PAGE83-鉆井泥漿第一節(jié)鉆井泥漿的分類與造漿粘土

第一單元鉆井泥漿的分類按適用條件，可以把泥漿分為：①用于沙層、礫卵石層、破碎帶等機(jī)械性分散等地層的泥漿，簡(jiǎn)稱松散層泥漿；②用于土層、泥巖、頁巖等水敏性地層的抑制性泥漿，簡(jiǎn)稱水敏抑制性泥漿；③用于巖鹽、鉀鹽、天然堿等水溶性地層的泥漿，簡(jiǎn)稱水溶抑制性泥漿；④用于較為穩(wěn)定、漏失較小的硬巖鉆進(jìn)的泥漿，簡(jiǎn)稱硬巖鉆進(jìn)泥漿；⑤用于異常低壓或異常高壓地層的低比重泥漿或加重泥漿；⑥用于超深井、地?zé)峋雀邷貤l件下的抗高溫泥漿。

配制泥漿用的基本液體是水或油。若粘土在水中分散形成的泥漿即以水為連續(xù)相的泥漿稱為水基泥漿；若粘土在油中分散形成的泥漿即以油為連續(xù)相的泥漿稱為油基泥漿。大部分鉆井場(chǎng)合下，使用成本較低，配制方便的水基泥漿。油基泥漿在一些特定情況下使用，它又分為油包水乳化泥漿和油基泥漿兩種類型，前者油水比在50～80和50～20之間，后者含水量不超過5%。

從粘土在泥漿中的分散程度來看，又可將水基泥漿劃分為細(xì)分散淡水泥漿、粗分散抑制性泥漿和不分散低固相泥漿。

細(xì)分散淡水泥漿是靠粘土在水中高度分散得到，是泥漿的早期類型。泥漿中的含鹽量小于1%，含鈣量小于120PPM，不含抑制性高聚物。其組成除粘土、碳酸鈉和水外，為了滿足鉆井需要，往往還加有降失水劑和防絮凝劑（稀釋劑）。依所加處理劑的不同，可有鐵鉻鹽泥漿、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿和腐植酸泥漿等。雖然這類泥漿在穩(wěn)定性、流動(dòng)性和對(duì)地層抑制性方面存在明顯缺陷，但在一些以提高泥漿粘性為主的鉆井場(chǎng)合還常使用。

粗分散抑制性泥漿是在細(xì)分散泥漿的基礎(chǔ)上，加入無機(jī)聚結(jié)劑，使粘土顆粒適度變粗，同時(shí)加入有機(jī)護(hù)膠處理劑而形成。它對(duì)井壁巖土的分散有抑制作用，自身抗侵能力強(qiáng)而且性能穩(wěn)定、流動(dòng)性好鉆進(jìn)效率高，在鉆井工程中得到廣泛的應(yīng)用。這類泥漿的含鹽或含鈣量較高，具體又分為鈣處理泥漿（含鈣量大于120MG/L，如石灰泥漿、石膏泥漿、氯化鈣泥漿），鹽水泥漿（含鹽量大于1%，如鹽水泥漿、海水泥漿、飽和鹽水泥漿）和鉀基泥漿（KCl含量大于1%）。

不分散低固相泥漿是較新型的泥漿體系。低固相是指泥漿體系中的固相含量（造漿粘土和鉆碴等所有固相）按體積計(jì)不超過4%，由此使得機(jī)械鉆速提高，尤其是在硬巖鉆進(jìn)中效果更為明顯；所謂不分散，有3層含義：①粘土顆粒因高聚物存在而變得較粗；②對(duì)進(jìn)入泥漿體系的巖屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴凈化泥漿；③對(duì)井壁不起分散作用而起抑制保護(hù)作用。目前，這種泥漿已成為我國鉆井部門使用的主要泥漿類型。

國內(nèi)外也有直接用泥漿的主要處理劑成分、關(guān)鍵特性或特殊用途等來命名分類的，如：腐植酸類泥漿、聚合物泥漿、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿、抑制性泥漿、充氣泡沫泥漿、非水基泥漿、飽和鹽水泥漿、混油潤滑泥漿、地?zé)峋蜕罹酀{、石油天然氣完井泥漿、小口徑金剛石鉆進(jìn)泥漿、基樁鉆孔循環(huán)泥漿、地下墻槽壁穩(wěn)定泥漿等第二單元土的組成土主要由粘土礦物組成，另外還可能含有非粘土礦物和其他雜質(zhì)。

土中的非粘土礦物主要有長石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黃鐵礦、沸石等。這些非粘土礦物的含量不一，它們是泥漿中含砂量的主要來源，對(duì)泥漿性能起負(fù)面影響，因此，這些物質(zhì)的含量越少越好。

土中的雜質(zhì)主要是有機(jī)物和可溶性鹽。有機(jī)物為植物的莖、根、葉及其他腐植質(zhì)等。可溶性鹽為鈣、鎂、鈉、鉀的碳酸鹽，硫酸鹽，氯化物和硝酸鹽等。這些物質(zhì)明顯影響泥漿的純度和性能。

粘土礦物分為4個(gè)族類，它們均屬于含水鋁硅酸鹽，并有一定量的金屬氧化物。典型粘土礦物的化學(xué)組成含量如表4-1所示。

（1）高嶺石族代表性礦物為高嶺石，其他礦物包括埃洛石、地開石、珍珠陶土等，含高嶺石礦物為主的粘土稱為高嶺土。

（2）蒙脫石族代表性礦物為蒙脫石，其他礦物包括綠脫石、拜來石、皂石等，含蒙脫石礦物為主的粘土稱為膨潤土或蒙脫土。

（3）水云母族代表性礦物為伊利石（伊利水云母），其他礦物包括絹云母、水白云母等，含伊利石礦物為主的粘土稱為伊利土或水云母土。

（4）海泡石族代表性礦物為海泡石，其他礦物包括凹凸棒石、坡縷縞石等，相應(yīng)的粘土分別稱為海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡縷縞石粘土。典型粘土礦物的化學(xué)組成含量表表11-1粘土礦物各種化學(xué)成分的含量（%）名稱產(chǎn)地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OH2O高嶺石江西浮梁高嶺45.5837.22-0.460.070.451.7013.39江蘇蘇州陽山47.0038.040.510.160.22--13.53蒙脫石

膨潤土遼寧黑山68.7420.000.702.932.17-0.206.80浙江臨安71.2914.171.751.622.221.921.784.24美國懷俄明55.4420.143.670.502.492.760.6014.70山東灘縣71.3415.141.972.433.420.310.435.06新疆夏子街63.7016.435.450.282.242.571.945.57伊利石

水云母52.2225.914.590.162.840.176.097.14湖南澧縣64.260.52--8.27凹凸棒石美國喬治亞53.648.763.362.029.05-0.7520.00江蘇盱眙55.358.435.060.159.730.181.8517.14海泡石江西樂平61.300.570.730.1529.700南澳大利亞52.437.052.24-15.08--19.93從上表中可以大致看出4類粘土礦物在化學(xué)組分上的特點(diǎn)和差別：高嶺石的三氧化鋁（Al2O3）含量較高，蒙脫石的二氧化硅（SiO2）含量較高，伊利石的鉀離子含量較高，而海泡石族的H2O含量較高。另外，三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鎂（MgO）、氧化鈣（CaO）等的含量也各有不同。依據(jù)化學(xué)成分的含量，可以初步確定粘土的種類。

為什么4類粘土礦物在化學(xué)組分上有明顯差別？不同粘土礦物在造漿性能上的差別又怎樣？這就需要從粘土礦物本身的構(gòu)造特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行深入分析。第三單元粘土礦物的構(gòu)造特點(diǎn)分析一個(gè)粘土顆粒是由許多層粘土礦物晶胞（片）堆疊形成，而粘土礦物晶胞又是由晶胞的最小構(gòu)造單元組成。不同種類的粘土礦物，它們的最小構(gòu)造單元都是一樣的。但是，基本構(gòu)造單元之間的連接方式和晶胞結(jié)合形式不同，因而形成不同粘土礦物各自的特點(diǎn)。

粘土礦物的基本構(gòu)造單位是硅氧四面體和鋁氧八面體。

硅氧四面體的結(jié)構(gòu)如圖11-1所示，每個(gè)四面體的中心是一個(gè)硅原子，它與四個(gè)氧原子以相等的距離相連，四個(gè)氧原子分別在四面體的四個(gè)頂角上。從單獨(dú)的四面體看，4個(gè)氧還有4個(gè)剩余的負(fù)電荷，因此各個(gè)氧還能和另一個(gè)鄰近的硅離子相結(jié)合。依此，四面體在平面上相互連接，形成四面體層。

鋁氧八面體的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示，每個(gè)八面體的中心是一個(gè)鋁原子，它與三個(gè)氧原子和三個(gè)氫氧原子以等距離相連。三個(gè)氧原子和三個(gè)氫氧原子分別在八面體的六個(gè)頂角上。由于還有剩余電荷，氧原子還能和另一個(gè)臨近的鋁離子相結(jié)合。依此，八面體在平面上相互聯(lián)結(jié)，形成八面體層。硅氧四面體層和鋁氧八面體層是不同粘土礦物所共同具有的基本晶層。但是，這兩種基本晶層在不同粘土礦物中的結(jié)合方式是不同的，因而主要導(dǎo)致了不同粘土礦物在造漿等性能上的差異。還有一個(gè)影響粘土礦物造漿等性能的重要因素是同晶置換，它是指在晶格構(gòu)架不變的情況下，四面體中的硅（+4）被低價(jià)離子鋁（+3）或鐵（+3）置換，八面體中的鋁（+3）被低價(jià)離子鎂（+2）等置換。同晶置換導(dǎo)致粘土顆粒帶負(fù)電，而粘土顆粒的負(fù)電性是影響其性能的重要因素。一般情況下，同晶置換是粘土原生條件所決定的，不同粘土礦物的同晶置換程度有著明顯的差異。圖11-1硅氧四面體及其晶層示意圖

a-硅氧四面體；

b-硅氧四面體六角環(huán)片狀結(jié)構(gòu)的平面投影圖11-2鋁氧八面體及其晶層示意

a-硅氧四面體；

b-硅氧四面體六角環(huán)片狀結(jié)構(gòu)的平面投影１．高嶺石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高嶺石的化學(xué)式是Al4[Si4O10][OH]8,晶體構(gòu)造是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成，兩層間由共同的氧原子聯(lián)結(jié)在一起組成晶胞，如圖11-3所示。圖11-3高嶺石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高嶺石礦物，即高嶺石粘土顆粒是由上述晶胞在C軸方向上一層一層重疊，而在A軸和B軸方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成，故稱為1:1型粘土礦物。其相鄰兩晶胞底面的距離為7.2?。另外，其晶體構(gòu)造單位中電荷是平衡的。

