泥漿工藝批注模板

年4月19日泥漿工藝批注模板資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。降失水劑如:Na-CMC、HPAN、NaC、SPA、高水解度低分子量PHP,淀粉FCLS。具有兩親結(jié)構(gòu)的泥漿有機(jī)處理劑(如CMC、NaC、FCLS、NaT等)也有乳化作用。紊流減阻作用:PHP絮凝劑:PAM或低H(40%以下)PHP。聚丙烯酰胺PAM或含水量H<30%的水解聚丙烯酰胺PHP作全絮凝劑H=30~40%的PHP作選擇性絮凝劑,兼可降失水及增粘H=50~80的PHP作降失水劑,增粘劑,兼絮凝H>80%的PHP作降失水劑及增粘劑。稀釋劑:NaT,NaCKC,FCLS。增粘劑:Na-CMC、高分子量PHP(HPAM)、淀粉HPAN不抗鈣鎂離子:KCNaCPHPHPANNa-CMC抗鈣:FCLS(TLM)CPA抗鹽:HPANCPAFCLS(TLM)抗高溫:FCLSHPANPHPNaC(深井)KC海泡石、不抗高溫:Na-CMC多糖類(淀粉發(fā)酵)潤滑:CMCNaCPHPNaTFCLS鹽水泥漿:PACHEC(NaClKCl海水配制,用FCLS做稀釋劑,HPAN做降失水劑)第一章鉆孔沖洗第一節(jié)概述鉆孔沖洗是鉆進(jìn)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),鉆孔鉆進(jìn)的三項(xiàng)主要工序破巖、排粉及保護(hù)孔壁,沖洗液在這三方面都起著十分重要的作用,因此在鉆探中素有鉆孔的”血液”之稱。下面具體講:沖洗液的功用及沖洗方式。一.沖洗液的功用:1.冷卻鉆頭:鉆頭與巖石摩擦產(chǎn)生高熱量,需及時(shí)冷卻,否則就會(huì)降低鉆頭壽命,甚至燒鉆。特別是金剛石鉆進(jìn)。2.潤滑鉆具:目的是開高轉(zhuǎn)速(千rpm以上)以提高破巖效果。3.清洗孔底,排帶巖粉:保持井底清潔,防止重復(fù)破碎,否則鉆孔壽命及效率下降,甚至燒鉆。排粉與上返速度有關(guān)。石油鉆0.5m/s。巖芯鉆0.3m/s。金剛石鉆0.1～0.8m/s。4.保護(hù)孔壁:泥漿還具有護(hù)壁作用。5.破碎巖石:高壓噴射鉆井直接利用沖洗液射流(達(dá)100m/s)來破碎巖石,也可用高壓自射流(1000kg/m2以上)破碎中硬以上的巖石。6.井底動(dòng)力鉆進(jìn)時(shí)作動(dòng)力傳送介質(zhì):如沖擊回轉(zhuǎn)、渦輪、螺桿鉆等。7.輸送巖芯:水力連續(xù)返芯。8.降低泵壓:起紊流減阻作用。降泵壓,特別是井底動(dòng)力鉆進(jìn)。9.傳遞信息:隨鉆技術(shù),傳遞井底脈沖信號(hào)。10.保護(hù)油氣層及巖礦芯(如鹽礦、石膏等)。二、根據(jù)以上作用,鉆探對沖洗液提出如下要求:(沖洗液要求)1.良好的冷卻散熱能力及潤滑性,保證鉆具正常工作。2.清洗—排帶—分離巖粉的能力強(qiáng),保持井底及沖洗液清潔。3.良好的剪切稀釋作用。4.護(hù)壁作用好,能護(hù)壁、防噴、防漏、堵漏。5.抗污染能力強(qiáng),自身穩(wěn)定性好。防鈣、鎂、鹽及粘土浸溶。高溫高壓下能保持穩(wěn)定。6.利于返芯、測井、防斜及泵送,無污染。第二節(jié)鉆孔沖洗液的分類及發(fā)展一、沖洗液的分類根據(jù)洗井介質(zhì),以氣體、水、油為基礎(chǔ)分成氣體、液體及氣液混合三大類。具體為:1.清水及清水溶液:a.清水:是最早使用的一種沖洗液,用于鉆進(jìn)穩(wěn)定地層。特點(diǎn):鉆進(jìn)效率高,冷卻好,成本低,護(hù)壁排粉差。b.各種鹽水溶液:如飽和鹽水溶液用于鉆進(jìn)鹽層。c.表面活性劑水溶液:如松香酸鈉水溶液等用于金剛石小口徑鉆進(jìn),起潤滑作用。d.各種高分子聚合物溶液:如減阻液用于降泵壓等。2.乳狀液:a.水包油乳狀液:水是連續(xù)相,油是分散相。HBS>7b.油包水乳狀液,油是連續(xù)相,水是分散相。乳狀液用于小口徑金剛石鉆進(jìn)穩(wěn)定巖層時(shí)起潤滑減摩鉆具作用。3.泥漿:粘土分散在清水中并加入合適的處理劑形成的沖洗液,用于鉆進(jìn)不穩(wěn)定地層起護(hù)壁作用,但效率較低。具體分類見第二章。4.無粘土沖洗液:由高聚物及其處理劑配制的沖洗液,兼有泥漿的護(hù)壁作用和清水的低比重高鉆效作用,是沖洗液發(fā)展的主要方向之一,逐步在巖芯鉆中推廣應(yīng)用取代泥漿。5.氣液混合鉆進(jìn):a.泡沫鉆進(jìn):以氣體為主。由氣+水+發(fā)泡劑組成。多用于漏失缺水地層b.混氣水鉆進(jìn):以水為主。由水+氣+發(fā)泡劑組成。6.空氣鉆進(jìn):a.壓縮空氣洗孔:鉆速高,多用于缺水及漏失地層。b.高壓天然氣洗孔:鉆速高,多用于缺水及漏失地層。沖洗液的發(fā)展:*1.公元前250~1122年以來,最早采用清水作沖洗液鉆鹽井取鹽(中國四川自貢),當(dāng)時(shí)是向井內(nèi)注水。*2.1860年以來開始采用循環(huán)沖洗液排巖粉,隨著十九世紀(jì)九十年代回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的出現(xiàn),粘土自然造漿,逐步轉(zhuǎn)入泥漿護(hù)壁。上世紀(jì)二十年代以來,開始出現(xiàn)泥漿原料及處理劑商品,泥漿儀器,逐步走上了科學(xué)應(yīng)用泥漿的道路。1922年開始采用重晶石加重泥漿,控制地層應(yīng)力。1928年開始廣泛采用膨潤土泥漿鉆井。1930年開始采用高PH泥漿,鹽水泥漿及油鉆井。1935年采用硅酸鈉泥漿鉆井,均是解決頁巖水敏性地層。*1940年以來先后發(fā)展了木質(zhì)素泥漿,丹寧y泥漿,聚合物泥漿。隨后發(fā)展了油乳化泥漿及深井泥漿。為了提高鉆進(jìn)效率,發(fā)展應(yīng)用了不分散低固相泥漿和無粘土沖洗液。并取得了較好的效果。*小口徑金剛石鉆進(jìn)在巖芯鉆中發(fā)展較快,其沖洗液也從清水發(fā)展到當(dāng)前使用的各種潤滑沖洗液。如乳狀液、乳化泥漿及表面活性劑水溶液。為了解決高價(jià)離子破乳問題,七十年代以來發(fā)展應(yīng)用了多種抗高鈣離子的各種復(fù)合型乳狀液?？諝忏@進(jìn)等也得到了較大的發(fā)展,特別缺水的西北高原地區(qū)。*全世界當(dāng)前有數(shù)百家泥漿公司,粘土有60多種,各種處理劑超過2600種。*從1931年以來,先后發(fā)展應(yīng)用了各種泥漿儀器如粘度計(jì),失水儀、固相含量測定儀等。且許多泥漿性能監(jiān)測已廣泛采用電腦控制,泥漿參數(shù)采用電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。泥漿理論在化學(xué)、流變學(xué),生物工程學(xué)等各方面都得到了發(fā)展。*鉆井沖洗液當(dāng)前的國內(nèi)外動(dòng)態(tài)深入研究各種處理劑的作用機(jī)理,爭取在理論上有所突破,進(jìn)而發(fā)展高效處理劑;研制多功能處理劑,做到一劑多用;粘土處理劑的改型;超深井泥漿及處理劑;巖芯鉆探逐步研究推廣無粘土沖洗液;泥漿凈化,特別是小于2μm的固相粒子的凈化;鉆井現(xiàn)場泥漿監(jiān)測系統(tǒng)的配套及現(xiàn)代化。巖心采取率:75%—85%礦心采取率:85%—95%第三節(jié)鉆孔沖洗方式1.正循環(huán):全孔正循環(huán)是當(dāng)前常見的循環(huán)方式。沖洗液經(jīng)過水泵及鉆桿進(jìn)入孔底,經(jīng)鉆頭水口返出,沿鉆桿與井壁的環(huán)空上返攜帶巖粉排出井口。如圖1.1a所示特點(diǎn):1)循環(huán)系統(tǒng)簡單,應(yīng)用廣泛;2)有利于破巖及排粉;3)沖洗液直接沖刷巖芯,影響采芯率及巖芯質(zhì)量。2.反循環(huán):全孔反循環(huán)如圖1.1b所示,沖洗液的流動(dòng)方向正好與正循環(huán)相反。為了將沖洗液壓入孔內(nèi),孔口必須加密封裝置密封。孔口密封器同時(shí)要能讓鉆桿自由回轉(zhuǎn)和上下提動(dòng)。優(yōu)點(diǎn):1)由于鉆桿內(nèi)徑斷面較小,沖洗液上返流速較較大,有利于排粉(較大的)。特別是大口徑鉆進(jìn)和空氣鉆進(jìn);2)能實(shí)現(xiàn)水力連續(xù)取芯,提高巖芯采取率和鉆速;3)由于反循環(huán)沖洗液流動(dòng)方向與巖芯進(jìn)入巖芯管方向一致,并使其處于懸浮狀態(tài),沖洗液不能直接沖刷巖芯,故有利于提高巖芯采取率,防止堵芯缺點(diǎn):1)沖洗液流速過大時(shí)可能使巖芯次序顛倒;2)孔壁漏失時(shí),不適合用之,但可采用雙層或三層鉆桿隔離實(shí)現(xiàn)全孔反循環(huán)鉆進(jìn),可同時(shí)解決漏失與孔壁坍塌問題。3.