钻井液-泥浆在整个系统的循环走向，求甚解，跪求啊。。。。

breeze1234 · 发表于 2014-8-22 11:14

这个帖子太好了！谢谢！

darfine · 发表于 2014-8-22 11:28

不错的东东！

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:18

典型粘土矿物的化学组成含量表表11-1
粘土矿物各种化学成分的含量（%）
名称产地 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O H2O
高岭石江西浮梁高岭 45.58 37.22 - 0.46 0.07 0.45 1.70 13.39
江苏苏州阳山 47.00 38.04 0.51 0.16 0.22 - - 13.53
蒙脱石
膨润土辽宁黑山 68.74 20.00 0.70 2.93 2.17 - 0.20 6.80
浙江临安 71.29 14.17 1.75 1.62 2.22 1.92 1.78 4.24
美国怀俄明 55.44 20.14 3.67 0.50 2.49 2.76 0.60 14.70
山东滩县 71.34 15.14 1.97 2.43 3.42 0.31 0.43 5.06
新疆夏子街 63.70 16.43 5.45 0.28 2.24 2.57 1.94 5.57
伊利石
水云母 52.22 25.91 4.59 0.16 2.84 0.17 6.09 7.14
湖南澧县 64.21 20.13 2.12 0.26 0.52 - - 8.27
凹凸棒石美国乔治亚 53.64 8.76 3.36 2.02 9.05 - 0.75 20.00
江苏盱眙 55.35 8.43 5.06 0.15 9.73 0.18 1.85 17.14
海泡石江西乐平 61.30 0.57 0.73 0.15 29.70 0.16 0.19 7.10
南澳大利亚 52.43 7.05 2.24 - 15.08 - - 19.93

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:19

从上表中可以大致看出4类粘土矿物在化学组分上的特点和差别：高岭石的三氧化铝（Al2O3）含量较高，蒙脱石的二氧化硅（SiO2）含量较高，伊利石的钾离子含量较高，而海泡石族的H2O含量较高。另外，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等的含量也各有不同。依据化学成分的含量，可以初步确定粘土的种类。
为什么4类粘土矿物在化学组分上有明显差别？不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样？这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发，进行深入分析。
第三单元粘土矿物的构造特点分析
一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:19

铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。由于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。
硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。但是，这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的，因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。
还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换，它是指在晶格构架不变的情况下，四面体中的硅（+4）被低价离子铝（+3）或铁（+3）置换，八面体中的铝（+3）被低价离子镁（+2）等置换。同晶置换导致粘土颗粒带负电，而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下，同晶置换是粘土原生条件所决定的，不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。

图11-1 硅氧四面体及其晶层示意图
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影图11-2 铝氧八面体及其晶层示意
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影
１．高岭石的结构特点
高岭石的化学式是Al4[Si4O10][OH]8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞，如图11-3所示。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:19

高岭石矿物，即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在C轴方向上一层一层重叠，而在A轴和B轴方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为1:1型粘土矿物。其相邻两晶胞底面的距离为7.2Ǻ。另外，其晶体构造单位中电荷是平衡的。
　高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对，形成结合力较强的氢键，因而晶胞间联结紧密，不易分散。故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体，与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗，小于2μm的颗粒含量仅占10～40%。
　高岭石矿物晶体结构比较稳定，即晶格内部几乎不存在同晶置换现象，仅有表层OH－的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡，因而其负电性较小。由于负电性很小，致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低，所以水化等"活性"效果差。
　由上可知，高岭石矿物由于晶胞间连接紧密，可交换的阳离子少，故水分子不易进入晶胞之间，因而不易膨胀水化，造浆率低，每吨粘土造浆量低于3m3。同时因可交换的阳离子量少，粘土接受处理的能力差，不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。因此，高岭石不是好的造浆粘土。
　从钻井的井壁稳定性看，如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时，一般井壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。
　２．蒙脱石的结构特点
　蒙脱石化学式是(Al1.67Mg0.33)[Si4O10][OH]2•nH2O。其晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞，四面体和八面体由共用的氧原子联结（图11-4）。同样，在C方向重叠，沿A、B方向延伸。形成蒙脱石粘土颗粒。由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为2:1型粘土矿物。其晶胞底面距为9.6Ǻ，吸水后可达21.4Ǻ。

图4-4 蒙脱石的结构特点
(图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值，不是蒙脱石的数值)