高嶺石重疊的晶胞之間是氫氧層與氧層相對(duì)，形成結(jié)合力較強(qiáng)的氫鍵，因而晶胞間聯(lián)結(jié)緊密，不易分散。故高嶺石粘土顆粒一般多為許多晶胞的集合體，與下面分析的蒙脫石相比顆粒較粗，小于2μm的顆粒含量僅占10～40%。

高嶺石礦物晶體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，即晶格內(nèi)部幾乎不存在同晶置換現(xiàn)象，僅有表層OH－的電離和晶體側(cè)面斷鍵才造成少量的電荷不平衡，因而其負(fù)電性較小。由于負(fù)電性很小，致使這種粘土礦物吸附陽離子的能力低，所以水化等"活性"效果差。

由上可知，高嶺石礦物由于晶胞間連接緊密，可交換的陽離子少，故水分子不易進(jìn)入晶胞之間，因而不易膨脹水化，造漿率低，每噸粘土造漿量低于3m3。同時(shí)因可交換的陽離子量少，粘土接受處理的能力差，不易改性或用化學(xué)處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能。因此，高嶺石不是好的造漿粘土。

從鉆井的井壁穩(wěn)定性看，如果鉆進(jìn)遇到高嶺石類粘土或富含高嶺石的泥質(zhì)巖層時(shí)，一般井壁不易膨脹而縮徑，但易產(chǎn)生剝落掉塊。

２．蒙脫石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蒙脫石化學(xué)式是(Al1.67Mg0.33)[Si4O10][OH]2·nH2O。其晶體構(gòu)造是由兩層硅氧四面體中間夾有一層鋁氧八面體組成一個(gè)晶胞，四面體和八面體由共用的氧原子聯(lián)結(jié)（圖11-4）。同樣，在C方向重疊，沿A、B方向延伸。形成蒙脫石粘土顆粒。由于蒙脫石礦物晶胞是由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成，故稱為2:1型粘土礦物。其晶胞底面距為9.6?，吸水后可達(dá)21.4?圖4-4蒙脫石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(圖中右側(cè)數(shù)值是葉蠟石結(jié)構(gòu)中電荷的數(shù)值，不是蒙脫石的數(shù)值)蒙脫石礦物晶體構(gòu)造的特點(diǎn)之一是，重疊的晶胞之間是氧層與氧層相對(duì)，其間的作用力是弱的分子間力。因而晶胞間聯(lián)結(jié)不緊密，易分散微小顆粒，甚至可以分離至一個(gè)晶胞的厚度，一般小于1μm的顆粒達(dá)50%以上。從形狀上看，晶胞片的長度往往為其厚度的幾十倍，是薄片狀的顆粒。

蒙脫石礦物晶體構(gòu)造的另一特點(diǎn)是同晶置換現(xiàn)象很多，即鋁氧八面體中的鋁被鎂、鐵、鋅等所置換，置換量可達(dá)20～35%。硅氧四面體中的硅也可被鋁所置換，置換量較小，一般小于5%。因此，蒙脫石晶胞帶較多的負(fù)電荷，其陽離子交換容量大，可達(dá)80～150meq/ml。

由上可以分析出，蒙脫石粘土由于晶胞間聯(lián)系不緊密，可交換的陽離子數(shù)目多，故水分子易進(jìn)入晶胞之間，粘土易水化膨脹，分散性好，造漿率高，每噸粘土可達(dá)12-16m3左右。同時(shí)，因可以吸引較多的陽離子，故"活性"大，接受處理的能力強(qiáng)，易改性或用化學(xué)處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能，是優(yōu)質(zhì)的造漿粘土礦物。

從鉆井的井壁穩(wěn)定性看，如果鉆進(jìn)中遇到蒙脫石類粘土或富含蒙脫石的泥質(zhì)巖層時(shí)，易產(chǎn)生膨脹縮徑甚至孔壁流散等孔內(nèi)復(fù)雜情況。

３．伊利石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

伊利石又稱伊利水云母，其化學(xué)式是K<1(Al,Fe,Mg)2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O。伊利石的結(jié)構(gòu)總體上與蒙脫石相似，即也是由兩層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體組成晶胞，故也是2:1型粘土礦物。不同之處是伊利石兩晶胞之間存在較多的鉀離子（K+）圖。因而使其性能與蒙脫石有較大差別。

伊利石晶胞之間鉀離子的直徑為2.66?，與硅氧四面體六角環(huán)的空穴內(nèi)徑相當(dāng)，故鉀離子進(jìn)入空穴后不易出來，它的嵌合作用使上下兩層晶胞聯(lián)結(jié)得很緊，水分子也難以進(jìn)入其中。因此這種粘土不易分散。

伊利石晶格內(nèi)部也有同晶置換現(xiàn)象，如硅氧四面體中有1/6的硅（Si）可被鋁（Al）置換，使晶胞呈現(xiàn)負(fù)電性，因而有一定的離子交換能力。但它吸附鉀離子后，由于鉀離子不易電離出去，使其失去"活性"，交換能力降低。

上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的制約，使伊利石的造漿能力低，且難以改性和用化學(xué)處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能。在鉆進(jìn)中鉆到伊利石粘土或富含伊利石的泥質(zhì)巖層時(shí)，不易膨脹縮徑，但有剝落掉塊的可能。

４．海泡石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

海泡石族粘土礦物的化學(xué)式是：Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4·8H2O，為含水鎂鋁硅酸鹽。它也是2:1型粘土礦物，但顆粒的片狀程度沒有蒙脫石那么明顯，而是呈棒狀，從微觀結(jié)構(gòu)看屬于雙鏈狀構(gòu)造。在常規(guī)條件下，海泡石的造漿性能不如蒙脫石，但由于具有特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，使其在高溫下體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

首先，在海泡石中，硅氧四面體所組成的六角環(huán)都依上下相反的方向?qū)α校嗷ラg被其他的八面體所連接，因而晶體構(gòu)造中有一系列的晶道，具有極大的內(nèi)部表面，水分子可以進(jìn)入內(nèi)部孔道；其次，海泡石中的鎂離子含量高，而鎂離子又能束縛眾多的結(jié)晶水。因此，由于水的散熱效應(yīng)等，使海泡石具有較高的熱穩(wěn)定性，能耐260 四種粘土礦物的性能比較表表11-2礦物名稱化學(xué)成分晶胞結(jié)構(gòu)類型晶層排列晶胞間引力晶胞間距陽離子交換容量比重造漿性能高嶺石Al4[Si4O10][OH]81:1OH層與O層相對(duì)有氫鍵引力強(qiáng)7.23~52.58~2.67不易分散蒙脫石(Al1.67Mg0.33)[Si4O10]

[OH]2·nH2O2:1O層與O層相對(duì)分子間力弱9.6~21.480~1502.35~2.74易分散造漿率高伊利石K<1(Al,Fe,Mg)2

[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O2:1OH層與O層相對(duì)，層間有K+引力較強(qiáng)10.010~402.65~2.69不易分散海泡石Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4

·8H2O2:1雙鏈狀

結(jié)構(gòu)-12.920~30-耐高溫

抗鹽綜合表中的結(jié)果，蒙脫石是最好的泥漿配制材料；海泡石族在常溫等一般條件下造漿性能比蒙脫石差，但在耐高溫、抗鹽侵方面具有較好穩(wěn)定性；高嶺石與伊利石的造漿性能差。第四單元造漿粘土的選用與質(zhì)量評(píng)價(jià)粘土在工業(yè)和民用上有許多用途，如鑄造中的造砂型、冶金中的團(tuán)礦等都需要一定質(zhì)量的粘土。鉆井泥漿是粘土在水中的分散體系，從鉆井工程的工藝要求出發(fā)，需要采用較為優(yōu)質(zhì)的膨潤土造漿，即需要選用以含蒙脫石為主的鈉膨潤土為造漿材料。

國內(nèi)外富含蒙脫石的大型優(yōu)質(zhì)膨潤土礦有不少，如我國的新疆夏子街、山東高陽、遼寧黑山、浙江余杭，美國的懷俄明以及南澳大利亞等地都有高純度的大型膨潤土礦床。泥漿公司和粘土粉生產(chǎn)廠家從這些地方采取粘土礦原料，做適當(dāng)?shù)募庸?，形成造漿粘土的正規(guī)產(chǎn)品。

自然界中的粘土廣泛存在。許多情況下，鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)及其附近就有或多或少含蒙脫石的粘土。如果鉆井對(duì)泥漿性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥漿，并通過添加處理劑來改善泥漿性能。當(dāng)然，一些蒙脫石含量很少或雜質(zhì)很多的劣質(zhì)土是不可取的，因?yàn)檫@些土難以造漿。

如果鉆井通過的地層本身就富含造漿粘土，那么就可以利用"地層造漿"，即先用一定量的清水作為鉆井液，清水在井內(nèi)自動(dòng)水化分散被鉆頭破碎下來的粘土形成泥漿，直接循環(huán)使用。

無論是就地取土、地層造漿還是購買正規(guī)粘土粉產(chǎn)品，都存在判別粘土是否適于造漿或檢驗(yàn)粘土造漿質(zhì)量的問題。對(duì)此，應(yīng)該采用科學(xué)的鑒定和評(píng)價(jià)。

（一）粘土礦物的鑒定

粘土礦物的鑒定是確定粘土礦物的種類，檢查其是否屬于以蒙脫石為主的膨潤土。由于粘土礦物的粒級(jí)一般在幾微米以下，因此鑒定的方法主要有兩大類型：

（1）礦物鑒定方法：差熱分析和失重分析法、X衍射法、紅外光譜法、化學(xué)分析法、電子掃描顯微鏡法；

（2）物化性能測(cè)定法：吸蘭量試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)、膠質(zhì)價(jià)試驗(yàn)、pH值試驗(yàn)、陽離子交換容量測(cè)定。

這些方法屬于化學(xué)分析和儀器分析范圍，它們的工作原理和操作規(guī)范可參閱相關(guān)專業(yè)書籍。以差熱分析方法為例。粘土礦物在加熱時(shí)會(huì)失去水分，質(zhì)量減輕。一般粘土礦物中含有三種水：自由水、吸附水和晶格水(粘土礦物結(jié)晶構(gòu)造中的一部分水，一般溫度升高到300℃圖11-5三種粘土礦物的差熱曲線高嶺石在400～500℃開始失去結(jié)晶水，表現(xiàn)強(qiáng)烈、尖銳的吸熱谷，這時(shí)，高嶺石結(jié)構(gòu)破壞形成非結(jié)晶質(zhì)的偏高嶺石。950～1050℃時(shí)有一放熱峰，這是由于偏高嶺石重結(jié)晶所產(chǎn)生的。

伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈寬緩的吸熱谷。550～650℃排出結(jié)晶水呈現(xiàn)較寬的吸熱谷。850～950℃繼續(xù)排出結(jié)晶水，晶格破壞，有一較弱的吸熱線。900～1000℃有一明顯的放熱峰。

