[转载]钻井泥浆基础知识
第一节 钻井泥浆的分类与造浆粘土
　　第一单元 钻井泥浆的分类
按适用条件，可以把泥浆分为：①用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层的泥浆，简称松散层泥浆；②用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆，简称水敏抑制性泥浆；③用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆，简称水溶抑制性泥浆；④用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆，简称硬岩钻进泥浆；⑤用于异常低压或异常高压地层的低比重泥浆或加重泥浆；⑥用于超深井、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。
配制泥浆用的基本液体是水或油。若粘土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆称为水基泥浆；若粘土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆称为油基泥浆。大部分钻井场合下，使用成本较低，配制方便的水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用，它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型，前者油水比在50～80和50～20之间，后者含水量不超过5%。
从粘土在泥浆中的分散程度来看，又可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。
细分散淡水泥浆是靠粘土在水中高度分散得到，是泥浆的早期类型。泥浆中的含盐量小于1%，含钙量小于120PPM，不含抑制性高聚物。其组成除粘土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往还加有降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。虽然这类泥浆在稳定性、流动性和对地层抑制性方面存在明显缺陷，但在一些以提高泥浆粘性为主的钻井场合还常使用。
粗分散抑制性泥浆是在细分散泥浆的基础上，加入无机聚结剂，使粘土颗粒适度变粗，同时加入有机护胶处理剂而形成。它对井壁岩土的分散有抑制作用，自身抗侵能力强而且性能稳定、流动性好钻进效率高，在钻井工程中得到广泛的应用。这类泥浆的含盐或含钙量较高，具体又分为钙处理泥浆（含钙量大于120MG/L，如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆），盐水泥浆（含盐量大于1%，如盐水泥浆、海水泥浆、饱和盐水泥浆）和钾基泥浆（KCl含量大于1%）。
不分散低固相泥浆是较新型的泥浆体系。低固相是指泥浆体系中的固相含量（造浆粘土和钻碴等所有固相）按体积计不超过4%，由此使得机械钻速提高，尤其是在硬岩钻进中效果更为明显；所谓不分散，有3层含义：①粘土颗粒因高聚物存在而变得较粗；②对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴净化泥浆；③对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前，这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。
国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的，如：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等
第二单元 土的组成
土主要由粘土矿物组成，另外还可能含有非粘土矿物和其他杂质。
土中的非粘土矿物主要有长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石等。这些非粘土矿物的含量不一，它们是泥浆中含砂量的主要来源，对泥浆性能起负面影响，因此，这些物质的含量越少越好。
土中的杂质主要是有机物和可溶性盐。有机物为植物的茎、根、叶及其他腐植质等。可溶性盐为钙、镁、钠、钾的碳酸盐，硫酸盐，氯化物和硝酸盐等。这些物质明显影响泥浆的纯度和性能。
粘土矿物分为4个族类，它们均属于含水铝硅酸盐，并有一定量的金属氧化物。典型粘土矿物的化学组成含量如表4-1所示。
　 （1）高岭石族 代表性矿物为高岭石，其他矿物包括埃洛石、地开石、珍珠陶土等，含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。
　 （2）蒙脱石族 代表性矿物为蒙脱石，其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。
（3）水云母族代表性矿物为伊利石（伊利水云母），其他矿物包括绢云母、水白云母等，含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。
（4）海泡石族代表性矿物为海泡石，其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等，相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。
典型粘土矿物的化学组成含量表&&&&&
各种化学成分的含量（%）
江西浮梁高岭
江苏苏州阳山
美国怀俄明
新疆夏子街
美国乔治亚
南澳大利亚
从上表中可以大致看出4类粘土矿物在化学组分上的特点和差别：高岭石的三氧化铝（Al2O3）含量较高，蒙脱石的二氧化硅（SiO2）含量较高，伊利石的钾离子含量较高，而海泡石族的H2O含量较高。另外，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等的含量也各有不同。依据化学成分的含量，可以初步确定粘土的种类。
为什么4类粘土矿物在化学组分上有明显差别？不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样？这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发，进行深入分析。
第三单元 粘土矿物的构造特点分析
一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。
铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。由于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。
硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。但是，这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的，因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。
还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换，它是指在晶格构架不变的情况下，四面体中的硅（+4）被低价离子铝（+3）或铁（+3）置换，八面体中的铝（+3）被低价离子镁（+2）等置换。同晶置换导致粘土颗粒带负电，而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下，同晶置换是粘土原生条件所决定的，不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。
图11-1 硅氧四面体及其晶层示意图
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影
图11-2 铝氧八面体及其晶层示意
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影
１．高岭石的结构特点
高岭石的化学式是Al4[Si4O10][OH]8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞，如图11-3所示。
图11-3 高岭石的结构特点
高岭石矿物，即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在C轴方向上一层一层重叠，而在A轴和B轴方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为1:1型粘土矿物。其相邻两晶胞底面的距离为7.2Ǻ。另外，其晶体构造单位中电荷是平衡的。
