【正文】 液中粘土表面的雙電層粘土顆粒在水中表面帶負(fù)電荷，通過靜電作用可把交換性陽離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負(fù)電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)及反離子之間的斥力，會(huì)脫離粘土顆粒向溶液中擴(kuò)散，其結(jié)果構(gòu)成了擴(kuò)散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠(yuǎn)，不隨粘土一起運(yùn)動(dòng)，這一部分稱為擴(kuò)散層。吸附層和擴(kuò)散層的交界面稱為滑動(dòng)面。粘土顆粒運(yùn)動(dòng)中因丟掉擴(kuò)散層中的反離子而顯示出一定的電勢(shì)，稱為電動(dòng)電勢(shì)(ξ電位)，其數(shù)值取決于吸附層內(nèi)反離子總電荷。電解質(zhì)對(duì)電動(dòng)電勢(shì)影響較大，溶液中陽離子濃度越高，進(jìn)入吸附層的陽離子數(shù)量多，則使ξ電位降低，當(dāng)反離子全部進(jìn)入吸附層時(shí)，粘土顆粒呈電中性，這種現(xiàn)象稱為電解質(zhì)壓縮雙電層。 四、鉆井液的穩(wěn)定性鉆井液分散系中，粘土顆粒的分散或聚結(jié)，穩(wěn)定或不穩(wěn)定，是鉆井液體系內(nèi)部存在的一對(duì)主要矛盾。鉆井液分散系若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，就稱為具有穩(wěn)定性。穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面的含意：沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。1．鉆井液的沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下鉆井液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。若下沉速度很小，則稱該體系具有沉降穩(wěn)定性。鉆井液中巖屑的沉降決定于其重力和阻力的關(guān)系。當(dāng)重力占優(yōu)勢(shì)時(shí)，就表現(xiàn)為顆粒的下沉；當(dāng)阻力等于重力時(shí)，則表現(xiàn)為顆粒的懸浮。由于鉆井液中粘土顆粒的大小、形狀不同，產(chǎn)生沉降阻力也不同，同時(shí)粘土顆粒之間還能形成一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此其沉降穩(wěn)定性也不一樣。影響沉降穩(wěn)定性的因素主要有：粘土顆粒的大小、顆粒與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度和鉆井液中粘土顆粒的多少。顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小則沉降穩(wěn)定性越不好。2．鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性是指鉆井液中的固體顆粒是否易于自動(dòng)降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。鉆井液中的粘土顆粒分散度高，比表面大，因而具有較大的表面能。根據(jù)表面能自發(fā)減少的原理，顆粒會(huì)自發(fā)地聚結(jié)變大，以降低表面能和分散度。顆粒在運(yùn)動(dòng)中相互接近或碰撞時(shí)，顆粒之間存在排斥力和引力，當(dāng)引力大于斥力時(shí)也會(huì)使顆粒聚結(jié)變大，相反顆粒趨于穩(wěn)定。因此，粘土顆粒間的吸引力和靜電排斥力是影響聚結(jié)穩(wěn)定性的主要因素。粘土顆粒之間的斥力包括雙電層斥力和水化膜的彈性阻力，引力則主要是范德華力。電解質(zhì)有壓縮雙電層和降低電位的作用，因而對(duì)鉆井液聚結(jié)穩(wěn)定性有很大影響。使粘土開始明顯聚結(jié)所加電解質(zhì)的最低濃度稱為聚結(jié)值。高分子化合物對(duì)鉆井液聚結(jié)穩(wěn)定性也有影響，加入少量的高分子物質(zhì)，鉆井液中粘土顆粒和高分子之間會(huì)發(fā)生相互作用，它們的絕大部分都會(huì)吸附在粘土顆粒的表面上。如果高分子物質(zhì)較多，微粒會(huì)盡可能多地吸附高分子物質(zhì)在它的表面上，結(jié)果每個(gè)微粒完全被高分子所包圍，再?zèng)]有剩余的空白表面。這樣就失去了再吸附其它微粒上的高分子的可能，使微粒間的橋聯(lián)作用無法實(shí)現(xiàn)，這樣鉆井液體系的穩(wěn)定性反而增強(qiáng)了。這種現(xiàn)象稱為膠體的保護(hù)作用。第二節(jié) 鉆井液性能及調(diào)控按API推薦的試驗(yàn)程序，需檢測的鉆井液常規(guī)性能包括：密度，馬氏漏斗粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、API濾失量、高溫高壓（HTHP）濾失量、pH值及堿度，含砂量，固相含量，膨潤土含量和濾液中各種無機(jī)離子濃度等。