钻井职工培训中心培训大纲与辅导教材

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钻井职工培训中心培训大纲与辅导教材

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青工岗位培训课堂

培训大纲与辅导教材

（泥浆工）

长庆钻井职工培训中心

青工岗位培训课堂

培训大纲与辅导教材

（2008年度）

项目部(专业公司)

基 层 队（站）

泥 浆 工

青工岗位培训课堂钻井泥浆工培训大纲

一、课程基本情况

开课单位：川庆钻探公司长庆钻井总公司钻井队。

施教对象：钻井队在岗泥浆工。

适用性质：岗位专业知识补充、技能提高培训。

考核方式：理论专业知识采取综合闭卷考试（每月至少1次）；操作技能采取现场单项考评。通过月考、季赛、年总结等重要环节的综合考评，产生月度、季度、年度岗位明星。

总 学 时：170课时。

选用教材：

职业技能培训教程与鉴定试题集石油钻井泥浆工

自编教材：

青工岗位培训课题辅导教材

钻井施工HSE作业文件

警示教材

参考教材：

钻机操作维护手册

井控技术

井控设备

二、课程的性质、任务和教学目标

（一）性质：钻井液技术知识涵盖面广泛、内容庞杂，是系多门学科于一体的完整体系。钻井技术既涉及石油地质知识，又涉及到机械设备维护检修技能，还与井下复杂情况有着密切的关系，同时也受着操作者本人的生产经验影响。其综合技能既来源于系统性、层次性的专业基础知识学习，又少不了操作者日积月累的现场生产经验。石油钻井液工的技能培训，不是一蹴而就、立竿见影短期行为，是长期坚持不懈的系统性学习，是随着岗位的需求而不断进行补差的日常学习行为。

（二）任务：本大纲针对钻井队岗位员工技能现状、人员结构，结合岗位要求，突出岗位应知应会，制定了岗位标准，使岗位员工参照标准寻找自身技能差距，开展日常的知识、技能培训学习活动。从而夯实岗位基础知识和操作技能，最终实现岗位与岗位员工的专业知识、综合技能及素质相吻合的局面。

（三）教学目标：通过岗位系统培训，使钻井队泥浆工有计划、有步骤地掌握岗位应知内容和应会技能，夯实岗位基础知识，逐步提升安全生产能力，全面提高综合素质。经过一完整周期的培训学习，使泥浆工能够增强安全生产意识；熟知、岗位职责、巡回检查及岗位交接班、岗位负责制内容并自觉认真履行；熟练掌握钻井液性能、仪器使用和维护；掌握不同工况下的钻井液调整技术；掌握各种井下复杂及事故的预防措施和处理方法。经过技能等级考核，最终达到钻井泥浆工中级工水平。

三、培训内容和基本要求及课时分配：

四、大纲说明及其他教学环节安排

本大纲适用于石油钻井泥浆工岗位日常培训学习。根据岗位培训大纲要求，结合生产形势，利用生产现场或生产间隙，有计划有步骤地完成季度、年度培训任务。培训过程，以辅导教师和岗位青工每月一次双向考核为手段，促进培训任务如期完成、有效完成。培训中心将以巡回辅导、检查的形式，阶段性进行综合考核。

五、教学建议

培训过程，以生产现场为课堂，以现场设备、工具为教具，在工作实践中贯穿学习活动；培训形式灵活多样不拘一格。具体内容以岗位要求为标准，结合自身实际，进行补差学习；个性问题以自学为主，兼职教师辅导为辅；共性问题以组织探讨、交流、针对问题解决问题等方式进行；对于生产中出现的新疑难及条件限制等因素造成现场上不便解决的难题，以电话咨询或参加岗位轮训培训班的方式，逐步解决生产中的各类问题，最终实现建设一支安全、高效、优质生产的钻井队伍。

六、本课程与相关课程的关系

因石油钻井的综合性和特殊性，涉及到了钻井地质、钻井液技术、柴油机、机械设备、井下复杂与事故等较多的专业知识。一个合格的石油钻井液技术工作人员，在熟练掌握钻井专业知识、技能外，还必须掌握较系统的相关知识，才能满足岗位复杂性的需要。为此，在编写岗位辅导教材时，参考了诸多的专业知识资料，针对岗位的不同层次，使培训内容尽可能的贴近岗位实际，以满足生产岗位对岗位员工的知识、技能的要求。

本大纲制定：长庆钻井职工培训中心技能培训站

执 笔 人：杨 辉

审 定 人：田金江

青工岗位培训课堂

学习辅导材料

（钻井泥浆工岗位）

钻井职工培训中心

一、钻井泥浆工岗位基本职责

负责对钻井液性能的日常维护，使其符合设计和井下要求，确保井下安全正常。

二、钻井泥浆工应知理论知识

一）钻井液基础知识和相关概念

1.高分子化合物

高分子化合物又称高聚物，是由许多简单的结构单元以共价键重复结合而成的；构成高分子的基本结构单元称为链节；组成高分子化合物的一个分子链节的数目称为聚合度；能聚合成高分子化合物的低分子原料叫做单体。