蒙脫石友三個(gè)特征吸熱谷和一個(gè)放熱峰；第一吸熱谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反應(yīng)，因相對(duì)濕度和層間可交換性陽離子不同，可表現(xiàn)為單股、雙谷或三谷。550～750℃為第二吸熱谷，是排出結(jié)晶水的反應(yīng)，平緩且寬。900～1000℃出現(xiàn)第三吸熱谷，晶體結(jié)構(gòu)破壞，緊接者出現(xiàn)一個(gè)放熱峰，表是礦物重結(jié)晶形成尖晶石和石英等。

（二）造漿粘土的評(píng)價(jià)

綜合國內(nèi)外對(duì)膨潤土的研究成果，評(píng)價(jià)造漿膨潤土優(yōu)劣的測(cè)試項(xiàng)目包括：（1）蒙脫石含量；（2）膠質(zhì)價(jià)和膨脹倍數(shù)；（3）陽離子交換容量、鹽基總量和鹽基分量；（4）可溶性鹽含量；（5）造漿率；（6）流變特性和失水特性。

對(duì)造漿粘土的評(píng)價(jià)方法之一是按照造漿性能要求確定粘土的造漿率。所謂造漿率是指：配得表觀粘度為15×10-3Pa·s的泥漿時(shí)，每噸粘土造漿的立方數(shù)，計(jì)量單位為m3/t。它直接表示泥漿造漿效率的高低，

以此評(píng)價(jià)泥漿的宏觀性能。造漿率的具體測(cè)定規(guī)范是：在定量的蒸餾水中加入定量的膨潤土粉，經(jīng)攪拌后密封靜止24小時(shí)，使之充分預(yù)水化，然后攪拌，用直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)600轉(zhuǎn)時(shí)的讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)為30即對(duì)應(yīng)表觀粘度15╳10-3Pa·s時(shí)，依加土量計(jì)算造漿率：(11-1)式中：B--造漿率，m3/t；Vw--水的體積，ml；Ws--土的重量，g；Ms--土的比重，g/cm3。

顯然，一次性定量配出的被測(cè)泥漿不可能正好為ηA=15╳10-3Pa·s，因此應(yīng)該預(yù)估水、土加量范圍，配制2～3種不同水、土比的泥漿，分別測(cè)定它們的ηA值，然后用兩點(diǎn)或三點(diǎn)連線法插值或順延出造漿率值。

測(cè)定造漿率之前，對(duì)被測(cè)粘土的加工處理應(yīng)該按照統(tǒng)一要求進(jìn)行，使粘土的細(xì)度、水分含量、含砂量等指標(biāo)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍，以保證造漿率測(cè)定的準(zhǔn)確性。

應(yīng)該指出，表觀粘度雖然比較重要地反映了泥漿的性能，但是并不能唯一表明泥漿性能，更嚴(yán)格的造漿率指標(biāo)還應(yīng)該結(jié)合泥漿的失水量、屈服值、塑性粘度等指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。國外造漿用商品膨潤土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，主要是API標(biāo)準(zhǔn)即美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，此外，還有原來的OCMA（石油公司材料協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)、日本的JBAS標(biāo)準(zhǔn)和前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)等（見表11-3）。我國目前采用國際上通用的API標(biāo)準(zhǔn)作為商品膨潤土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。若將表觀粘度與失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等結(jié)合起來衡量，能更加符合鉆井實(shí)際來準(zhǔn)確地反映膨潤土的本質(zhì)特征。粘土造漿率質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)表表11-3訂制者質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)被測(cè)土的技術(shù)要求泥漿達(dá)到的性能指標(biāo)造漿率(m3/t)水分含量(%)200目篩余量(%)API失水(%)屈服值(0.478Pa)漏斗粘度(s)API標(biāo)準(zhǔn)<10<4<13.53×ηp->16OCMA標(biāo)準(zhǔn)<15<2.5<15-->16JBAS標(biāo)準(zhǔn)<10<4<153×ηp->16前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)6~10含砂量<6--2515注：ηp為泥漿的塑性粘度第二節(jié)粘土水化分散與泥漿體系穩(wěn)定原理

第一單元土的水化分散粘土的水化是指粘土顆粒吸附水分子，粘土顆粒表面形成水化膜，粘土晶格層面間的距離增大，產(chǎn)生膨脹以至分散的過程。粘土水化的結(jié)果即形成泥漿。粘土的水化效果對(duì)粘土的造漿性能和土質(zhì)地層孔壁的穩(wěn)定有重大影響。

（一）粘土水化的原因

粘土顆粒與水或含電解質(zhì)、有機(jī)處理劑的水溶液接觸時(shí)，粘土便產(chǎn)生水化膨脹，引起粘土水化膨脹的原因有：

1.粘土表面直接吸附水分子

粘土顆粒與水接觸時(shí)，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土顆粒表面有表面能，依熱力學(xué)原理粘土顆粒必然要吸附水分子和有機(jī)處理劑分子到自己的表面上來，以最大限度地降低其自由表面能；（2）粘土顆粒因晶格置換等而帶負(fù)電荷，水是極性分子，在靜電引力的作用下，水分子會(huì)定向地濃集在粘土顆粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氫氧層，均可以與水分子形成氫鍵而吸附水分子。

2.粘土吸附的陽離子的水化

粘土表面的擴(kuò)散雙電層中，緊密地束縛著許多陽離子，由于這些陽離子的水化而使粘土顆粒四周帶來厚的水化膜。這是粘土顆粒通過吸附陽離子而間接地吸附水分子而水化。

（二）影響粘土水化的因素

1.粘土礦物本身的特性

粘土礦物因其晶格構(gòu)造不同，水化膨脹能力也有很大差別。蒙脫石粘土礦物，其晶胞兩面都是氧層，層間聯(lián)結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進(jìn)入晶層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨脹。伊利石粘土礦物其晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石礦物相同，但因?qū)娱g有水化能力小的K+存在，K+鑲嵌在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊，故水不易進(jìn)入層間，粘土不易水化膨脹。高嶺石粘土礦物，因?qū)娱g易形成氫鍵，晶胞間聯(lián)結(jié)緊密，水分子不易進(jìn)入，故膨脹性小。同時(shí)伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無晶格置換現(xiàn)象，陽離子交換容量低，也使粘土的水化膨脹差。

2.交換性陽離子的種類

粘土吸附的交換性陽離子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨脹程度也有差別。例如交換性陽離子為Na+的鈉蒙脫石，水化時(shí)晶胞間距可達(dá)40?，而交換性陽離子為Ca2+的鈣蒙脫石，水化時(shí)晶胞間距只有17?。

3.水溶液中電解質(zhì)的濃度和有機(jī)處理劑含量

水溶液中電解質(zhì)濃度增加，因離子水化與粘土水化爭(zhēng)奪水分子，使粘土直連吸附水分子的能力降低。其次陽離子數(shù)目增多，擠壓擴(kuò)散層，使粘土的水化膜減薄?？偲饋硎鞘拐惩恋乃蛎涀饔脺p弱。鹽水泥漿和鈣處理泥漿對(duì)孔壁的抑制作用就是依據(jù)這個(gè)原理。

（三）粘土水化膨脹的過程

粘土的水化膨脹過程經(jīng)歷兩個(gè)階段，即：表面水化膨脹和滲透水化膨脹兩個(gè)階段。

1.由表面水化引起的膨脹

這是短距離范圍內(nèi)的粘土與水的相互作用，這個(gè)作用進(jìn)行到粘土層間有四個(gè)水分子層的厚度，其厚度約為10?。在粘土的層面上，此時(shí)作用的力有層間分子的范德華引力、層面帶負(fù)電和層間陽離子之間的靜電引力、水分子與層面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。此三種力的凈能量在第一層水分子進(jìn)入時(shí)的膨脹力達(dá)到幾千大氣壓（H.Van奧爾芬指出，欲將最后幾個(gè)分子層的吸附水從粘土表面擠走，需要2000～4000×0.101325MPa的壓力）。

2.由滲透水化引起的膨脹

當(dāng)粘土層面間的距離超過10?時(shí)，表面吸附能量已經(jīng)不是主要的了，此后粘土的繼續(xù)膨脹是由滲透壓力和雙電層斥力所引起的。隨著水分子進(jìn)入粘土晶層間，粘土表面吸附的陽離子便水化而擴(kuò)散到水中，形成擴(kuò)散雙電層，由此，層間的雙電層斥力便逐漸起主導(dǎo)作用而引起粘土層間距進(jìn)一步擴(kuò)大。其次粘土層間吸附有眾多的陽離子，層間的離子濃度遠(yuǎn)大于溶液內(nèi)部的濃度。由于濃度差的存在，粘土層可看成是一個(gè)滲透膜，在滲透壓力作用下水分子便繼續(xù)進(jìn)入粘土層間，引起粘土的進(jìn)一步膨脹。由滲透水化而引起的膜膨可使粘土層間距達(dá)到120?。增加溶液的含鹽量，由于濃度差減小，粘土膨脹的層間距便縮小，這也是用鹽水泥漿抑制孔壁膨脹的原理。

粘土水化膨脹達(dá)到平衡距離（層間距大約為120?）的情況下，在剪切力作用下晶胞便分離，粘土分散在水中，形成粘土懸浮液。第二單元粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層圖11-6粘土表面的擴(kuò)散雙電層為了更加深入地揭示粘土水化、分散、造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的基本膠體化學(xué)原理，引入擴(kuò)散雙電層理論對(duì)粘土-水界面的行為機(jī)理進(jìn)行分析。

（一）雙電層成因與結(jié)構(gòu)

由于粘土顆粒在堿性水溶液中帶負(fù)電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷），必然要吸附與粘土顆粒帶電符號(hào)相反的離子--陽離子到粘土顆粒表面附近（界面上的濃集），形成粘土顆粒表面的一層負(fù)電荷與反離子的正電荷相對(duì)應(yīng)的電層，以保持電的中性（平衡）。粘土顆粒吸附陽離子使陽離子在粘土顆粒表面濃集的同時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又引起陽離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，粘土顆粒對(duì)陽離子的吸附及陽離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩者共同作用的結(jié)果，在粘土顆粒與水的界面周圍陽離子呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，即形成擴(kuò)散雙電層。更值得指出的現(xiàn)象是，這種擴(kuò)散層本質(zhì)性地分成兩部分-吸附層與擴(kuò)散層，其結(jié)構(gòu)如圖11-6所示。1.吸附層

吸附層是指靠近粘土顆粒表面較近的一薄層水化陽離子，其厚度一般只有幾個(gè)?。這一薄層水化陽離子，由于與粘土顆粒表面距離近，陽離子的密度大，靜電吸引力強(qiáng)，被吸附的陽離子與粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)難以分離。