孔底局部反循環(huán):如圖1.1c所示,它是在正循環(huán)的基礎(chǔ)上在井底加上一個(gè)噴反接頭,沖洗液自鉆桿內(nèi)輸入,由噴反接頭處流出,在下面的巖芯管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓抽吸力,從而形成井底部分是反循環(huán),井上部分是正循環(huán)結(jié)構(gòu)。由于其結(jié)構(gòu)簡單效果較好,當(dāng)前在巖芯鉆探中也廣泛使用,特別是鉆進(jìn)破碎地層。優(yōu)點(diǎn):1)避免沖洗液直接沖刷巖芯,可提高采取率,防止堵芯;2)由于只限于井底局部反循環(huán),故克服了全孔反循環(huán)受鉆孔漏失的限制,可用于破碎難采芯地層鉆進(jìn)。缺點(diǎn):同反循環(huán)一樣,巖芯次序易顛倒。小結(jié):本章主要介紹了鉆孔沖洗液的功用及分類。主要有10大功用,分成六大類。在此基礎(chǔ)上介紹了沖洗液的三種循環(huán)方式及其特點(diǎn)。簡介了沖洗液的發(fā)展。要求了解掌握各類沖洗液的特點(diǎn)、功用及適用范圍。能合理選擇合適的鉆井沖洗液洗井及合適的鉆孔循環(huán)方式鉆進(jìn)。第二章泥漿第一節(jié)概述一、泥漿的組成及類型:它是以粘土為分散相,水為分散介質(zhì)組成的固—液分散體系,其中粘土大多大于0.2мm(10-6m)屬懸浮體,少量小于0.2мm屬膠體粒子。為使粘土粒子更好地分散穩(wěn)定,以滿足鉆進(jìn)工藝的要求,常加入各種泥漿化學(xué)處理劑對泥漿進(jìn)行處理。因此說:泥漿是由粘土、化學(xué)處理劑及水組成的一種多相分散體系。另外油基泥漿以油為分散介質(zhì)。隨著泥漿工藝的發(fā)展,泥漿類型不斷增加,泥漿的發(fā)展趨勢是:細(xì)分散淡水泥漿→粗分散泥漿→不分散泥漿;高固相泥漿→低固相泥漿→無粘土(無固相)泥漿;水基泥漿→混油泥漿→油基泥漿;淺井泥漿→深井泥漿;液—固體系→氣—固—液體系。當(dāng)前泥漿主要分成兩大類:(一)水基泥漿1.細(xì)分散淡水泥漿(FreshWaterMuds)(加堿予水化)含鹽<1%,含鈣<120ppm(mg/lor1/百萬),其中PH=7~9.5的叫低PH泥漿;PH>9的叫高PH泥漿。特點(diǎn):配制簡單,成本較低,一般地層鉆進(jìn)常見。2.粗分散抑制泥漿1)鹽水泥漿:含鹽量>1%,包括鹽水泥漿,飽和鹽水泥漿及海水泥漿。2)鈣處理泥漿:含鈣>120ppm,包括石灰、石膏、CaCl2處理泥漿3)鉀基泥漿:含KCl>1%粗分散抑制泥漿特點(diǎn):粗分散泥漿抑制水敏性泥巖、頁巖水化膨脹能力強(qiáng),適用性廣,主要用于水敏、水溶性巖石鉆進(jìn)護(hù)壁如頁巖、石膏、鹽層等。3.不分散低固相泥漿(Non-dispersedlowsolidmuds)粘土(重量計(jì))<10%(體積計(jì)<7%)的泥漿叫低固相泥漿。粘土含量<4%的叫不分散低固相泥漿。特點(diǎn):這是目廣泛推廣使用的一類泥漿,其中多為聚合物處理,具有護(hù)壁性強(qiáng),固相低,鉆效高等優(yōu)點(diǎn)。如PHP(partiallyhydrolyzedpolyacrylamide部分水解聚丙烯酰胺)泥漿、CMC(羧甲基纖維素鈉)泥漿等。4.混油泥漿如水包油乳化泥漿(oil—in—wateremulsionmuds)。將少量原油、柴油等分散穩(wěn)定于泥漿中配成。特點(diǎn):潤滑性好、流變性好、失水量小、防卡性好,但成本較高。5.泡沫泥漿或充氣泥漿(foammuds)泥漿中加入發(fā)泡劑或穩(wěn)泡劑,充入適量的氣體而成,其比重可降至0.7左右。特點(diǎn):比重低,用于減輕或解決鉆孔漏失,對于對付高原缺水地層鉆孔漏失較為有利。(二)油基泥漿1.油泥漿(Oilmuds)將有機(jī)粘土或?yàn)r青及有關(guān)處理劑加入油(原油、柴油等)中配制而成。2.油包水乳化泥漿(Water-in-oil-emulsionmuds)或反相乳化泥漿(invertemulsionmuds)以油作分散介質(zhì),水及有機(jī)粘土,處理劑作分散相,加乳化劑處理配制而成。油基泥漿的特點(diǎn):熱穩(wěn)定性高,失水量極小(可至零),護(hù)壁防塌效果好,對油氣層損害小。主要用于超深井,高溫井及易塌地層,低壓油層鉆進(jìn)。但沖洗液成本高。第二節(jié)粘土與水一、粘土礦物的組成、分類及基本構(gòu)造單位1.組成SiO2Al2O3粘土巖主要組成是粘土礦物,但也含少量的非粘土礦物、有機(jī)質(zhì)和可溶鹽。粘土巖經(jīng)粉碎加工而成粘土非粘土礦物有石英、長石、云母等,是泥漿中的含砂量成分;有機(jī)質(zhì)如樹木屑、葉子及有機(jī)腐植質(zhì);可溶鹽主要是Ca、Mg、Na、K的可溶鹽如碳酸鹽,硫酸鹽等。總之,粘土中非粘土礦物質(zhì)越少越好。2.粘土的分類依其性能分成四大類1)高嶺石族:以高嶺石為主的粘土叫高嶺土(陶土、瓷土),另外,還有多水高嶺石、地開石和珍珠陶土等。2)蒙脫石族:以蒙脫石為主的粘土叫膨潤土,是鉆井泥漿的主要材料。(膨潤土)3)伊利石族:以伊利石為主的粘土叫伊利石粘土(水云母粘土)。4)海泡石族:以海泡石、凹凸棒石和坡縷縞石為主的粘土叫海泡石、凹凸棒石或坡縷縞石粘土。3.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單位任何粘土礦物,其基本構(gòu)造單位都是相同的,為硅氧四面體和鋁氧八面體兩種。1)硅氧四面體如圖2.1所示,四面體由一個(gè)Si離子和四個(gè)O離子組成,Si4+在中心,四角是O2-,O2-以其一個(gè)負(fù)電荷與Si4+相連結(jié),同時(shí)每個(gè)氧剩余的負(fù)電荷又與其它的硅離子組成另一些四面體,從而形成圖2.1所示的六角環(huán)片狀構(gòu)造或鏈。2)鋁氧八面體如圖2.1所示,八面體由中心的一個(gè)Al3+(可被Fe2+、Mg2+取代)和兩層緊密堆疊的O2-及OH-組成,同樣可構(gòu)成八面體片狀結(jié)構(gòu),且在六角環(huán)中心留有空位。二、幾種粘土礦物的晶體構(gòu)造及性質(zhì)各類粘土礦物均屬于含水硅鋁酸鹽或含水鋁鎂酸鹽,其主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。1.高嶺石(Kaolinite):由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成一個(gè)高嶺石晶體(胞),兩層間由共同的O2-聯(lián)結(jié)在一起。如圖2.2所示屬于1:1兩層結(jié)構(gòu),沿C軸空間可迭加在一起特點(diǎn):1)晶胞中正負(fù)電荷中和,內(nèi)部無離子置換作用。2)晶胞層間形成氫鍵聯(lián)結(jié),水分子不易進(jìn)入晶胞之間,故其屬于不膨脹晶體,分散度低,分散顆粒較粗,造漿率低,不適于做泥漿材料。3)自然界中存在較多,能耐高溫,適于做陶瓷材料。2.蒙脫石(Montmorillonite)其晶體由兩層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體組成,屬2:1三層結(jié)構(gòu)。如圖2.3所示,兩層間由共用的O2-聯(lián)結(jié)。蒙脫石特點(diǎn):1)兩晶層間靠O2-層的分子力聯(lián)結(jié),水分子易進(jìn)入兩晶格間,使其沿C軸方向產(chǎn)生膨脹(9.6~21.4?)屬膨脹型晶體,水化分散性好,造漿率高(達(dá)10~30m3/T),是泥漿的主要材料。2)晶格內(nèi)部有明顯的同晶置換現(xiàn)象(Al3+被Mg2+、Fe2+取代,Si4+被Al3+取代),由此產(chǎn)生電荷不飽和,使粘土顆粒帶負(fù)電荷,吸附外界陽離子,因此有很強(qiáng)的離子交換能力。另外,同晶置換使晶格破碎,有肋于蒙脫石礦物的分散。3.伊利石(Illites)其晶體構(gòu)造同蒙脫石,也屬2:1三層結(jié)構(gòu)。如圖2.4所示特點(diǎn):1)兩晶胞層之間有K+,且有直徑(2.66?)與Si–O四面體六角環(huán)空穴內(nèi)徑(2.80?)相當(dāng),K+嵌入后不易出來,使上下兩晶胞間連結(jié)很緊,水分子不易進(jìn)入晶層間故其屬不膨脹型晶體,分散性差。2)晶格內(nèi)有一定的離子置換現(xiàn)象(Al3+置換Si4+),但吸附K+之后由于K+不易電離出去,從而使其交換能力降低。3)伊利石粘土由于不易分散,陽離子交換能力低,其造漿能力低,且難以改性和用化學(xué)處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能。4)在鉆孔中鉆到伊利石粘土或含伊利石的泥質(zhì)巖層時(shí),不易膨脹縮徑,但易剝落掉塊。4.