　高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对，形成结合力较强的氢键，因而晶胞间联结紧密，不易分散。故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体，与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗，小于2μm的颗粒含量仅占10～40%。
　高岭石矿物晶体结构比较稳定，即晶格内部几乎不存在同晶置换现象，仅有表层OH－的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡，因而其负电性较小。由于负电性很小，致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低，所以水化等"活性"效果差。
　由上可知，高岭石矿物由于晶胞间连接紧密，可交换的阳离子少，故水分子不易进入晶胞之间，因而不易膨胀水化，造浆率低，每吨粘土造浆量低于3m3。同时因可交换的阳离子量少，粘土接受处理的能力差，不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。因此，高岭石不是好的造浆粘土。
　 从钻井的井壁稳定性看，如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时，一般井壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。
　 ２．蒙脱石的结构特点
　蒙脱石化学式是(Al1.67Mg0.33)[Si4O10][OH]2·nH2O。其晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞，四面体和八面体由共用的氧原子联结（图11-4）。同样，在C方向重叠，沿A、B方向延伸。形成蒙脱石粘土颗粒。由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为2:1型粘土矿物。其晶胞底面距为9.6Ǻ，吸水后可达21.4Ǻ。
图4-4 蒙脱石的结构特点
(图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值，不是蒙脱石的数值)
　蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是，重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对，其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间联结不紧密，易分散微小颗粒，甚至可以分离至一个晶胞的厚度，一般小于1μm的颗粒达50%以上。从形状上看，晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍，是薄片状的颗粒。
　蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多，即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换，置换量可达20～35%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换，置换量较小，一般小于5%。因此，蒙脱石晶胞带较多的负电荷，其阳离子交换容量大，可达80～150meq/ml。
　由上可以分析出，蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密，可交换的阳离子数目多，故水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，造浆率高，每吨粘土可达12-16m3左右。同时，因可以吸引较多的阳离子，故"活性"大，接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能，是优质的造浆粘土矿物。
　 从钻井的井壁稳定性看，如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时，易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。
　 ３．伊利石的结构特点
　伊利石又称伊利水云母，其化学式是K&1(Al,Fe,Mg)2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O。伊利石的结构总体上与蒙脱石相似，即也是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞，故也是2:1型粘土矿物。不同之处是伊利石两晶胞之间存在较多的钾离子（K+）图。因而使其性能与蒙脱石有较大差别。
　伊利石晶胞之间钾离子的直径为2.66Ǻ，与硅氧四面体六角环的空穴内径相当，故钾离子进入空穴后不易出来，它的嵌合作用使上下两层晶胞联结得很紧，水分子也难以进入其中。因此这种粘土不易分散。
　伊利石晶格内部也有同晶置换现象，如硅氧四面体中有1/6的硅（Si）可被铝（Al）置换，使晶胞呈现负电性，因而有一定的离子交换能力。但它吸附钾离子后，由于钾离子不易电离出去，使其失去"活性"，交换能力降低。
　上述结构特点的制约，使伊利石的造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。在钻进中钻到伊利石粘土或富含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但有剥落掉块的可能。
&& ４．海泡石的结构特点
　海泡石族粘土矿物的化学式是：Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4·8H2O，为含水镁铝硅酸盐。它也是2:1型粘土矿物，但颗粒的片状程度没有蒙脱石那么明显，而是呈棒状，从微观结构看属于双链状构造。在常规条件下，海泡石的造浆性能不如蒙脱石，但由于具有特殊的结构构造，使其在高温下体现出良好的稳定性。
　首先，在海泡石中，硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列，而相互间被其他的八面体所连接，因而晶体构造中有一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道；其次，海泡石中的镁离子含量高，而镁离子又能束缚众多的结晶水。因此，由于水的散热效应等，使海泡石具有较高的热稳定性，能耐260℃以上的高温，因而适于配制深井和地热井泥浆。
　另外，由于特殊构造，海泡石粘土具有良好的抗盐性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样。因此是配制盐水泥浆或对付盐类地层泥浆的好材料。
　 为了更直观地比较4种粘土矿物的特点，特列表如下：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
四种粘土矿物的性能比较表&&&&&&&
晶胞结构类型
晶胞间引力
阳离子交换容量
Al4[Si4O10][OH]8
OH层与O层相对
有氢键引力强
(Al1.67Mg0.33)[Si4O10]
[OH]2·nH2O
O层与O层相对
分子间力弱
易分散造浆率高
K&1(Al,Fe,Mg)2
[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O
OH层与O层相对，层间有K+
Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4
综合表中的结果，蒙脱石是最好的泥浆配制材料；海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差，但在耐高温、抗盐侵方面具有较好稳定性；高岭石与伊利石的造浆性能差。
第四单元 造浆粘土的选用与质量评价
粘土在工业和民用上有许多用途，如铸造中的造砂型、冶金中的团矿等都需要一定质量的粘土。钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。
国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。
自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。