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:20

蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是，重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对，其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间联结不紧密，易分散微小颗粒，甚至可以分离至一个晶胞的厚度，一般小于1μm的颗粒达50%以上。从形状上看，晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍，是薄片状的颗粒。
　蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多，即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换，置换量可达20～35%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换，置换量较小，一般小于5%。因此，蒙脱石晶胞带较多的负电荷，其阳离子交换容量大，可达80～150meq/ml。
　由上可以分析出，蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密，可交换的阳离子数目多，故水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，造浆率高，每吨粘土可达12-16m3左右。同时，因可以吸引较多的阳离子，故"活性"大，接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能，是优质的造浆粘土矿物。
　从钻井的井壁稳定性看，如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时，易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。
　３．伊利石的结构特点
　伊利石又称伊利水云母，其化学式是K<1(Al,Fe,Mg)2[(Si,Al)4O10][OH]2•nH2O。伊利石的结构总体上与蒙脱石相似，即也是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞，故也是2:1型粘土矿物。不同之处是伊利石两晶胞之间存在较多的钾离子（K+）图。因而使其性能与蒙脱石有较大差别。
　伊利石晶胞之间钾离子的直径为2.66Ǻ，与硅氧四面体六角环的空穴内径相当，故钾离子进入空穴后不易出来，它的嵌合作用使上下两层晶胞联结得很紧，水分子也难以进入其中。因此这种粘土不易分散。
　伊利石晶格内部也有同晶置换现象，如硅氧四面体中有1/6的硅（Si）可被铝（Al）置换，使晶胞呈现负电性，因而有一定的离子交换能力。但它吸附钾离子后，由于钾离子不易电离出去，使其失去"活性"，交换能力降低。
　上述结构特点的制约，使伊利石的造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。在钻进中钻到伊利石粘土或富含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但有剥落掉块的可能。
４．海泡石的结构特点
　海泡石族粘土矿物的化学式是：Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4•8H2O，为含水镁铝硅酸盐。它也是2:1型粘土矿物，但颗粒的片状程度没有蒙脱石那么明显，而是呈棒状，从微观结构看属于双链状构造。在常规条件下，海泡石的造浆性能不如蒙脱石，但由于具有特殊的结构构造，使其在高温下体现出良好的稳定性。
　首先，在海泡石中，硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列，而相互间被其他的八面体所连接，因而晶体构造中有一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道；其次，海泡石中的镁离子含量高，而镁离子又能束缚众多的结晶水。因此，由于水的散热效应等，使海泡石具有较高的热稳定性，能耐260℃以上的高温，因而适于配制深井和地热井泥浆。
　另外，由于特殊构造，海泡石粘土具有良好的抗盐性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样。因此是配制盐水泥浆或对付盐类地层泥浆的好材料。
　为了更直观地比较4种粘土矿物的特点，特列表如下：

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:20

四种粘土矿物的性能比较表表11-2
矿物名称化学成分晶胞结构类型晶层排列晶胞间引力晶胞间距阳离子交换容量比重造浆性能
高岭石 Al4[Si4O10][OH]8 1:1 OH层与O层相对有氢键引力强 7.2 3~5 2.58~
2.67 不易分散
蒙脱石 (Al1.67Mg0.33)[Si4O10]
[OH]2•nH2O 2:1 O层与O层相对分子间力弱 9.6~21.4 80~150 2.35~
2.74 易分散造浆率高
伊利石 K<1(Al,Fe,Mg)2
[(Si,Al)4O10][OH]2•nH2O 2:1 OH层与O层相对，层间有K+ 引力较强 10.0 10~40 2.65~
2.69 不易分散
海泡石 Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4
•8H2O 2:1 双链状
结构 - 12.9 20~30 - 耐高温
抗盐

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:20

综合表中的结果，蒙脱石是最好的泥浆配制材料；海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差，但在耐高温、抗盐侵方面具有较好稳定性；高岭石与伊利石的造浆性能差。
第四单元造浆粘土的选用与质量评价
粘土在工业和民用上有许多用途，如铸造中的造砂型、冶金中的团矿等都需要一定质量的粘土。钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。
国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。
自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。
如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用"地层造浆"，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。
无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:20