海泡石族其晶體構(gòu)造由硅氧四面體的六角環(huán)雙鏈和鋁(鎂)氧八面體聯(lián)結(jié)而成的棒狀,鏈狀或纖維狀。特點(diǎn):1)含Mg量高,屬含水鋁鎂硅酸鹽礦物。2)晶體構(gòu)造中有一系列空穴,水分子可進(jìn)入。含較多的吸附水,因此其熱穩(wěn)定性好?？垢邷?260℃)能力強(qiáng)。適于配制深井或地?zé)峋酀{。3)凹凸棒石抗鹽能力強(qiáng),在鹽水中能很好膨脹,可用于配制鹽水泥漿或海洋鉆井泥漿。4)有一定的離子交換能力。常常利用K+的這一特殊性質(zhì)(降低晶格中離子交換能力的特殊性質(zhì)),向沖洗液中加入一定量的K+(KCl),使其進(jìn)入粘土質(zhì)泥頁巖石晶體的六角環(huán)空穴中阻止水分子進(jìn)入,從而抑制泥頁巖水化膨脹而護(hù)壁。(水化膨脹過程:1.表面水化膨脹;2.滲透水化膨脹。)鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)(蒙脫石)加入K+(KCl)防止地層溶蝕。粘土礦物的主要特點(diǎn)對比礦物名稱結(jié)構(gòu)晶胞間距層間力陽離子交換量mg/100g土分散性性能高嶺石1:17.2?大3～15差不膨脹,造漿難蒙脫石2:114?小80～150好膨脹,造漿好伊利石2:110?中10～40中不膨脹,造漿較差,含K+高海泡石2:112.9?中20～30中(好于伊利石)抗高溫,抗鹽強(qiáng),造漿一般?(埃)10-10m三、粘土的水化膨脹作用:它是指粘土顆粒表面吸附水分子而產(chǎn)生膨脹以至分散的作用。它對于泥漿性能及井壁穩(wěn)定都具有十分重要的意義。1.粘土礦物中的水分粘土礦物中水分以如下狀態(tài)存在:1)自由水(液態(tài)水、重力水)不受粘土顆粒的束縛,在重力作用下可在粘土顆粒間自由移動(dòng)的水。(在100~110℃下失去)2)吸附水(層間束縛水)海泡石吸附在粘土礦物晶體表面及晶層間的水。特點(diǎn)是升溫時(shí)可失,但也可復(fù)水(100~200℃下失去)3)晶格水以O(shè)H-離子形式存在于粘土礦物晶格中的水,是礦物晶體結(jié)構(gòu)的一部分。特點(diǎn)是晶格水失去時(shí),晶格就受到破壞。(一般在450℃以上失水)因此能夠利用各種粘土礦物中各種狀態(tài)的水分含量不同,對粘土樣品進(jìn)行加熱失水來鑒定粘土礦物(粘土類型)(差熱及熱分析法)。2.粘土的水化方式粘土的水化方式有兩種:1)粘土直接吸附水分子水化a.分子間引力作用,使水分子吸附到粘土顆粒周圍。b.靜電引力作用。粘土顆粒表面帶負(fù)電,水分子是極性分子,因此水分子受到靜電引力作用而定向排列。c.氫鍵作用。粘土晶格中的O2-或OH-層與水分子形成氫鍵聯(lián)結(jié)。如圖2.5所示,水分子進(jìn)入層間使晶格層間距增大(可由17?長至19～130?),使粘土產(chǎn)生膨脹分散。2)粘土吸附水化陽離子而水化膨脹由于靜電引力作用,粘土表面吸附了許多水化的陽離子,使其表面形成水化膜。這種水化作用的影響比粘土直接吸附水分子大的多。3.影響粘土水化的因素(半徑r↓電價(jià)↑溫度T↑時(shí)間t↑鹽↓有利水化)1)吸附陽離子半徑的影響同價(jià)離子離子半徑越小,水化能力越強(qiáng)。即Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+;Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+2)吸附陽離子電價(jià)的影響離子半徑相近時(shí),電價(jià)越高水化能力越強(qiáng)。如Ca2+>Na+。但粘土顆粒按等當(dāng)量計(jì)算吸附,如吸附一個(gè)Ca2+就可吸附兩個(gè)Na+。Na+的水化數(shù)為8.4個(gè),Ca2+為10.0個(gè)。因此吸附Ca2+時(shí)的吸附水分子數(shù)為10個(gè),而吸附等當(dāng)量的Na+時(shí)的吸附水分子數(shù)為2×8.4=16.8個(gè),因此Na膨潤土的水化膨脹能力比Ca膨潤土強(qiáng)得多。一般常見加Na+(Na2CO3)取代Ca2+來將自然界中的的Ca土改型成Na土以提高其水化分散能力,這就是我們泥漿用Na2CO3進(jìn)行堿處理的目的。(泥漿堿處理原因)3.鈣膨潤土為什么要進(jìn)行堿處理?3)可溶鹽的影響可溶鹽類使粘土吸附水分子的能力降低。4)溫度及時(shí)間的影響溫度越高→水化越快時(shí)間越長→水化越完全4.粘土水化過程粘土吸水產(chǎn)生水化膨脹→分散1)吸水膨脹:短距離作用2)分散:遠(yuǎn)距離作用,可達(dá)120?。四、粘土的吸附性能泥漿中廣泛存在著粘土—水這一固—液界面吸附,粘土的水化、泥漿處理劑對泥漿性能的作用、可溶鹽對泥漿性能的影響等都是經(jīng)過吸附作用改變粘土顆粒表面性質(zhì)來進(jìn)行的。1.吸附的分類根據(jù)吸附理論,可將其分成以下三類:1)物理吸附由分子間相互作用力(即范德華力)所產(chǎn)生的吸附。特點(diǎn):a.吸附力弱并易解吸b.吸附速度快c.無選擇性d.分散度高,比表面大則吸附量大泥漿中PAM、CMC等有機(jī)處理劑分子與粘土間廣泛存在物理吸附2)化學(xué)吸附吸附物質(zhì)之間靠化學(xué)鍵力(離子鍵、共價(jià)鍵、配價(jià)鍵)所產(chǎn)生的吸附。該吸附可看作是兩相界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。特點(diǎn):a.吸附力強(qiáng),不易解吸b.吸附速度慢c.有選擇性吸附d.可逆泥漿中廣泛存在化學(xué)吸附,粘土與處理劑間大量存在化學(xué)吸附。如丹寧酸鈉與粘土的吸附,焦磷酸鈉與粘土的吸附。3)離子交換吸附(泥漿進(jìn)行化學(xué)處理和性能調(diào)節(jié)的依據(jù))粘土顆粒表面吸附的陽離子同泥漿中的另一種陽離子進(jìn)行等當(dāng)量交換的過程叫離子交換吸附。它是一種物物理—化學(xué)吸附,整個(gè)過程中既有物理吸附又有化學(xué)吸附。特點(diǎn):a.可逆b.等當(dāng)量交換離子交換吸附是泥漿進(jìn)行化學(xué)處理和性能調(diào)整的依據(jù)。如2Na++Ca土Na土+Ca2+就是用Na+將Ca2+交換出來。2.粘土產(chǎn)生陽離子交換的原因1)礦物晶格內(nèi)部的離子交換作用,產(chǎn)生負(fù)電荷最多,一般交換量蒙脫石>伊利石>高嶺石。2)在堿性條件下,礦物晶格表面OH層中的H+的電離,使粘土帶負(fù)電,但不大。高嶺石以此為主。相反在酸性條件下則產(chǎn)生OH-的電離,使粘土帶正電,變?yōu)槲酵饨绲年庪x子。3)斷鍵作用,能產(chǎn)生少量的負(fù)電荷或正電荷,吸附外界陽離子或陰離子。交換量隨粘土分散度增大而增加,是高嶺石、伊利石、海泡石產(chǎn)生離子交換的主要原因。3.陽離子交換吸附的特點(diǎn)1)同號(hào)離子等電量交換,正與正交換,負(fù)與負(fù)交換。如一個(gè)Ca2+與兩個(gè)Na+交換。2)交換是有順序的、可逆的、并受濃度效應(yīng)的影響。陽離子交換順序是:H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+濃度越高,交換反應(yīng)能力越強(qiáng),因此反應(yīng)是可逆的。陽離子交換順序的原則是:離子電價(jià)高,離子半徑大,水化能力弱的的離子容易被吸附,按影響從大到小排列。其中H+是個(gè)例外,因其體積小,水化差,容易被吸附,但只能在酸性條件下存在。3)幾何效應(yīng)對交換有影響。離子直徑與前述Si—O四面體六角環(huán)空穴大小相當(dāng)(如K+、NH4+)時(shí),離子進(jìn)入后不易出來,成為不可交換的離子。故常見KCl泥漿防止井壁粘土質(zhì)巖石水化膨脹,維持井壁穩(wěn)定。4)溫度及時(shí)間效應(yīng)的作用。溫度越高則交換容量越低,交換反應(yīng)速度越快;溫度越高則交換量越大,特別是層面反應(yīng)時(shí)間較長(一天),而側(cè)面快些。4.陽離子交換容量在中性條件下(PH=7),粘土所能吸附離子的總量叫陽離子交換容量或吸收容量。以mg當(dāng)量/100g土表示。一般交換性陽離子為H+及鹽基Na+、K+、Ca2+、Mg2+影響因素:1)粘土礦物本身成分的影響蒙脫石80~150伊利石10~40海泡石20~30高嶺石3~15用下列指標(biāo)區(qū)分鈉膨潤土和鈣膨潤土:Na+/Ca2+>1或Na++K+>Ca2++Mg2+時(shí),為鈉土Na+/Ca2+<1或Na++K+<Ca2++Mg2+時(shí),為鈣土Na++K++Ca2++Mg2+/Na++K++Ca2++Mg2++H+<1PH<7時(shí),為氫土常常采用天然鈣土加Na+或H+改型成鈉土或氫土,以提高造漿率。