2.擴(kuò)散層

擴(kuò)散層是吸附層外圍起直到溶液濃度均勻處為止（離子濃度差為零）由水化陽離子及陰離子組成的較厚的離子層。這部分陽離子由于本身的熱運(yùn)動(dòng)，自吸附層外圍開始向濃度較低處擴(kuò)散，因而與粘土顆粒表面的距離較遠(yuǎn)，靜電引力逐漸減弱（呈二次方關(guān)系減弱），在給泥漿體系接入直流電源時(shí)，這層水化離子能與粘土顆粒一起向電源正極運(yùn)動(dòng)而相反向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散層中陽離子分布是不均勻的，靠近吸附層多，而遠(yuǎn)離吸附層則逐漸減少，擴(kuò)散層的厚度，依陽離子的種類和濃度的不同，約為10～00?。3.滑動(dòng)面它是吸附層和擴(kuò)散層之間的一個(gè)滑動(dòng)面。這是由于吸附層中的陽離子與粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散層中的陽離子則有一滯后現(xiàn)象而呈現(xiàn)的滑動(dòng)面。4.熱力電位E它是粘土顆粒表面與水溶液中離子濃度均勻處之間的電位差。熱力電位的高低，取決于粘土顆粒所帶的負(fù)電量。熱力電位愈高，表示粘土顆粒表面帶的負(fù)電量愈多，能吸附的陽離子數(shù)目也愈多。5.電動(dòng)電位ζ它是滑動(dòng)面處與水溶液離子濃度均勻處的電位差。電動(dòng)電位取決于粘土顆粒表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽離子正電量的差值。電動(dòng)電位愈高，表示在擴(kuò)散層中被吸附的陽離子愈多，擴(kuò)散層愈厚。（二）影響電動(dòng)電位的因素電動(dòng)電位的大小受以下幾方面因素的影響：

1.陽離子的種類

陽離子的種類決定了陽離子電價(jià)的高低和陽離子的水化能力。當(dāng)粘土顆粒吸附高價(jià)陽離子時(shí)，由于一個(gè)離子帶的電荷多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時(shí)，吸附層中被陽離子中和的電量多，于是電動(dòng)電位低，擴(kuò)散層中的陽離子數(shù)目少，擴(kuò)散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。若粘土顆粒吸附的是低價(jià)陽離子，吸附層中被陽離子中和的電量少，電動(dòng)電位高，擴(kuò)散層中的陽離子數(shù)目多，擴(kuò)散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。例如，鈣膨潤土用碳酸鈉處理，Na+取代Ca2+，因Na+為一價(jià)離子，且水化能力強(qiáng)，粘土顆粒周圍的擴(kuò)散層以及水化膜厚，泥漿趨于分散穩(wěn)定。相反，配制好的泥漿使用時(shí)受鈣侵，Ca2+取代粘土表面吸附的Na+，由于Ca2+是二價(jià)離子，水化能力弱，因而粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去穩(wěn)定性。

2.陽離子濃度

陽離子（例如Na+）雖水化能力強(qiáng)，粘土顆粒水化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但Na+濃度有一合適的范圍，若Na+濃度過大，同樣會(huì)使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。這是因?yàn)椋海?）陽離子濃度大，陽離子擠入吸附層的機(jī)會(huì)增大，結(jié)果使電動(dòng)電位降低，擴(kuò)散層以及水化膜變薄（即所謂擠壓雙電層），分散體系由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)；（2）陽離子濃度大，陽離子數(shù)目多，陽離子本身水化不好，同時(shí)陽離子水化而奪去粘土直接吸附的水分子，因而使粘土顆粒周圍的水化膜變薄，分散體系由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。泥漿使用時(shí)受鹽（NaCl）侵，是由于Na+過多，起了壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失去穩(wěn)定性。又如鈣膨潤土用純堿改性處理時(shí)，碳酸鈉存在有最佳加量，加量過大則起反作用，造漿量降低，泥漿性能變壞。

此外，泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影響，如鈣膨潤土改性而加入鈉鹽，加入Na2CO3而粘土顆粒分散，若加入NaCl，則粘土顆粒聚結(jié)。故泥漿處理加入無機(jī)鹽時(shí)，必須考慮陰離子的影響。

（三）雙電層理論對(duì)粘土水化的應(yīng)用分析

由于吸附的陽離子水化，使粘土顆粒周圍形成水化膜。電動(dòng)電位愈高，擴(kuò)散層愈厚，粘土顆粒周圍的水化膜也愈厚，阻隔作用的增強(qiáng)使粘土顆粒在運(yùn)動(dòng)時(shí)愈不易因碰撞而粘結(jié)，粘土顆粒的水化分散效果便愈穩(wěn)定；電動(dòng)電位愈高，粘土顆粒之間的斥力愈大，分散性就愈強(qiáng)。因此，粘土顆粒表面帶電量一定時(shí)，粘土顆粒在懸浮液中的水化分散穩(wěn)定性主要取決于電動(dòng)電位的高低。雙電層理論的這一重要結(jié)論對(duì)鉆井而言，具有兩個(gè)方面的實(shí)際應(yīng)用意義。

(1)．雙電層理論對(duì)鉆井泥漿應(yīng)用的指導(dǎo)意義在于：①原生膨潤土礦多為鈣膨潤土，造漿時(shí)加入一價(jià)鈉鹽，提供Na+，因離子交換吸附，擴(kuò)散雙電層中陽離子由Ca2+轉(zhuǎn)為Na+，ζ電位升高，擴(kuò)散層增厚，粘土分散，泥漿穩(wěn)定。②泥漿受鈣侵時(shí)，Ca2+的濃度增大，擴(kuò)散雙電層中Na+轉(zhuǎn)為Ca2+，ζ電位下降，擴(kuò)散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥漿失去穩(wěn)定性。③為處理泥漿而加入低價(jià)陽離子電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加量，過量會(huì)起壓縮擴(kuò)散層的副作用，同時(shí)必須考慮陰離子的影響。④可以通過加入低價(jià)或高價(jià)陽離子無機(jī)處理劑來調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)，用以配制不同種類（分散的或適度聚結(jié)的）的泥漿。

(2)．從井壁穩(wěn)定的角度來看，雙電層理論也有重要的指導(dǎo)意義：若所鉆地層的膨潤土含量較高，在外界陽離子的作用下，ζ電位升高，水化分散性增強(qiáng)，易使井壁水化分散，給鉆井工作帶來井眼縮徑、垮塌等不利影響。因此，在石油天然氣鉆井、基礎(chǔ)工程鉆掘及其他遇到泥巖、頁巖、粘土等地層鉆進(jìn)時(shí)，采取壓縮雙電層，降低ζ電位的措施，能使井壁、槽壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（四）正電荷擴(kuò)散雙電層

在酸性和中性的粘土懸浮液中，粘土片端部的Al-OH和Si-O鍵的OH－和O2-，因電離或斷鍵而離去，于是粘土顆粒的端部便帶正電荷，形成帶正電荷的擴(kuò)散雙電層。因?yàn)檎姾膳c粘土層面所帶的負(fù)電荷相比是較少的，故就整個(gè)粘土顆粒而言，所帶的凈電荷是負(fù)的。

粘土顆粒表面所帶電荷的性質(zhì)與溶液pH值有關(guān)。當(dāng)pH值由酸性轉(zhuǎn)為堿性且pH值不斷升高時(shí)，帶正電荷的端部也可轉(zhuǎn)為帶負(fù)電荷；而當(dāng)pH值降低，溶液的酸性增大時(shí)，粘土顆粒層面帶的負(fù)電荷也可轉(zhuǎn)為帶正電荷。因此，為使粘土顆粒帶穩(wěn)定的負(fù)電荷，形成穩(wěn)定的帶負(fù)電荷擴(kuò)散雙電層，必須使粘土懸浮液處于堿性狀態(tài)，即pH值必須大于7，一般要求為8.0～9.0，有時(shí)要求pH值高達(dá)9～10以上。第三單元粘土在水中的分散狀態(tài)制備泥漿用的粘土，可能是優(yōu)質(zhì)膨潤土，即以蒙脫石為主的粘土；也可能是混合型普通粘土，并且泥漿中還加有不同種類、不同數(shù)量的處理劑，因而粘土-水分散體系中粘土顆粒呈不同的形態(tài)存在?？偟目煞譃榉稚?，絮凝，聚結(jié)三種形態(tài)。因粘土種類不同，表面帶電情況不同，其結(jié)合形式也有所不同，如圖4-7所示。圖11-7粘土在水中的分散狀態(tài)示意圖A-分散不絮凝；B-聚結(jié)，但不絮凝；C-邊－面結(jié)合，仍分散；D-邊-邊結(jié)合絮凝；E-邊-面結(jié)合，聚結(jié)且絮凝；F-邊-邊結(jié)合聚結(jié)且絮凝顆粒之間的聯(lián)結(jié)有三種情形：面-面接觸，邊-面接觸和邊-邊接觸。以蒙脫石為主的膨潤土，粘土含量低時(shí)可呈A的狀態(tài)，隨著土含量的增加向C和E型發(fā)展。而以高嶺石為主的劣土，則從含量低時(shí)的B型向D、F型發(fā)展。鉆進(jìn)時(shí)含有巖屑的實(shí)際井漿，其中固體顆粒的存在狀態(tài)比較復(fù)雜，可能是圖的各種形式的綜合。即同時(shí)存在分散、絮凝或分散、聚結(jié)等形態(tài)。第四單元泥漿的穩(wěn)定性泥漿分散體系中，粘土顆粒的分散和聚結(jié)是泥漿體系內(nèi)部兩種對(duì)立的傾向。由于地球重力場(chǎng)的存在和體系外部環(huán)境的經(jīng)常變化，因而泥漿體系中粘土顆粒的凝聚或聚結(jié)是經(jīng)常的，絕對(duì)的，而分散和穩(wěn)定則是暫時(shí)的、相對(duì)的。研究泥漿分散體系的目的，是在了解泥漿體和紗內(nèi)部穩(wěn)定和聚結(jié)的動(dòng)力過程的基礎(chǔ)上，通過對(duì)泥漿進(jìn)行化學(xué)處理，使分散性差、不穩(wěn)定的泥漿體系轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑿院枚鄬?duì)地較穩(wěn)定的泥漿以滿足鉆井的要求。泥漿分散體系的穩(wěn)定是指它能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞的特性。它包含兩方面的含意，即沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。泥漿的沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性又稱動(dòng)力穩(wěn)定性，是指在重力作用下泥漿中的固體顆粒是否容易下沉的特性。泥漿中固體顆粒的沉降決定于重力和阻力的關(guān)系。當(dāng)重力和阻力相等時(shí)，顆粒均速下沉。若顆粒為球形，按Stokes定律，沉降速度為：(11-2)式中r--球形顆粒的半徑，cm；ρ，ρ0--顆粒和分散介質(zhì)的比重，g/cm3；η--分散介質(zhì)的粘度，Paos；g--重力加速度，m/s-2。

要滿足上式，必須符合三個(gè)條件：（1）球形顆粒的運(yùn)動(dòng)要十分緩慢，周圍液體呈層流分布；（2）顆粒間距離是無限遠(yuǎn)，即顆粒間無相互作用；（3）液相是連續(xù)介質(zhì)。