（一）粘土矿物的鉴定
粘土矿物的鉴定是确定粘土矿物的种类，检查其是否属于以蒙脱石为主的膨润土。由于粘土矿物的粒级一般在几微米以下，因此鉴定的方法主要有两大类型：
　（1）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、X衍射法、红外光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法；
　（2）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定。
　这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。以差热分析方法为例。粘土矿物在加热时会失去水分，质量减轻。一般粘土矿物中含有三种水：自由水、吸附水和晶格水(粘土矿物结晶构造中的一部分水，一般温度升高到300℃以上才能失去)。通过对粘土矿物加热时所发生变化的分析，不仅能够说明因脱水和结晶构造所引起的吸热反应的特征，还能指示温度升高时因形成新的物象所引起的放热反应。差热分析的结果以热效应对炉温的连续曲线的形式绘出。曲线中的波谷表示吸热反应，波峰则表是放热反应。曲线离基线的偏差反映试样温度与炉温之差，是热效应强度的量度。几种粘土矿物的差热曲线如图11－5所示。

图11-5 三种粘土矿物的差热曲线
　高岭石在400～500℃开始失去结晶水，表现强烈、尖锐的吸热谷，这时，高岭石结构破坏形成非结晶质的偏高岭石。950～1050℃时有一放热峰，这是由于偏高岭石重结晶所产生的。
　伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈宽缓的吸热谷。550～650℃排出结晶水呈现较宽的吸热谷。850～950℃继续排出结晶水，晶格破坏，有一较弱的吸热线。900～1000℃有一明显的放热峰。
　蒙脱石友三个特征吸热谷和一个放热峰；第一吸热谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反应，因相对湿度和层间可交换性阳离子不同，可表现为单股、双谷或三谷。550～750℃为第二吸热谷，是排出结晶水的反应，平缓且宽。900～1000℃出现第三吸热谷，晶体结构破坏，紧接者出现一个放热峰，表是矿物重结晶形成尖晶石和石英等。
　（二）造浆粘土的评价
　综合国内外对膨润土的研究成果，评价造浆膨润土优劣的测试项目包括：（1）蒙脱石含量；（2）胶质价和膨胀倍数；（3）阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；（4）可溶性盐含量；（5）造浆率；（6）流变特性和失水特性。
　对造浆粘土的评价方法之一是按照造浆性能要求确定粘土的造浆率。所谓造浆率是指：配得表观粘度为15×10-3Pa•s的泥浆时，每吨粘土造浆的立方数，计量单位为m3/t。它直接表示泥浆造浆效率的高低，
　以此评价泥浆的宏观性能。造浆率的具体测定规范是：在定量的蒸馏水中加入定量的膨润土粉，经搅拌后密封静止24小时，使之充分预水化，然后搅拌，用直读式旋转粘度计测600转时的读数，当读数为30即对应表观粘度15╳10-3Pa•s时，依加土量计算造浆率：
(11-1)
式中： B --造浆率，m3/t；Vw --水的体积，ml；Ws --土的重量，g；Ms --土的比重，g/cm3。
　显然，一次性定量配出的被测泥浆不可能正好为ηA=15╳10-3Pa•s，因此应该预估水、土加量范围，配制2～3种不同水、土比的泥浆，分别测定它们的ηA值，然后用两点或三点连线法插值或顺延出造浆率值。
　测定造浆率之前，对被测粘土的加工处理应该按照统一要求进行，使粘土的细度、水分含量、含砂量等指标处于标准范围，以保证造浆率测定的准确性。
　应该指出，表观粘度虽然比较重要地反映了泥浆的性能，但是并不能唯一表明泥浆性能，更严格的造浆率指标还应该结合泥浆的失水量、屈服值、塑性粘度等指标来进行评价。　国外造浆用商品膨润土的质量标准，主要是API标准即美国石油协会标准，此外，还有原来的OCMA（石油公司材料协会）标准、日本的JBAS标准和前苏联标准等（见表11-3）。我国目前采用国际上通用的API标准作为商品膨润土的质量标准。若将表观粘度与失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等结合起来衡量，能更加符合钻井实际来准确地反映膨润土的本质特征。
粘土造浆率质量标准指标表表11-3

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:21

订制者质量标准指标
对被测土的技术要求泥浆达到的性能指标造浆率(m3/t)
水分含量(%) 200目筛余量(%) API失水(%) 屈服值(0.478Pa) 漏斗粘度(s)
API标准 <10 <4 <13.5 3×ηp - >16
OCMA标准 <15 <2.5 <15 - - >16
JBAS标准 <10 <4 <15 3×ηp - >16
前苏联标准 6~10 含砂量<6 - - 25 15