2)粘土分散度的影響:分散度越高,則交換容量越大。3)水溶液PH值的影響:PH>7時(shí),交換容量越大。5.陽離子交換速率原則:晶體側(cè)面交換速率快,而晶體層間交換速度慢。因此高嶺石交換速度快,加堿處理瞬間即見效,而蒙脫石等交換速度慢,加堿處理需要一天時(shí)間攪拌方可加快反應(yīng)速度。6.陽離子交換的其它作用粘土可吸附有機(jī)陽離子,由此可進(jìn)行染色反應(yīng),粘土可吸附陽離子表面活性劑,使親水粘土變?yōu)橛H油粘土。某些粘土在PH>7時(shí)帶負(fù)電,在PH<7時(shí)帶正電。五、粘土—水界面的雙電層理論如圖2.6所示粘土顆粒帶負(fù)電,其表面會(huì)吸附等當(dāng)量的陽離子形成雙電層,以保持電中性。靠近粘土顆粒表面,且能隨其一起運(yùn)動(dòng)的一層叫吸附層,其層厚僅幾個(gè)?;而遠(yuǎn)離粘土表面,不能隨其一起運(yùn)動(dòng)的一層叫擴(kuò)散層,其層厚達(dá)10~100?。整個(gè)雙電層就構(gòu)成了粘土周圍的水化膜,且擴(kuò)散層增厚,則水化膜變厚。吸附層擴(kuò)散層之間有一假想滑動(dòng)面。粘土顆粒表面與水溶液間的電位差叫熱力學(xué)電位E,E是一常數(shù)。E增大→粘土表面負(fù)電荷增多→可吸附陽離子增多滑動(dòng)面上的電位差叫ζ電位(電動(dòng)電位)ζ電位增大→擴(kuò)散層厚度增大→水化膜厚度增大→粘土在溶液中穩(wěn)定性增大一秀粘土層面吸附的水化膜厚,而邊角部分薄常成為顆粒間粘結(jié)的活性中心。ζ電位可用電泳或電滲測定。ζ電位的影響因素:1)陽離子濃度的影響離子濃度增大→吸附層中陽離子增多→擴(kuò)散層厚度變小→ζ電位減小,壓縮雙電層→水化膜變薄→聚結(jié)沉淀;另外:離子濃度增大→陽離子水化減少→水化膜變薄因此,泥漿產(chǎn)生聯(lián)結(jié),形成結(jié)構(gòu),甚至產(chǎn)生聚結(jié)而失穩(wěn)。如泥漿使用時(shí)受鹽侵、Ca2+侵等。2)陽離子電價(jià)的影響電價(jià)越高→電性中和越多→ζ電位越低→擴(kuò)散層越薄→水化膜越薄→粘土顆粒聚結(jié)凝聚→泥漿失穩(wěn)。反之亦然。高價(jià)離子成為聚結(jié)離子,其聚結(jié)值比(膠體開始明顯聚結(jié)時(shí),加電解質(zhì)(mg分子/L)的最低濃度)為:一價(jià):二價(jià):三價(jià)=25~100:0.5~2:0.01~0.1同價(jià)離子中,離子半徑越大→降ζ電位越多,如水泥侵如K+>Na+Ba2+>Ca2+>Mg2+3)陽離子水化程度的影響離子水化弱→易吸附在吸附層→ζ電位降低。由雙電層理論可知:a.適量加入Na+可使粘土改型,促使其水化分散,使泥漿穩(wěn)定;b.加入高價(jià)離子(Ca2+Mg2+等),使ζ電位降低,泥漿失穩(wěn);c.加入過量低價(jià)離子也會(huì)壓縮雙電層,降低ζ電位,使泥漿失穩(wěn)。六.泥漿的穩(wěn)定與聚結(jié)泥漿的穩(wěn)定與聚結(jié)作用對泥漿性能影響很大,因此是十分重要的。它主要受粘土本身及電介質(zhì)的影響。泥漿中粘土顆粒的分散與穩(wěn)定是相正確,而凝聚與聚結(jié)是絕正確。泥漿中主要存在沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性兩方面的問題。1.泥漿的沉降穩(wěn)定性泥漿中的粘土顆粒抵抗由于自重產(chǎn)生的沉降,而分散穩(wěn)定于泥漿中的能力。如現(xiàn)場粗粒土攪拌→分散,停攪→沉淀,水土分層現(xiàn)象。影響粘土沉降的因素:1)分散相(粘土)粒子的大小,形狀。大→沉降快層狀→沉降慢球狀→沉降快2)分散相與分散介質(zhì)(水)的密度(比重)差,差越大→沉降越快;3)分散介質(zhì)的粘度η,η越大→沉降越慢,如東西在水中比在油中沉的快;4)溫度t,t越高→η越小→沉降速度越快。為了減少泥漿中顆粒的沉降速度,可提高泥漿的粘度η,增加其沉降穩(wěn)定性。2.泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性泥漿中的粘土顆粒間不產(chǎn)生相互凝聚或聚結(jié)在一起的特性。失穩(wěn)過程:小顆粒聚結(jié)→大顆?！蓤F(tuán)→沉降失穩(wěn)影響因素:1)分子間力(范德華力)產(chǎn)生的吸力作用;2)電介質(zhì)的聚結(jié)作用;電介質(zhì)電價(jià)高,濃度大→壓縮雙電層→ζ電位降低→水化膜變薄→聚結(jié)。3)粘土顆粒間同性電荷(負(fù)電荷)的斥力作用;負(fù)電多→ζ電位高→斥力(∝ζ2)大→聚結(jié)。4)吸附層水化膜的穩(wěn)定作用;吸附層水化膜越厚→聚結(jié)。泥漿的粘土顆粒發(fā)生聚結(jié)作用,形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。若結(jié)構(gòu)是連續(xù)的,則屬于凝膠體系;若結(jié)構(gòu)是一團(tuán)一團(tuán)不連續(xù)的,結(jié)構(gòu)松散,內(nèi)有大量水,呈絮狀物,這就發(fā)生絮凝物體系,會(huì)失去沉降穩(wěn)定性。泥漿中加入少量電介質(zhì)時(shí)→ζ電位降低→斥力降低→網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多→泥漿黏度變大。加入稀釋劑→吸力減低→網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)少→泥漿黏度變小。七.粘土的尋找與鑒定(略講)粘土是配漿的主要材料,其質(zhì)量好壞影響很大,國外有專門的泥漿公司生產(chǎn)商品化粘土及處理劑,國內(nèi)也向此方向發(fā)展。1.粘土的尋找(略講)主要以找膨潤土為主。膨潤土主要由中酸性火山凝灰?guī)r蒙脫石化而成,故應(yīng)在火山巖地區(qū)尋找。一般規(guī)定蒙脫石含量達(dá)70~80%以上才算膨潤土礦。自然界中大都為Ca土(如浙江余抗土),少數(shù)為Na土(如新疆夏子街)凹凸棒石應(yīng)在富含Mg的蛇紋巖、白云巖等堿性介質(zhì)中尋找;海泡石應(yīng)在含Mg的強(qiáng)堿性介質(zhì)中尋找,如湖南瀏陽、石門;高嶺石是由長石分化而成,多存在于酸性介質(zhì)中,如江西景德鎮(zhèn)。2.粘土的鑒定(略講)1)有復(fù)雜的較精確的鑒定方法:a.電子顯微鏡法:將粘土晶體放大一萬部以上觀察晶形的區(qū)別;b.X-光衍射分析法:利用各粘土礦物的X射線衍射圖譜的差異來區(qū)別;c.差熱分析法:各種粘土礦物加熱時(shí)產(chǎn)生不同的吸熱及放熱效應(yīng)來區(qū)別;d.熱失重法:利用各種粘土礦物在加熱過程中,不同的失水溫度來區(qū)別。2)有一般的較簡易的鑒定方法:a.如化學(xué)分析法:分析粘土的化學(xué)組成;b.離子交換試驗(yàn):利用各種粘土陽離子交換量不同,測定其離子交換量來區(qū)別,如亞甲基藍(lán)吸收法;c.粘土的染色試驗(yàn):這是一種簡易而又有效的方法,簡易中常見。它是利用粘土顆粒帶負(fù)電荷,能吸附可染色的有機(jī)陽離子的原理使不同的粘土染上不同的顏色來區(qū)別;d.粘土的膨脹試驗(yàn)及浸泡試驗(yàn):利用各種粘土水化膨脹性能不同,經(jīng)過測定其膨脹性或膨潤度來區(qū)別。一般Ca土吸水1~2倍,Na土吸水5~12倍。e.粘土評價(jià)方法:造漿試驗(yàn):就泥漿而言,造漿率↑→粘土質(zhì)量↑造漿率:API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,不加任何處理劑時(shí),每噸粘土能配制ya為150CP的泥漿量。單位m3/T土。利用不同粘土造漿率的差異來區(qū)別:高嶺土1~5m3/T土,膨潤土可達(dá)8~30m3/T土。總之,粘土鑒定方法很多,必須靠多種方法綜合鑒定才行。八、鉆探用水(略講)鉆井沖洗液多用水配制,因此水質(zhì)對沖洗液影響很大,故應(yīng)對水質(zhì)進(jìn)行分析。主要是分析水的硬度和總礦化度。水的總礦化度是指水中離子,分子及各種化合物的總含量。常以每L水在105~110℃下烘干時(shí)所得的干涸殘?jiān)亓縼肀硎?。單位g/L水。按其總礦化度大小,可將水分成三類:淡水干涸殘?jiān)?lt;1g/L水鹽水干涸殘?jiān)?～50g/L水鹵水干涸殘?jiān)?gt;50g/L水水的硬度是指水中Ca、Mg鹽的含量。其中分暫時(shí)硬度和永久硬度,以mg當(dāng)量/L水表示或德國度(1°=1/2.8mg當(dāng)量/L水)。暫時(shí)硬度是指水中Ca、Mg的重碳酸鹽和碳酸鹽。