【正文】 性包括兩個方面的含意：沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。 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)部存在的一對主要矛盾。粘土顆粒運(yùn)動中因丟掉擴(kuò)散層中的反離子而顯示出一定的電勢，稱為電動電勢(ξ電位)，其數(shù)值取決于吸附層內(nèi)反離子總電荷。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，這一部分稱為擴(kuò)散層。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)動及反離子之間的斥力，會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。~ nm。蒙脫石的陽離子交換容量高，水化最好，分散度也最高；而高嶺石陽離子交換容量低，水化差，分散度也低，顆粒粗；伊利石由于晶層間K+的特殊作用也是非膨脹性礦物。在粘土晶體的邊面上帶電荷較少，因此水化膜薄。(2)影響粘土水化膨脹的因素影響粘土水化膨脹的因素有：1)粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度不相同。由于晶層之間的陽離子濃度大于溶液內(nèi)部的濃度，水發(fā)生濃差擴(kuò)散，進(jìn)入層間，在雙電層斥力作用下層間距增大。因此，水分子也通過氫鍵結(jié)合為六角環(huán)，下一層也以類似情況與第一層以氫鍵連接，以后的水層照此繼續(xù)。 2．粘土的水化作用(1)粘土水化膨脹機(jī)理粘土水化膨脹機(jī)理主要有兩方面：1)表面水化。當(dāng)粘土礦物組成相同時，其陽離子交換容量隨分散度的增加而增大，特別是高嶺石粘土礦物，其陽離子交換容量受分散度的影響最大，這是因?yàn)楦邘X石的電荷主要是由于裸露的OH中H+解離產(chǎn)生的，裸露的OH愈多，電性愈大。高嶺石無晶格取代現(xiàn)象，其陽離子交換容量很低，約為3~15mmol/hg,蒙脫石有顯著的晶格取代現(xiàn)象，而且取代位置常常在A1—O八面體中，即在單位晶胞的中央，對所吸附的陽離子靜電引力較弱，被吸附的陽離子參加交換反應(yīng)比較容易，因此其陽離子交換容量較大，約為70~130mmol/hg。影響粘土陽離子交換容量的因素有粘土礦物的本性、粘土礦物的分散度及溶液的pH值。它包括交換性氫和交換性鹽基，其數(shù)值均以每100g(即1hg)粘土所交換下來的陽離子的物質(zhì)的量表示。這是在鉆井液性能參數(shù)中重視pH值的重要原因之一。離子交換吸附的規(guī)律是：濃度相同，價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強(qiáng)，交換到粘土表面上的能力越強(qiáng)；價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠(yuǎn)，吸附能力弱(K+與H+除外)；當(dāng)濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。鉆井液中粘土吸附的離子與溶液中的離子發(fā)生離子交換吸附的現(xiàn)象是經(jīng)常遇到的，配漿時加純堿提高粘土的分散度和造漿率，就是利用離子交換吸附的特性。而吸附的陽離子一般來說并不固定，可以與溶液中的陽離子進(jìn)行交換，這種作用稱為離子交換吸附。3)離子交換吸附?；瘜W(xué)吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學(xué)鍵力而產(chǎn)生的。非離子型的有機(jī)處理劑，往往是因在粘土表面發(fā)生物理吸附而起作用的。1)物理吸附。(2)粘土的吸附性能吸附現(xiàn)象在鉆井液中是經(jīng)常發(fā)生的，化學(xué)處理劑改善鉆井液性能，侵入物損壞鉆井液的性能都是通過吸附改變粘土表面的性質(zhì)而起作用的。多數(shù)人認(rèn)為其原因是由于裸露在邊緣上的Al—O八面體在堿性條件下從介質(zhì)中接受質(zhì)子引起的。 3)正電荷。在粘土晶體的斷鍵邊緣上有很多裸露的A1－OH鍵，其中OH中的H在堿性條件下解離，會使粘土負(fù)電荷過剩；另外粘土晶體的邊面上吸附了OH，SiO32等無機(jī)離子或吸附了有機(jī)陰離子電解質(zhì)也使粘土帶負(fù)電。這種負(fù)電荷的數(shù)量取決于晶格取代的多少，而不受pH值的影響，因此稱為永久負(fù)電荷。它是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代所產(chǎn)生的。