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:21

注：ηp为泥浆的塑性粘度

第二节粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
第一单元土的水化分散
粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。粘土水化的结果即形成泥浆。粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。
　（一）粘土水化的原因
　粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：
　 1. 粘土表面直接吸附水分子
　粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限度地降低其自由表面能；（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。
　 2. 粘土吸附的阳离子的水化
　粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。
　（二）影响粘土水化的因素
　 1. 粘土矿物本身的特性
　粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。
　 2. 交换性阳离子的种类
　粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40Ǻ，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17Ǻ。
　 3. 水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量
　水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱。盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:22

（一）双电层成因与结构
　由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反的离子--阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），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电层，以保持电的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，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阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图11-6所示。
1. 吸附层
　吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个Ǻ。这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。
　 2. 扩散层
　扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成的较厚的离子层。这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为10～00Ǻ。　
3. 滑动面　
它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。　
4. 热力电位E
它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。热力电位愈高，表示粘土颗粒表面带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。
5. 电动电位ζ
它是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处的电位差。电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量的差值。电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:23

（四）正电荷扩散双电层
　在酸性和中性的粘土悬浮液中，粘土片端部的Al-OH和Si-O键的OH－和O2-，因电离或断键而离去，于是粘土颗粒的端部便带正电荷，形成带正电荷的扩散双电层。因为正电荷与粘土层面所带的负电荷相比是较少的，故就整个粘土颗粒而言，所带的净电荷是负的。
　粘土颗粒表面所带电荷的性质与溶液pH值有关。当pH值由酸性转为碱性且pH值不断升高时，带正电荷的端部也可转为带负电荷；而当pH值降低，溶液的酸性增大时，粘土颗粒层面带的负电荷也可转为带正电荷。因此，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值必须大于7，一般要求为8.0～9.0，有时要求pH值高达9～10以上。
第三单元粘土在水中的分散状态
制备泥浆用的粘土，可能是优质膨润土，即以蒙脱石为主的粘土；也可能是混合型普通粘土，并且泥浆中还加有不同种类、不同数量的处理剂，因而粘土-水分散体系中粘土颗粒呈不同的形态存在。总的可分为分散，絮凝，聚结三种形态。因粘土种类不同，表面带电情况不同，其结合形式也有所不同，如图4-7所示。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:24

图11-7 粘土在水中的分散状态示意图
A-分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；C-边－面结合，仍分散； D-边-边结合絮凝；
E-边-面结合，聚结且絮凝；F-边-边结合聚结且絮凝
颗粒之间的联结有三种情形：面-面接触，边-面接触和边-边接触。以蒙脱石为主的膨润土，粘土含量低时可呈A的状态，随着土含量的增加向C和E型发展。而以高岭石为主的劣土，则从含量低时的B型向D、F型发展。钻进时含有岩屑的实际井浆，其中固体颗粒的存在状态比较复杂，可能是图的各种形式的综合。即同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态。
第四单元泥浆的稳定性
泥浆分散体系中，粘土颗粒的分散和聚结是泥浆体系内部两种对立的倾向。由于地球重力场的存在和体系外部环境的经常变化，因而泥浆体系中粘土颗粒的凝聚或聚结是经常的，绝对的，而分散和稳定则是暂时的、相对的。研究泥浆分散体系的目的，是在了解泥浆体和纱内部稳定和聚结的动力过程的基础上，通过对泥浆进行化学处理，使分散性差、不稳定的泥浆体系转变为分散性好而相对地较稳定的泥浆以满足钻井的要求。泥浆分散体系的稳定是指它能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏的特性。它包含两方面的含意，即沉降稳定性和聚结稳定性。
（一）泥浆的沉降稳定性
沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉降决定于重力和阻力的关系。当重力和阻力相等时，颗粒均速下沉。若颗粒为球形，按Stokes定律，沉降速度为：
(11-2)
式中 r --球形颗粒的半径，cm；ρ，ρ0--颗粒和分散介质的比重，g/cm3；η--分散介质的粘度，Paos；g--重力加速度，m/s-2。
要满足上式，必须符合三个条件：（1）球形颗粒的运动要十分缓慢，周围液体呈层流分布；（2）颗粒间距离是无限远，即颗粒间无相互作用；（3）液相是连续介质。
由（11-2）式可看出：沉降速度与颗粒半径的平方，颗粒和介质的比重差呈正比，与介质粘度呈反比。尤以颗粒的大小对沉降速度影响最大。
按（11-2）式，当颗粒和分散介质的比重分别为2.7和1.0，分散介质的粘度为1.5×10-3Paos时，可求出沉降1cm的时间。
由（11-2）式计算出，颗粒大于1μm便不能长时间处于均匀悬浮状态。用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒大都在1μm以上，故不加处理剂难以获得稳定的泥浆。因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒的尺寸，即应采用优质粘土造浆，以提高其分散度，其次应提高液相的比重和粘度。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:24

