第一章 基础知识

第一节 钻井液的功用、类型和组成

钻井液（Drilling Fluids）是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称作钻井泥浆（Drilling Muds），或简称为泥浆（Muds）。钻井液的循环是通过泥浆泵来维持的。从泥浆泵排出的高压钻井液经过地面高压管汇﹑立管﹑水龙带﹑水龙头﹑方钻杆﹑钻杆﹑钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑。然后再沿钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间向上流动，在到达地面后经排出管线流入泥浆池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环再用。钻井液流经的各种管件﹑设备构成了一整套钻井液循环系统。

钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。随着钻井难度的逐渐增大，该项技术在确保安全﹑优质﹑快速钻井中起着越来越重要的作用。

一、钻井液的基本功用

（一）携带和悬浮岩屑

钻井液最首要和最基本的功用，就是通过其本身的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻进。在接单根﹑起下钻或因故停止循环时，钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。

（二）稳定井壁和平衡地层压力

井壁稳定﹑井眼规则是实现安全﹑优质﹑快速钻井的基本条件。性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度z。与此同时，在钻进过程中需通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生。

（三）冷却和润滑钻头﹑钻具

在钻进中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过钻井液不断的循环作用，将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头﹑钻具，延长其使用寿命的作用。由于钻井液的存在，使钻头和钻具均在液体内旋转，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。

（四）传递水动力

钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高了钻速。在使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。

但是，钻井实践表明，作为一种优质的钻井液，仅做到以上几点是不够的。为了防止和尽可能减少对油气层的损害，现代钻井技术还要求钻井液必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求；为了满足地质上的要求，所使用的钻井液必须有利于地层测试，不影响对地层的评价；此外，钻井液还应对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。

一般情况下，钻井液成本只占钻井总成本的7～10 %，然而先进的钻井液技术往往可以成倍地节约钻时，从而大幅度地降低钻井成本，带来十分可观的经济效益。

二﹑钻井液的类型

随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。其中较简单的分类方法有以下几种：

按其密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液。

按与粘土水化作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液。

按其固相含量的不同，将固相含量较低的叫作低固相钻井液，基本不含固相的叫作无固相钻井液。

然而，一般所指的分类方法是按钻井液中的流体介质和体系的组成特点来进行分类的。根据流体介质的不同，总体上分为水基钻井液﹑油基钻井液和气体型钻井流体等三种类型，近期又出现了一类合成基钻井液。更具体一些，可分为如图1-1所示的7种类型。

图1-1-1 钻井液的分类

由于水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位，根据体系在组成上的不同又将其分为若干种类型。下面是在参考国外钻井液分类标准基础上，在国内得到认可的各种钻井液类型

（一）分散钻井液（Dispersed
Drilling Fluids）

分散钻井液是指用淡水﹑膨润土和各种对粘土和钻屑起分散作用的处理剂（简称为分散剂）配制而成的水基钻井液。它是一类使用历史较长﹑配制方法较简单且配制成本较低的常用钻井液。其主要特点是：

1、可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液。

2、容易在井壁上形成较致密的泥饼，故其滤失量一般较低。

3、某些分散钻井液，如以磺化栲胶﹑磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。但与其它钻井液类型相比，它也有一些缺点。除抑制性和抗污染能力较差外，还因体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。

（二）钙处理钻井液（Calcium-Treated Drilling Fluids）

钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度（质量浓度）的Ca2+ 和分散剂。Ca2+ 通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨润土，从而减弱水化的程度。分散剂的作用是防止Ca2+ 引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态，以保证钻井液具有良好﹑稳定的性能。这类钻井液的特点是，抗盐﹑钙污染的能力较强；并且对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。

（三）盐水钻井液（Saltwater Drilling Fluids）

盐水钻井液是用盐水（或海水）配制而成的。在含盐量从1%（Cl– 质量浓度为6000 mg/l）直至饱和（Cl–质量浓度为189000 mg/l）之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。

（四）饱和盐水钻井液（Saturated Saltwater Drilling Fluids）

是指钻井液中NaCl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。

（五）聚合物钻井液（Polymer Drilling Fluids）

聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子量聚合物作为主处理剂的水基钻井液。由于这些聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的粒度范围内，与此同时所钻出的岩屑也因及时受到包被保护而不易分散成微细颗粒。其主要优点表现在：

1、钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层的损害程度也较小。

2、剪切稀释特性强。在一定泵排量下，环空流体的粘度﹑切力较高，因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速。

3、聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，因此有利于保持井壁稳定。因此，自20世纪70年代以来，该类钻井液一直在国内外得到十分广泛的应用，并且其工艺技术不断得到完善和发展。