单体的基本构成，通常具有不饱和键。例如：

烯烃：乙烯、丙稀。。。。。。

炔烃：乙炔、丙炔。。。。。。

聚乙烯：｛C2H4｝n

1.1高分子化合物的聚合反应

由一种或几种单体聚合生成高分子化合物的反应称为聚合反应。聚合反应又可分为加聚反应和缩聚反应两种。

1.1.1加聚反应：

由不饱和的低分子化合物相互加成或由环状化合物开环相互连接而成的反应叫加聚反应。该反应的特点是反应过程中没有低分子化合物的产生，聚合物的基本结构单元和单体具有相同的化学组成，其相对分子质量为链节相对分子质量的整数倍。

由同种单体进行的聚合反应称为均聚反应。由两种或两种以上的单体进行的聚合反应称为共聚反应。

1.1.2缩聚反应：

缩聚反应是由相同或不同的低分子化合物缩合成高分子化合物的反应。反应特点是反应过程中同时产生某些小分子物质，参加反应的单体分子内至少具有两个以上能够相互作用的官能团，所得的高聚物的组成与原料单体的组成不同。

1.2高分子化合物的分类和命名

1.2.1根据来源分类，可将其分为天然高分子和合成高分子两大类。

例如：树脂、橡胶，是属于天然高分子聚合物；酚醛树脂、聚丙烯酸钾是合成高分子聚合物。

1.2.2按高分子主链的结构分类，可将其分为碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子和无机高分子四大类。

1.2.3根据工艺性质分类，可将其分为塑料、橡胶、纤维三大类。

1.2.4根据合成高分子化合物的反应类型分类，可将其分为加聚物和缩聚物两类。

高分子化合物的命名主要有：天然高分子化合物习惯上用俗名；合成高分子化合物常根据原料名称和制备方法命名，例如：加聚反应制得的高分子化合物大多在原料名称前加“聚”字，由缩聚反应制得的高聚物则通常在原料名称后加“树脂”二字，加聚物在制成成品之前也常用“树脂”称呼；此外，聚合物还有商品名称。

1.3高分子化合物的特点

1.3.1具有很大的相对分子量，一般在103～107。

1.3.2具有多分散性。指高分子化合物的分子组成成分相同而相对分子量和结构各异的特性。

1.3.3高分子链的柔顺性。指高分子链中C-C单键的内旋转性。

1.3.4具有复杂的结构和形态。从几何观点来看，高分子化合物有直链型（线型）、支链型和体型三种。线型高分子化合物的分子链呈线状长链，常呈卷曲状态，主链上可连有取代基，在适当的溶剂中可以溶胀并能溶解，具有弹性和塑性。

支链型高聚物可看成是带有与主链结构基本相同的支链的线型分子，支链的长短和数量可以不同，甚至支链上还有支链，性能较线型差。体型高聚物是在线型或支链型分子间存在化学键、具有空间网状结构的高聚物，几乎没有柔顺性，脆性打，没有弹性和塑性，不溶于任何溶剂。

2.胶体化学基础知识

2.1分散体系的概念及胶体性质

2.1.1分散体系及其有关性质

⑴分散体系：

一种或几种物质分散成微小的质点而分布于另一种物质中，这类体系称为分散体系。例如：一杯清水，投入一定量的粘土，搅拌后，变为浑浊液，则浑浊液是粘土颗粒分散在水中的分散体系。胶体化学的研究对象主要是颗粒分散体系。

⑵分散质及分散剂：

被分散的物质称为分散质；分散其他物质的介质称为分散介质，又称为分散剂。例如在纯水中投入粘土后形成的浑浊液中，水是分散剂，粘土是分散质。

⑶相和相界面：

所谓相，是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均质部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相标志着物质的存在形式和性质的差别。

例如：00C时冰水体系中的水和冰，是一种物质的两种存在形式，所以，我们称冰和水为两个不同的相；又如油水体系中的水和油，虽然都是以液体形式存在，但二者的性质不同，故油和水也是两个不同的相。

钻井液中，主要是粘土分散在水中形成的分散体系，粘土以固体颗粒形式分散在液态水中，两者状态、性质完全不同，所以是两个相的多相体系。

相界面，是相与相之间的接触面。如果相互接触的两相中，一相为气体，这样的相界面又称为“表面”。液体与固相之间的分界面称为“界面”。目前，“表面”与“界面”两个概念通用。凡是发生在相界面上的物理化学现象都称为表（界）面现象。