如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用"地层造浆"，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。
无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。
　 （一）粘土矿物的鉴定
粘土矿物的鉴定是确定粘土矿物的种类，检查其是否属于以蒙脱石为主的膨润土。由于粘土矿物的粒级一般在几微米以下，因此鉴定的方法主要有两大类型：
　 （1）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、X衍射法、红外光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法；
　 （2）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定。
　这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。以差热分析方法为例。粘土矿物在加热时会失去水分，质量减轻。一般粘土矿物中含有三种水：自由水、吸附水和晶格水(粘土矿物结晶构造中的一部分水，一般温度升高到300℃以上才能失去)。通过对粘土矿物加热时所发生变化的分析，不仅能够说明因脱水和结晶构造所引起的吸热反应的特征，还能指示温度升高时因形成新的物象所引起的放热反应。差热分析的结果以热效应对炉温的连续曲线的形式绘出。曲线中的波谷表示吸热反应，波峰则表是放热反应。曲线离基线的偏差反映试样温度与炉温之差，是热效应强度的量度。几种粘土矿物的差热曲线如图11－5所示。
图11-5 三种粘土矿物的差热曲线
　高岭石在400～500℃开始失去结晶水，表现强烈、尖锐的吸热谷，这时，高岭石结构破坏形成非结晶质的偏高岭石。950～;时有一放热峰，这是由于偏高岭石重结晶所产生的。
　伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈宽缓的吸热谷。550～650℃排出结晶水呈现较宽的吸热谷。850～950℃继续排出结晶水，晶格破坏，有一较弱的吸热线。900～;有一明显的放热峰。
　蒙脱石友三个特征吸热谷和一个放热峰；第一吸热谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反应，因相对湿度和层间可交换性阳离子不同，可表现为单股、双谷或三谷。550～750℃为第二吸热谷，是排出结晶水的反应，平缓且宽。900～;出现第三吸热谷，晶体结构破坏，紧接者出现一个放热峰，表是矿物重结晶形成尖晶石和石英等。
　 （二）造浆粘土的评价
　综合国内外对膨润土的研究成果，评价造浆膨润土优劣的测试项目包括：（1）蒙脱石含量；（2）胶质价和膨胀倍数；（3）阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；（4）可溶性盐含量；（5）造浆率；（6）流变特性和失水特性。
　对造浆粘土的评价方法之一是按照造浆性能要求确定粘土的造浆率。所谓造浆率是指：配得表观粘度为15&10-3Pa·s的泥浆时，每吨粘土造浆的立方数，计量单位为m3/t。它直接表示泥浆造浆效率的高低，
　以此评价泥浆的宏观性能。造浆率的具体测定规范是：在定量的蒸馏水中加入定量的膨润土粉，经搅拌后密封静止24小时，使之充分预水化，然后搅拌，用直读式旋转粘度计测600转时的读数，当读数为30即对应表观粘度15╳10-3Pa·s时，依加土量计算造浆率：
式中： B --造浆率，m3/t；Vw --水的体积，ml；Ws
--土的重量，g；Ms --土的比重，g/cm3。
　显然，一次性定量配出的被测泥浆不可能正好为ηA=15╳10-3Pa·s，因此应该预估水、土加量范围，配制2～3种不同水、土比的泥浆，分别测定它们的ηA值，然后用两点或三点连线法插值或顺延出造浆率值。
　测定造浆率之前，对被测粘土的加工处理应该按照统一要求进行，使粘土的细度、水分含量、含砂量等指标处于标准范围，以保证造浆率测定的准确性。
　应该指出，表观粘度虽然比较重要地反映了泥浆的性能，但是并不能唯一表明泥浆性能，更严格的造浆率指标还应该结合泥浆的失水量、屈服值、塑性粘度等指标来进行评价。　国外造浆用商品膨润土的质量标准，主要是API标准即美国石油协会标准，此外，还有原来的OCMA（石油公司材料协会）标准、日本的JBAS标准和前苏联标准等（见表11-3）。我国目前采用国际上通用的API标准作为商品膨润土的质量标准。若将表观粘度与失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等结合起来衡量，能更加符合钻井实际来准确地反映膨润土的本质特征。
粘土造浆率质量标准指标表&&&&&&&&&&&&
质量标准指标
对被测土的技术要求
泥浆达到的性能指标
造浆率(m3/t)
水分含量(%)
200目筛余量(%)
API失水(%)
屈服值(0.478Pa)
漏斗粘度(s)
前苏联标准
注：ηp为泥浆的塑性粘度
第二节 粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
第一单元 土的水化分散
粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。粘土水化的结果即形成泥浆。粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。
　 （一）粘土水化的原因
　 粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：
　 1. 粘土表面直接吸附水分子
　粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限度地降低其自由表面能；（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。
　 2. 粘土吸附的阳离子的水化
　粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。
　 （二）影响粘土水化的因素
　 1. 粘土矿物本身的特性
　粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。
　 2. 交换性阳离子的种类
　粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40Ǻ，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17Ǻ。
　 3. 水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量
　水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱。盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理。
　 （三）粘土水化膨胀的过程
　 粘土的水化膨胀过程经历两个阶段，即：表面水化膨胀和渗透水化膨胀两个阶段。
　 1. 由表面水化引起的膨胀
　这是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为10Ǻ。在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。此三种力的净能量在第一层水分子进入时的膨胀力达到几千大气压（H.Van奥尔芬指出，欲将最后几个分子层的吸附水从粘土表面挤走，需要&0.101325MPa的压力）。
　 2. 由渗透水化引起的膨胀
　当粘土层面间的距离超过10Ǻ时，表面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间的双电层斥力便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起的膜膨可使粘土层间距达到120Ǻ。增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。
　 粘土水化膨胀达到平衡距离（层间距大约为120Ǻ）的情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中，形成粘土悬浮液。
图11-6 粘土表面的扩散双电层
为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本胶体化学原理，引入扩散双电层理论对粘土-水界面的行为机理进行分析。