（二）泥浆的聚结稳定性
　  泥浆的聚结稳定性是指泥浆中的固相颗粒是否容易自动降低其分散度而聚结变大的特性。泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系的聚结稳定性。
　  泥浆分散体系中粘土颗粒之间的排斥力是由于粘土颗粒都带有负电荷，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。具有同种电荷（负电荷）的粘土颗粒彼此接近或碰撞时，静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的阻碍因素。当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分布。要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的排斥能或排斥势能。排斥势能（VR）决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：
(11-3)
式中ε--溶剂的介电常数；r--球形颗粒的半径，m；φ0--颗粒表面的电位，V；H0--两球形颗粒球面最短距离，m；K--离子氛半径的倒数，1/K可看作为双电层厚度的量度，m-1。
　  泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德华引力。范德华引力是色散力、极性力和诱导偶极力之和。对两个原子来说其大小与两原子间的距离的7次方呈反比（或对吸引能来说是6次方）。但泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合体，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距离的2次方呈反比。若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接近到两球表面间距离H0比颗粒半径r小得多时，则两颗粒间的吸引势能（VA）为：
(11-4)
式中 A--Hamaker常数，负号表示吸引能。
　  由上看出，排斥能和吸引能都是颗粒间距离的函数。只是变化规律不同。若势能以距离为函数作图，可得势能曲线，如图11-8所示。
两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和，即：
V=VA+VR (11-5)

图11-8 相互吸引位能曲线
V(1)和V(2)是相互吸引的位能VA和相斥位能VR(1)和VR(2)之和
从图11-8的势能曲线看出，势能曲线的形状决定于VA和VR的相对大小。V（1）是排斥力大于吸引力的势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。V（2）则表示在任何距离下排斥力都不能克服颗粒之间的引力，因此便会聚结而产生沉降。曲线V（1）上有一最高点，叫斥力势垒，颗粒的动能值只有超过这一点才能引起聚结，所以势垒的高低往往标志着分散体系稳定性的大小。
第三节泥浆性能及其测试方法
第一单元比重、固相含量与含砂量
泥浆的比重是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆比重的大小主要取决于泥浆中固相的重量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有加重剂等其他固相物质加入的时候，加重剂等物质的重量也须计入。
　  泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相和无用固相，前者如粘土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为4.5，赤铁矿为6.0，方铅矿为6.9等）和轻固相（粘土比重一般为2.3～2.6，岩屑比重一般在2.2～2.8之间）。
　泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:25

图11-10　泥浆比重秤
1-杯盖；2-泥浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀垫；6-支架； 7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒
　测量泥浆比重前，要用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。
　对泥浆中固相含量的测定，一般采用"蒸馏原理"（如图11-11所示）。取一定量（20ml）泥浆，置于蒸馏管内，用电加热高温将其蒸干，水蒸气则进入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后称出干涸在蒸馏器中的固相的重量，读出量筒中液相的体积，计算泥浆中的固相含量，其单位为重量或体积百分比。

图11-11 钻井液固相含量测定仪
1-蒸馏器；2-加热棒；3-电线接头； 1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯 4-冷凝器；5-量筒
对泥浆的含砂量的测定，采用筛析原理，如图11-12所示。

图11-12 泥浆含砂量测定
1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:26

作为对象，用该点对应的表观粘度作为平均表观粘度，则不同流型泥浆的粘稠性就有了相对统一的比较标准。
　泥浆表观粘度随剪切速率增加而减小的性质称为泥浆的剪切稀释作用。剪切稀释作用对钻井工作十分有意义：在钻头部位，泥浆流速大，表观粘度低，有利于井底碎岩；而在环空中，由于泥浆流速减小，表观粘度提高，有利于悬携钻碴。
　 (四) 泥浆的凝胶强度和触变性
　一旦泥浆停止流动即静止，便有或多或少的结构逐渐形成，直至趋于稳定。把泥浆静置时的结构力称为泥浆的凝胶强度，用静切力表示。凝胶强度是随泥浆静置时间的增长而增大的，即静切力是时间的函数。反过来看，当外加一定的切力使泥浆流动时，结构拆散，流动性增长。这就是泥浆的触变性。图？给出了膨润土泥浆触变性的一些不同情况。凝胶强度的大小和增长的快慢，对悬浮钻碴和开泵时的循环阻力有直接影响。为使停泵后井内钻碴悬浮而不下沉，希望泥浆有快速强凝的触变性；但这又会导致重新开泵时的循环阻力过大。因此，应该使泥浆具有快速中等强度的触变性。
第三单元泥浆的失水造壁性
（一）失水造壁性的概念
　在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁（图4-13）。井中的压力差是造成泥浆失水的动力，它是由于井中泥浆的液压力与地层孔、裂隙中流体的液压力不等而形成的。井壁地层的孔隙、裂隙是泥浆失水的通道条件，它的大小和密集情况是由地层岩土性质客观决定的。泥浆中自由水的概念在前面已经叙及，除了较大的裂隙和空隙外，一般地层的孔、裂隙较小，只允许自由水通过，而粘土颗粒周围的吸附水随着粘土颗粒及其他固相附着在井壁上构成泥皮，不再渗入地层。