粘土的電荷可分為永久電荷、可變負(fù)電荷和正電荷三種。1．粘土的吸附性能 (1)粘土顆粒表面電荷種類及原因電泳現(xiàn)象證明，粘土顆粒在水中通常帶負(fù)電。由于粘土顆粒表面通常帶有負(fù)電荷，因而能吸附水分子和各種水化離子，使粘土著人顆粒表面形成一層具有一定厚度的水化膜，這種現(xiàn)象稱為粘土的水化作用。油層中的綠泥石是一種這富含鐵粘土礦物，對油氣層的最大危害是對酸的敏感性。水鎂石層有些Mg2+被Al3+取代，因而帶正荷。它在淡水和飽和鹽水中的水化情況幾乎一樣，因此是配制深井鉆井液和鹽水鉆井液的好材料。5．海泡石族海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石(或稱山軟木)，它是鋁和鎂的含水硅酸鹽，晶體構(gòu)造為鏈狀、棒狀或纖維狀。由于嵌入氧層的吸附K+的作用，將伊利石的相鄰二晶層拉得很緊，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，水分不易進(jìn)入層間，所以它不易膨脹。4．伊利石的晶格結(jié)構(gòu) 伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相似，也是2：1型晶體結(jié)構(gòu)，即伊利石也由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片組成，但它們之間的區(qū)別是：伊利石的硅氧四面體中有較多的Si4+被Al3+取代，晶格出現(xiàn)的負(fù)電荷由吸附在伊利石晶層表面氧分子層中的K+所中和。蒙脫石是極易水化、分散、膨脹的粘土礦物。在鋁氧八面體中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面體中的Si4+也有少量被Al3+取代，這樣就使蒙脫石的晶格顯負(fù)電性，這種現(xiàn)象稱為晶格取代現(xiàn)象。常常因運(yùn)移堵塞孔喉而降低滲透率。這些特點(diǎn)決定了高嶺石水化很差。高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為O層，片與片之間易形成氫鍵，晶胞之間連結(jié)緊密，故高嶺石的分散度低。四面體片的頂尖都朝著八面體片，二者由共用的氧原子和氫氧原子團(tuán)聯(lián)結(jié)在一起。鋁原子處于八面體的中心，與上面和下面的各三個氧原子或氫氧形成一個正八面體。每個四面體中都有一個硅原子與四個氧原子以相等的距離相連，硅在四面體的中心，四個氧原子(或氫氧)在四面體的頂點(diǎn)。粘土礦物的種類很多，不同粘土礦物有不同的晶體構(gòu)造及特點(diǎn)，但其晶體都是由兩種基本構(gòu)造單位組成的。本章從鉆井液的基本組成——粘土出發(fā)，介紹鉆井液的基本性能及調(diào)整方法、現(xiàn)場常用鉆井液的組成和特點(diǎn)。在鉆井實(shí)踐過程中鉆井液技術(shù)不斷發(fā)展，從最初采用清水開始，經(jīng)歷了清水、天然泥漿、細(xì)分散泥漿、粗分散泥漿、不分散低固相泥漿、無固相泥漿等幾個階段。第四章 鉆 井 液在鉆井工程中，人們常常以“泥漿是鉆井的血液”來形象地說明鉆井液在鉆井中的重要地位。鉆井液的作用可以概括為：清洗井底，攜帶巖屑；冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱；平衡地層壓力；保護(hù)井壁；協(xié)助破巖；地質(zhì)錄井；將水力功率傳遞給鉆頭；保護(hù)油氣層等。在這一過程中，為了解決某些復(fù)雜問題，出現(xiàn)了油基泥漿以及空氣、泡沫等新型鉆井液，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了粘土和水形成的“泥漿”范圍，因此人們用“鉆井液”來代替“泥漿”這一名稱。第一節(jié) 粘土基本知識一、幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造及特點(diǎn)粘土主要是由粘土礦物(含水的鋁硅酸鹽)組成。1．粘土晶體構(gòu)造中的基本單位1)硅氧四面體。2)鋁氧八面體。2．高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)高嶺石晶體由一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成。由于它是一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成，所以稱高嶺石為1：1型粘土礦物。高嶺石晶格中幾乎沒有晶格取代現(xiàn)象，它的電荷是平衡的，因此高嶺石電性微弱。