⑷分散度和比表面：

分散度是某一相分散程度的量，通常用分散相颗粒（或滴液）平均直径或长度的倒数来表示。

⑸分散体系的分类：

按分散度不同，可将分散体系分为细分散体系和粗分散体系。胶体实际上是细分散体系，其分散相的比表面≥104 m2/Kg，其颗粒长度在1nm至1um之间。悬浮体、泡沫等则属于粗分散体系。

2.2溶胶及其性质

2.2.1溶胶：

一种或几种物质以直径为10－9～10－7m的颗粒范围分散在另一种互不相溶的分散介质中形成的比较均匀、比较稳定的多相体系，称为溶胶。

一般将溶胶分为亲液的和憎液的两种。亲液溶胶指分散相和分散介质之间有较好的亲和能力和很强的溶剂化作用，它与普通的真溶液一样，是热力化学稳定体系。憎液溶胶是指分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，它属于热力学不稳定体系。这里重点学习憎液溶胶。

2.2.2溶胶的制备和纯化：

溶胶的制备通常有两个途径：一是分散法，将大块分散相物质分散成小颗粒，其颗粒大小落在溶胶范围内，使它分散在液体介质中；二是凝聚法，即由小分子或离子凝聚成分散相。

从化学反应所得到的溶胶都带有电解质，而电解质的浓度过高会影响溶胶的稳定性，要使溶胶稳定，必须纯化。

溶胶的纯化要用半透膜进行透析，不能用一般过滤方法除去电解质。因为滤纸的最小孔径为1um，溶胶粒子能顺利通过，故必须用孔径更小的半透膜，才能阻止溶胶粒子通过。用半透膜提纯溶胶的方法，叫透析。

2.2.3溶胶的性质：

⑴运动性质

⑵光学性质

⑶电学性质

电泳、电渗、流动电位、沉降电位

2.3溶胶粒子表面带电核的主要来源

⑴电离作用

⑵晶格取代作用

⑶离子吸附作用

⑷未饱和价键

3.粘土矿物基础知识

3.1粘土矿物

3.1.1粘土矿物的组成：

粘土矿物颗粒一般很细，约在1～5um。大多数是结晶质，具有层状结构，表现出片状或板状形态，少数为链状结构、纤维状或棒状形态。有不定量的化学元素，主要是铝（Al）、硅（Si）、氧（O）、氢（H）,少量的镁（Mg）、铁（Fe）、钠（Na）、钾（K）等。

3.1.2粘土的分类：

据粘土中矿物含量的不同大体分为三类：

⑴高岭石粘土

⑵微晶高岭石粘土：也成蒙脱石、膨润土、胶岭土，主要由微晶高岭石粘土组成。

⑶伊利石粘土

3.2粘土的化学成分核结构

3.2.1粘土的化学性质：

主要有二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）和水，还有氧化铁（Fe2O3）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等。

3.2.2粘土矿物的基本结构：

⑴四面体：由Si4+在中心，O2- 在四周构成的立体几何图形，又称Si---O四面体。

⑵四面体片

⑶八面体：由Al3+（或Mg2+）为中心，四周有6个阴离子O2-（或OH-）构成的一个立体几何图形。因其为Al3+与O2-组成，故又称 Al-O八面体。

⑷八面体片

4.粘土颗粒遇水的作用

4.1粘土颗粒的粒度分布

据美国石油协会(API)规定粘土分以下三类：

⑴粘土（胶体） 粒度小于2um;

⑵泥质 粒度为2～74 um

⑶砂质 粒度大于74 um

4.2粘土颗粒遇水后作用

粘土在水中极易分散成细小颗粒，形成粘土－水的悬浮体，使粘土颗粒具有较强的带电性、水化分散性、离子交换性和表面吸附性。

4.2.1粘土的电荷：

粘土通常带有电荷，这是其具有电化学性质的根本原因，并影响粘土的各种性质。如粘土吸附阳离子的多少取决于其所带电荷的数量。带同样电荷的粘土吸附钠离子比吸附钙离子就多，从而致使吸附钠离子的粘土――钠土就比钙土水化膜后，水化作用较强。此外，钻井液中有机、无机处理剂的作用以及胶体的分散絮凝作用等性质，都受粘土电荷的影响。粘土正电荷与负电荷的代数和即是粘土的净电荷数，因粘土的负电荷一般都多余正电荷，故粘土一般带负电荷。

4.2.2粘土的吸附作用：

⑴物理吸附

⑵化学吸附

⑶离子交换吸附

a离子交换吸附的特点：

粘土矿物通常是带负电荷的，但是在一定条件下也可以带正电荷。还有不少的固体表面上本身吸附一层离子，当外加离子进入溶液时，固体离子本身与溶液离子能进行交换。一般天然的粘土都是自然的离子交换吸附，由于本身有硅氧四面体和铝氧八面体结构，使剩余的价键（一般都有负电）有可能吸附阳离子，它们与外界离子也有相互交换作用。