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:26

图11-13 泥浆失水造壁性示意图
　　井壁上形成泥皮后，渗透性减小，减慢泥浆的继续失水。若泥浆中的细粒粘土多而且水化效果好，则形成的泥皮致密而且薄，泥浆失水便小。反之，泥浆中的粗颗粒多且水化效果差，则形成的泥皮疏松而且厚，泥浆的失水便大。很明显，泥皮厚度（更严格地说应是滤余物质）是随失水量增大而增加的。
　泥浆在井内的失水处在两种不同的背景条件下。一种是水泵停止循环，泥皮不受液流冲刷，井内的液压力只是泥浆柱静水压力，这时的失水称为静失水；另一种是水泵循环，泥皮受到冲刷，井内的液压力是泥浆静水柱压力与流动阻力损失之和，这时的失水称为动失水。根据实际钻井工序，这两种失水是交替进行的。
　另外，在钻头破碎孔底岩石，形成新的自由面的瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。
　静失水时，泥皮逐渐增厚，失水速率逐渐减小。因此时压力较小，泥皮较厚，固失水速率比动失水小。
　动失水时，泥皮不断在增厚，同时又不断被冲刷掉，当增厚速率与被冲刷速率相等时，泥皮厚度动态恒定，失水速率也就基本不变。
　以钻孔某一孔深处的孔壁为讨论对象，该处孔壁的失水全过程，从钻头钻经此处开始，发生短暂的瞬时失水之后，即形成动失水、静失水的不断循环反复，直至钻井完成。
　（二）失水性对钻井工作的影响
　许多情况下，泥浆的失水对钻井的危害较大。
　 (1)当地层为泥页岩、黄土、粘土时，失水过大会引起井壁吸水膨胀、缩径、剥落、坍塌；

jiemi999999 · 发表于 2014-8-23 15:27

(2)对于破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼内，造成井壁坍塌、卡钻等事故；
　 (3)在溶解性地层中的失水越多，井壁地层被溶解的程度就越高；
　 (4)厚泥皮会加大对钻具的吸附，使钻杆回转阻力增加；
　 (5)厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大；
　 (6)厚泥皮使测井数据的准确性降低；
　 (7)失水量越多，对地层的侵染越严重；
　 (8)失水量越多，对地层的伤害越严重，影响油、气、水的渗透率，降低井的产量。
　泥浆的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土，使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。
　（三）失水量影响因素分析
　分析失水量的影响因素及其相互之间的关系，以静失水为讨论基础。
　泥浆的静失水是一个渗滤过程，因此遵循达西渗流定律。在此假设：地层的渗透率和泥皮的渗透率均是常数，且前者远大于后者；泥皮是平面型的，其厚度与钻孔直径相比很小。泥皮的厚度随时间增加而逐渐增大。按达西定律则有：
(11-8)
式中 Qt---渗透速率，m2；K---泥皮的渗透率，m2；A---渗滤面积，m2；ΔP---渗滤压力，Pa；h---泥皮厚度，m；μ--滤液粘度，Paos；Vt---滤失液体的体积，即滤失量，m3；t--渗滤时间,h。
　当一定量泥浆完全滤失掉时，则有下面的关系；
Vm=h•A+Vt; Vt=h•A•Cc (11-9)
式中 Vm---过滤的泥浆体积,m3；Vt---泥皮中固体颗粒堆积的体积,m3；Cc---泥皮中固体颗粒的体积百分数。
Cm为泥浆中固体颗粒的体积百分数，即 ,于是上式可得：

[基础知识] 钻井液-泥浆在整个系统的循环走向，求甚解，跪求啊。。。。