　 （一）双电层成因与结构
　由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反的离子--阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正电荷相对应的电层，以保持电的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图11-6所示。
　吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个Ǻ。这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。
　 2. 扩散层
　扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成的较厚的离子层。这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为10～00Ǻ。　
3. 滑动面　
它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。　
4. 热力电位E
它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。热力电位愈高，表示粘土颗粒表面带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。
5. 电动电位ζ
它是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处的电位差。电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量的差值。电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。
（二）影响电动电位的因素
电动电位的大小受以下几方面因素的影响：
阳离子的种类
阳离子的种类决定了阳离子电价的高低和阳离子的水化能力。当粘土颗粒吸附高价阳离子时，由于一个离子带的电荷多，粘土颗粒表面的总电荷量一定时，吸附层中被阳离子中和的电量多，于是电动电位低，扩散层中的阳离子数目少，扩散层及粘土表面的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。若粘土颗粒吸附的是低价阳离子，吸附层中被阳离子中和的电量少，电动电位高，扩散层中的阳离子数目多，扩散层以及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。例如，钙膨润土用碳酸钠处理，Na+取代Ca2+，因Na+为一价离子，且水化能力强，粘土颗粒周围的扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定。相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代粘土表面吸附的Na+，由于Ca2+是二价离子，水化能力弱，因而粘土颗粒的水化膜变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。
　& 2. 阳离子浓度
阳离子（例如Na+）虽水化能力强，粘土颗粒水化膜厚，泥浆稳定，但Na+浓度有一合适的范围，若Na+浓度过大，同样会使泥浆由分散转为聚结。这是因为：（1）阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层的机会增大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄（即所谓挤压双电层），分散体系由分散转化为聚结；（2）阳离子浓度大，阳离子数目多，阳离子本身水化不好，同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附的水分子，因而使粘土颗粒周围的水化膜变薄，分散体系由分散转为聚结。泥浆使用时受盐（NaCl）侵，是由于Na+过多，起了压缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。又如钙膨润土用纯碱改性处理时，碳酸钠存在有最佳加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，泥浆性能变坏。
此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影响，如钙膨润土改性而加入钠盐，加入Na2CO3而粘土颗粒分散，若加入NaCl，则粘土颗粒聚结。故泥浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子的影响。
　 （三）双电层理论对粘土水化的应用分析
由于吸附的阳离子水化，使粘土颗粒周围形成水化膜。电动电位愈高，扩散层愈厚，粘土颗粒周围的水化膜也愈厚，阻隔作用的增强使粘土颗粒在运动时愈不易因碰撞而粘结，粘土颗粒的水化分散效果便愈稳定；电动电位愈高，粘土颗粒之间的斥力愈大，分散性就愈强。因此，粘土颗粒表面带电量一定时，粘土颗粒在悬浮液中的水化分散稳定性主要取决于电动电位的高低。双电层理论的这一重要结论对钻井而言，具有两个方面的实际应用意义。
(1)．双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义在于：①原生膨润土矿多为钙膨润土，造浆时加入一价钠盐，提供Na+，因离子交换吸附，扩散双电层中阳离子由Ca2+转为Na+，ζ电位升高，扩散层增厚，粘土分散，泥浆稳定。②泥浆受钙侵时，Ca2+的浓度增大，扩散双电层中Na+转为Ca2+，ζ电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。③为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时，应严格控制加量，过量会起压缩扩散层的副作用，同时必须考虑阴离子的影响。④可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆的分散或适度聚结，用以配制不同种类（分散的或适度聚结的）的泥浆。
(2)．从井壁稳定的角度来看，双电层理论也有重要的指导意义：若所钻地层的膨润土含量较高，在外界阳离子的作用下，ζ电位升高，水化分散性增强，易使井壁水化分散，给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。因此，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，采取压缩双电层，降低ζ电位的措施，能使井壁、槽壁的稳定性增强。
　& （四）正电荷扩散双电层
在酸性和中性的粘土悬浮液中，粘土片端部的Al-OH和Si-O键的OH－和O2-，因电离或断键而离去，于是粘土颗粒的端部便带正电荷，形成带正电荷的扩散双电层。因为正电荷与粘土层面所带的负电荷相比是较少的，故就整个粘土颗粒而言，所带的净电荷是负的。
粘土颗粒表面所带电荷的性质与溶液pH值有关。当pH值由酸性转为碱性且pH值不断升高时，带正电荷的端部也可转为带负电荷；而当pH值降低，溶液的酸性增大时，粘土颗粒层面带的负电荷也可转为带正电荷。因此，为使粘土颗粒带稳定的负电荷，形成稳定的带负电荷扩散双电层，必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即pH值必须大于7，一般要求为8.0～9.0，有时要求pH值高达9～10以上。
第三单元 粘土在水中的分散状态
制备泥浆用的粘土，可能是优质膨润土，即以蒙脱石为主的粘土；也可能是混合型普通粘土，并且泥浆中还加有不同种类、不同数量的处理剂，因而粘土-水分散体系中粘土颗粒呈不同的形态存在。总的可分为分散，絮凝，聚结三种形态。因粘土种类不同，表面带电情况不同，其结合形式也有所不同，如图4-7所示。
图11-7 粘土在水中的分散状态示意图
A-分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；C-边－面结合，仍分散； D-边-边结合絮凝；
E-边-面结合，聚结且絮凝；F-边-边结合聚结且絮凝
颗粒之间的联结有三种情形：面-面接触，边-面接触和边-边接触。以蒙脱石为主的膨润土，粘土含量低时可呈A的状态，随着土含量的增加向C和E型发展。而以高岭石为主的劣土，则从含量低时的B型向D、F型发展。钻进时含有岩屑的实际井浆，其中固体颗粒的存在状态比较复杂，可能是图的各种形式的综合。即同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态。
