但与其 它钻井液类型相比，它也有一些缺点。除抑制性和抗污染能力较差外，还因 体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。
第21页，共49页。
第四节 钻井液滤失造壁性及其调整
一、钻井液滤失、造壁性概念
一1、滤失及分类 ①在压差作用下钻井液中自由液相向地层孔隙内滤失的作用。 （形成失水，与漏失不同） Filtation Loss
评价指标 滤失量多少：一般要求“适当”（根据岩样成分等）
滤液性质：pH值↓矿化度↑有助于井稳、油保
稠油油层。
特点：密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复 杂情况的发生。
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4种类型： a.空气或天然气钻井流体（Air/Natural Gas Drilling Fluids）
一即够大钻的井注中入使压用力干，燥以的保空证气能或达天到然将气全作部为钻循屑环从流井体底。携其至技地术面关的键环在空于流必速须。有足 b.雾状钻井流体（Mist Gas Drilling Fluids）
在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。
③ 盐水钻井液（Saltwater Drilling Fluids）
盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。在含盐量从1%（Cl– 浓度为
6000 mg/L）直至饱和（Cl– 浓度为189000 mg/L）之前的整个范围内都
属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井 液。
第3页，共49页。
②钙处理钻井液（Calcium-Treated Drilling Fluids）
第二讲粘土矿物学及钻井液胶体化学
octahedral sheet, which displaces 2 out of 3 of the hydroxyls originally present.
This structure is known as the Hoffmann structure, the dimensions of which are shown in Figure 2-5.
zeta potential（电动电位－ξ电位）
一、Basic Concepts of Clay
Mineralogy 粘土矿物学基本概念
1. Silica-Oxygen tetrahedron（硅氧－四面体） and sheets of silica tetrahedra（四面体晶片）
Fig. 2-2. Silica-Oxygen tetrahedra (a); Sheets of silica tetrahedral (right) sheets of silica tetrahedra（四面体晶片）
Figure 2-5. Atom arrangement（原子排列图） in the unit cell（单元晶胞） of a 3-layer mineral-pyrophyllite（叶蜡石）
注：The oxygen network is exposed on both basal surfaces（基面）
1. 钻井液（泥浆） 2. 粘度 3. 马氏漏斗 4. 凝胶强度 5. 膨润土 6. 水化 7. 自由水 8. 失水 9. 造浆 10. 配浆水
Test 2
1. Cutting 2. Foam 3. Kelly 4. Annulus 5. Filter cake 6. Water-based Drilling
This structure is known as the Hoffmann structure, the dimensions of which are shown in Figure 2-5.
zeta potential（电动电位－ξ电位）
一、Basic Concepts of Clay
Mineralogy 粘土矿物学基本概念
1. Silica-Oxygen tetrahedron（硅氧－四面体） and sheets of silica tetrahedra（四面体晶片）
Fig. 2-2. Silica-Oxygen tetrahedra (a); Sheets of silica tetrahedral (right) sheets of silica tetrahedra（四面体晶片）
Figure 2-5. Atom arrangement（原子排列图） in the unit cell（单元晶胞） of a 3-layer mineral-pyrophyllite（叶蜡石）
注：The oxygen network is exposed on both basal surfaces（基面）
1. 钻井液（泥浆） 2. 粘度 3. 马氏漏斗 4. 凝胶强度 5. 膨润土 6. 水化 7. 自由水 8. 失水 9. 造浆 10. 配浆水
Test 2
1. Cutting 2. Foam 3. Kelly 4. Annulus 5. Filter cake 6. Water-based Drilling
石油开采中的胶体化学
石油开采中的胶体化学
胶体化学在今天已经广泛应用于石油开采全过程中，它主要包括胶体在藏烃水合作用、流体淋洗表面物理柔性、凝胶阻断滤失等方面的研究。
石油开采的胶体化学多用于池抽取，它可以控制水泥干混黏度，理想情况下在复杂的渗流条件下可以消除过滤失，使注入液能有效地驱动储层。
在孔隙媒质的末端，它能把大分子物质均匀地分布在储层裂隙内，从而形成凝胶屏障，达到滤失阻止的效果。
其次，胶体与藏烃溶液之间的逆相对和互溶性质，能加强烃析构，增强藏烃的基本比收率，从而达到石油开采的效果。