這類鹽經(jīng)煮沸后生成沉淀物可除去Ca、Mg:M(HCO3)2→MCO3↓+CO2↑+H2OM=Ca.Mg永久硬度是指水中Ca、Mg的硫酸鹽,氧化物等。煮沸后這部分不能除去,只能外加碳酸鹽等沉淀Ca、Mg而軟化水:MSO4+Na2CO3→MCO3↓+Na2SO4M=Ca.Mg另外,水中的Na、K鹽叫負(fù)硬度。水的總硬度=暫時(shí)硬度+永久硬度按總硬度可將水分為:極軟水Mg.Ca<1.5mg當(dāng)量/L水(或<4.2)軟水Mg.Ca1.5～3.0mg當(dāng)量/L水中硬水Mg.Ca3.0～6.0mg當(dāng)量/L水硬水Mg.Ca6.0～9.0mg當(dāng)量/L水高硬水Mg.Ca9.0～14.0mg當(dāng)量/L水超硬水Mg.Ca14.0～21.0mg當(dāng)量/L水極硬水Mg.Ca>21.0mg當(dāng)量/L水硬水軟化:用純堿處理小結(jié)本部分為泥漿的基礎(chǔ)理論知識(shí),是學(xué)習(xí)泥漿知識(shí)的基礎(chǔ),應(yīng)了解掌握。概述部分主要分析介紹了泥漿的組成、分類及特點(diǎn):組成:由粘土、水及泥漿處理劑組成的多相分散體系。類型:分水基和油基兩大類,具體分成8個(gè)小類,并分別介紹了其特點(diǎn)和適用方法。第二節(jié)主要分析介紹了粘土的組成、類型、結(jié)構(gòu)、性能及尋找鑒定方法,同時(shí)介紹了鉆探用水。組成:化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3,礦物成分為粘土礦物及少量雜質(zhì)(構(gòu)成含砂量部分)。類型:依其各種粘土礦物含量不同分成四類,泥漿以膨潤土類為主。結(jié)構(gòu):四類粘土礦物均是由Si-O四面體和Al-O八面體構(gòu)成的層片狀或棒狀結(jié)構(gòu)。粘土的性能主要包括:1.水化膨脹作用:粘土顆粒表面吸附水分子而產(chǎn)生膨脹一致分散的作用,吸水方式有直接吸附水分子水化和吸附水化陽離子而水化膨脹兩種方式。水化規(guī)律是:離子半徑小,電價(jià)高→水化強(qiáng),反之亦然。例:一價(jià)Na+吸水8.4個(gè),二價(jià)的Ca2+吸水10個(gè)。2.吸附作用:分物理吸附和化學(xué)吸附及離子交換吸附三種方式,各有特點(diǎn)。三種方式在泥漿配制及處理中均廣泛存在,以后者為主。離子交換吸附特點(diǎn):同號(hào)離子等當(dāng)量交換2Na+→Ca2+;有順序;且離子濃度越高→交換吸附越強(qiáng)。陽離子交換的原則:離子電價(jià)低,半徑大,水化弱→易被吸附。陽離子交換容量:蒙脫石>伊利石>海泡石>高嶺石。且分散度高、PH高→交換容量大。3.雙電層理論:粘土表面吸附的水化膜分成吸附層和擴(kuò)散層。吸附層越厚→擴(kuò)散層越薄→ζ電位越小→水化膜越薄→分散性越差吸附層越薄→擴(kuò)散層越厚→ζ電位越大→水化膜越厚→分散性越好吸附陽離子電價(jià)高、濃度大→ζ電位小→分散差→聚結(jié)沉淀例Ca2+侵、鹽侵,使泥漿B↑直至水土分離破壞.4.尋找與鑒定:以找膨潤土為主。有精確及簡便鑒定方法。鉆探常見染色法鑒定。5.鉆探用水:主要分析水的總礦化度及硬度,減少水中有害物質(zhì)(如Ca2+,Mg2+,Cl-,SO42-)對泥漿的侵蝕。第三節(jié)泥漿性能及其測量方法一、泥漿的流變性泥漿流變學(xué)是研究在外力的作用下,泥漿流動(dòng)與變形的科學(xué)。具體是研究泥漿的黏度η、切力τ及觸變性等問題。泥漿流變性直接影響鉆速、泵壓、排量、攜帶與懸浮巖粉固井等工藝。本部分主要從液流的基本概念→流型→分析泥漿流變性→測量計(jì)算流變性→討論泥漿流變性與鉆井的關(guān)系。在外力作用下,液體在管內(nèi)流動(dòng)是不均勻的,如圖2.7所示流速分布從管中心到管壁由最大逐漸減小到零。用流速梯度來表示流速梯度=dv/dx(秒-1)鉆井中,由于各循環(huán)部位V不同,也不同:鉆頭水眼達(dá)10000~70000s-1,鉆桿內(nèi)100~1000s-1,環(huán)空內(nèi)50~250s-1,沉砂池10~20s-1流體流動(dòng)時(shí),由于各層間V不同,在流體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦,使液體具有粘滯性(剪切變形)。內(nèi)摩擦力F與液層間接觸面積S和剪切速率(dv/dx)成正比關(guān)系:即:F∝S·dv/dx∴F=η·S·dv/dx令τ=F/S—單位面積上的剪切力,叫剪切應(yīng)力∴τ=η·dv/dx或η=τ/η–粘度.是度量液體的粘滯性大小的常數(shù),泊或厘泊1P=100cPη=τ/叫液體的內(nèi)摩擦定律。它只適用于牛頓流體。τ的單位為達(dá)因/厘米21.流型分析一般流體分為牛頓流體(如清水)和非牛頓流體(如泥漿)。不同的流體用不同的流變方程來表示。一般將流體歸納成四種流型,并用流變曲線(τ—關(guān)系曲線)來表示?！?1)牛頓流型2)塑性流型3)假塑性流型4)膨脹流型》1)牛頓流型特點(diǎn):a.流變曲線過原點(diǎn),且為直線;b.屬于單相均勻流體;c.遵循內(nèi)摩擦定律;d.η是常量不變,與τ、無關(guān),η是流變參數(shù)。η=τ/=常數(shù)符合牛頓流型的流體叫牛頓流體,如水、油、低分子化合物溶液等。20℃時(shí),水的η=1cP。2)塑性流型特點(diǎn):a.流變曲線不過原點(diǎn);b.曲線向上凹;c.屬于多相不均勻流體;d.η隨τ變化e.不服從牛頓定律而服從賓漢公式τ=+ηp·f.整個(gè)流動(dòng)過程經(jīng)歷了5個(gè)狀態(tài):靜止-塞流-塞流向?qū)恿鬟^渡-層流-紊流解釋:—靜切力或凝膠強(qiáng)度,表示泥漿靜止時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度—?jiǎng)忧辛蚯?表示泥漿層流狀態(tài)時(shí)塑性流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。達(dá)因/cm2或磅/1000R21磅/1000R2=4.8dyn/cm2ηp—塑性粘度,P或cPηA—表觀粘度,P或cP服從塑性流型的流體叫塑性流體,如泥漿、瀝青、油漆等。3)假塑性流型特點(diǎn):a.流變曲線經(jīng)過原點(diǎn);b.曲線向上凹;c.屬于多相不均勻流體;d.η隨τ增加而下降,=0e.服從冪函數(shù)關(guān)系τ=KnK—稠度系數(shù),與粘度對應(yīng)η越大→K越大單位達(dá)因·秒n/cm2n—流性指數(shù),無因次。n<1,流體屬于非牛頓流體n=1,屬于牛頓流體n>1,屬于膨脹流體K、n是假塑流體的兩個(gè)流變參數(shù)服從冪函數(shù)方程的流體叫假塑性流體。如高分子化合物溶液,低固相泥漿、乳狀液等。4)膨脹流型特點(diǎn):a.流變曲線過原點(diǎn)b.曲線向下凹n>1c.=0η隨τ增大而增大,體積增大d.服從冪函數(shù)τ=Kn符合膨脹流型的流體叫膨脹流體,如淀粉糊等。2.粘度(滿足地層護(hù)壁與攜帶巖粉的情況下,泥漿的粘度越小越好)粘度表示泥漿流動(dòng)時(shí),其內(nèi)部各相介質(zhì)之間內(nèi)摩擦力的總和:分ηp、ηA(將泥漿看成塑性流體時(shí))塑性粘度ηp=τ/表觀粘度ηA=ηp+/特點(diǎn):ηp不隨變化,但ηA隨的增大而降低。這種ηA隨的增大而降低的性質(zhì)叫泥漿的剪切稀釋作用。意義:泥漿經(jīng)過鉆頭水眼時(shí)增大→ηA減小→沖洗液破巖能力增強(qiáng)泥漿經(jīng)過環(huán)空時(shí),減小→ηA增大→懸浮攜帶巖粉能力增強(qiáng)由ηA=ηp+/討論:ηp降低、增大,即/增大,后部分對ηA的影響大,則ηA隨變化愈大,故用動(dòng)塑比表示泥漿的剪切稀釋作用。一般要求泥漿的/ηp=1±,且<3對泥漿來說,加大固相含量,增加粘土分散度,加增粘劑,泥漿形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)→ηp表觀粘度增大。相反,加水或減少固相含量,加稀釋劑→ηp減小3.切力分靜切力和動(dòng)切力。靜切力是泥漿開始運(yùn)動(dòng)時(shí),所需要的最低剪切應(yīng)力。它表示泥漿靜置時(shí)形成內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的能力。結(jié)構(gòu)形成:泥漿靜置時(shí),片狀粘土顆粒的邊角水化膜較薄,成為粘結(jié)的活性中心,使粘土顆粒連結(jié)在一起,形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部包圍一部分自由水使其不能自由流動(dòng),如圖2.9所示這種結(jié)構(gòu)是觸變結(jié)構(gòu)。