特点1：同号离子相互交换。

特点2：等电量或等当量交换（如一个钙离子可与2个钠离子交换）；

特点3：离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。

例如，钻井液中的粘土吸附了钠离子，当遇到钙侵时，钙与粘土表面吸附的钠进行等当量交换，使性能变坏，这时加入纯碱，即增加溶液中的钠离子浓度，同时钙离子与纯碱生成碳酸钙沉淀，减少了钙离子的浓度，钠又把粘土表面吸附的钙离子交换下来，使钻井液性能又得到改善。

这说明，粘土分散的越细，比表面液越大，吸附能力就越大，吸附的离子就越多；比表面越小，吸附的离子就越少。

b离子交换吸附强弱规律：

规律1：离子价数影响：一般在溶液中浓度相差不大时，离子价数越高，粘土表面的吸附能力就越强，即离子交换到粘土表面上的能力越强。

规律2 ：离子半径的影响：同价数的不同离子浓度相近时，离子半径小的，水化半径大，离子中心离粘土表面远，吸附就弱；离子半径大的，水化半径小，离子中心离粘土表面近，吸附就强。

规律3：离子浓度的影响：离子浓度受每一相中不同离子相对浓度的制约。如用膨润土配钻井液时，加入纯碱就可以变为钠土。这是因为当提高了溶液中的钠离子浓度时，与粘土上原来吸附的高价钙、镁离子发生了相互转换。

c粘土的阳离子交换容量（也叫吸附容量）：

PH值对阳离子交换容量增加的影响是，铝氧八面体中的羟基在强酸溶液中易电离，使粘土表面带电；在碱性溶液中，氢离子易电离，使粘土表面负电荷增加。另外，溶液中OH- 增多，它靠氢键吸附于粘土表面，使粘土的负电荷增多，从而增加了粘土的阳离子交换容量。

这些知识，有效地把握促进或抑制粘土多分散度，获得符合要求的钻井液性能。

5.粘土的水化作用

粘土的水化作用是影响钻井液的重要因素。粘度、切力和滤失量在很大程度上取决于粘土的水化作用。

5.1粘土矿物水分

⑴化学结合水（晶格水）：粘土矿物中铝氧八面体和羟基层，在高温3000 C 时，其结晶水会受到破坏而失去。

⑵吸附水（束缚水）：因分子间引力和静电引力的作用，具有极性的水分子可被吸附到带电的粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水随粘土颗粒一起运动。

⑶自由水（液态水）：水分子不受粘土颗粒的束缚，重力作用下可在粘土颗粒之间自由移动，当加入絮凝电解质后，粘土颗粒形成局部网状结构，包住了一部分自由水，这部分水不能自由移动，必须和网状结构一起运动，相当于增加了钻井液这的固相含量，从而减少了自由水，使钻井液变稠。

5.2粘土水化作用的影响因素

⑴不同阳离子对粘土水化作用的影响：粘土一般带负电荷，能将各种阳离子和一些吸附状态的水化阳离子吸附到粘土表面上，在粘土表面形成水化膜。所以，粘土吸附的阳离子不同，形成的水化膜厚薄也不相同。

⑵粘土矿物本身性质对水化膜的影响：粘土矿物构造不同，水化作用差别很大。由于晶格间靠分子引力联系，键能的强弱、晶格间距离的大小、取代位置和阳离子交换容量的不同都使粘土水化膨胀差别很大。

5.3粘土颗粒的连接方式及对钻井的影响

5.3.1粘土的连接方式：

粘土颗粒在水溶液中的连接方式不同，对粘土－水悬浮体的流动性影响就不同。一般有三种连接方式：面－面、边－面、边－边，三种连接方式也可能同时存在。

聚结作用是粘土颗粒面－面连接，形成较厚的“层”或“束”，减少了粘土颗粒的数目，使粘度下降。

分散作用是聚结作用的逆过程，可形成较多的颗粒数目和较高的粘度。粘土通常是在水化之前聚结，水化时发生分散，分散程度取决于水化电解质的种类、含量、时间、温度、粘土的交换阳离子的种类和粘土的浓度等。

絮凝作用是粘土颗粒边－边或边－面连接，形成网状结构，引起粘度增加。无论是降低颗粒间斥力，还是减薄水化膜，若加入＋2价阳离子或升温，都会促进絮凝作用。钻井液中加入的某些处理剂，因其在粘土表面优先吸附，使粘土颗粒不再形成边－边或边－面连接，具有解絮凝作用，这些处理剂就是我们常说的降粘剂。