由（11-2）式可看出：沉降速度與顆粒半徑的平方，顆粒和介質(zhì)的比重差呈正比，與介質(zhì)粘度呈反比。尤以顆粒的大小對(duì)沉降速度影響最大。

按（11-2）式，當(dāng)顆粒和分散介質(zhì)的比重分別為2.7和1.0，分散介質(zhì)的粘度為1.5×10-3Paos時(shí)，可求出沉降1cm的時(shí)間。

由（11-2）式計(jì)算出，顆粒大于1μm便不能長時(shí)間處于均勻懸浮狀態(tài)。用普通粘土配制的泥漿，其中的粘土顆粒大都在1μm以上，故不加處理劑難以獲得穩(wěn)定的泥漿。因此，要提高泥漿分散體系的沉降穩(wěn)定性，必須縮小粘土顆粒的尺寸，即應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)粘土造漿，以提高其分散度，其次應(yīng)提高液相的比重和粘度。

（二）泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性

泥漿的聚結(jié)穩(wěn)定性是指泥漿中的固相顆粒是否容易自動(dòng)降低其分散度而聚結(jié)變大的特性。泥漿分散體系中的粘土顆粒間同時(shí)存在著相互吸引力和相互排斥力，這兩種相反作用力便決定著泥漿分散體系的聚結(jié)穩(wěn)定性。

泥漿分散體系中粘土顆粒之間的排斥力是由于粘土顆粒都帶有負(fù)電荷，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。具有同種電荷（負(fù)電荷）的粘土顆粒彼此接近或碰撞時(shí)，靜電斥力使兩顆粒不能繼續(xù)靠近而保持分離狀態(tài)。同時(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也是兩顆粒彼此接近或聚結(jié)的阻礙因素。當(dāng)兩顆粒相互靠近時(shí)，必須擠出夾在兩顆粒間的水分子或水化離子，進(jìn)一步靠近時(shí)便要改變雙電層中離子的分布。要產(chǎn)生這些變化就需要做功。這個(gè)功等于指定距離時(shí)的排斥能或排斥勢(shì)能。排斥勢(shì)能（VR）決定于顆粒所帶的電荷，同時(shí)是相互間距離的函數(shù)。它大致是隨著顆粒間距離的增加呈指數(shù)下降，故近似地可寫成：(11-3)式中ε--溶劑的介電常數(shù)；r--球形顆粒的半徑，m；φ0--顆粒表面的電位，V；H0--兩球形顆粒球面最短距離，m；K--離子氛半徑的倒數(shù)，1/K可看作為雙電層厚度的量度，m-1。

泥漿分散體系中粘土顆粒之間的吸引力是范德華引力。范德華引力是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶極力之和。對(duì)兩個(gè)原子來說其大小與兩原子間的距離的7次方呈反比（或?qū)ξ軄碚f是6次方）。但泥漿中的粘土顆粒是由大量分子組成的集合體，它們之間的吸引勢(shì)能大約與顆粒表面間距離的2次方呈反比。若為球形顆粒，體積相等，當(dāng)兩顆粒接近到兩球表面間距離H0比顆粒半徑r小得多時(shí)，則兩顆粒間的吸引勢(shì)能（VA）為：(11-4)式中A--Hamaker常數(shù)，負(fù)號(hào)表示吸引能。

由上看出，排斥能和吸引能都是顆粒間距離的函數(shù)。只是變化規(guī)律不同。若勢(shì)能以距離為函數(shù)作圖，可得勢(shì)能曲線，如圖11-8所示。兩顆粒間的勢(shì)能是排斥勢(shì)能和吸引勢(shì)能之和，即：V=VA+VR(11-5)圖11-8相互吸引位能曲線V(1)和V(2)是相互吸引的位能VA和相斥位能VR(1)和VR(2)之和從圖11-8的勢(shì)能曲線看出，勢(shì)能曲線的形狀決定于VA和VR的相對(duì)大小。V（1）是排斥力大于吸引力的勢(shì)能曲線，這時(shí)顆?？杀３址€(wěn)定而不聚結(jié)。V（2）則表示在任何距離下排斥力都不能克服顆粒之間的引力，因此便會(huì)聚結(jié)而產(chǎn)生沉降。曲線V（1）上有一最高點(diǎn)，叫斥力勢(shì)壘，顆粒的動(dòng)能值只有超過這一點(diǎn)才能引起聚結(jié)，所以勢(shì)壘的高低往往標(biāo)志著分散體系穩(wěn)定性的大小。第三節(jié)泥漿性能及其測(cè)試方法第一單元比重、固相含量與含砂量泥漿的比重是指泥漿的重量與同體積水的重量之比。泥漿比重的大小主要取決于泥漿中固相的重量，而泥漿中固相的重量則是造漿粘土重量和鉆屑重量之和。在有加重劑等其他固相物質(zhì)加入的時(shí)候，加重劑等物質(zhì)的重量也須計(jì)入。

泥漿的固相含量指泥漿中固體顆粒占的重量或體積百分?jǐn)?shù)。泥漿中的固相包括有用固相和無用固相，前者如粘土、重晶石等，后者為鉆屑。泥漿中的固相，按固相比重來劃分，可分為重固相（重晶石比重為4.5，赤鐵礦為6.0，方鉛礦為6.9等）和輕固相（粘土比重一般為2.3～2.6，巖屑比重一般在2.2～2.8之間）。

泥漿的含砂量指泥漿中砂粒占的重量或體積百分?jǐn)?shù)。

采用造漿率高的膨潤土配制泥漿，粘土含量（重量/體積）在4～6%以下便可達(dá)到要求的粘度，此時(shí)泥漿比重在1.03～1.05左右。相反，若用造漿泥漿中的固相含量應(yīng)控制在4%左右（體積含量），此時(shí)泥漿比重在1.05～1.08左右。

泥漿的比重和固相率低的粘土配漿，要達(dá)到同樣的粘度，粘土用量要達(dá)20～30%以上，此時(shí)泥漿比重高達(dá)1.15以上。目前對(duì)優(yōu)質(zhì)輕泥漿，在粘度符合要求時(shí)，含量對(duì)鉆井有重要意義和影響。

1.地層壓力的控制

鉆井中防止漏失，涌水和維持孔壁的穩(wěn)定，重要的一點(diǎn)是要維持鉆孔-地層間的物理力平衡。而孔內(nèi)靜液柱壓力的大小決定于孔內(nèi)液柱的單位重量或比重以及垂直深度，即：Ps=0.1γH(11-6)式中Ps--靜液柱壓力，N；γ--單位體積的重量或比重，Kg/m3；H--液柱垂直高度，m。

若把每單位高度（或深度）增加的壓力值叫壓力梯度。用Gs表示靜液壓力梯度，則：(11-7)圖11-9泥漿固相含量對(duì)鉆速的影響因此靜液柱壓力梯度Gs決定于泥漿的比重，可以調(diào)節(jié)泥漿的比重使Gs與地層壓力梯度Gp相適應(yīng)以求得鉆孔-地層間的物理力的平衡。

2.對(duì)鉆速的影響

近年來進(jìn)行的泥漿比重、固相含量對(duì)鉆速影響的研究得出如下的結(jié)論：

（1）隨著泥漿比重的增加，鉆速下降，特別是泥漿比重大于1.06～1.08時(shí)，鉆速下降尤為明顯。

（2）泥漿的比重相同，固相含量愈高則鉆速愈低。由此泥漿比重相同時(shí)，加重泥漿的鉆速要比普通泥漿高，因?yàn)榧又啬酀{的固相含量低。

（3）泥漿的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，則固相顆粒分散得愈細(xì)的泥漿鉆速愈低。由此，不分散體系的泥漿其鉆速要比分散體系的泥漿高，如圖11-9所示。甚至有些研究者得出小于1μm的顆粒對(duì)鉆速的影響比大于1μm顆粒的影響大12倍。因此，為提高鉆進(jìn)效率，不僅應(yīng)降低泥漿的比重和固相含量，而且應(yīng)降低固相的分散度，即應(yīng)采用不分散低固相泥漿。3.含砂量的影響

泥漿中的無用固相（主要為巖屑）含量會(huì)給鉆進(jìn)造成很大的危害。首先，無用固相含量高，泥漿的流變特性（見下節(jié)）變壞，流態(tài)變差。不僅使孔內(nèi)凈化不好而引起下鉆阻卡，而且可能引起抽吸，壓力激動(dòng)等，造成漏失或井塌。其次，泥漿中無用固相含量高，泥餅質(zhì)量變壞（泥餅疏松，韌性低），泥餅厚。這樣，不僅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脫落造成孔內(nèi)事故。第三，泥漿無用固相含量高，對(duì)管材、鉆頭、水泵缸套、活塞拉桿磨損大，使用壽命短。

因此，在保證地層壓力平衡的前提下，應(yīng)盡量降低泥漿比重和固相含量，特別是無用固相的含量。測(cè)量泥漿比重的儀器目前用得最多的是比重秤（其結(jié)構(gòu)如圖11-10所示）。測(cè)量時(shí)，將泥漿裝滿于泥漿杯中，加蓋后使多余的泥漿從杯蓋中心孔溢出。擦干泥漿杯表面后，將杠桿放在支架上（主刀口坐在主刀墊上）。移動(dòng)游碼，使杠桿成水平狀態(tài)（水平泡位于中央）。讀出游碼左側(cè)的刻度，即為泥漿的比重值?？梢园堰@種方法的原理形象地歸結(jié)為"杠桿原理"。圖11-10泥漿比重秤

1-杯蓋；2-泥漿杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀墊；6-支架；7-游碼；8-杠桿；9-金屬顆粒測(cè)量泥漿比重前，要用清水對(duì)儀器進(jìn)行校正。如讀數(shù)不在1.0處，可用增減裝在杠桿右端小盒中的金屬顆粒來調(diào)節(jié)。

對(duì)泥漿中固相含量的測(cè)定，一般采用"蒸餾原理"（如圖11-11所示）。取一定量（20ml）泥漿，置于蒸餾管內(nèi)，用電加熱高溫將其蒸干，水蒸氣則進(jìn)入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后稱出干涸在蒸餾器中的固相的重量，讀出量筒中液相的體積，計(jì)算泥漿中的固相含量，其單位為重量或體積百分比。圖11-11鉆井液固相含量測(cè)定儀

1-蒸餾器；2-加熱棒；3-電線接頭；1-過濾筒；2-漏斗；3-玻璃量杯4-冷凝器；5-量筒對(duì)泥漿的含砂量的測(cè)定，采用篩析原理，如圖11-12所示。圖11-12泥漿含砂量測(cè)定

