钻井与完井液(第4-6讲)

2、泥浆的比重和固相含量意义
（3）无用固相的危害 • 泥浆流变特性变差；引起卡钻、抽吸、压力激动， 造成漏失或井塌。
• 泥饼松疏，韧性低。失水量大，引起孔壁 水化崩塌；泥皮易脱落，形成井下事故。
• 对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大。
提倡使用低相对密度泥浆钻进
3、泥浆的比重和固相含量的测定
2、粘土-水界面的扩散双电层
（3）影响电动电位的因素
a、阳离子的种类
吸附高价阳离子
电动电位低
扩散层中阳离子数目少
粘土表面水化膜薄
粘土颗粒易于聚结
问题：钙质膨润土为什么用碳酸钠处理？
b 、阳离子的浓度
阳离子浓度大 挤入吸附层机会增大
电动电位降低
本身水化性能不好，并夺去粘土直接吸附的水分子
2、粘土-水界面的扩散双电层
•
s
p
•
•
p
s
•
A 是直线上任一点与原点连线
的斜率
1 2
剪切稀释性流体 A1 A2
（1）塑性流体
② 从静止开始流动，需要附加一定的力，但流动开始后的最初 速度较低的阶段，剪切应力和剪切速率之间不是线性关系， 达到一定的剪切速率后，剪切应力与剪切速率呈正比关系。
塑性粘度， Pa•S
流变曲线
4、粘土-水分散体系的稳定和聚结
有色废水的处理
4.3 泥浆的性能及其测定
一、泥浆的比重和Leabharlann Baidu相含量
1、泥浆的固相含量：泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。
有用固相 • 固相含量
粘土、重晶石等
无用固相
岩屑等
采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量 /体积）在4-6%以下，便可达到要求的粘度，此时 泥浆的比重在1.03-1.05左右。
2、粘土-水界面的扩散双电层
（1）界面扩散双电层的形成
• 粘土颗粒在碱性溶液中带负电荷，必须吸附阳离子到粘土颗粒 表面（浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正 电荷相对应的双电层，以保持电的平衡。
• 浓集同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面 的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及离子的扩散运动引起 的脱附两者共同作用的结果，形成扩散双电层。
一、泥浆的比重和固相含量 2、泥浆的比重和固相含量意义
（1）地层压力的控制
调节泥浆比重 ，获得与
地层间的物理力的平衡。
PS
GP GS
2、泥浆的比重和固相含量意义 （2）对钻速的影响
• 随着泥浆比重增加，钻速下降； • 比重相同，固相含量越高则钻速越低；
• r相同时，加重泥浆的钻速高于普通泥浆。
• 比重和固相含量相同时，固相分散得越高，钻速越低。
二、 粘土-水界面的吸附作用
1、粘土的离子交换吸附
（1）粘土颗粒表面带电的原因
晶格置换、氢氧层中氢的电离、 断键作用、 吸附阴离子
（2）离子交换吸附的特点
▲同电性离子进行等电量交换 ▲阳离子之间的交换按一定的顺序进行
H
Fe 3
Al 3
Ba 2
Ca 2
Mg 2
NH
4
K
Na
Li
1、粘土的离子交换吸附
（1）比重的测量 • 比重秤 • 液体比重计
（2）固相含量的测量 ZNG型泥浆固相含量测定仪
二、泥浆的流变特性 • 泥浆的流变特性：描述泥浆在外力作用下变形和流动特性的常数 • 泥浆的流变特性参数，对于计算泥浆流动时的压力损失，起下
钻时的压力激动，岩屑升举等都是重要参数。 （一）流体与流变方程 1、牛顿流体
3、粘土的水化与膨胀
粘土水化与膨胀：粘土颗粒的表面吸附水分子，粘土颗粒表面 形成水化膜，粘土晶格的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。
（1）粘土水化膨胀的原因
• 粘土表面直接吸附水分子； • 粘土吸附的阳离子的水化。
（2）影响粘土水化膨胀的因素 粘土矿物本身、 交换性阳离子的种类、 水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量。
（4）粘土颗粒的两种双电层 a、粘土颗粒层面带负电荷的扩散双电层
决定扩散层厚薄的电动电位高低
粘土的类型、
泥浆的PH值、 阳离子的价数、 电解质浓度、 处理剂的加入量。
b、粘土颗粒端部带正电荷的扩散双电层
为使粘土颗粒带稳定的负电荷，形成稳定的带负电荷扩散双电层， 必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即PH值大于7，一般为8.0—9.0， 有时要求PH值高达9—10以上。
结论
• 钙质膨润土造浆，需要加入一价钠盐；
• 泥浆受钙侵时，钙离子浓度增大，扩散双电层中的钠离子转为 钙离子，电动电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失 去稳定性；
• 为处理泥浆而加入的低价阳离子电解质时，应严格控制加量； 同时必须考虑阴离子的影响
• 可通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆的分散 或聚结，配制不同种类的泥浆，或进行泥浆化学处理。
宾汉方程
•
d p •
动切力 （屈服 值），Pa
剪切速率或 剪切梯度，
S-1
动切力则是反映泥浆流动时的内部结构状态， 影响因素：泥浆的固相含量与分散度，粘土 颗粒的电动电位和水化程度，粘土颗粒吸附 处理剂，高分子聚合物的使用等。
▲ 流变参数
塑性粘度
p
d
•
d
表观粘度
•
A
•
d
p •
•
p
d
•
用DB及其延长线来代替而得到的宾汉方程，在 低剪切速率区有些偏差，计算结果高于实际值， 一般在中剪切速率区域（剪切速率在500—1000S-1）
流变曲线
塑性粘 度，
Pa•S
宾汉方程
•
s p
静切力（凝胶强 度），Pa
静切力是指泥浆静止时内部所形 成的结构强度，其大小与泥浆的 粘土含量、类型、分散度、带电 性和吸附水化膜等因素有关。
剪切速率 或剪切梯 度，S-1
流变参数
s
p
▲ 表观粘度
反映出静止状态下，体系内部颗粒之间
形成结构的强弱。
•
A
离子吸附平衡是动态平衡
离子性质、 离子浓度、 温度 增加离子浓度，平衡向吸附方向移动； 吸附还受温度的影响；
低价离子浓度高时，也可以取代高价离子。 离子交换吸附的速度很慢，达到平衡需要一定时间。
几何效应
阳离子交换容量：一百克粘土所能吸附的阳离子毫克 当量数。
矿物成分 分散度 溶液PH值 温度 交换位置是 否被堵塞
按宾汉方程计算值与实测值较吻合。
流变图
二、泥浆的流变特性 （一）、流体与流变方程
1、牛顿流体
牛顿粘度， Pa•S
剪切应力，液层 单位面积上的剪
切力，Pa
•
剪切速率 或剪切梯 度，S-1
水
甘油
无机 盐水
2、非牛顿流体
（1）塑性流体
① 静止时流体内部形成结构，需要附加一定的力，才能开始流动， 流动开始后，剪切应力和剪切速率之间呈正比关系。