很明显，不管粘土颗粒间以什么方式连接，如果分散越细、颗粒越小，表面积就越大，吸附的水就越多，致使钻井液性能变坏而不利于钻进。

5.3.2粘土颗粒大小对钻井液性能的影响：

粘土颗粒大小对钻井液性能的影响主要取决于颗粒面积的大小，表面积大，吸附的水就越多。尤其是当大颗粒分散成小颗粒后，体积虽然没有改变，但表面积增加了，就会使吸附的水增多，导致钻井液性能变坏，不利于钻进。例如，一粒直径100um的钻屑被携带到地面后，未被清除而留在钻井液中，经过多次循环和钻头多次切削，就会变成12。5万个直径为2um的小颗粒，不但增加了清除难度，还使表面积增加了50倍，这就需要用50倍的水来覆盖其表面，使钻井液的塑性粘度、屈服点、静切力大大提高，流动性变坏，直接影响钻井速度。因此，在钻进时，第一次循环就必须采取有效措施，将井底返到地面的钻屑尽可能多的清除掉，以提高机械钻速，减少对油气层的损害。

6.钻井液稳定性

6.1粘土—水界面的双电层

粘土颗粒遇水后，表面带负电，在它周围必然吸附正离子。粘土颗粒表面的负电荷（负离子）称为定势离子；吸附在定势离子周围的阳离子（正离子），由于带电性相反，称为反离子。在粘土颗粒表面上的定势离子与反离子这两层离子电荷相反，带电量相等，故整个粘土颗粒在静止时是电中性的。

吸附在定势离子周围的反离子，一方面受粘土颗粒表面定势离子的吸引要靠近粘土表面；另一方面这些反离子本身又互相排斥，此外还有其本身的热运动使它自身扩散，远离粘土表面。这两种力同时作用的结果使反离子在粘土颗粒周围一定距离内呈扩散分布状态。在任一瞬间，部分反离子呈扩散状态分布，不随粘土颗粒一起运动，称为扩散层。吸附层和扩散层称为双电层。这样，粘土—水界面上就形成了扩散双电层。取粘土颗粒表面的一部分来看，粘土颗粒表面有多少个负电荷，在其周围必然吸附同样多的带正电荷的离子（也叫水化离子）。随着与粘土颗粒表面的距离增大，正电荷的分布也由多到少，扩散在外围。

因为反离子平衡了粘土颗粒的负总电荷，所以反离子电荷等于负离子的电荷，又等于吸附层电量和扩散层电量的总和，可以表示为：E定=E反=E吸+E扩

式中E定=粘土表面定势离子的总电荷；

E反=粘土表面吸附反离子的总电荷；

E吸=吸附层电荷；

E扩=扩散层电荷。

在粘土颗粒处于静电场或剧烈运动的情况下，吸附层的反离子由于离粘土颗粒表面较近，与定势离子吸引力较强，故可随粘土颗粒一起运动；而扩散层的反离子由于离粘土表面较远，与定势离子的吸引力较弱，故不随粘土颗粒一起运动，容易被摔掉。吸附层和扩散层的交界面称为滑动面。这样，粘土颗粒就在运动中丢掉了扩散层的反离子而显示出一定的电势，这个电势就称为粘土颗粒表面的电动电势（或叫电动电位），用符号ξ表示，故又可称为ξ电势（或ξ电位）所谓ξ电势就是指从滑动面到溶液内部过剩负电荷为零处的电位差，可用下式表示：

ξ=E扩=E定-E吸=E反-E吸

一般来讲，粘土颗粒表面的定势离子的总电势是不变化的，所以电动电势ξ的大小取决于吸附层电量E吸的大小。E吸越大，电动电势ξ就越小。

粘土颗粒扩散双电层和电动电势受粘土水溶液中电解质的影响。溶液中提供的阳离子的浓度和类型变化时，会使扩散双电层和电动电势ξ发生变化。因此，影响电动电势ξ的主要因素有：

⑴吸附反离子的价数：

粘土颗粒表面吸附反离子的价数越高，吸附层正电荷越多，吸附层电量E吸增加，则电动电势ξ越小，双电层厚度减小。

⑵吸附反离子的水化半径：

在同价离子中，离子半径越小，水化越好（H+除外），水化离子的体积越大，吸附层内能容纳的离子数目相对越少，吸附层电量E吸减小，电动电势ξ越大，双电层厚度增大。

⑶溶液中反离子的浓度：

对于同价同种离子来说，溶液中反离子浓度越大，进入吸附层的反离子数目越多，使吸附层电量E吸增大，电动电势ξ越小，双电层厚度减小。这种现象称为粘土颗粒表面的挤压双电层现象。

由以上分析可以看出，粘土颗粒在不断的运动中甩掉了扩散层的反离子而使表面带负电荷。因同种电荷相斥，粘土颗粒间产生静电斥力，当粘土颗粒靠近时相互排斥而不聚结，从而保持了钻井液的聚结稳定性。另外，带电量越大，即电动电势ξ越大，颗粒间斥力越大，钻井液的聚结稳定性就越高。