（六）钾基聚合物钻井液（Potassium-Based Polymer Drilling Fluids）

钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾（或铵﹑钙）盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此，在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。

（七）油基钻井液（Oil-Based Drilling Fluids）

以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液称作油基钻井液。目前含水量在5%以下的普通油基钻井液已较少使用，而主要使用油水比在（50～80）：（50～20）范围内的油包水乳化钻井液。与水基钻井液相比较，油基钻井液的主要特点是能抗高温，有很强的抑制性和抗盐﹑钙污染的能力，润滑性好，并可有效地减轻对油气层的损害等。因此，使用该类钻井液已成为钻深井﹑超深井﹑大位移井﹑水平井和各种复杂地层的重要手段之一。但另一方面，由于其配制成本较高，以及使用时会对环境造成一定污染，因而使其应用受到一定的限制。

（八）合成基钻井液（Synthetic Drilling Fluids）

合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂﹑流型改进剂的一类新型钻井液。由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种良好特性，同时又能大大减轻钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适用于海上钻井。

（九）气体型钻井流体（Gas-typed Drilling Fluids）

气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层﹑易漏失地层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下4种类型：

1、空气或天然气钻井流体（Air / Natural Gas Drilling Fluids）

即钻井中使用干燥的空气或天然气作为循环流体。其技术关键在于必须有足够大的注入压力，以保证能达到将全部钻屑从井底携至地面的环空流速。

2、雾状钻井流体（Mist Gas Drilling Fluids）

即少量液体分散在空气介质中所形成的雾状流体。它是空气钻井流体与泡沫钻井流体之间的一种过渡形式。

3、泡沫钻井流体（Foam Drilling Fluids）

钻井中使用的泡沫是一种将气体介质（一般为空气）分散在液体中，并添加适量发泡剂和稳定剂而形成的分散体系。

4、充气钻井液（Aerated Drilling Fluids）

有时为了降低钻井液密度，将气体（一般为空气）均匀地分散在钻井液中，便形成充气钻井液。显然，混入的气体越多，钻井液密度越低。

（十）保护油气层的钻井液（Drill-in Fluids Drilling Fluids for Formation Damage
Control）

这是指在储层中钻进时使用的一类钻井液。当一口井钻达其目的层时，所设计的钻井液不仅应能满足钻井工程和地质的要求，而且还应满足保护油气层的需要。比如，钻井液密度和流变参数应调整至合理范围，滤失量应尽可能低，所选用的处理剂应与油气层相配伍，以及选用适合的暂堵剂等。

三﹑钻井液的组成

水基钻井液是由膨润土（Bentonite）﹑水（或盐水）﹑各种处理剂﹑加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6 g/ cm3，通常称它们为低密度固相；而加重材料常被成为高密度固相。最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2 g/ cm3。由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切﹑降滤失和造壁等作用，因而又将它和重晶石等加重材料称作有用固相，而将钻屑称作无用固相。在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量。膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。

油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂﹑润湿剂﹑亲油的固体处理剂（有机土﹑氧化沥青等）﹑石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。图1-2和图1-3分别表示水基和油基钻井液的典型组成。

图1-1-2水基钻井液的典型组成 图1-1-3油基钻井液的典型组成

第三节 黏土矿物和黏土胶体化学基础

一、黏土矿物

粘土矿物：细分散的（≤2um）含水的铝硅酸盐类矿物的总称。分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多数是晶质的，在钻井液中是重要的配浆原料，也是地层中常见的岩矿成分。

粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。

粘土岩（泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成为粘土岩。

二、粘土与钻井的关系

粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。

钻井过程中井眼的稳定性，泥页岩的主要组成部分，75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。

油气层的保护，粘土矿物膨胀与钻井液配浆粘土堵塞。

三、粘土矿物的两种基本构造单元

（一）粘土矿物的晶体构造

硅氧四面体与硅氧四面体晶片

硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见图。

硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见图。

（二）铝氧八面体与铝氧八面体晶片

铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央

铝氧八面体晶片：

多个铝氧八面体通过共用的OH连接而成的AL-O八面体网络

（三）晶片的结合

晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层 。

1、1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体

2、2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。

晶层间距C：一个晶层到相临晶层的垂直距离

层间域：相邻晶层之间的空间

层间物：层间域中的物质

单位构造：晶层+层间域

晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。

Si-O四面体：Al3+取代Si4+

Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+

粘土胶体带负电荷

四、几种常见粘土矿物的晶体构造

（一）高岭石（Kaolinite）

高岭石的单元晶层构造（如图1-3-1所示）是由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体晶片组成的，所有的硅氧四面体的顶尖都朝着同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶片由共用的氧原子连接在一起。