鉆井液的上述性能直接影響鉆井的速度和質(zhì)量。一、鉆井液的密度1．對(duì)密度的要求鉆井液密度主要用來調(diào)節(jié)鉆井液的靜液柱壓力以平衡地層孔隙壓力，確保安全鉆井。有時(shí)也用來平衡地層構(gòu)造應(yīng)力，以避免發(fā)生井塌。鉆井液密度必須滿足地質(zhì)和工程的要求，如果密度過高，會(huì)引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、損害油氣層和鉆井液成本增加等一系列問題，而密度過低則容易發(fā)生井涌甚至井噴，有時(shí)還會(huì)造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降等。因此，必須準(zhǔn)確、合理地確定不同井段鉆井液密度的指標(biāo)，并在鉆進(jìn)過程中隨時(shí)進(jìn)行檢測和調(diào)整。2．調(diào)整鉆井液密度的方法加入各種加重材料如重晶石、石灰石等是提高鉆井液密度最常用的方法。在加重之前，應(yīng)調(diào)整好鉆井液的各種性能，特別是要嚴(yán)格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前鉆井液的固相含量應(yīng)越低，粘度、切力亦越低。此外，加入可溶性無機(jī)鹽也是提高密度較常用的方法，如NaCl可將鉆井液密度提高到1200kg/m3左右。降低鉆井液密度的方法有：用機(jī)械和化學(xué)絮凝的方法清除固相，降低鉆井液的固相含量；加水稀釋，但有時(shí)會(huì)增加處理劑的用量和費(fèi)用；混油，但會(huì)使鉆井液成本增加，且影響地質(zhì)錄井；鉆低壓油層時(shí)可選用充氣鉆井液等。二、鉆井液的流變性鉆井液流動(dòng)和變形的特性稱為流變性，其中流動(dòng)性是主要的。鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，它在解決下列鉆井問題時(shí)起著十分重要的作用。1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2)懸浮巖屑和重晶石；3)合理確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，充分發(fā)揮鉆頭水功率的作用，提高機(jī)械鉆速。4)減輕鉆井液造成的壓力激動(dòng)和對(duì)井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生；5)有效地發(fā)揮固控設(shè)備的效能；6)防止氣侵。因此，鉆井液流變性與安全、快速鉆井密切相關(guān)，對(duì)鉆井液的流變參數(shù)進(jìn)行有效地控制、優(yōu)選和調(diào)整，已成為當(dāng)今鉆井液工藝技術(shù)的重要組成部分。1．鉆井液流變模式及流變參數(shù)流體的流變性可用流變曲線表示出來。鉆井液一般為非牛頓液體。人們提出了許多方程來描述非牛頓液體的流變曲線，這些方程稱為流變模式。描述鉆井液流變性的模式主要有下述幾種。(1)賓漢模式賓漢(Bingham)模式常被用來描述塑性流體的流變性，其形式為 （41）式中 ——切應(yīng)力，Pa； ——?jiǎng)忧辛?又叫屈服值)，Pa； ——塑性粘度，； ——剪切速率，s1。鉆井液為層流流動(dòng)時(shí)，塑性粘度不隨流速梯度而改變，只與鉆井液本身性質(zhì)有關(guān)，而動(dòng)切力能反映鉆井液流動(dòng)時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此，塑性粘度和動(dòng)切力是鉆井液的兩個(gè)重要流變參數(shù)，可用它來分析計(jì)算鉆井液流動(dòng)的壓力損失、鉆井液的剪切稀釋作用和攜屑能力等。(2)冪律模式冪律模式常用來描述假塑性流體的流變性，其形式為 （42）式中 K——稠度系數(shù)， ——流性指數(shù)。在冪律模式中，是反映鉆井液非牛頓性質(zhì)強(qiáng)弱的參數(shù)，介于0~1之間，值越小，鉆井液非牛頓性質(zhì)越強(qiáng)。稠度系數(shù)則與粘度有關(guān)，K值越大粘度越高。對(duì)K的控制相當(dāng)于對(duì)塑性粘度的控制。和K也是鉆井液的重要流變參數(shù)。在較高剪切速率條件下，冪函數(shù)和賓漢公式一樣，也能代表鉆井液實(shí)際流動(dòng)的特性。而在較低剪切速率條件下(如大口徑鉆進(jìn)中，環(huán)狀空間上返速度不大)，冪函數(shù)方程比賓漢公式更接近于鉆井液流動(dòng)的特征?？刂芀，值對(duì)提高鉆井液攜帶巖屑的能力、降低循環(huán)時(shí)的壓力損失、降低鉆頭處的鉆井液粘度、防止壓力激動(dòng)等均有重要的意義。(3)靜切應(yīng)力靜切應(yīng)力是指使靜止的塑性流體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的最低切應(yīng)力，現(xiàn)場簡稱切力，常用表示。