6.2粘土的分散和聚结

6.2.1粘土颗粒间的相互作用力：

粘土颗粒的分散与聚结主要是由其受力状况不同而引起的。如果粘土颗粒间的排斥力占优势，则粘土颗粒分散；若吸引力占优势，则粘土颗粒聚结。

粘土颗粒的受力状况可归纳为：

⑴斥力：由粘土颗粒电动电势ξ造成的粘土层面上的静电斥力和粘土颗粒表面水化膜的弹性斥力。

⑵引力：由粘土层面上的分子间引力和棱角、边缘处的异性电荷造成的静电引力。

通常粘土颗粒层面上由于电动电势ξ的存在，以斥力为主，而在棱角、边缘处，因水化较差，显示出由异性电荷造成的吸引力。粘土颗粒因层面间相互排斥，在棱角、边缘处互相吸引而形成空间网架结构。

6.3粘土在钻井液中的分散、絮凝和聚结

6.3.1分散状态：

钻井液中的粘土颗粒有很强的电动电势，且粘土颗粒的水化很好，水化膜很厚，粘土颗粒间的静电斥力和水化膜弹性斥力使粘土颗粒不可能接近和互相连接，粘土呈高度分散状态。这时钻液具有较高的粘度，结构性不强，切力不大。滤饼薄而致密，滤失量很小，稳定性好，长时间静置也不会析出自由水。

6.3.2絮凝状态：

如钻井液中粘土的电动电势较小，粘土颗粒的水化较差，则颗粒间的静电斥力和水化膜斥力都较弱，粘土颗粒的棱角、边缘处水化也较差，这时粘土颗粒间可能以边—边和边—面相连接，形成空间网架结构。粘土颗粒呈絮凝状态，这时钻井液有较高的粘度和切力，滤饼较厚且松散，滤失量较高，若静置一段时间，则会形成冻胶状，失去流动性。

6.3.3聚结状态：

若粘土的电动电势很小，粘土颗粒的水化也很差，这时粘土颗粒将以面—面相结合而形成一层层重叠的大颗粒，这种状态下的钻井液粘度、切力很低，滤饼非常松散，滤失量很大，钻井液的稳定性很差，严重时粘土颗粒聚结变得很大，很快沉淀，出现聚沉现象。

粘土在钻井液中的状态对钻井液性能的影响很大，从维护钻井液的稳定性来看，粘土颗粒分散状态较好，但其抗污染等能力较差；絮凝状态虽要形成空间网架结构，但若适度絮凝，就是一种较好的钻井液类型。

6.4粘土的造浆率

6.4.1粘土千浆率的概念

粘土的造浆率是指1t干粘土能配制粘度为15mPa.s钻井液的体积(m3)。造浆率越高，粘土的水化分散性越好，因此，粘土的造浆率大小也就是粘土分散为胶体的能力大小。钻井液中胶体含量越高，稳定性越好。

6.4.2粘土造浆率的影响因素

粘土造浆率的大小受粘土的带电性质、吸附阳离子的类型、水化性、分散性等因素的影响。

⑴盐对粘土造浆率的影响

钠土由于其带电性强、水化性好、水化膜厚，故造浆率高；钙土水化性新式、水化膜薄，故造浆率低。为提高粘土的造浆率，配制粘土浆时加入适量纯碱，除去钙离子，增加钠离子，使钙质土变为钠质土，提高粘土的造浆能力。

由于加膨润土的方式的和程序不同，膨润土的造浆率也不一样。把粘土先加水和化学分散剂使之充分水化，该方法配制的粘土浆粘度明显高于把粘土直接加入盐水中形成的粘土浆粘度。因此，为充分发挥膨润土的作用，使钻井液保持分散状态，配制钻井液时应尽量采用膨润土预水化的方法。

⑵pH值对粘土造浆率的影响

pH值大于9后，pH值增大，粘土分散性明显增强，造浆率也提高。这是加为OH-浓度增大，增加了膨润土表面的负电荷，使钠质土的含增大，水化分散性增强，胶体含量增加，所以粘度升高。pH值越大，这种现象越明显。因此，细分散钻井液的pH值大多控制在9以上。

6.5钻井液的稳定性

6.5.1沉降稳定性：

沉降稳定性（或动力稳定性）是指在重力作用下，分散相颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，则称访体系具有沉降稳定性。

沉降稳定性的影响因素有以下几点：

6.5.2重力的影响：

分散相的颗粒本身所受重力作用的大小是沉降稳定性的决定因素。

若把颗粒近似看做球形，设其半径为r，同时令分散相密度为ρ，分散介质密度为ρ0，则分工作服相颗粒受重力作用所产生的沉降力为：

由式（5-4-3）可见，分散相颗粒在胶态体系中所受的沉降力主要取决于颗粒半径（r）的大小，其次是分散相与分散介质的密度之差（ρ-ρ0）。分散度越高，密度差越小，颗粒所受沉降力越小， 则颗粒越不易下沉，沉降稳定性越好。

6.5.3布朗运动的影响：

布朗运动是指胶体粒子在各个方向上进行的频繁而无序的运动。它是由于分散体系中分散介质分子和分散相粒子处于热运动状态，并且分散相粒子又受到周围介质不断地撞击而引起的。