泥浆分散体系中，粘土颗粒的分散和聚结是泥浆体系内部两种对立的倾向。由于地球重力场的存在和体系外部环境的经常变化，因而泥浆体系中粘土颗粒的凝聚或聚结是经常的，绝对的，而分散和稳定则是暂时的、相对的。研究泥浆分散体系的目的，是在了解泥浆体和纱内部稳定和聚结的动力过程的基础上，通过对泥浆进行化学处理，使分散性差、不稳定的泥浆体系转变为分散性好而相对地较稳定的泥浆以满足钻井的要求。泥浆分散体系的稳定是指它能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏的特性。它包含两方面的含意，即沉降稳定性和聚结稳定性。
（一）泥浆的沉降稳定性
沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉降决定于重力和阻力的关系。当重力和阻力相等时，颗粒均速下沉。若颗粒为球形，按Stokes定律，沉降速度为：
--球形颗粒的半径，cm；ρ，ρ0--颗粒和分散介质的比重，g/cm3；η--分散介质的粘度，Paos；g--重力加速度，m/s-2。
要满足上式，必须符合三个条件：（1）球形颗粒的运动要十分缓慢，周围液体呈层流分布；（2）颗粒间距离是无限远，即颗粒间无相互作用；（3）液相是连续介质。
由（11-2）式可看出：沉降速度与颗粒半径的平方，颗粒和介质的比重差呈正比，与介质粘度呈反比。尤以颗粒的大小对沉降速度影响最大。
按（11-2）式，当颗粒和分散介质的比重分别为2.7和1.0，分散介质的粘度为1.5&10-3Paos时，可求出沉降1cm的时间。
由（11-2）式计算出，颗粒大于1μm便不能长时间处于均匀悬浮状态。用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒大都在1μm以上，故不加处理剂难以获得稳定的泥浆。因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒的尺寸，即应采用优质粘土造浆，以提高其分散度，其次应提高液相的比重和粘度。
　 （二）泥浆的聚结稳定性
泥浆的聚结稳定性是指泥浆中的固相颗粒是否容易自动降低其分散度而聚结变大的特性。泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系的聚结稳定性。
泥浆分散体系中粘土颗粒之间的排斥力是由于粘土颗粒都带有负电荷，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。具有同种电荷（负电荷）的粘土颗粒彼此接近或碰撞时，静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的阻碍因素。当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分布。要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的排斥能或排斥势能。排斥势能（VR）决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：
式中ε--溶剂的介电常数；r--球形颗粒的半径，m；φ0--颗粒表面的电位，V；H0--两球形颗粒球面最短距离，m；K--离子氛半径的倒数，1/K可看作为双电层厚度的量度，m-1。
泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德华引力。范德华引力是色散力、极性力和诱导偶极力之和。对两个原子来说其大小与两原子间的距离的7次方呈反比（或对吸引能来说是6次方）。但泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合体，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距离的2次方呈反比。若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接近到两球表面间距离H0比颗粒半径r小得多时，则两颗粒间的吸引势能（VA）为：
式中 A--Hamaker常数，负号表示吸引能。
由上看出，排斥能和吸引能都是颗粒间距离的函数。只是变化规律不同。若势能以距离为函数作图，可得势能曲线，如图11-8所示。
两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和，即：
图11-8 相互吸引位能曲线
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
从图11-8的势能曲线看出，势能曲线的形状决定于VA和VR的相对大小。V（1）是排斥力大于吸引力的势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。V（2）则表示在任何距离下排斥力都不能克服颗粒之间的引力，因此便会聚结而产生沉降。曲线V（1）上有一最高点，叫斥力势垒，颗粒的动能值只有超过这一点才能引起聚结，所以势垒的高低往往标志着分散体系稳定性的大小。
第三节 泥浆性能及其测试方法
第一单元 比重、固相含量与含砂量
泥浆的比重是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆比重的大小主要取决于泥浆中固相的重量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有加重剂等其他固相物质加入的时候，加重剂等物质的重量也须计入。
泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相和无用固相，前者如粘土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为4.5，赤铁矿为6.0，方铅矿为6.9等）和轻固相（粘土比重一般为2.3～2.6，岩屑比重一般在2.2～2.8之间）。
　 泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。
　采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量/体积）在4～6%以下便可达到要求的粘度，此时泥浆比重在1.03～1.05左右。相反，若用造浆泥浆中的固相含量应控制在4%左右（体积含量），此时泥浆比重在1.05～1.08左右。
　泥浆的比重和固相率低的粘土配浆，要达到同样的粘度，粘土用量要达20～30%以上，此时泥浆比重高达1.15以上。目前对优质轻泥浆，在粘度符合要求时，含量对钻井有重要意义和影响。
　 1. 地层压力的控制
　钻井中防止漏失，涌水和维持孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔-地层间的物理力平衡。而孔内静液柱压力的大小决定于孔内液柱的单位重量或比重以及垂直深度，即：
Ps--静液柱压力，N；γ--单位体积的重量或比重，Kg/m3；H--液柱垂直高度，m。
　& 若把每单位高度（或深度）增加的压力值叫压力梯度。用Gs表示静液压力梯度，则：
图11-9 泥浆固相含量对钻速的影响
　因此静液柱压力梯度Gs决定于泥浆的比重，可以调节泥浆的比重使Gs与地层压力梯度Gp相适应以求得钻孔-地层间的物理力的平衡。
　 2. 对钻速的影响
　 近年来进行的泥浆比重、固相含量对钻速影响的研究得出如下的结论：
　 （1）随着泥浆比重的增加，钻速下降，特别是泥浆比重大于1.06～1.08时，钻速下降尤为明显。
　（2）泥浆的比重相同，固相含量愈高则钻速愈低。由此泥浆比重相同时，加重泥浆的钻速要比普通泥浆高，因为加重泥浆的固相含量低。
　（3）泥浆的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低。由此，不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高，如图11-9所示。甚至有些研究者得出小于1μm的颗粒对钻速的影响比大于1μm颗粒的影响大12倍。因此，为提高钻进效率，不仅应降低泥浆的比
重和固相含量，而且应降低固相的分散度，即应采用不分散低固相泥浆。
　 3. 含砂量的影响
　泥浆中的无用固相（主要为岩屑）含量会给钻进造成很大的危害。首先，无用固相含量高，泥浆的流变特性（见下节）变坏，流态变差。不仅使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。其次，泥浆中无用固相含量高，泥饼质量变坏（泥饼疏松，韧性低），泥饼厚。这样，不仅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。第三，泥浆无用固相含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。