高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为Al4[Si4O10] (OH)8，亦可写做2Al2O3·4SiO2·4H2O。因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一片铝氧片组成，故也称为1：1型粘土矿物。其晶层在c轴方向上一层一层地重叠，而在a轴和和b轴方向上连续延伸。高岭石在显微镜下呈六角形鳞片状结构。

高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层（见图2-3），而OH键具有强的极性，晶层与晶层之间容易形成氢键。因而，晶层之间连接紧密，晶层间距仅为7.2×10-1nm，故高岭石的分散度低且性能比较稳定，几乎无晶格取代现象。

由于高岭石具有上述晶体构造的特点，故阳离子交换容量小，水分不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好。目前，一般不用做配浆粘土。在钻井过程中，含高岭石的泥页岩地层易发生剥蚀掉块，对此，必须予以重视，及时采取措施加以解决。

（二）蒙脱石（Montmorillonite）

蒙脱石可看做是叶蜡石的衍生物。叶蜡石的化学式为Al2[Si4O10] (OH)2。叶蜡石的每一晶层单元由两片硅氧四面体晶片和夹在它们中间的一片铝氧八面体晶片组成，如图2-4所示。每个四面体顶点的氧都指向晶层的中央，而与八面体晶片共用。此种构造单元晶层沿a轴和和b轴方向无限铺开，同时沿c轴方向以一定间距（9.13×10-1nm）重叠起来，构成晶体。

蒙脱石的晶体构造与叶蜡石不同之处在于：叶蜡石的晶体构造是电平衡的，即电中性的，而蒙脱石由于晶格取代作用而带电荷。所谓晶格取代作用是在其结构中某些原子被其它化合价不同的原子取代而晶体骨架保持不变的作用。例如，如果蒙脱石晶体中一个Al3+被一个Mg2+ 取代，就会产生一个负电荷，该负电荷吸附周围溶液中的阳离子来平衡。这种取代作用可以出现在八面体中，也可以出现在四面体中。例如，在四面体晶片中的部分Si4+被Al3+取代，八面体晶片中的部分Al3+ 被Mg2+、Fe2+、Zn2+ 等取代。如果二八面体晶片的四个铝原子中有一个铝原子被镁原子所取代，在四面体晶片的八个硅原子中有一个硅原子被铝原子取代，则这种蒙脱石的化学式为：

(Al3.34 Mg0.66) (Si7.0 Al1.0)
O20 (OH)4

蒙脱石晶层上下面皆为氧原子，各晶层之间以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入晶层之间，引起晶格膨胀。更为重要的是由于晶格取代作用，蒙脱石带有较多的负电荷，于是能吸附等电量的阳离子。水化的阳离子进入晶层之间，致使c轴方向上的间距增加。所以，蒙脱石是膨胀型粘土矿物，这就大大地增加了它的胶体活性。其晶层的所有表面，包括内表面和外表面都可以进行水化及阳离子交换，如图1-3-3所示。蒙脱石具有很大的比表面，可以大至800m2/g。

蒙脱石的膨胀程度在很大程度上取决于交换性阳离子的种类。被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石（称为钠蒙脱石），其膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗粒，甚至可以变为单个的单元晶层。很多人试图测定钠蒙脱石的颗粒大小，但是很困难，因为它的矿片很薄，形状又不规则，而且颗粒大小的变化范围也很大。卡恩（Kahn）用超离心机和近代光学仪器研究了钠蒙脱石的颗粒大小粘土颗粒的宽度和厚度均随等效球形半径的降低而减小。这一结果从X—射线衍射和光散射研究得到同样的证明。用超离心机分离出的粗钠蒙脱石，其边缘的电子显微镜照片表明，每3～4个单元层堆叠在一起而组成薄片。如果交换性阳离子主要为钙、镁、铵等（称为钙土、镁土、铵土），则分散程度较低，颗粒较粗。卡恩在研究中运用了“等效球”这一概念。假设一个球体的体积和不规则形状粘土颗粒的体积相等，则该球体谓之粘土颗粒的等效球。

（三）伊利石（Illite）

伊利石也称为水云母。伊利石的理论化学式为：

(K,Na,Ca2)m (Al,Fe,Mg)4 (Si,Al)8O20
(OH)4·n H2O

式中，m小于1。它的原生矿物是白云母和黑云母。在云母演变为伊利石的过程中，由于云母颗粒逐渐变细，比表面积增大，裸露在表面的钾比晶层内部的钾易于水化，也容易和别的阳离子交换；晶层间的K+也有一部分换成了Ca2+、Mg2+、(H3O)+。化学分析表明，伊利石比它的原生矿物云母少钾、多水。因此，它又称为水云母。