布朗运动是影响胶体体系沉降稳定性的主要因素。由于布朗运动的存在，胶粒不会停留在某一固定位置上，使胶粒不为重力而沉降。布朗运动越剧烈，沉降稳定性越好。

6.5.4分散介质粘度的影响：

胶粒受重力作用要下沉，其沉降速度可由下式求出：

式中：μ—沉降速度；

R—胶粒的半径；

η—分散介质的粘度；

ρ、ρ0—分别为胶粒和分散介质的密度；

g—常数。

由式（5-4-3）可知，在其他条件相同时，颗粒的沉降速度与介质的粘度成正比。因此，提高介质粘度也是提高沉降稳定性的重要手段。钻井液之所以要求有一定的粘度，这也是一个重要原因。

6.5.5钻井液切力的悬浮作用：

钻井液具有一定强度的网状结构，这种结构对下沉粒子的阻碍作用称为切力悬浮作用。由于这种悬浮比胶体颗粒大得多的分散相颗粒，因此一般不作为胶体稳定性的内容进行讨论。

6.6聚结稳定性

聚结稳定性是指分散相颗粒是否容易聚结变大的性质。若分散相颗粒容易合并变大，则聚结稳定性就差，沉降稳定性也不好。因此，聚结稳定性对钻井液来说具有重要意义。

6.6.1阻止粘土颗粒聚结的因素：

⑴双电层斥力：由于粘土颗粒周围有扩散双电层，粘土颗粒在运动中就因丢失扩散层的反离子而显示出一定的电动电势ξ，电动电势ξ越高，颗粒间的静电斥力越大，粘土颗粒就越难聚结合并。

⑵水化膜阻力：粘土颗粒在水中带负电，必然吸附水化正离子和极性水分子定向排列于粘土颗粒表面，形成粘土颗粒周围的吸附水化摸，并且双电层越厚，水化膜越厚，颗粒间越不容易聚结。

6.6.2引起粘土颗粒聚结的因素：

⑴粘土颗粒的分子间引力（范德华力）：无论是粘土-水溶胶，还是其他胶体，它们的颗粒都会自动聚结合并，这一事实说明颗粒间存在着数量上足以和双电层斥力相抗衡的吸力，这个吸力就是范德华力。理论推知，在作用力的范围内，颗粒之间的吸力比单个分子之的吸力强得多，并且颗粒越大，相互间的距离越近，吸力越大。所以，当粘土颗粒相互靠近到吸力作用范围内，且吸力大于斥力时，粘土颗粒就会发生聚结（或叫絮凝）。

⑵电解质的聚结作用：当电解质加入到钻井液后，电离出的阳离子进入吸附层，使ξ电势降低，当ξ电势降低到一定程度，其静电斥力和吸附溶剂化层的阻力减小到不足以阻止胶粒聚结时，钻井液就要发生明显聚结。聚结作用常以分散相颗粒的沉淀而告终。

电解质的聚结作用主要包括吸附作用、离子交换吸附作用、压缩双电层作用。钻井液开始明显聚结时所加电解质的最低量浓度称为聚结值。一般以“10-3mol/L”为单位。影响电解质聚结的因素可概括如下：

a电解质的浓度：钻井液中加入同种电解质的浓度越大，进入吸附层的反离子越多，ξ电势越小，越易发生聚结。

b电解质的离子价数：加入电解质的离子价数越高，与粘土表面定势离子的吸力越强，吸附层电量E吸越大，ξ电势越小，越易发生聚结。

c电解质的离子半径：在离子浓度相同、价数相同的条件下，离子半径越大，对极性水分子的吸力越小，水化膜越薄，越易进入吸附层内，使ξ电势降低，水化膜斥力减小，颗粒易发生聚结。

7.钻井液流变性

钻井液流变性指钻井液流动和变形的特性。其流变性直接影响钻速、泵压、携屑、固井，关系到钻井速度和成本。所以，控制钻井液流变性具有重要的意义。

7.1液体流动的基本概念和基本流型

7.1.1液体流动的基本概念：

⑴速度梯度和剪切应力

液体流动时各质点的速度不同，如图5-5-1所示。把流动的液体分为若干层，在垂直于流速方向上令某一液层间距为dx，液层流速增量为dυ，则比值dυ/dx表示垂直于流速方向上单位距离内的流速增量，称为流速梯度（或剪切速率），简称速梯。速梯大，表示液流中流速变化大，反之表示流速变化小。

速度梯度用符号y表示，在SI单位制中，流速的单位为m/s，距离的单位为m，速梯的单位为s-1。

既然液流中各层的流速不同，也就是说层间有相对运动，则不同的液层之间发生内磨擦，也即两液层产生相互剪切作用，出现成对的内磨擦力（剪切力），阻碍了各液层的相对运动（或称剪切变性）。