　因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆比重和固相含量，特别是无用固相的含量。测量泥浆比重的仪器目前用得最多的是比重秤（其结构如图11-10所示）。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为泥浆的比重值。可以把这种方法的原理形象地归结为"杠杆原理"。
图11-10　泥浆比重秤
1-杯盖；2-泥浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀垫；6-支架； 7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒
测量泥浆比重前，要用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。
　对泥浆中固相含量的测定，一般采用"蒸馏原理"（如图11-11所示）。取一定量（20ml）泥浆，置于蒸馏管内，用电加热高温将其蒸干，水蒸气则进入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后称出干涸在蒸馏器中的固相的重量，读出量筒中液相的体积，计算泥浆中的固相含量，其单位为重量或体积百分比。
图11-11 钻井液固相含量测定仪
1-蒸馏器；2-加热棒；3-电线接头； 1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯 4-冷凝器；5-量筒
对泥浆的含砂量的测定，采用筛析原理，如图11-12所示。
图11-12 泥浆含砂量测定
1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯
第二单元 泥浆的流变特性
泥浆的流变性是指泥浆的流动和变形性质，它以泥浆的粘稠性为主要研究对象。在第二章中，对工程浆液流变性的理论基础和参数测试方法已做了详细阐述。在此，结合钻井工程实际，对泥浆流变性做进一步的讨论。　
(一)泥浆流型的不同形成机理
　泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可以分为四种理论流型，即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。一种具体泥浆的实际流型与哪一种理论流型较相近，就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的含量。
　粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成。由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉流型来反映较为合适。
　当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆结构力很低时，可以用幂律关系来描述泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系，也就是说流动慢时切力增加得快，流动快时切力增加得慢。其原因是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力增加得越慢。
　对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似的物质，也就是说既存在结构力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为合适。
　 (二) 泥浆粘稠性对钻井工作的影响
　泥浆把钻碴从井底携至地表或者在井中悬浮钻碴，主要是靠泥浆的粘稠性；对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。仅从这两点考虑，泥浆的粘度和动切力应该取高值。这也是选择泥浆做钻井液的基本出发点。
　但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面，主要表现在：使井底碎岩效率降低；增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。因此，不能盲目增大泥浆的粘稠性，而应根据具体地层和钻井工艺要求，综合兼顾多方面的情况，确定合适的泥浆粘度和动切力。
　 (三) 泥浆的表观粘度与剪切稀释作用
　如果把泥浆分为四种流型的流体，则具体衡量这四种泥浆粘稠性的参数是互不相同的。可以用一个统一的指标参数来反映各种泥浆的相对粘稠性，这就是表观粘度ηA它等于泥浆流动时的剪切应力τ与剪切速率的比值。对于牛顿流体，表观粘度就是牛顿粘度，是常量；而对于其他三种流型的流体，表观粘度不是常量，而是随剪切速率增加而减小的变量（这一点，无论从流变方程还是流变曲线上都能被很好地说明）。如果取剪切速率比较中间的某一定值作为对象，用该点对应的表观粘度作为平均表观粘度，则不同流型泥浆的粘稠性就有了相对统一的比较标准。
　泥浆表观粘度随剪切速率增加而减小的性质称为泥浆的剪切稀释作用。剪切稀释作用对钻井工作十分有意义：在钻头部位，泥浆流速大，表观粘度低，有利于井底碎岩；而在环空中，由于泥浆流速减小，表观粘度提高，有利于悬携钻碴。
　 (四) 泥浆的凝胶强度和触变性
　一旦泥浆停止流动即静止，便有或多或少的结构逐渐形成，直至趋于稳定。把泥浆静置时的结构力称为泥浆的凝胶强度，用静切力表示。凝胶强度是随泥浆静置时间的增长而增大的，即静切力是时间的函数。反过来看，当外加一定的切力使泥浆流动时，结构拆散，流动性增长。这就是泥浆的触变性。图？给出了膨润土泥浆触变性的一些不同情况。凝胶强度的大小和增长的快慢，对悬浮钻碴和开泵时的循环阻力有直接影响。为使停泵后井内钻碴悬浮而不下沉，希望泥浆有快速强凝的触变性；但这又会导致重新开泵时的循环阻力过大。因此，应该使泥浆具有快速中等强度的触变性。
第三单元 泥浆的失水造壁性
（一）失水造壁性的概念
　在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁（图4-13）。井中的压力差是造成泥浆失水的动力，它是由于井中泥浆的液压力与地层孔、裂隙中流体的液压力不等而形成的。井壁地层的孔隙、裂隙是泥浆失水的通道条件，它的大小和密集情况是由地层岩土性质客观决定的。泥浆中自由水的概念在前面已经叙及，除了较大的裂隙和空隙外，一般地层的孔、裂隙较小，只允许自由水通过，而粘土颗粒周围的吸附水随着粘土颗粒及其他固相附着在井壁上构成泥皮，不再渗入地层。
图11-13 泥浆失水造壁性示意图
　　井壁上形成泥皮后，渗透性减小，减慢泥浆的继续失水。若泥浆中的细粒粘土多而且水化效果好，则形成的泥皮致密而且薄，泥浆失水便小。反之，泥浆中的粗颗粒多且水化效果差，则形成的泥皮疏松而且厚，泥浆的失水便大。很明显，泥皮厚度（更严格地说应是滤余物质）是随失水量增大而增加的。
　泥浆在井内的失水处在两种不同的背景条件下。一种是水泵停止循环，泥皮不受液流冲刷，井内的液压力只是泥浆柱静水压力，这时的失水称为静失水；另一种是水泵循环，泥皮受到冲刷，井内的液压力是泥浆静水柱压力与流动阻力损失之和，这时的失水称为动失水。根据实际钻井工序，这两种失水是交替进行的。
　另外，在钻头破碎孔底岩石，形成新的自由面的瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。
　 静失水时，泥皮逐渐增厚，失水速率逐渐减小。因此时压力较小，泥皮较厚，固失水速率比动失水小。
　 动失水时，泥皮不断在增厚，同时又不断被冲刷掉，当增厚速率与被冲刷速率相等时，泥皮厚度动态恒定，失水速率也就基本不变。
　以钻孔某一孔深处的孔壁为讨论对象，该处孔壁的失水全过程，从钻头钻经此处开始，发生短暂的瞬时失水之后，即形成动失水、静失水的不断循环反复，直至钻井完成。
　 （二）失水性对钻井工作的影响
　 许多情况下，泥浆的失水对钻井的危害较大。
　 (1)当地层为泥页岩、黄土、粘土时，失水过大会引起井壁吸水膨胀、缩径、剥落、坍塌；
(2)对于破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼内，造成井壁坍塌、卡钻等事故；
　 (3)在溶解性地层中的失水越多，井壁地层被溶解的程度就越高；
　 (4)厚泥皮会加大对钻具的吸附，使钻杆回转阻力增加；