伊利石是三层型粘土矿物，其晶体构造和蒙脱石类似，主要区别在于晶格取代作用多发生在四面体中，铝原子取代四面体的硅。最多时，四个硅中可以有一个硅被铝取代。晶格取代作用也可以发生在八面体中，典型的是Mg2+ 和Fe2+，取代Al3+，其晶胞平均负电荷比蒙脱石高，产生的负电荷主要由K+来平衡。

伊利石的晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，这是因为伊利石的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间，另外，K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配位，因此，K+连接通常非常牢固，是不能交换的。然而，在其每个粘土颗粒的外表面却能发生离子交换。因此，其水化作用仅限于外表面，水化膨胀时，它的体积增加的程度比蒙脱石小得多。

伊利石在水中可分散到等效球形直径为0.15μm的颗粒，宽约为0.7μm。有些伊利石以降解的形式出现。这种降解的形式是由于钾从晶层间伸出来，这种变化使某些晶层间水化和晶格膨胀，但是绝不会达到蒙脱石水化膨胀的程度。

伊利石是最丰富的粘土矿物，存在于所有的沉积年代中，而在古生代沉积物中占优势。钻井遇到含伊利石为主的泥页岩地层时，常常发生剥落掉块，需采用抑制粘土分散的钻井液。

粘土矿物的晶体构造，特别是其表面构造和钻井液关系最密切，因为粘土和水及处理剂的作用主要在表面上进行，因此，了解粘土矿物的性质应着重从晶体构造了解粘土表面的性质。三种粘土矿物的特点见表1-3-2和图1-3-5。

（四）绿泥石（Chlorite）

绿泥石晶层是由如叶蜡石似的三层型晶片与一层水镁石晶片交替组成的，如图1-3-6所示。硅氧四面体中的部分硅被铝取代产生负电荷，但是其净电荷数是很低的。水镁石层有些Mg2+被Al3+取代，因此带正电荷，这些正电荷与上述负电荷平衡，其化学式为：

2 [(Si,Al)4 (Mg，Fe)3O10 (OH)] (Mg,Al)6
(OH)12

通常绿泥石无层间水，而某种降解的绿泥石中一部分水镁石晶片被除去了，因此，有某种程度的层间水和晶格膨胀。绿泥石在古生代沉积物中含量丰富。

（五）海泡石族

海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水铝镁硅酸盐。其中包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（又名山软木）。

目前，这种粘土矿物的研究资料较少，它是含水的铝镁硅酸盐，其晶体构造常为纤维状，其特点是硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列，并且相互间被其它的八面体氧和氢氧群所连接，铝或镁居八面体的中央。同时，构造中保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道。图1-3-7是坡缕缟石晶体构造示意图。

海泡石为一含水的硅酸镁，SiO2 与 MgO的分子比约等于1.5。但是长期以来由于各地的海泡石化学成分有显著的差别，所以化学式尚未最后确定，通常以4MgO·6SiO2·2H2O来表示海泡石族具有的独特晶体构造，其外形为纤维状，由它配制的悬浮体经搅拌后，其纤维互相交叉，形成“乱稻草堆”似的网架结构，这是它保持悬浮体稳定的决定性因素。因此，海泡石族粘土悬浮体的流变特性取决于纤维结构的机械参数，而不取决于颗粒的静电引力。

由于这种矿物具有特殊的晶体构造，因而它的物理化学性质也和其它粘土矿物有显著的不同。这表现在它含有较多的吸附水（如表1-3-3），具有好的热稳定性，适用于配制深井钻井液。另一方面，它在淡水中与在饱和盐水中造浆情况几乎一样，因而具有良好的抗盐稳定性。因此，用它配制的钻井液用于海洋钻井和钻高压盐水层或岩盐层具有很好的悬浮性能。

（五）混合晶层粘土矿物

有些地方发现，多种不同类型的粘土矿物晶层堆叠在同一粘土矿物晶体中，这类矿物称为混合晶层粘土矿物。不同晶层的互相重叠，称为混层结构。最常见的混层结构有伊利石和蒙脱石混合层（简称伊蒙混层）、绿泥石和蛭石的混合层结构。一般来说，各晶层的排列次序是无规则的，也有地方是以同样的次序有规则的重复排列。通常，混合晶层粘土矿物晶体在水中比单一粘土矿物晶体更容易分散，也易膨胀，特别是当其中一种成分有膨胀性时，更是如此