此外，多年来，许多学者也根据胶体化学的运用来研究石油开采过程中的淋洗表面柔性问题。
利用圆柱体模型，他们可以探究凝胶形成后，藏烃水如何对孔壁进行流体淋洗，从而形成液体柔性膜层，提高孔容，提升烃析收率。
综上所述，胶体化学在石油开采行业发挥着越来越重要的作用，是石油开采领域高级教育应用的重要组成部分。
油田化学-第二章钻井液化学-第四节
（15）加重剂。
一些常用和重要的处理剂可分为：
无机处理 剂； 有机处理剂； 表面活性剂。
二、有机处理剂
按主要作用一般将有机处理剂分为： 稀释剂； 降滤失剂； 絮凝剂； 增粘剂。
它们大多是水溶性高分子化合物。从来源看， 可分为天然高分子及合成高分子。
（一）稀释剂
多聚磷酸盐 丹宁 铬木质素磺酸盐 FCLS 磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐 （SSMA）
为了使稀释剂分子能在粘土颗粒上形成多 点吸附，并能给粘土颗粒带来高的负电荷 密度，要求稀释剂分子有一定的分子量， 但也不能太高，分子量在2000-6000。
（二）降滤失剂 1、钻井液滤失量过大的危害及使用降 滤失剂的必要性 钻井过程中钻井液滤失量大，容易引 起泥页岩的水化膨胀、造浆和井漏、井 塌，造成井壁不稳定； 钻井液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。
2、烧碱(NaOH) 溶解时放热，水溶液呈强碱性PH =14 在钻井液中的主要功用： 用于控制钻井液的PH值； 控制Ca2+ 浓度， Ca2+ + 2OH- → Ca(OH)2
与丹宁、褐煤等有机物配成碱液，使其有效
成份变为溶解态。
3、石灰
生石灰是CaO，吸水后变成熟石灰Ca(OH)2。
在钻井液中的功用： 提供Ca2+ ,使粘土的分散能力保持适度的粗 分散，配合稀释剂、降滤失剂进行钙化处理， 以得到性能稳定、对可溶盐侵污不敏感、对 泥页岩防塌性能较好的钙处理钻井液体系； 提高钻井液的碱度； 配制石灰乳堵漏剂。
8、水玻璃（Na2SiO3，Na2O· xSiO2）
又称泡花碱，一般为粘稠的半透明液体， PH=11.5-12，能溶于水和碱性溶液。
水玻璃在钻井液中的功用： 水玻璃加入到泥浆后，可以部分水解 成溶胶，属于无机高分子：
钻井液完井液化学1
• 预防、诊断及处理各种井下复杂情况和事故； • 保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成 本。 • 根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、 体系及工艺技术。
23
第三节、 钻井液工艺技术的发展
1 初步发展时期 —— 自然造浆阶段
1888 ~1928年
主要解决问题： 典型技术：
狭义完井液 —— 钻开油气层的钻井液（钻开液）。
(drill in fluid)
3
第二节、
钻井液的组成、类型及性能
1. 钻井液的组成
分散介质+ 分散相+ 化学处理剂 连续相+不连续相 液相+ 固相+ 化学处理剂
4
分散相与分散介质
分 散 相 —— 在多相分散体系中，被分散的物质。 分散介质 —— 分散相所在的连续介质。 分散体系——一种或多种分散相分散在分散介质中 所形成 的体系。 例如：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。
油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids）
气基钻井流体（Gas-Base Drilling Fluids）
合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)
8
概论——钻井液的分类
液 体 气体
气－液混合物
水基 钻井液
油基 钻井液
合成基 钻井液
泡沫
（以气为主）
• 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。
36
几个基本概念
1. 相和相界面 相 —— 物质的物理化学性质都完全相同的均 匀部分。 如果体系中有两个或两个以上的相， 称为多相体系。
23
第三节、 钻井液工艺技术的发展
1 初步发展时期 —— 自然造浆阶段
1888 ~1928年
主要解决问题： 典型技术：
狭义完井液 —— 钻开油气层的钻井液（钻开液）。
(drill in fluid)
3
第二节、
钻井液的组成、类型及性能
1. 钻井液的组成
分散介质+ 分散相+ 化学处理剂 连续相+不连续相 液相+ 固相+ 化学处理剂
4
分散相与分散介质
分 散 相 —— 在多相分散体系中，被分散的物质。 分散介质 —— 分散相所在的连续介质。 分散体系——一种或多种分散相分散在分散介质中 所形成 的体系。 例如：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。
油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids）
气基钻井流体（Gas-Base Drilling Fluids）
合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)
8
概论——钻井液的分类
液 体 气体
气－液混合物
水基 钻井液
油基 钻井液
合成基 钻井液
泡沫
（以气为主）
• 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。
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几个基本概念
1. 相和相界面 相 —— 物质的物理化学性质都完全相同的均 匀部分。 如果体系中有两个或两个以上的相， 称为多相体系。