外力作用時(shí)易于破壞,而靜置時(shí)結(jié)構(gòu)又恢復(fù)。的大小與粘土類型,含量,分散度,ζ電位,水化膜厚薄及外加高分子處理劑等有關(guān)。是層流狀態(tài)下,泥漿內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)力的大小。的大小與固相含量,分散性,粘土的ζ電位,顆粒間的吸力及外加處理劑有關(guān)?？傊?形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越強(qiáng)→越大。巖芯鉆井工藝要求:=10~40mg/cm2,=20~30mg/cm2若、過高→開泵時(shí)泵壓過高,激動(dòng)壓力過高,除氣及凈化巖粉困難。前述泥漿內(nèi)部具有觸變結(jié)構(gòu)的性質(zhì)叫泥漿的觸變性。泥漿觸變性表現(xiàn)為泥漿攪拌流動(dòng)時(shí),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆散,泥漿變稀;而再靜置時(shí),結(jié)構(gòu)又恢復(fù),泥漿變稠。初切力:靜置1分鐘后測得的為初切力。終切力:靜置10分鐘后測得的為終切力。觸變性好壞以終切力-初切力差值來表示,差值越大,觸變性越好。鉆井要求泥漿具有良好的觸變性,防止埋鉆,正常循環(huán)時(shí),排帶巖粉,再循環(huán)槽中便于沉淀巖粉,停泵時(shí)以利于懸浮巖粉,但又不致于開泵時(shí)泵壓過高。同時(shí)利于堵塞裂隙,減少鉆孔漏失。4.泥漿流變性的測量與計(jì)算主要是測量并計(jì)算ηp、ηA、τ、、n、K當(dāng)前使用的泥漿流變性測量儀有:野外漏斗粘度計(jì):測量泥漿對水的相對粘度,單位秒,反映了泥漿的表觀粘度,簡便,但不能反映ηp、。清水15秒,泥漿一般18—30秒。旋轉(zhuǎn)粘度計(jì):國外有能自動(dòng)作流變曲線的范氏39型、無級調(diào)速的范氏36型;國內(nèi)青島照相機(jī)廠仿制范氏35型生產(chǎn)的D6-ZNN電動(dòng)6速。具體儀器原理,測試方法等實(shí)驗(yàn)課介紹由賓漢公式可推出:ηp(泊)(dyn/cm2)dyn—達(dá)因由冪函數(shù)公式可推出:(dyn·sn/cm2)以上公式代表一般性理論意義,用其計(jì)算太麻煩,實(shí)際應(yīng)用中常見直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定后計(jì)算。當(dāng)前國內(nèi)常見6速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定。其對應(yīng)的流變參數(shù)計(jì)算式為:牛頓流體:ηA=600CP(粘)塑性流體:ηp=600—300CP=300—ηp磅/1000R2=5.11(300—ηp)dyn/cm2假塑流體:=4.9(300—ηp)mg/cm2(dyn·sn/cm2)(一分時(shí))(10分時(shí))、00、600分別是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)速為3、300、600轉(zhuǎn)/分時(shí)之讀數(shù)。牛頓流體η=300CP另外,也可先作流變曲線,然后再從其上求出ηp、ηA、、n、K的值。5.泥漿流變性對鉆井工作的影響主要影響以下幾方面:1)對破巖及鉆速的影響η越大→Vt越小/ηp=0.75~1,其剪切稀釋作用越好→Vt越大2)對攜帶及懸浮巖粉的影響良好的觸變性→有利于攜帶及懸浮巖粉、太大不利于凈化巖粉。3)對穩(wěn)定孔壁的影響η越大→有利于減少漏失,膠結(jié)孔壁但↑、η↑→激動(dòng)壓力↑、泵壓↑、抽吸作用↑,凈化巖粉困難。二.泥漿的失水與造壁性1.泥漿的失水特性泥漿中的水以化學(xué)結(jié)合水,自由水及吸附水三種狀態(tài)存在。失水:當(dāng)孔內(nèi)泥漿柱的靜壓力大于地層孔隙的流體壓力,即在一定的孔內(nèi)壓差作用下,泥漿中的自由水會(huì)透過孔壁巖石小裂隙或孔隙而滲透到地層中去的現(xiàn)象。造壁:泥漿中的粘土顆粒隨著失水的進(jìn)行而附著在孔壁上形成泥皮(餅),反過來阻止失水的過程。失水量:在一定壓力差和單位時(shí)間內(nèi),經(jīng)過一定的過濾面積的失水量B,常以”ml”表示。如:美國API標(biāo)準(zhǔn)壓差100磅/英寸2(7atm),30分鐘,7.1英寸2(45.8cm2)蘇聯(lián)用柱塞式壓差1atm,30分鐘,22.9cm2中國當(dāng)前兩種都采用。井內(nèi)泥漿失水及泥餅形成過程(靜失水過程):1)泥餅形成前一瞬間,一部分顆粒較細(xì)的固相(粘土,巖粉等)與自由水一起進(jìn)入地層中,構(gòu)成泥餅的初損侵入層。這部分失水因泥漿不同而異。其侵入范圍的大小也不一樣,一般是不大的。2)隨著固相顆粒的侵入,一部分較大的固相顆粒正好與裂隙大小相吻合,堵在孔隙口起架橋作用,而構(gòu)成架橋?qū)?起泥餅的骨架作用,因其卡在孔隙中不易為沖洗液所沖刷帶走。3)架橋后細(xì)粒固相隨著失水的進(jìn)行不斷充填于骨架細(xì)小縫隙中使架橋?qū)痈旅?同時(shí)在其外逐漸形成一層薄而軟的泥皮層,進(jìn)一步阻止泥漿失水。上述泥餅的形成是在瞬間完成的,由外層泥皮、架橋?qū)蛹俺鯎p侵入層三層構(gòu)成的。由于泥餅本身有一定的孔隙度,因此可繼續(xù)滲透自由水產(chǎn)生失水?？變?nèi)失水分三種情況:1)孔底失水:即鉆出新孔底的瞬時(shí)失水。失水量較小,影響不大,一般資料未列入。2)靜失水:泥漿停止循環(huán)時(shí)的失水。由于無沖刷作用,泥餅會(huì)逐漸變厚,B變小。3)動(dòng)失水:泥漿循環(huán)過程中的孔壁失水。特點(diǎn):開始較大,隨著沖洗液的沖刷,泥餅的增厚與破壞達(dá)到動(dòng)平衡后,失水便恒定。因動(dòng)失水與沖洗液上返速度成直線比例上升,因此小口徑鉆進(jìn)中當(dāng)>1.5m/s時(shí),泥餅被沖毀,動(dòng)失水量快速上升。一般情況下,動(dòng)失水>>靜失水,當(dāng)較大時(shí),動(dòng)失水占70~90%,而靜失水只占10~30%。2.失水評介方法1)泥漿失水的影響因素根據(jù)達(dá)西定律,可推導(dǎo)出如下計(jì)算累計(jì)失水量B的公式:(1)其中:K—常數(shù)R=B/V—固相含量因素V—泥餅中固體體積P—壓差(atm)t—失水時(shí)間(秒)u—濾液粘度(cP)由(1)式可得出如下三式:B∝B∝B∝以上(1)式是泥漿靜失水的基本方程,由此方程討論泥漿失水量B的影響因素:a.t對B的影響B(tài)∝t↑→B↑b.P對B的影響B(tài)∝P↑→B↑但P↑→泥餅致密度↑→B↓故應(yīng)結(jié)合考慮兩方面因素。c.溫度對B的影響T↑→u↓,且粘土水化差→B∝→B↑d.泥漿性能對B的影響泥漿中粘土水化強(qiáng)分散好,細(xì)顆粒多,外加合適處理劑(降失水劑)→形成薄而致密的泥餅→滲透率K↓→B↓e.固相含量對B的影響固相含量↑→泥餅增厚V↑→R↓→B↓,但泥餅厚而松易被沖毀,B動(dòng)↑2)常規(guī)方法測失水量B采用氣壓式或柱塞式普通失水儀測泥漿的靜失水,國內(nèi)當(dāng)前有1009型柱塞式ZNS-3型氣壓式(采用液態(tài)CO2或N2作氣源)直接測泥漿的濾失量(具體實(shí)驗(yàn)中講)。由泥漿靜失水基本方程知:B∝即B1=KB2=K∴即—時(shí)間內(nèi)的B—時(shí)間內(nèi)的B這樣可測定任一時(shí)間(如=1、2、3……分鐘)的,而計(jì)算出=30分鐘的。一般巖芯鉆探要求B＜15ml,而石油鉆井要求B＜10ml以上的理論計(jì)算公式,考慮到瞬時(shí)失水(測定時(shí),最初一下子的連續(xù)初失水)的誤差,實(shí)際計(jì)算公式為:(ml)因若=7.5分,=30分,=2.故常測量7.5分鐘失水來計(jì)算30分的B即:B=2+(ml)例:=5ml=3ml,求30分時(shí)的B值B=2+=2×5+3=13m3)作失水曲線評價(jià)B:作失水B-t曲線,然后用斜率k和截距b作指標(biāo)評定泥漿的Bk↓→B增長↓→泥餅質(zhì)量好,失水性能好,反之亦然。一般可用計(jì)算機(jī)處理并作圖分析(先編程序輸入作圖模式,然后輸入不同的及即可自動(dòng)作出圖)這種方法考慮了泥漿的整個(gè)失水過程,比較全面。4)高溫高壓失水:考慮到深井高溫高壓的需要,采用高溫高壓失水儀測B,T可達(dá)260℃。P達(dá)49.72atm。如美國的40、42、70、71型多種。