　 (5)厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大；
　 (6)厚泥皮使测井数据的准确性降低；
　 (7)失水量越多，对地层的侵染越严重；
　 (8)失水量越多，对地层的伤害越严重，影响油、气、水的渗透率，降低井的产量。
　 泥浆的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土，使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。
　 （三）失水量影响因素分析
　 分析失水量的影响因素及其相互之间的关系，以静失水为讨论基础。
　泥浆的静失水是一个渗滤过程，因此遵循达西渗流定律。在此假设：地层的渗透率和泥皮的渗透率均是常数，且前者远大于后者；泥皮是平面型的，其厚度与钻孔直径相比很小。泥皮的厚度随时间增加而逐渐增大。按达西定律则有：
Qt---渗透速率，m2；K---泥皮的渗透率，m2；A---渗滤面积，m2；ΔP---渗滤压力，Pa；h---泥皮厚度，m；μ--滤液粘度，Paos；Vt---滤失液体的体积，即滤失量，m3；t--渗滤时间,h。
　 当一定量泥浆完全滤失掉时，则有下面的关系；
Vm=h·A+Vt; Vt=h·A·Cc
Vm---过滤的泥浆体积,m3；Vt---泥皮中固体颗粒堆积的体积,m3；Cc---泥皮中固体颗粒的体积百分数。
Cm为泥浆中固体颗粒的体积百分数，即 ,于是上式可得：
将式（11-10）代入式（11-9）中，得：
整理后有：
积分后得：
由式（11-12）看出：单位渗滤面积的滤失量与泥皮的渗透率K、固相含量因素、滤失压差△P、渗滤时间t等因素的平方根成正比；与滤液粘度的平方根成反比。虽然式（4-12）是静态状况下的失水量关系式，但它能比较有效地反映影响失水的大部分因素，其数学推导过程确切，便于建立统一的衡量标准。
　关于动失水，主要是在静失水的基础上加入对泥皮冲刷的影响，由于模拟环境与各种井内复杂的动态情况存在差异，建立统一的解析模型比较困难。现在，国内外已有一些动失水衡量的理论正在不断发展。从对泥皮的动冲刷力考虑应该着重在两个问题上进行深入研究：（1）钻井液循环和钻具回转引起对泥皮的液动冲刷，特别注意流速场分布在泥皮界面处流速的大小和流态；（2）泥浆在泥皮界面上相对滑动的润滑性和粘滞阻力。
　从以上讨论中可以分析泥浆降失水的主要途径为：①平衡或减小井液与地层孔隙流体之间的压差；②选用优质造浆粘土和有关处理剂，增加水化膜厚度；③增加泥浆中粘土的含量；④选用能提高水溶液粘度的处理剂，增加泥浆滤液粘度；⑤加快在复杂地层段的钻进速度，减少井壁裸露时间；⑥减少钻井液循环对井壁的冲刷。
　 （四）泥浆失水量的测量
　 1、 静失水仪
　采用气压式失水仪（图11-15）。测试条件：压差7.1&105Pa，过滤断面45.3cm2，温度20～25℃。测量时连续测两个点（例如7.5min，30min），然后按计算，衡量泥浆的失水特性。
气压式失水仪
1-量杯；2-放水阀；
3-过滤板；4-泥浆杯；
5-放空阀旋扭；
6-放空阀；7-压力表；
8-减压阀；9-CO2气瓶；
10-气源总体端益
&　2、动滤失仪
　如图11-16所示，仪器最高压差为10MPa，相对滤器表面产生的流速梯度范围在0～500-1之间自由变换。用泥浆2.2L。底部装有滤纸过滤孔，侧壁有两个岩心滤孔，可装岩心长3～18cm。既可测得泥浆在滤纸上的动、静失水
量，又能在不同渗透率的岩心上测得动、静失水数据。
图11-16　动滤失仪
　 3、 高温高压失水仪
　如图11-17所示，高温高压动滤失仪（便携式）除能模拟井下温度和压差外，还能模拟泥浆流动时对井壁产生的剪切速率，其主要性能指标为：工作压力0～300MPa，工作温度为20～150℃，剪切速率为0～700S-1，泥浆用量为200～300ml。
图11-17　高温高压失水仪
图11-18泥浆润滑性用润滑仪测定
1.胶体率与稳定性
　泥浆的胶体率是泥浆中粘土水化分散程度及其悬浮状态稳定性的简易且有效的衡量。将100ml泥浆倒入有刻度的量筒中，静置24h，观察泥浆析出水分的情况。如上部析水5ml，则表明泥浆胶体率为95%。一般要求泥浆的胶体率在96%以上。
　 泥浆稳定性与胶体率在本质上相似，它是以静置24h后泥浆上下两层的比重差来衡量的，一般规定比重差值应小于0.02。
　泥浆的pH值（酸碱度）对泥浆的性能有很大影响。粘土颗粒带负电，它必须在碱性条件下才能维持稳定，多数有机处理剂必须在一定的PH值下才能发挥好的效用。不同配方的泥浆具有自身的PH值，一般应控制在8～11之间。泥浆在使用过程中，若发现PH值相对于原设计值发生了变化，则应及时加以调节。提高PH值，可以加入NaOH、Na2CO3或Ca（OH）2等；降低pH值，可加入稀释的HCl或酸式盐。泥浆pH值的简单测量，是用pH试纸；较精密的测量可用pH电位计（酸度计）。一般是对泥浆滤液进行测量，有时也可直接对泥浆进行测量。
3.润滑性与泥皮粘滞性
泥浆的润滑性与钻具磨损、循环流动阻力、设备功率消耗等有密切关系。为提高泥浆的润滑性，可以使用油包水乳化泥浆、油基泥浆、PAM泥浆等，也可以在一般泥浆中加入一部分油或无机润滑剂如硫化钼（MOS）和石墨粉等。泥浆润滑性用润滑仪测定，如图11-18所示：
测量时，圆环和钢柱都浸泡在被测液中，由力矩控制机构控制两者的接触压力，当两者发生相对转动时，读出转矩数值并换算出被测液体的摩擦阻力值。
泥皮粘滞性是衡量钻进过程中钻具回转或升降时，受泥皮阻尼的特性。石油钻井中泥皮粘滞性大时，往往粘附卡钻，起钻困难。因此泥皮粘滞性是一个比较重要的性能指标。泥皮粘滞性可用泥皮粘附系数测定仪测量。
&&& 4.抑制性
　泥浆的抑制性是指泥浆抑制井壁岩土水化、膨胀、分散的性能，在原理上与粘土的造浆性和井壁的遇水稳定性有密切的联系，其评价实验的仪器和方法较多，例如简单的浸泡试验法、页岩膨胀测试仪、瓦式膨胀仪、滚子炉滚动回收法、毛细管吸收时间法、页岩稳定性指数实验法等，部分有关的试验方法参见第十二章第四节。
第四节 泥浆的设计与配制
较全面的泥浆设计的基本流程是：设计泥浆的重度、流变性、降失水性等主要技术指标；确定泥浆的胶体率、允许含砂量、固相含量、pH值、润滑性、渗透率、泥皮质量等重要参数；选择造浆粘土和处理剂；进行泥浆处理剂配方设计；泥浆材料用量计算；确定泥浆的制备方法；拟订泥
浆循环、净化、管理措施。
1．按平衡地层压力的要求计算泥浆的重度ν。即νh=PC或νh=P0。PC、P0分别为井深H处的地层侧压力或地层空隙流体压力，它们的确定方法见本章第三节。那么，究竟是按PC还是按P0计算，要视实际情况下平衡哪那一种压力更为重要来定。如果两者都需要平衡，就应该分别计算出两种结果，权衡出介于两者之间的某值。一般钻井泥浆的重度在1.02～1.40之间。
2．考虑悬排钻渣、护壁堵漏的要求确定泥浆的流变性。流变性的指标主要是粘度η和切力τ。η和τ的调整范围很宽，一般η的范围在10cP～100cP
，τ的范围在 ～ ，应视不同钻井情况具体确定。另外，在一些情况下，还要考虑泥浆的剪切稀释作用和触变性。
3．泥浆的其他设计指标的参考范围为：失水量一般应不大于15ml/30min，含砂量不大于8%，胶体率不小于90%，pH值视不同泥浆在6～11之间变化，润滑性必要时应控制在　。
　各种钻进情况下的钻进目的、地层特点、钻进工艺方法等差异甚大，因而对钻井泥浆性能等有明显的不同的要求，设计重点也因此而不同。例如，在钻碴粗大及井壁松散的地层中，泥浆的粘度和切力等流变性指标成为设计重点；在稳定的坚硬岩中钻进，泥浆设计的重点是针对钻头的冷却和钻具的润滑，而此时护壁和排粉等则处于次要位置。又如在遇水膨胀塌孔的地层中钻进，泥浆的设计重点则应放在降失水护壁上；在对压力敏感的地层中，泥浆的重度设计又显得尤为重要。似此，针对特定的钻进情况，在全面设计中找出相应的设计要点，是做好泥浆设计的关键所在。
　在泥浆性能设计中可能会遇到一些相互矛盾的情况，满足一些设计指标时，另一些指标则得不到满足。对此，应该抓住主要问题，兼顾次要问题，综合照顾全面性能。在一些要求不高的场合，可以酌情精简对泥浆性能的设计，适当放宽对一些相对次要指标的要求，以求得最终的低成本和高效率。
第二单元 泥浆材料用量计算
（1）泥浆总体积的计算。所需泥浆总量V是钻孔内泥浆量V1、地表循环净化系统泥浆量V2、漏失及其它损耗量V3的总和：
V=V1+V2+V3
其中钻孔内泥浆量为： ．地表循环净化系统泥浆量为泥浆池、沉
淀池、循环槽和地面管汇的体积之和。漏失及其它损耗量，应根据实际情况确定。
　 （2）粘土粉用量计算
配制1m3体积的泥浆所需粘土重量q按以下过程推导计算：
式中： -粘土的比重，2.6～2.8； -泥浆的比重； -水的比重．
　 （3）配浆用水量计算
　 配制1m3体积的泥浆所需水量Vw为：