牛顿内磨擦定律：液体流动时，液层间产生的内磨擦力F的大小与液体的性质及温度有关，并与速梯dυ/dx和两液层的接触面积S有关。

⑵流变曲线

液体的流变特性可用流变曲线表示。流变曲线是速度梯度和剪切应力关系的曲线。由实验求出一系列速度梯度和剪切应力的数据，就可在直角坐标系中作出速梯变化的曲线，或剪切应力随梯变化的曲线。这两种形式实质上是一样的，只是两坐标互换而已。

7.1.2液体的基本流型:

液体是指随盛放容器的形状而改变其自身形状的物质。常把液态流体分为牛顿流体和非牛顿流体。凡是流变性符合牛顿内磨擦定律的流体都称为牛顿流体；流变性不符合牛顿内磨擦定律的流体统称为非牛顿流体。四种基本流型如图5-5-2所示。

⑴牛顿流型：

像水等大多数纯液体、低粘度油类及低分子化合物溶液等，都属于牛顿流型。其特点是：

a流变曲线是通过原点的直线，如图5-5-2所示。

b加很小的力就能发生流动，且速梯与切应力成正比。

c粘度不随切应力或速梯变化，是一个常量。该粘度叫绝对粘度，用“η绝”表示。

⑵塑性流型：

一般钻井液都属于这种流型。它和牛顿流型不同，其特点是：

a流变曲线不通过原点，如图5-5-2所示。

b施加的切应力必须超过某一最低值τS，然后才能流动。这个开始流动的切应力τS称为静切应力，又叫凝胶强度。

c当切应力τ＞τS时，塑性流体还不能均匀地被剪切，粘度随切应力的增大而降低。

d继续增加切应力，粘度不再随切应力而变化，此时流变曲线成为直线。这个不随切应力而变化的粘度，称为塑为塑性粘度，用“η塑”表示。

e延长这段直线不通过原点，而是与切应力轴相交于τ0，τ0称为动切力，或称屈服值。

⑶假塑性流型：

高分子化合物溶液、乳状液及某些钻井液都属于这种流型。其特点是：

a流变曲线通过原点并凸向切应力轴，如图5-5-2所示。

b施加极小的切应力就可流动，没有静切应力。

c它的粘度随切应力的增大而降低。

⑷膨胀流型:

如面团等属于膨胀流型。其特点是：

a流变曲线是通过原点并凹向切应力轴的曲线，如图5-5-2所示。

b没有静切应力。

c它的粘度随切应力的增大，静止时又恢复原状。

7.2钻井液的流动变形特性

7.2.1钻井液的流动特点：

钻井液是具有结构性的流体，一般属于塑性流体，其流动性不同于牛顿流体。随剪切应力的增加，塑性流体流动可经过静止、塞流（或叫柱流）、不完全层流（也称准层流或平板型层流）、层泫（或称线性流）、紊流等五种流态，如图5-5-3所示。

1静止：

如图5-5-3中OA段，这时0＜τ＜τS。虽然对钻井液施加一定的剪切应力，但因此力校小，钻井液形成的结构未被破坏，所以钻井液仍然静止不动。τS称为钻井液极限静剪切应力，它是钻井液静止状态下结构力大小的量度。

⑵塞流：

如图5-5-3中AB段，τS＜τ＜τB。当剪切应力值大于极取胜静剪切应力τS时，钻井液内部结构开始破坏，钻井液开始流动。钻井液在此流态下各质点不仅流动方向相同，而且速度一样，皆等于υ0，只是在靠近管壁处，速度由0增加到υ0。整个液体类似一个固体塞子在管内滑动（像挤牙膏一样），所以这种流型称为塞流。

⑶不完全层流：

υ1τB＜τ＜τC。随剪切应力增加，塞流区的半径减小，层流区扩大。中间的塞流区（或称流核）各质点流动速度一样，皆等于υ1；而在层流区，速度由管壁处的0增加到临近流核处的υ1。这种流态称为不完全层流或准层流。

⑷层流：

如图5-5-3中CD段，钻井液完全进入层流状态。管壁处流速为0，从管壁至管中心线处各液层流速逐渐增加，在管中心线处流速达最大，就像不同速度的同心圆筒流动一样，如图5-5-4所示。这种流态称为层流。在层流状态下，随剪切应力增加，中心线处的最大流速升高，速度梯度增加，流型剖面的抛物线形状变得更尖更脆。

⑸紊流：

如图5-5-3中D点以后段，τD＜τ。这时各质点开始做无规则运动，方向各不相同，出现漩涡和花纹，但流动剖面最前边的端线呈扁平状，流速相当高。这种流动状态称为紊流。

7.2.2有关钻井液流变怀模式方案：

根据生产实际的需要，通常可利用一些简单的代数方程来近似描述钻井液的流变性。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/9430dec2f21dc281e53a580216fc700aba68522d.html