1-過濾筒；2-漏斗；3-玻璃量杯第二單元泥漿的流變特性泥漿的流變性是指泥漿的流動(dòng)和變形性質(zhì)，它以泥漿的粘稠性為主要研究對(duì)象。在第二章中，對(duì)工程漿液流變性的理論基礎(chǔ)和參數(shù)測(cè)試方法已做了詳細(xì)闡述。在此，結(jié)合鉆井工程實(shí)際，對(duì)泥漿流變性做進(jìn)一步的討論。(一)泥漿流型的不同形成機(jī)理

泥漿流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系用流變方程和流變曲線來表達(dá)。如第二章所述，不同泥漿的流變關(guān)系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種具體泥漿的實(shí)際流型與哪一種理論流型較相近，就認(rèn)為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構(gòu)成泥漿的材料組成及其它們的含量。

粘土含量較少的細(xì)分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應(yīng)力主要由相互無連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構(gòu)成。由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存在粘土顆粒之間的結(jié)合力，具有一定程度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此，泥漿在發(fā)生流動(dòng)之前需要克服一定的結(jié)構(gòu)力。其流型用賓漢流型來反映較為合適。

當(dāng)泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質(zhì)含量較高，并且泥漿結(jié)構(gòu)力很低時(shí)，可以用冪律關(guān)系來描述泥漿流型。這種流型的切應(yīng)力隨剪切速率的變化不是線性關(guān)系，而是由快到慢呈冪指數(shù)關(guān)系，也就是說流動(dòng)慢時(shí)切力增加得快，流動(dòng)快時(shí)切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動(dòng)中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強(qiáng)，阻力增加得越慢。

對(duì)于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網(wǎng)架，又有線形高聚物或類似的物質(zhì)，也就是說既存在結(jié)構(gòu)力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變關(guān)系更為合適。

(二)泥漿粘稠性對(duì)鉆井工作的影響

泥漿把鉆碴從井底攜至地表或者在井中懸浮鉆碴，主要是靠泥漿的粘稠性；對(duì)于破碎的不穩(wěn)定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結(jié)護(hù)壁作用。僅從這兩點(diǎn)考慮，泥漿的粘度和動(dòng)切力應(yīng)該取高值。這也是選擇泥漿做鉆井液的基本出發(fā)點(diǎn)。

但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面，主要表現(xiàn)在：使井底碎巖效率降低；增加泥漿循環(huán)的流動(dòng)阻力；增大對(duì)井壁的液壓力激動(dòng)破壞。因此，不能盲目增大泥漿的粘稠性，而應(yīng)根據(jù)具體地層和鉆井工藝要求，綜合兼顧多方面的情況，確定合適的泥漿粘度和動(dòng)切力。

(三)泥漿的表觀粘度與剪切稀釋作用

如果把泥漿分為四種流型的流體，則具體衡量這四種泥漿粘稠性的參數(shù)是互不相同的?？梢杂靡粋€(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)參數(shù)來反映各種泥漿的相對(duì)粘稠性，這就是表觀粘度ηA它等于泥漿流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力τ與剪切速率的比值。對(duì)于牛頓流體，表觀粘度就是牛頓粘度，是常量；而對(duì)于其他三種流型的流體，表觀粘度不是常量，而是隨剪切速率增加而減小的變量（這一點(diǎn)，無論從流變方程還是流變曲線上都能被很好地說明）。如果取剪切速率比較中間的某一定值作為對(duì)象，用該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的表觀粘度作為平均表觀粘度，則不同流型泥漿的粘稠性就有了相對(duì)統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)。

泥漿表觀粘度隨剪切速率增加而減小的性質(zhì)稱為泥漿的剪切稀釋作用。剪切稀釋作用對(duì)鉆井工作十分有意義：在鉆頭部位，泥漿流速大，表觀粘度低，有利于井底碎巖；而在環(huán)空中，由于泥漿流速減小，表觀粘度提高，有利于懸攜鉆碴。

(四)泥漿的凝膠強(qiáng)度和觸變性一旦泥漿停止流動(dòng)即靜止，便有或多或少的結(jié)構(gòu)逐漸形成，直至趨于穩(wěn)定。把泥漿靜置時(shí)的結(jié)構(gòu)力稱為泥漿的凝膠強(qiáng)度，用靜切力表示。凝膠強(qiáng)度是隨泥漿靜置時(shí)間的增長而增大的，即靜切力是時(shí)間的函數(shù)。反過來看，當(dāng)外加一定的切力使泥漿流動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散，流動(dòng)性增長。這就是泥漿的觸變性。圖？給出了膨潤土泥漿觸變性的一些不同情況。凝膠強(qiáng)度的大小和增長的快慢，對(duì)懸浮鉆碴和開泵時(shí)的循環(huán)阻力有直接影響。為使停泵后井內(nèi)鉆碴懸浮而不下沉，希望泥漿有快速強(qiáng)凝的觸變性；但這又會(huì)導(dǎo)致重新開泵時(shí)的循環(huán)阻力過大。因此，應(yīng)該使泥漿具有快速中等強(qiáng)度的觸變性。第三單元泥漿的失水造壁性（一）失水造壁性的概念

在井中液體壓力差的作用下，泥漿中的自由水通過井壁孔隙或裂隙向地層中滲透，稱為泥漿的失水。失水的同時(shí)，泥漿中的固相顆粒附著在井壁上形成泥皮（泥餅），稱為造壁（圖4-13）。井中的壓力差是造成泥漿失水的動(dòng)力，它是由于井中泥漿的液壓力與地層孔、裂隙中流體的液壓力不等而形成的。井壁地層的孔隙、裂隙是泥漿失水的通道條件，它的大小和密集情況是由地層巖土性質(zhì)客觀決定的。泥漿中自由水的概念在前面已經(jīng)敘及，除了較大的裂隙和空隙外，一般地層的孔、裂隙較小，只允許自由水通過，而粘土顆粒周圍的吸附水隨著粘土顆粒及其他固相附著在井壁上構(gòu)成泥皮，不再滲入地層。圖11-13泥漿失水造壁性示意圖井壁上形成泥皮后，滲透性減小，減慢泥漿的繼續(xù)失水。若泥漿中的細(xì)粒粘土多而且水化效果好，則形成的泥皮致密而且薄，泥漿失水便小。反之，泥漿中的粗顆粒多且水化效果差，則形成的泥皮疏松而且厚，泥漿的失水便大。很明顯，泥皮厚度（更嚴(yán)格地說應(yīng)是濾余物質(zhì)）是隨失水量增大而增加的。

泥漿在井內(nèi)的失水處在兩種不同的背景條件下。一種是水泵停止循環(huán)，泥皮不受液流沖刷，井內(nèi)的液壓力只是泥漿柱靜水壓力，這時(shí)的失水稱為靜失水；另一種是水泵循環(huán)，泥皮受到?jīng)_刷，井內(nèi)的液壓力是泥漿靜水柱壓力與流動(dòng)阻力損失之和，這時(shí)的失水稱為動(dòng)失水。根據(jù)實(shí)際鉆井工序，這兩種失水是交替進(jìn)行的。

另外，在鉆頭破碎孔底巖石，形成新的自由面的瞬間，泥漿接觸新的自由面，還未形成或很少形成泥皮，泥漿中的自由水以很高的速率向新鮮巖面失水，這時(shí)的失水稱為瞬時(shí)失水或初失水。

靜失水時(shí)，泥皮逐漸增厚，失水速率逐漸減小。因此時(shí)壓力較小，泥皮較厚，固失水速率比動(dòng)失水小。

動(dòng)失水時(shí)，泥皮不斷在增厚，同時(shí)又不斷被沖刷掉，當(dāng)增厚速率與被沖刷速率相等時(shí)，泥皮厚度動(dòng)態(tài)恒定，失水速率也就基本不變。

以鉆孔某一孔深處的孔壁為討論對(duì)象，該處孔壁的失水全過程，從鉆頭鉆經(jīng)此處開始，發(fā)生短暫的瞬時(shí)失水之后，即形成動(dòng)失水、靜失水的不斷循環(huán)反復(fù)，直至鉆井完成。

（二）失水性對(duì)鉆井工作的影響

許多情況下，泥漿的失水對(duì)鉆井的危害較大。

(1)當(dāng)?shù)貙訛槟囗搸r、黃土、粘土?xí)r，失水過大會(huì)引起井壁吸水膨脹、縮徑、剝落、坍塌；

(2)對(duì)于破碎帶、裂隙發(fā)育的地層，滲入的自由水洗滌了破碎物接觸面之間的粘結(jié)，減小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼內(nèi)，造成井壁坍塌、卡鉆等事故；

(3)在溶解性地層中的失水越多，井壁地層被溶解的程度就越高；

(4)厚泥皮會(huì)加大對(duì)鉆具的吸附，使鉆桿回轉(zhuǎn)阻力增加；

(5)厚泥皮使環(huán)空過流面積減小，循環(huán)阻力和壓力激動(dòng)增大；

(6)厚泥皮使測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低；

(7)失水量越多，對(duì)地層的侵染越嚴(yán)重；

(8)失水量越多，對(duì)地層的傷害越嚴(yán)重，影響油、氣、水的滲透率，降低井的產(chǎn)量。

泥漿的失水性對(duì)鉆井的有利影響是：初失水可以濕潤巖土，使其強(qiáng)度降低，有利于鉆頭對(duì)其破碎，提高鉆進(jìn)速度。

（三）失水量影響因素分析

分析失水量的影響因素及其相互之間的關(guān)系，以靜失水為討論基礎(chǔ)。

泥漿的靜失水是一個(gè)滲濾過程，因此遵循達(dá)西滲流定律。在此假設(shè)：地層的滲透率和泥皮的滲透率均是常數(shù)，且前者遠(yuǎn)大于后者；泥皮是平面型的，其厚度與鉆孔直徑相比很小。泥皮的厚度隨時(shí)間增加而逐漸增大。按達(dá)西定律則有：(11-8)式中Qt滲透速率，m2；K泥皮的滲透率，m2；A滲濾面積，m2；ΔP滲濾壓力，Pa；h泥皮厚度，m；μ--濾液粘度，Paos；Vt濾失液體的體積，即濾失量，m3；t--滲濾時(shí)間,h。

當(dāng)一定量泥漿完全濾失掉時(shí)，則有下面的關(guān)系；Vm=h·A+Vt;Vt=h·A·Cc(11-9)式中Vm過濾的泥漿體積,m3；Vt泥皮中固體顆粒堆積的體積,m3；Cc泥皮中固體顆粒的體積百分?jǐn)?shù)。Cm為泥漿中固體顆粒的體積百分?jǐn)?shù)，即,于是上式可得：(11-10)將式（11-10）代入式（11-9）中，得：(11-11)整理后有：