5)二次失水為了簡單評價(jià)泥餅質(zhì)量測定其滲透性大小,采用測泥漿二次失水的方法。一般是用術(shù)塞式失水儀先測泥漿的30分鐘失水量后,將泥漿倒掉,不換濾紙(上有一層泥餅),再加入清水,再測其失水量大小作為泥漿二次失水值。由的大小能夠定性評價(jià)泥餅質(zhì)量的好壞。當(dāng)小→泥餅滲透性小→泥餅質(zhì)量好反之亦然。一般聚丙烯酰胺泥漿的=3~5ml6)動(dòng)失水當(dāng)前尚無測量動(dòng)失水的精確測量儀器,國內(nèi)外均提出了幾種測試方法,如模擬進(jìn)口量內(nèi)循環(huán)沖刷裝置等。當(dāng)前國外常見”滾子爐”測試指標(biāo)來表示動(dòng)失水性能。7)濾液性能濾液性能對井壁穩(wěn)定影響很大,清水或分散性泥漿的濾液使井壁巖石產(chǎn)生水化膨脹,導(dǎo)致井壁失穩(wěn);濾液PH愈高,巖石越易水化膨脹,濾液礦化度(含Ca、Mg、鹽)越高,抑制巖石水化膨脹能力越強(qiáng)。如前述K+抑制性最強(qiáng),故常見含K+沖洗液鉆進(jìn)水敏性地層。濾液中高聚物含量越高,粘度u越大,則膠結(jié)巖石的能力越強(qiáng),越有利于護(hù)壁。另外,無粘土沖洗液的成膜作用等有利于降失水防塌,以后再講總之,泥漿的失水與造壁性能對鉆進(jìn)影響很大。失水大,泥餅厚,一方面會(huì)引起孔壁巖石水化膨脹而失穩(wěn),別一方面過厚的泥皮會(huì)使泥漿不穩(wěn)定,損害地層,產(chǎn)生縮徑現(xiàn)象,增加鉆桿回轉(zhuǎn)阻力,產(chǎn)生抽吸作用和激動(dòng)壓力,造成壓差卡鉆,引起事故。另外,在失水理論研究方面仍存在許多問題。動(dòng)失水的測定與評價(jià),井底失水過程的模擬評定及計(jì)算機(jī)控制處理,動(dòng)失水與靜失水的關(guān)系(當(dāng)前測定的動(dòng)、靜失水相關(guān)性甚差),如何正確評價(jià)失水與井壁穩(wěn)定的關(guān)系等等問題都有待今后進(jìn)一步深入研究解決。泥漿的其它性能漏水—降低泥漿比重γ(減少固相成分,充氣泡沫)涌水—提升泥漿比重γ(加高重度礦粉,提高動(dòng)切力)1.泥漿比重 泥漿重量與同體積水重量之比值叫泥漿比重單位:英制磅/加侖(Pound/gallonorPPg)公制g/cm31g/cm3=8.33PPg主要取決于泥漿中固相含量的多少及固相比重的大小。用比重秤測定,單位”g/cm3”,具體實(shí)驗(yàn)課講。是維持井內(nèi)壓力與地層壓力平衡的重要手段,對于漏失地層應(yīng)采用低固相、充氣、泡沫或低比重材料等降低泥漿比重(可降到0.7g/cm3),減少或防止漏失。相反,地壓較高時(shí),應(yīng)加入加重劑,如重晶石粉、氧化鐵粉等增加,以平衡地壓,防止井噴和涌水,維護(hù)井壁穩(wěn)定。泥漿比重(重度)對鉆速影響較大,↑→V鉆↓,故正常情況下應(yīng)盡可能采用低固相低泥漿鉆進(jìn),以提高鉆速。一般膨潤土低固相泥漿=1.02~1.052.泥漿含砂量Q(除有效成分外其它所有成分,主要指巖粉粘土粉內(nèi)的石英)泥漿中大于74u(不過200目)的顆粒(包括粘土及非粘土礦物)占泥漿總體積的百分含量叫Q。Q↑→泵,鉆頭及鉆具磨損↑,一般Q<1~4%合格現(xiàn)場常采用旋流除砂器及除泥器等機(jī)械方法,配合化學(xué)絮凝沉降法除砂。一般采用篩析法(如ZNH型),沉降法(如含砂量杯)來測量泥漿的Q。具體實(shí)驗(yàn)課講。3.固相含量W(所有非溶解質(zhì)含量總和)W系指泥漿中所有固相(包括粘土、巖粉、處理劑等)含量的總和。常采用泥漿蒸餾法來分離固相進(jìn)行分析(如ZNG型分析儀)。W可直接影響,泥漿流變性及鉆速V鉆。W大→大、η大、大→V鉆低現(xiàn)代鉆井研究表明,泥漿中的W,特別是小于2u的顆粒含量是影響V鉆的主要因素。V鉆隨W的增加而急降。如圖2.10所示因此應(yīng)設(shè)法清除泥漿中多余的固相,特別是小于2u的細(xì)顆粒。4.PH值(酸性環(huán)境下會(huì)聚結(jié))如前述,泥漿及濾液的PH值對其性能及井壁影響都很大,同時(shí)PH高低也是泥漿進(jìn)行化學(xué)處理的依據(jù),泥漿一般在堿性情況下保持穩(wěn)定,故:一般泥漿PH=8~10鈣處理泥漿PH=10~11PH測量:PH試紙簡易測量,酸度計(jì)精確測量。5.泥漿膠體率及穩(wěn)定性膠體率是泥漿靜置24小時(shí)后析水分層,其泥漿部分所占的百分比率。它粗略地表示泥漿中粘土顆粒的水化與分散程度。如靜置1天后上部折水3ml,則泥漿膠體率為97%,一般要求泥漿膠體率大于96%。但它并不能說明泥漿中膠體顆粒的多少、B的大小及其性能指標(biāo)的好壞。泥漿穩(wěn)定性是指泥漿靜置一天后,上下兩層的比重差大小。它表示泥漿中粘土顆粒分散的均勻程度,反映了泥漿沉降穩(wěn)定性的好壞。一般要求比重差<0.02,加重泥漿為<0.06,低固相泥漿更小。6.泥漿潤滑性小口徑金剛石鉆進(jìn)要求泥漿既能護(hù)壁,又要有較好的潤滑性以利于其開高轉(zhuǎn)速。泥漿中常見加入潤滑劑有石墨粉、二硫化鉬、陰離子表面活性劑等,以減少摩擦阻力。測量:簡易潤滑儀,極壓潤滑儀及摩擦系數(shù)測定儀(我校研制)等。7.泥餅粘滯性(加入固相溶解劑,隨粘土顆粒依附于泥皮,減小粘滯阻力)主要是指泥餅對鉆具回轉(zhuǎn)的粘滯阻力。泥餅太厚,粘滯阻力大,常引起壓差卡鉆,或影響鉆具回轉(zhuǎn)開高轉(zhuǎn)速等。用泥餅粘附系數(shù)測定儀測試扭矩并經(jīng)計(jì)算其粘附系數(shù)大小來表示泥餅的粘滯性。第三節(jié)小結(jié)主要分析介紹了泥漿的各種性能及其對鉆井的影響因素。要求掌握剪切稀釋及觸變性的概念及意義。流變性:主要參數(shù)是粘度η,切力泥漿的/ηp大(>0.5)→剪切稀釋作用好→冷卻鉆頭、沖洗井底、破碎巖石效果越好→鉆效高。泥漿的觸變性越好→停泵懸浮巖粉能力越好、排粉效果更佳、堵漏效果更好。η、大→懸浮攜帶巖粉能力強(qiáng)、鉆效低、故應(yīng)適中。失水造壁:粘土分散性好、自由水含量減少、加入降失水劑→形成的泥餅薄而致密→泥皮滲透性減小→B小→護(hù)壁作用好。泥漿PH值低(7~8)、礦化度高,含K+高,含高聚物→抑制粘土質(zhì)泥頁巖水化膨脹能力強(qiáng)→護(hù)壁作用好。固相含量↑、含砂量↑→↑,鉆頭、鉆具、泵磨損↑→鉆效↓。因此應(yīng)采取絮凝除砂除泥措施維護(hù)低固相。思考題:2.影響泥漿護(hù)壁作用的因素有哪些?(流變性,護(hù)壁性)5.討論泥漿的ηp、對鉆井的影響。第四節(jié)泥漿處理劑(泥漿化學(xué)處理)為了適應(yīng)鉆進(jìn)過程中的各種需要,提高泥漿的各種性能,必須對泥漿進(jìn)行化學(xué)處理。而處理所用的藥劑就叫泥漿化學(xué)處理劑。一般,泥漿的化學(xué)處理工作包括兩個(gè)方面:初步處理:對新配泥漿(即原漿)進(jìn)行化學(xué)處理,使其性能達(dá)到鉆進(jìn)要求的過程。一般是加入化學(xué)處理劑幫助粘土顆粒分散或適度絮凝,配成合乎鉆進(jìn)工藝要求的各類泥漿(如加Na2CO3幫助分散,加CaCl2適度絮凝成粗分散體系)。初步處理一般較容易,花費(fèi)藥劑亦較少。補(bǔ)充處理:鉆進(jìn)過程中對泥漿性能進(jìn)行調(diào)節(jié),使其合乎鉆進(jìn)工藝要求的處理過程。如粘土或巖粉侵使泥漿η、、增大后,加水、稀釋劑及降失水劑調(diào)節(jié)泥漿性能,降低η、、及B以提高鉆速V鉆。一般補(bǔ)充處理較復(fù)雜,花費(fèi)藥劑量較大?；瘜W(xué)處理劑來源有天然產(chǎn)品(如瓜爾膠、鉆井粉等),改性產(chǎn)品(如各種改性腐植酸等)及人工合成產(chǎn)品(如CMC、PAM等)。當(dāng)前40多個(gè)國家有140多家泥漿公司2600多種泥漿處理劑商品。中國的泥漿處理劑近幾年來也得到了不斷發(fā)展。今后的工作是進(jìn)一步深入研究處理劑理論,不斷發(fā)展完善各種鉆進(jìn)工藝所要求的處理性能,研究多功能綜合處理劑,做到一劑多用。用處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能主要是:(泥漿處理內(nèi)容)(1)降失水B↓;(2)稀釋η、↓;(3)增粘η、↑;(4)絮凝;(5)加重或減重↑或↓;(6)頁巖穩(wěn)定;(7)防漏堵漏;(8)發(fā)泡、消泡;(9)潤滑減阻;(10)乳化泥漿;(11)調(diào)節(jié)PH值;(12)增表面活性;(13)防卡減卡;(14)防腐殺菌;(天然植物膠放置時(shí)間久會(huì)發(fā)酵,在堿性條件下才起作用)(15)去鈣等。常見處理劑分成三大類:無機(jī)、惰性材料及有機(jī)處理劑。以下分別介紹之。一、無機(jī)處理劑1.