油氣層中高嶺石顆粒大而附著力弱。 3．蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu) 蒙脫石是由上下兩個硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面體片組成，硅氧四面體的尖頂朝向鋁氧八面體，鋁氧八面體片和上下兩層硅氧四面體片通過共用氧原子和氫氧聯(lián)結(jié)形成緊密的晶層，因此稱為2：1型。蒙脫石晶層上下皆為氧原子層，各晶層間以分子間力聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力弱。這些特點(diǎn)決定了蒙脫石是配漿的好材料，但地層中蒙脫石也會因水化膨脹而造成井塌和油層損害。K+，因此K+正好嵌入氧原子六角環(huán)中。伊利石由于晶格取代顯示的負(fù)電性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角環(huán)中，接近于成為晶格的組成部分，不易解離，所以伊利石電性微弱。海泡石的晶體結(jié)構(gòu)中有很大的空穴，有極大的內(nèi)部表面，因此含有較多的吸附水，而且有很高的熱穩(wěn)定性(350℃以上)和抗鹽類污染的能力。6．綠泥石綠泥石的結(jié)構(gòu)是由三層型晶層與一層水鎂石交替組成的。于是三層型晶層與水鎂石層間以靜電相吸聯(lián)結(jié)，同時還有氫鍵存在，因此綠泥石遇水后不發(fā)生膨脹。二、粘土的吸附及水化作用鉆井液中粘土顆粒和分散介質(zhì)的界面上，自動濃集介質(zhì)中分子或離子的現(xiàn)象稱為粘土的吸附。粘土的吸附和水化作用是使鉆井液分散體系穩(wěn)定的重要因素。粘土的電荷是使粘土具有一系列電化學(xué)性質(zhì)的基本原因，同時對粘土的各種性質(zhì)都發(fā)生影響。1)永久電荷。例如，Si—O四面體中Si4+被Al3+所代替，或A1—O八面體中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就產(chǎn)生了過剩的負(fù)電荷。2)可變負(fù)電荷。由于這種負(fù)電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值而改變，故稱為可變負(fù)電荷。不少研究者指出，當(dāng)pH值低于9時，粘土晶體邊面上帶正電荷。粘土的負(fù)電荷與正電荷的代數(shù)和即為粘土的凈電荷數(shù)，由于粘土的負(fù)電荷一般都多于正電荷，因此粘土一般都帶負(fù)電荷。鉆井液中粘土的吸附作用，可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附三種。物理吸附是靠吸附劑和吸附質(zhì)之間分子間引力產(chǎn)生的，物理吸附是可逆的，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動態(tài)平衡。2)化學(xué)吸附。例如鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽在粘土晶體的邊緣上可以發(fā)生螯合吸附。粘土顆粒因晶格取代等原因，一般是帶負(fù)電的，為了保持整體的電中性，必然要吸附陽離子。最常見的交換性陽離子是Na+，Ca2+，Mg2+等。離子交換吸附的特點(diǎn)是：同號離子相互交換；等電量相互交換；離子交換吸附的反應(yīng)是可逆的，吸附和脫附的速度受離子濃度的影響。常見的陽離子交換能力強(qiáng)弱順序是：H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+上述順序中，H+交換能力最強(qiáng)，這是因?yàn)镠+的體積特別小，周圍無法排列水分子，離粘土的距離較近。粘土的陽離子交換容量是指在PH等于7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。粘土的陽離子交換容量，直接關(guān)系到粘土顆粒帶電荷的多少和吸附處理劑的能力。粘土礦物組成和晶體構(gòu)造不同，陽離子交換容量有很大差別，引起粘土陽離子交換吸附的電荷中，以晶體取代所占的比例較大，由此可以推斷，晶格取代愈多的粘土礦物，其交換容量也愈大。伊利石也有較多的晶格取代，但其位置多發(fā)生在Si—O四面體中，電荷接近表面，加上其晶格中的六角環(huán)有固定K+的作用，因而陽離子交換比較困難，只有部分K+參與交換，故其陽離子交換容量介于高嶺石和蒙脫石之間，約為10~40mmol/hg。在粘土礦物和分散度相同的條件下，pH值增高，陽離子交換容量增加，原因是：Al—O—OH鍵是兩性的，在堿性條件下H+更容易解離，使粘土表面負(fù)電荷增加