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第四章钻井液
在钻井工程中,人们常常以“泥浆是钻井的血液”来形象地说明钻井液在钻井中的重要地位。钻井液的作用可以概括为:清洗井底,携带岩屑;冷却和润滑钻头及钻柱;平衡地层压力;保护井壁;协助破岩;地质录井;将水力功率传递给钻头;保护油气层等。
在钻井实践过程中钻井液技术不断发展,从最初采用清水开始,经历了清水、天然泥浆、细分散泥浆、粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、无固相泥浆等几个阶段。在这一过程中,为了解决某些复杂问题,出现了油基泥浆以及空气、泡沫等新型钻井液,远远超出了粘土和水形成的“泥浆”范围,因此人们用“钻井液”来代替“泥浆”这一名称。
本章从钻井液的基本组成——粘土出发,介绍钻井液的基本性能及调整方法、现场常用钻井液的组成和特点。
第一节粘土基本知识
一、几种主要粘土矿物的晶体构造及特点
粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。粘土矿物的种类很多,不同粘土矿物有不同的晶体构造及特点,但其晶体都是由两种基本构造单位组成的。

1)硅氧四面体。每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子以相等的距离相连,硅在四面体的中心,四个氧原子(或氢氧)在四面体的顶点。
2)铝氧八面体。铝原子处于八面体的中心,与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。

高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片,二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在一起。由于它是一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成,所以称高岭石为1:1型粘土矿物。高岭石单元晶层,一面为OH层,另一面为O层,片与片之间易形成氢键,晶胞之间连结紧密,故高岭石的分散度低。高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象,它的电荷是平衡的,因此高岭石电性微弱。这些特点决定了高岭石水化很差。油气层中高岭石颗粒大而附着力弱。常常因运移堵塞孔喉而降低渗透率。

蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片组成,硅氧四面体的尖顶朝向铝氧八面体,铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层,因此称为2:1型。在铝氧八面体中,有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代,四面体中的Si4+也有少量被Al3+取代,这样就使蒙脱石的晶格显负电性,这种现象称为晶格取代现象。蒙脱石晶层上下皆为氧原子层,各晶层间以分子间力联结,联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料,但地层中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。

伊利石的晶体构造和蒙脱石相似,也是2:1型晶体结构,即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成,但它们之间的区别是:伊利石的硅氧四面体中有较多的Si4+被Al3+取代,晶格出现的负电荷由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和。K+,,因此K+正好嵌入氧原子六角环中。由于嵌入氧层的吸附K+的作用,将伊利石的相邻二晶层拉得很紧,联结力很强,水分不易进入层间,所以它不易膨胀。伊利石由于晶格取代显示的负电性已由K+中和,K+嵌入氧原子六角环中,接近于成为晶格的组成部分,不易解离,所以伊利石电性微弱。

海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(或称山软木),它是铝和镁的含水硅酸盐,晶体构造为链状、棒状或纤维状。海泡石的晶体结构中有很大的空穴,有极大的内部表面,因此含有较多的吸附水,而且有很高的热稳定性(350℃以上)和抗盐类污染的能力。它在淡水和饱和盐水中的水化情况几乎一样,因此是配制深井钻井液和盐水钻井液的好材料。

绿泥石的结构是由三层型晶层与一层水镁石交替组成的。水镁石层有些Mg2+被Al3+取代,因而带正荷。于是三层型晶层与水镁石层间以静电相吸联结,同时还有氢键存在,因此绿泥石遇水后不发生膨胀。油层中的绿泥石是一种这富含铁粘土矿物,对油气层的最大危害是对酸的敏感性。
二、粘土的吸附及水化作用
钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上,自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。由于粘土颗粒表面通常带有负电荷,因而能吸附水分子和各种水化离子,使粘土著人颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜,这种现象称为粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。

(1)粘土颗粒表面电荷种类及原因
电泳现象证明,粘土颗粒在水中通常带负电。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性质的基本原因,同时对粘土的各种性质都发生影响。粘土的电荷可分为永久电荷、可变负电荷和正电荷三种。
1)永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。例如,S