作用原理無機(jī)處理劑在泥漿中應(yīng)用廣泛,泥漿處理中最先使用的也是無機(jī)處理劑,其作用原理有如下幾方面:1)分散作用如前所述粘土能進(jìn)行陽離子交換,故常加入適量的能電離的可溶性電介質(zhì)提供可交換的陽離子,幫助粘土顆粒水化分散。(鈣土堿處理)例:因大部分澎潤土是Ca土,而Ca土的水化分散作用差,造漿率低,故常采用純堿Na2CO3或NaHCO3等處理泥漿,以Na+取代Ca2+而使Ca土改型成Na土,幫助粘土顆粒水化分散,提高造漿率,同時(shí)達(dá)到去Ca2+的目的:2Na++Ca土→Na土+Ca2+↓此時(shí)除了陽離子(Na+)作用外,陰離子影響也較大。如用Na2CO3或NaHCO3處理泥漿:Na2CO3+Ca土→Na土+CaCO3↓2NaHCO3+Ca土→Na土+Ca(OH)2而Ca(OH)2在水中能部分溶解,電離出Ca2+,因此上面反應(yīng)是一可逆反應(yīng)。當(dāng)達(dá)動(dòng)平衡時(shí),泥漿中除了一部分Ca土→Na土外,尚存一部分Ca土即泥漿中粘土由Na土和Ca土兩部分組成。故其分散穩(wěn)定性不如全部改型成Na土?xí)r強(qiáng)(Na2CO3),泥漿性能也不如前者好。同樣若用NaCl處理,它提供的Na+也是不可取的:由反應(yīng)2NaCl+Ca土→Na土+CaCl2可知,體系中同時(shí)存在NaCl和CaCl2而二者的溶解度分別為:溫度℃020306080100NaCl35.736.036.337.338.439.8CaCl259.574.5102.0136.8147.0159.0在20℃以上時(shí),CaCl2的溶解度比NaCl大一倍以上,上述動(dòng)平衡體系中Ca2+濃度比Na+多的多,且Ca2+是二價(jià)離子比Na+(一價(jià))高,因此粘土吸附Ca2+的機(jī)會(huì)大的多,即體系中大多數(shù)粘土仍以Ca土形式存在,因此用NaCl達(dá)不到改型粘土的目的。這也是粘土在鹽水溶液中不易分散的因素之一。因此當(dāng)前鉆井中大多用Na2CO3作為泥漿分散劑來處理泥漿以達(dá)Ca土→Na土的目的。2)絮凝作用這種作用也是因粘土的離子交換性,按雙電層理論進(jìn)行反應(yīng)。如前述,粘土顆粒表面帶負(fù)電荷(PH>7)時(shí),當(dāng)體系中加入一定量的電介質(zhì),以提供可交換性陽離子時(shí),粘土顆粒就會(huì)吸附陽離子(特別是高價(jià)陽離子如Ca2+、Mg2+),引起雙電層壓縮。使ζ電位減小,水化膜變薄,從而引起粘土顆粒之間產(chǎn)生絮凝作用。因此鉆井中就利用這一理論,有意加入Ca鹽或食鹽,提供Ca2+或過量的Na+,壓縮雙電層,降低ζ電位,使粘土顆粒進(jìn)行適度絮凝,形成粗分散體系泥漿或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),前者可用于抑制粘土質(zhì)巖石的水化膨脹和造漿防塌,保護(hù)井壁穩(wěn)定,后者可用于堵漏。如常見的CaCl2、石灰、石膏泥漿及鹽水泥漿等。3)水解或溶解作用許多有機(jī)及高分子處理劑在水中的溶解度很小,不易被粘土顆粒吸附,而它們經(jīng)水解或中和反應(yīng)后即可成為水溶性泥漿處理劑。溶解中和反應(yīng):如丹寧酸、腐植酸等在水中溶解性很小,用堿溶解中和成鹽后就成為水溶性泥漿處理劑,易被粘土吸附而起稀釋和降B作用。即:丹寧酸+NaOH→丹寧酸鈉+H2O腐植酸+NaOH→腐植酸鈉+H2O水解作用:高分子處理劑上有一些不溶于水但可水解的極性基,如酰胺基CONH2、腈基CN等,可先用堿進(jìn)行水解中和反應(yīng),使其變成親水性基團(tuán)如COONa等成為水溶性泥漿處理劑。如,PAN(不溶,人造羊毛)+NaOH→HPAN(可溶)+H2O作降失水劑4)其它作用加堿調(diào)泥漿的PH值,在堿性范圍內(nèi)以保持泥漿穩(wěn)定。加重、增粘η、↑及無機(jī)交聯(lián)堵漏。2.常見無機(jī)處理劑1)燒堿NaOH(分子量40,乳白色=2~2.2)易溶于水T增大→溶解度增大,水深液呈強(qiáng)堿性,有強(qiáng)腐蝕性。易吸嘲,從空氣中吸CO2→Na2CO3。工業(yè)燒堿濃度:固體98%、液體30%。在水中NaOH完全電離:NaOH→Na++OH-作用:a.調(diào)節(jié)泥漿PH值,幫助分散,加入量0.5~11kg/m3b.溶解、水解有機(jī)高分子處理劑c.處理非膨潤土泥漿d.控制Ca2+處理泥漿中Ca2+濃度Ca2++2OH-→Ca(OH)22)純堿Na2CO3(分子量106白色=2.5左右)又名蘇打或面堿,易吸潮結(jié)塊,白色粉末。易溶于水,水溶液呈強(qiáng)堿性,T↑→W↑。超過36℃后T↑→W↓。工業(yè)Na2CO3含量一般在98%以上。Na2CO3在水中易電離和水解:Na2CO3→2Na++CO32-為主CO32-+H2O→HCO3-+OH-HCO3-+H2O→H2CO3+OH-即Na2CO3可提供Na+、CO32-及OH-。作用:a.粘土改型Ca土+Na2CO3→Na土+CaCO3↓并去Ca2+,幫助粘土水化分散(作分散劑),加入量0.6~11kg/m3;b.調(diào)節(jié)泥漿PH值;c.硬水軟化及除Ca2+、Mg2+(如石膏侵、水泥侵時(shí));與其類似的還有酸性碳酸鈉或小蘇打NaHCO3,特點(diǎn)是對PH值影響較小,但溶解較小故用的也較少。主要用于抗水源污染。加量1~14kg/m3。3)石灰Ca(OH)2(分子量74.1=2.08~2.24白色粉末)又名熟石灰,消石灰,由生石灰CaO加水反應(yīng)而得:CaO+2H2O=Ca(OH)2易吸潮,在空氣中能吸收CO2→CaCO3,水溶性較小且T↑→W↓。水溶液呈強(qiáng)堿性有腐蝕性,水溶液PH=12.4Ca(OH)2在水中部分電離Ca(OH)2→Ca2++2OH-作用:a.提供Ca2+配制粗分散的Ca處理泥漿,加量1~57kg/m3;b.作絮凝劑用于配制適度絮凝的粗分散泥漿;c.生石灰CaO作油包水乳化泥漿的乳化劑。d.配制高η、的石灰泥漿堵漏。4)石膏CaSO4(分子量136,=2.31~2.32)分生石膏CaSO4·2H2O白色塊狀熟石膏CaSO4·H2O水溶性較小且T↑→W↑,超過40℃后T↑→W↓在水中部分電離:CaSO4→Ca2++SO42-作用:a.提供Ca2+,配制石膏鈣處理泥漿,加量6~23kg/m3;b.提供SO42-使泥漿PH↓;c.石膏水溶性比石灰大,故提供Ca2+能力比石灰強(qiáng);5)氯化鈣CaCl2(分子量111,=2.15)有無水CaCl2(111)及六水CaCl2·6H2O(219.1),前者常見。極易溶于水,且T↑→W↑↑,易吸潮。作用:a.提供Ca2+能力比石灰、石膏大的多,故用于配制高鈣泥漿;b.提供Cl-使泥漿PH減小,加量28~570kg/m3;c.作干燥劑。6)食鹽NaCl(分子量58.45=2.165)易溶于水,且T↑→W↑作用:a.提供Ｎa+,配制鹽水泥漿或飽和鹽水泥漿。鉆進(jìn)鹽層;b.壓縮雙電層,抑制井壁巖石的水化膨脹,加量30~360kg/m3;c.提高泥漿η、τ。7)氯化鉀KCl(分子量74.55=1.984)易溶于水,且T↑→W↑作用:a.提供K+,抑制井壁巖石的水化膨脹,加量30~50kg/m3;b.提高泥漿的η、。8)磷酸鈉鹽包括正、偏、焦磷酸鈉鹽及復(fù)鹽,酸式鹽。作用:a.偏、焦磷酸鈉鹽作稀釋分散劑,同時(shí)除Ca2+,提高泥漿的η,常見的如三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、四磷酸鈉等;b.正磷酸鈉除Ca2+、Mg2+;c.洗井除泥皮9)水玻璃Na2SiO3(PH=11~12=1.5~1.6)為粘稠狀半透明液體。實(shí)際結(jié)構(gòu)Si-O-Si鍵連結(jié)的低聚合度無機(jī)聚合物。因此其粘度較高。其性質(zhì)受模數(shù)m影響較大:m增大→SiO2增大→化學(xué)活性降低、可溶性降低、比重變小、η變大。反之亦然。m>3時(shí)叫中性水玻璃,反之叫堿性水玻璃。工業(yè)上m可為1.5~4,常見m=2.6~2.8,鉆井常見低m的水玻璃。其濃度用波美度表示:波美度=145-作用:a.PH<9時(shí),作泥漿的結(jié)構(gòu)形成劑,用于配制凍膠泥漿堵漏。因PH<9時(shí),水玻璃發(fā)生縮合反應(yīng)使Si-O-Si鏈增長并帶支鏈,它與粘土吸附后能形成網(wǎng)狀包圍住泥漿中的全部水,從而形成流不動(dòng)的凍膠泥漿。而形成凍膠的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)PH值,故可利用這一特點(diǎn)將水玻璃泥漿打入所需的堵漏井段進(jìn)行膠凝堵漏;b.水玻璃泥漿可抑制頁巖水化膨脹,防塌性好,并可用于高壓鹽水層鉆進(jìn)(PH>9);