積分后得：

即：(11-12)由式（11-12）看出：?jiǎn)挝粷B濾面積的濾失量與泥皮的滲透率K、固相含量因素、濾失壓差△P、滲濾時(shí)間t等因素的平方根成正比；與濾液粘度的平方根成反比。雖然式（4-12）是靜態(tài)狀況下的失水量關(guān)系式，但它能比較有效地反映影響失水的大部分因素，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程確切，便于建立統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于動(dòng)失水，主要是在靜失水的基礎(chǔ)上加入對(duì)泥皮沖刷的影響，由于模擬環(huán)境與各種井內(nèi)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)情況存在差異，建立統(tǒng)一的解析模型比較困難?，F(xiàn)在，國內(nèi)外已有一些動(dòng)失水衡量的理論正在不斷發(fā)展。從對(duì)泥皮的動(dòng)沖刷力考慮應(yīng)該著重在兩個(gè)問題上進(jìn)行深入研究：（1）鉆井液循環(huán)和鉆具回轉(zhuǎn)引起對(duì)泥皮的液動(dòng)沖刷，特別注意流速場(chǎng)分布在泥皮界面處流速的大小和流態(tài)；（2）泥漿在泥皮界面上相對(duì)滑動(dòng)的潤滑性和粘滯阻力。

從以上討論中可以分析泥漿降失水的主要途徑為：①平衡或減小井液與地層孔隙流體之間的壓差；②選用優(yōu)質(zhì)造漿粘土和有關(guān)處理劑，增加水化膜厚度；③增加泥漿中粘土的含量；④選用能提高水溶液粘度的處理劑，增加泥漿濾液粘度；⑤加快在復(fù)雜地層段的鉆進(jìn)速度，減少井壁裸露時(shí)間；⑥減少鉆井液循環(huán)對(duì)井壁的沖刷。

（四）泥漿失水量的測(cè)量

1、靜失水儀

采用氣壓式失水儀（圖11-15）。測(cè)試條件：壓差7.1×105Pa，過濾斷面45.3cm2，溫度20～25℃圖11-15氣壓式失水儀1-量杯；2-放水閥；3-過濾板；4-泥漿杯；5-放空閥旋扭；6-放空閥；7-壓力表；8-減壓閥；9-CO2氣瓶；10-氣源總體端益2、動(dòng)濾失儀

如圖11-16所示，儀器最高壓差為10MPa，相對(duì)濾器表面產(chǎn)生的流速梯度范圍在0～500-1之間自由變換。用泥漿2.2L。底部裝有濾紙過濾孔，側(cè)壁有兩個(gè)巖心濾孔，可裝巖心長3～18cm。既可測(cè)得泥漿在濾紙上的動(dòng)、靜失水量，又能在不同滲透率的巖心上測(cè)得動(dòng)、靜失水?dāng)?shù)據(jù)。圖11-16動(dòng)濾失儀3、高溫高壓失水儀

如圖11-17所示，高溫高壓動(dòng)濾失儀（便攜式）除能模擬井下溫度和壓差外，還能模擬泥漿流動(dòng)時(shí)對(duì)井壁產(chǎn)生的剪切速率，其主要性能指標(biāo)為：工作壓力0～300MPa，工作溫度為20～150℃，剪切速率為0～700S-1，泥漿用量為200～300ml。圖11-17高溫高壓失水儀第四單元泥漿的其它性能圖11-18泥漿潤滑性用潤滑儀測(cè)定1.膠體率與穩(wěn)定性

泥漿的膠體率是泥漿中粘土水化分散程度及其懸浮狀態(tài)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)易且有效的衡量。將100ml泥漿倒入有刻度的量筒中，靜置24h，觀察泥漿析出水分的情況。如上部析水5ml，則表明泥漿膠體率為95%。一般要求泥漿的膠體率在96%以上。

泥漿穩(wěn)定性與膠體率在本質(zhì)上相似，它是以靜置24h后泥漿上下兩層的比重差來衡量的，一般規(guī)定比重差值應(yīng)小于0.02。

2.pH值

泥漿的pH值（酸堿度）對(duì)泥漿的性能有很大影響。粘土顆粒帶負(fù)電，它必須在堿性條件下才能維持穩(wěn)定，多數(shù)有機(jī)處理劑必須在一定的PH值下才能發(fā)揮好的效用。不同配方的泥漿具有自身的PH值，一般應(yīng)控制在8～11之間。泥漿在使用過程中，若發(fā)現(xiàn)PH值相對(duì)于原設(shè)計(jì)值發(fā)生了變化，則應(yīng)及時(shí)加以調(diào)節(jié)。提高PH值，可以加入NaOH、Na2CO3或Ca（OH）2等；降低pH值，可加入稀釋的HCl或酸式鹽。泥漿pH值的簡(jiǎn)單測(cè)量，是用pH試紙；較精密的測(cè)量可用pH電位計(jì)（酸度計(jì)）。一般是對(duì)泥漿濾液進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)也可直接對(duì)泥漿進(jìn)行測(cè)量。

3.潤滑性與泥皮粘滯性

泥漿的潤滑性與鉆具磨損、循環(huán)流動(dòng)阻力、設(shè)備功率消耗等有密切關(guān)系。為提高泥漿的潤滑性，可以使用油包水乳化泥漿、油基泥漿、PAM泥漿等，也可以在一般泥漿中加入一部分油或無機(jī)潤滑劑如硫化鉬（MOS）和石墨粉等。泥漿潤滑性用潤滑儀測(cè)定，如圖11-18所示：測(cè)量時(shí)，圓環(huán)和鋼柱都浸泡在被測(cè)液中，由力矩控制機(jī)構(gòu)控制兩者的接觸壓力，當(dāng)兩者發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讀出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值并換算出被測(cè)液體的摩擦阻力值。

泥皮粘滯性是衡量鉆進(jìn)過程中鉆具回轉(zhuǎn)或升降時(shí)，受泥皮阻尼的特性。石油鉆井中泥皮粘滯性大時(shí)，往往粘附卡鉆，起鉆困難。因此泥皮粘滯性是一個(gè)比較重要的性能指標(biāo)。泥皮粘滯性可用泥皮粘附系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量。

4.抑制性

泥漿的抑制性是指泥漿抑制井壁巖土水化、膨脹、分散的性能，在原理上與粘土的造漿性和井壁的遇水穩(wěn)定性有密切的聯(lián)系，其評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的儀器和方法較多，例如簡(jiǎn)單的浸泡試驗(yàn)法、頁巖膨脹測(cè)試儀、瓦式膨脹儀、滾子爐滾動(dòng)回收法、毛細(xì)管吸收時(shí)間法、頁巖穩(wěn)定性指數(shù)實(shí)驗(yàn)法等，部分有關(guān)的試驗(yàn)方法參見第十二章第四節(jié)。第四節(jié)泥漿的設(shè)計(jì)與配制

第一單元泥漿的一般設(shè)計(jì)方法較全面的泥漿設(shè)計(jì)的基本流程是：設(shè)計(jì)泥漿的重度、流變性、降失水性等主要技術(shù)指標(biāo)；確定泥漿的膠體率、允許含砂量、固相含量、pH值、潤滑性、滲透率、泥皮質(zhì)量等重要參數(shù)；選擇造漿粘土和處理劑；進(jìn)行泥漿處理劑配方設(shè)計(jì)；泥漿材料用量計(jì)算；確定泥漿的制備方法；擬訂泥漿循環(huán)、凈化、管理措施。1．按平衡地層壓力的要求計(jì)算泥漿的重度ν。即νh=PC或νh=P0。PC、P0分別為井深H處的地層側(cè)壓力或地層空隙流體壓力，它們的確定方法見本章第三節(jié)。那么，究竟是按PC還是按P0計(jì)算，要視實(shí)際情況下平衡哪那一種壓力更為重要來定。如果兩者都需要平衡，就應(yīng)該分別計(jì)算出兩種結(jié)果，權(quán)衡出介于兩者之間的某值。一般鉆井泥漿的重度在1.02～1.40之間。

2．考慮懸排鉆渣、護(hù)壁堵漏的要求確定泥漿的流變性。流變性的指標(biāo)主要是粘度η和切力τ。η和τ的調(diào)整范圍很寬，一般η的范圍在10cP～100cP，τ的范圍在～，應(yīng)視不同鉆井情況具體確定。另外，在一些情況下，還要考慮泥漿的剪切稀釋作用和觸變性。

3．泥漿的其他設(shè)計(jì)指標(biāo)的參考范圍為：失水量一般應(yīng)不大于15ml/30min，含砂量不大于8%，膠體率不小于90%，pH值視不同泥漿在6～11之間變化，潤滑性必要時(shí)應(yīng)控制在。

各種鉆進(jìn)情況下的鉆進(jìn)目的、地層特點(diǎn)、鉆進(jìn)工藝方法等差異甚大，因而對(duì)鉆井泥漿性能等有明顯的不同的要求，設(shè)計(jì)重點(diǎn)也因此而不同。例如，在鉆碴粗大及井壁松散的地層中，泥漿的粘度和切力等流變性指標(biāo)成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)；在穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖中鉆進(jìn)，泥漿設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是針對(duì)鉆頭的冷卻和鉆具的潤滑，而此時(shí)護(hù)壁和排粉等則處于次要位置。又如在遇水膨脹塌孔的地層中鉆進(jìn)，泥漿的設(shè)計(jì)重點(diǎn)則應(yīng)放在降失水護(hù)壁上；在對(duì)壓力敏感的地層中，泥漿的重度設(shè)計(jì)又顯得尤為重要。似此，針對(duì)特定的鉆進(jìn)情況，在全面設(shè)計(jì)中找出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，是做好泥漿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

在泥漿性能設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到一些相互矛盾的情況，滿足一些設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，另一些指標(biāo)則得不到滿足。對(duì)此，應(yīng)該抓住主要問題，兼顧次要問題，綜合照顧全面性能。在一些要求不高的場(chǎng)合，可以酌情精簡(jiǎn)對(duì)泥漿性能的設(shè)計(jì)，適當(dāng)放寬對(duì)一些相對(duì)次要指標(biāo)的要求，以求得最終的低成本和高效率。第二單元泥漿材料用量計(jì)算（1）泥漿總體積的計(jì)算。所需泥漿總量V是鉆孔內(nèi)泥漿量V1、地表循環(huán)凈化系統(tǒng)泥漿量V2、漏失及其它損耗量V3的總和：V=V1+V2+V3(11-13)其中鉆孔內(nèi)泥漿量為：．地表循環(huán)凈化系統(tǒng)泥漿量為泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽和地面管匯的體積之和。漏失及其它損耗量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。