(4)觸變性鉆井液在靜置時(shí)常形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，靜止時(shí)間越長，結(jié)構(gòu)形成更完善，表現(xiàn)為鉆井液變稠；攪拌時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，表現(xiàn)為鉆井液變稀，這種現(xiàn)象稱為鉆井液的觸變性。破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。顯然靜止時(shí)間越長，靜切應(yīng)力越大。人們規(guī)定靜置l min(API標(biāo)準(zhǔn)是10s)后測定的靜切力為初切力，靜止10min后測定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。(5)表觀粘度表觀粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。在不同的剪切速率下，表觀粘度有不同的數(shù)值。表觀粘度隨剪切速率增大而降低，這種現(xiàn)象稱為剪切稀釋。為了可供對(duì)比，現(xiàn)規(guī)定一律用1022 s1下測得的數(shù)值作為鉆井液的表觀粘度?，F(xiàn)場常用漏斗粘度作為一定條件下鉆井液的表觀粘度的量度。2．對(duì)鉆井液流變性的一般要求及調(diào)整方法鉆井液良好的流變性能是通過對(duì)流變參數(shù)的控制和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。在一定條件下，各流變參數(shù)的數(shù)值必須維持在某一適宜范圍，否則就會(huì)引起一些不良的后果。一般來講，當(dāng)鉆井液粘度、切力過高時(shí)，不僅流動(dòng)阻力增加，使鉆速受到影響，而且還容易出現(xiàn)泥包鉆頭、壓力激動(dòng)大以及固控設(shè)備難以充分發(fā)揮其效能等問題。但粘度、切力過低，又容易因井眼凈化不良和對(duì)井壁的沖刷加劇而導(dǎo)致卡鉆、井塌等復(fù)雜情況的發(fā)生。對(duì)于非加重鉆井液，的適宜范圍為5~12，~。切力是使鉆井液開始流動(dòng)所需的最低切應(yīng)力，其值過高時(shí)會(huì)造成開泵困難，甚至憋漏地層，其值過低又直接影響鉆井液的懸浮能力。為了能夠有效地?cái)y帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動(dòng)塑比（）。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和平板型層流流核直徑的有關(guān)計(jì)算，一般將保持在0．48Pa/左右是適宜的。在使用冪律模式時(shí)，~。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應(yīng)在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時(shí)所需的壓力。調(diào)整賓漢和冪律模式流變參數(shù)的方法如下所述：1)降低。通過合理使用固控投備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。2)提高。加入低造漿率粘土、重晶石以及混入原油均可提高。另外，增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提高的作用。3)降低。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑(或稱稀釋劑)，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如果是因Ca2+，Mg2+等污染引起的升高，則可用沉淀方法除去這些離子。此外，適當(dāng)加水或稀漿稀釋也可起到降低的作用。 4)提高?？杉尤腩A(yù)水化膨潤土或增大聚合物的加量。對(duì)于鈣處理或鹽水鉆井液，還可通過適當(dāng)增加Ca2+，Na+濃度來達(dá)到提高的目的。5)降低值。增加鉆井液中高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物和無機(jī)鹽的含量，以及將預(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使值降低。但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降值，一般來講不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低值，改進(jìn)流型。試驗(yàn)表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣等都是非常有效的流型改進(jìn)劑。6)降低或提高K值，與降低或提高，值的方法基本相同。三、鉆井液的濾失量1．鉆井過程中鉆井液的濾失和造壁作用地層被鉆穿后，在鉆井液液柱壓力和地層壓力之間的壓差作用下，鉆井液中的水分滲入到滲透性地層的孔隙和裂縫中去，同時(shí)鉆井液中的固體顆粒被阻擋沉積在井壁上，形成一層泥餅，這種作用稱為鉆井液的失水和造壁作用。鉆井液靜止情況下的濾失作