（2）粘土粉用量計(jì)算

配制1m3體積的泥漿所需粘土重量q按以下過程推導(dǎo)計(jì)算(11-14)式中：-粘土的比重，2.6～2.8；-泥漿的比重；-水的比重．

（3）配漿用水量計(jì)算

配制1m3體積的泥漿所需水量Vw為：(11-15)（4）增加比重加土（或重晶石）量的計(jì)算

配制加重泥漿時(shí)，加重1m3(11-16)式中：-加重劑的比重；-加重泥漿的比重；-原漿的比重。

（5）降低泥漿比重所需加水量x（m3）(11-17)式中：V-原漿體積，(m3)；-原漿比重；-加水稀釋后的泥漿比重；-水的比重。

（6）泥漿處理劑的用量計(jì)算

總的來看，處理劑在泥漿中的加量較少，按體積含量計(jì)一般只占泥漿總體積的0.1%～1%。具體數(shù)值由不同的配方?jīng)Q定。值得注意的是要澄清處理劑的加量單位，粉劑一般是以單位體積泥漿中加入的重量來計(jì)，而液劑則是以單位體積泥漿中加入的體積量來計(jì)。在一些特殊情況下，還有以單位粘土粉重量中加入多少處理劑來計(jì)算。第三單元泥漿的配制圖11-19立式泥漿攪拌機(jī)

1-輸水管；2-工作輪；3-齒輪箱；4-軸承；5-傳動(dòng)軸；6-傘齒輪；7-機(jī)架；8-攪拌軸；9-攪葉；10-攪拌桶無論是井場(chǎng)制備或泥漿站集中制備供應(yīng)各井場(chǎng)，制備泥漿的設(shè)備有兩種：一是用泥漿攪拌機(jī)（臥式或立式的）；一是用水力攪拌。

勘探巖心鉆探用的泥漿攪拌機(jī)，臥式的容量一般為0.3～0.5m3；立式的一般為0.5～1m3使用粘土粉造漿時(shí)，最好采用水力攪拌器（圖11-20）。粘土粉加入漏斗中，并利用水泵排出管的液流與粘土粉在混合器中混合，混合液在混合器中沿螺旋線上升至容器上部，輸出泥漿。反復(fù)循環(huán)幾次后，便可配得所需性能的泥漿。圖11-20泥漿水力攪拌器

1-漏斗；2-三通管；3-噴嘴；4-容器；5-鋼板為使泥漿有較好的性能，用粘土粉配得的泥漿最好在儲(chǔ)漿池中陳化一天，然后放入循環(huán)系統(tǒng)中，由水泵送入孔內(nèi)使用。第五節(jié)砂、礫層中使用的泥漿在砂層、礫石、卵石以及破碎帶地層中鉆進(jìn)，成孔的難度很大。這類地層稱為機(jī)械分散地層。由于顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進(jìn)時(shí)井壁很容易坍塌。

對(duì)于這類地層用泥漿護(hù)壁，解決問題的關(guān)鍵是增加井壁顆粒之間的膠結(jié)力。粘性較大的泥漿適當(dāng)滲入井壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使井壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

提高泥漿粘度，主要通過使用高分散度泥漿（細(xì)分散泥漿）、增加泥漿中的粘土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增粘劑等措施來實(shí)現(xiàn)。細(xì)分散泥漿是含鹽量小于1%，含鈣量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥漿。其組成除粘土、Na2CO3和水外，為了滿足鉆井需要，往往加有提粘劑、降失水劑和防絮凝劑（稀釋劑）。依所加處理劑的不同，可有不同種類，如鈉羧甲基纖維素泥漿、鐵鉻鹽泥漿、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿和腐植酸泥漿等。用較高粘度的細(xì)分散泥漿在砂、礫層中鉆進(jìn)的成功工程很多，包括在流砂地層中鉆進(jìn)。在此舉出以下一些典型的配方實(shí)例。

1、Na-CMC（鈉羧甲基纖維素）泥漿

這是一種最普通的提粘型泥漿，Na-CMC起進(jìn)一步提粘和降失水作用。配方為：優(yōu)質(zhì)造漿粘土150～200g，水1000ml，純堿5～10Kg，Na-CMC6kg左右。泥漿性能為比重1.07～1.1，粘度25～35s，失水量小于12ml/30min，pH值約9.5。

2、鐵鉻鹽-Na-CMC泥漿

該泥漿提粘且穩(wěn)定性較強(qiáng)，鐵鉻鹽起防絮凝（稀釋）作用。配方為：粘土200g，水1000ml，純堿液50%濃度加量約20%，鐵鉻鹽溶液濃度20%，加量0.5%，Na-CMC0.1%。泥漿性能為比重1.10，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。

3、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿

木質(zhì)素磺酸鹽取材于亞硫酸紙漿廢液，一般與煤堿劑配合使用，以在提粘的基礎(chǔ)上解決泥漿的防絮凝和降失水。配方為1m3泥漿用80～200kg粘土，30～40kg亞硫酸紙漿廢液，10～20kg煤堿劑，5～10kgNaOH，5～10kg消泡劑，900～940L水。泥漿性能為比重1.06～1.20，漏斗粘度18～40s，失水量5～10ml/30min，靜切力1min6～45dPa，10min12～90dPa，在鉆進(jìn)過程中為進(jìn)一步降失水可每立方米加1～3kgNa-CMC。

4、腐植酸泥漿

腐植酸泥漿是用煤堿劑或腐植酸鈉（鉀）做穩(wěn)定劑（防絮凝）的，它可以與其他處理劑如Na-CMC等配合使用，制備腐植酸泥漿的配方是1m3泥漿中加50～200kg煤堿劑(干量)，3～5kgNa2CO第六節(jié)溶蝕性地層泥漿

第一單元鹽水泥漿配制原理溶蝕性地層以氯化鈉鹽層最為典型，其他還有鉀鹽、石膏、芒硝、天然堿等。這類地層又稱為水溶性地層，它遇到鉆井液中的水，就會(huì)發(fā)生溶解，使鉆井井壁溶蝕掉，其結(jié)果經(jīng)常導(dǎo)致井眼超徑、垮塌。

對(duì)付水溶性地層，主要從兩方面入手解決：一是降失水，其原理和方法前面已經(jīng)介紹過；二是降低鉆井液對(duì)地層的溶蝕性。在泥漿中加入與地層被溶物相同的物質(zhì)，使溶解度趨于飽和，就是常用的治理溶蝕的方法。例如在巖鹽中鉆進(jìn)，采用鹽水泥漿作為鉆井液，防塌效果良好。

鹽水泥漿是粘土懸浮液中氯化鈉含量大于1%，或用咸水（海水）配制的泥漿，它是靠氯化鈉的含量較大而促使粘土顆粒適度聚結(jié)并用有機(jī)保護(hù)膠維持此適度聚結(jié)的穩(wěn)定粗分散泥漿體系。依含鹽量的高低，分為鹽水泥漿，一般含鹽量3%～7%；海水泥漿，總礦化度一般3.3%～3.7%和飽和鹽水泥漿，氯化鈉約為33%～36%。

鹽水泥漿的粘度低，切力小，流動(dòng)性好，抗鹽侵，抑制巖鹽地層的溶解，抗粘土侵的能力強(qiáng)，抑制泥頁巖水化膨脹，坍塌和剝落的效果好。

鹽水泥漿的配制有兩種情況：其一是先用淡水制備分散性泥漿，然后加鹽轉(zhuǎn)化為鹽水泥漿；其二是直接用咸水或海水配制泥漿。前一種情況相當(dāng)于鹽侵后泥漿的處理，容易配制；后一種情況，由于膨潤土和普通粘土在鹽水中不易分散，故配漿困難。為此，對(duì)于用鹽水或海水直接配漿，宜用抗鹽粘土，如凹凸棒土，海泡土等。

1.由淡水泥漿轉(zhuǎn)為鹽水泥漿

淡水泥漿中加入NaCl，隨NaCl含量的增加，泥漿性能的變化如圖4-20所示。由圖看出①NaCl含量小于1%時(shí)泥漿粘度，切力和失水量的變化不大，屬淡水泥漿的范圍；②泥漿中含鹽量大于1%時(shí)，粘度、切力和失水量隨含鹽量增大而迅速上升，當(dāng)含鹽量達(dá)某一值時(shí)（此值依粘土特性而定）、粘度、切力達(dá)到最大值；③含鹽量超過某一值時(shí)，粘度和切力隨含鹽量的增加而下降，失水量則繼續(xù)增大；④pH值隨含鹽的增加而逐漸下降。

泥漿性能的這種變化，可用以前闡述的雙電層原理解釋。隨著NaCl加入量的增加，泥漿中Na+增多，這樣粘土吸附層中陽離子數(shù)目增多，由此ζ電位下降，擴(kuò)散層厚度減小，泥漿由細(xì)分散向聚結(jié)方向轉(zhuǎn)變，水化膜變薄，粘土顆粒間形成聚結(jié)結(jié)構(gòu)，因而粘度、切力上升，由于聚結(jié)，水化膜變薄，自由水增多，失水量也上升。當(dāng)NaCl超過某一值時(shí)如圖11-20中為3%左右），粘土顆粒聚結(jié)明顯，分散度下降，致使粘度切力下降，失水量繼續(xù)上升。圖11-20淡水泥漿加NaCl后的性能變化

1-粘度；2-切力；3-失水量；4-pH值（用5%丹寧酸鈉處理的普通粘土泥漿）由圖11-20的泥漿性能變化看出，若配制NaCl含量1%～3%的鹽水泥漿，則泥漿處理應(yīng)著重于降粘度和切力，而配制含鹽量大于3%的鹽水泥漿，泥漿處理主要應(yīng)降失水。

pH值下降的原因，是由于Na+從粘土中把氫離子和其他酸性離子交換下來的結(jié)果。

由此，淡水泥漿加鹽轉(zhuǎn)為鹽水泥漿的配制方法為：①粘土（加堿）預(yù)水化，制備淡水粘土懸浮液；②加有機(jī)處理劑處理，低鹽泥漿主要加稀釋劑，高鹽泥漿主要加降失水劑；③加鹽轉(zhuǎn)為鹽水泥漿，并用有機(jī)處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能，如加CMC以降失水；④加NaOH以提高pH值到需要的范圍；⑤鉆進(jìn)中，隨鹽的消耗（巖屑和孔壁吸附）需補(bǔ)加鹽水溶液（含有機(jī)處理劑）。

2.用咸水或海水直接配制泥漿

由于普通粘土在咸水中分散效果差，故粘土懸浮液的失水量大，泥漿易失去穩(wěn)定性，這不符合鉆井要求。最好采用抗鹽粘土配制鹽水漿。凹凸棒土、坡縷蒿土這些抗鹽粘土的原理在本章第一節(jié)中已作過介紹。與膨潤土比較，抗鹽粘土雖然在淡水中的造漿率較低，但在鹽水中的造漿率卻較高。例如膨潤土（山東高陽）在淡水中的造漿率為15m3/t，而在飽和鹽水中卻只有6.7m3/t；凹凸棒土（江蘇盱眙）在淡水中的造漿率雖然僅為10m3/t，而在飽和鹽水中的造漿率竟有14～19m3第二單元鹽水泥漿舉例我國山東鉀鹽礦床鉆探時(shí)，在930m至2500m處遇到白堊系石鹽巖、鈣芒硝夾泥質(zhì)粉砂巖，石膏等地層；使用的飽和鹽水混油乳化泥漿，其組成是：1m