　 （4）增加比重加土（或重晶石）量的计算
配制加重泥浆时，加重1m3泥浆所需加重剂的重量W(Kg)为：
式中： -加重剂的比重； -加重泥浆的比重； -原浆的比重。
　 （5）降低泥浆比重所需加水量x（m3）
式中：V-原浆体积，(m3)； -原浆比重； -加水稀释后
的泥浆比重； -水的比重。
　（6）泥浆处理剂的用量计算
　总的来看，处理剂在泥浆中的加量较少，按体积含量计一般只占泥浆总体积的0.1%～1%。具体数值由不同的配方决定。值得注意的是要澄清处理剂的加量单位，粉剂一般是以单位体积泥浆中加入的重量来计，而液剂则是以单位体积泥浆中加入的体积量来计。在一些特殊情况下，还有以单位粘土粉重量中加入多少处理剂来计算。
第三单元 泥浆的配制
图11-19 立式泥浆搅拌机
&1-输水管；2-工作轮；3-齿轮箱；4-轴承；5-传动轴；
6-伞齿轮；7-机架；8-搅拌轴；9-搅叶；10-搅拌桶
无论是井场制备或泥浆站集中制备供应各井场，制备泥浆的设备有两种：一是用泥浆搅拌机（卧式或立式的）；一是用水力搅拌。
勘探岩心钻探用的泥浆搅拌机，卧式的容量一般为0.3～0.5m3；立式的一般为0.5～1m3（图11-19）。搅拌机速度一般为80～100r/min。
使用粘土粉造浆时，最好采用水力搅拌器（图11-20）。粘土粉加入漏斗中，并利用水泵排出管的液流与粘土粉在混合器中混合，混合液在混合器中沿螺旋线上升至容器上部，输出泥浆。反复循环几次后，便可配得
所需性能的泥浆。
图11-20 泥浆水力搅拌器
1-漏斗；2-三通管；3-喷嘴；4-容器；5-钢板
为使泥浆有较好的性能，用粘土粉配得的泥浆最好在储浆池中陈化一天，然后放入循环系统中，由水泵送入孔内使用。
在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，成孔的难度很大。这类地层称为机械分散地层。由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时井壁很容易坍塌。
　对于这类地层用泥浆护壁，解决问题的关键是增加井壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入井壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁的稳定性增强。
　提高泥浆粘度，主要通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现。细分散泥浆是含盐量小于1%，含钙量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组成除粘土、Na2CO3和水外，为了满足钻井需要，往往加有提粘剂、降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有不同种类，如钠羧甲基纤维素泥浆、铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。用较高粘度的细分散泥浆在砂、砾层中钻进的成功工程很多，包括在流砂地层中钻进。在此举出以下一些典型的配方实例。
　 1、Na-CMC（钠羧甲基纤维素）泥浆
　这是一种最普通的提粘型泥浆，Na-CMC起进一步提粘和降失水作用。配方为：优质造浆粘土150～200g，水1000ml，纯碱5～10Kg，Na-CMC6kg左右。泥浆性能为比重1.07～1.1，粘度25～35s，失水量小于12ml/30min，pH值约9.5。
　 2、铁铬盐-Na-CMC泥浆
　该泥浆提粘且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝（稀释）作用。配方为：粘土200g，水1000ml，纯碱液50%浓度加量约20%，铁铬盐溶液浓度20%，加量0.5%，Na-CMC
0.1%。泥浆性能为比重1.10，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。
　 3、木质素磺酸盐泥浆
　木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液，一般与煤碱剂配合使用，以在提粘的基础上解决泥浆的防絮凝和降失水。配方为1m3泥浆用80～200kg粘土，30～40kg亚硫酸纸浆废液，10～20kg煤碱剂，5～10kgNaOH，5～10kg消泡剂，900～940L水。泥浆性能为比重1.06～1.20，漏斗粘度18～40s，失水量5～10ml/30min，静切力1min6～45dPa，10min12～90dPa，在钻进过程中为进一步降失水可每立方米加1～3kg
　 4、腐植酸泥浆
　腐植酸泥浆是用煤碱剂或腐植酸钠（钾）做稳定剂（防絮凝）的，它可以与其他处理剂如Na-CMC等配合使用，制备腐植酸泥浆的配方是1m3泥浆中加50～200kg煤碱剂(干量)，3～5kgNa2CO3，905～955L水。泥浆性能：比重1.03～1.20，漏斗粘度20～60s，失水量4～10ml/30min，静切力1min18～60dPa，10min36～120dPa，pH值9～10。
第六节 溶蚀性地层泥浆
溶蚀性地层以氯化钠盐层最为典型，其他还有钾盐、石膏、芒硝、天然碱等。这类地层又称为水溶性地层，它遇到钻井液中的水，就会发生溶解，使钻井井壁溶蚀掉，其结果经常导致井眼超径、垮塌。
对付水溶性地层，主要从两方面入手解决：一是降失水，其原理和方法前面已经介绍过；二是降低钻井液对地层的溶蚀性。在泥浆中加入与地层被溶物相同的物质，使溶解度趋于饱和，就是常用的治理溶蚀的方法。例如在岩盐中钻进，采用盐水泥浆作为钻井液，防塌效果良好。
盐水泥浆是粘土悬浮液中氯化钠含量大于1%，或用咸水（海水）配制的泥浆，它是靠氯化钠的含量较大而促使粘土颗粒适度聚结并用有机保护胶维持此适度聚结的稳定粗分散泥浆体系。依含盐量的高低，分为盐水泥浆，一般含盐量3%～7%；海水泥浆，总矿化度一般3.3%～3.7%和饱和盐水泥浆，氯化钠约为33%～36%。
盐水泥浆的粘度低，切力小，流动性好，抗盐侵，抑制岩盐地层的溶解，抗粘土侵的能力强，抑制泥页岩水化膨胀，坍塌和剥落的效果好。
盐水泥浆的配制有两种情况：其一是先用淡水制备分散性泥浆，然后加盐转化为盐水泥浆；其二是直接用咸水或海水配制泥浆。前一种情况相当于盐侵后泥浆的处理，容易配制；后一种情况，由于膨润土和普通粘土在盐水中不易分散，故配浆困难。为此，对于用盐水或海水直接配浆，宜用抗盐粘土，如凹凸棒土，海泡土等。
由淡水泥浆转为盐水泥浆
淡水泥浆中加入NaCl，随NaCl含量的增加，泥浆性能的变化如图4-20所示。由图看出①NaCl含量小于1%时泥浆粘度，切力和失水量的变化不大，属淡水泥浆的范围；②泥浆中含盐量大于1%时，粘度、切力和失水量随含盐量增大而迅速上升，当含盐量达某一值时（此值依粘土特性而定）、粘度、切力达到最大值；③含盐量超过某一值时，粘度和切力随含盐量的增加而下降，失水量则继续增大；④pH值随含盐的增加而逐渐下降。
　泥浆性能的这种变化，可用以前阐述的双电层原理解释。随着NaCl加入量的增加，泥浆中Na+增多，这样粘土吸附层中阳离子数目增多，由此ζ电位下降，扩散层厚度减小，泥浆由细分散向聚结方向转变，水化膜变薄，粘土颗粒间形成聚结结构，因而粘度、切力上升，由于聚结，水化膜变薄，自由水增多，失水量也上升。当NaCl超过某一值时如图11-20中为3%左右），粘土颗粒聚结明显，分散度下降，致使粘度切力下降，失水量继续上升。
图11-20 淡水泥浆加NaCl后的性能变化
1-粘度；2-切力；3-失水量；4-pH值（用5%丹宁酸钠处理的普通粘土泥浆）
由图11-20的泥浆性能变化看出，若配制NaCl含量1%～3%的盐水泥浆，则泥浆处理应着重于降粘度和切力，而配制含盐量大于3%的盐水泥浆，泥浆处理主要应降失水。
　 pH值下降的原因，是由于Na+从粘土中把氢离子和其他酸性离子交换下来的结果。
　由此，淡水泥浆加盐转为盐水泥浆的配制方法为：①粘土（加碱）预水化，制备淡水粘土悬浮液；②加有机处理剂处理，低盐泥浆主要加稀释剂，高盐泥浆主要加降失水剂；③加盐转为盐水泥浆，并用有机处理剂调节泥浆性能，如加CMC以降失水；④加NaOH以提高pH值到需要的范围；⑤钻进中，随盐的消耗（岩屑和孔壁吸附）需补加盐水溶液（含有机处理剂）。
　 2. 用咸水或海水直接配制泥浆
由于普通粘土在咸水中分散效果差，故粘土悬浮液的失水量大，泥浆易失去稳定性，这不符合钻井要求。最好采用抗盐粘土配制盐水浆。凹凸棒土、坡缕蒿土这些抗盐粘土的原理在本章第一节中已作过介绍。与膨润土比较，抗盐粘土虽然在淡水中的造浆率较低，但在盐水中的造浆率却较高。例如膨润土（山东高阳）在淡水中的造浆率为15m3/t，而在饱和盐水中却只有6.7m3/t；凹凸棒土（江苏盱眙）在淡水中的造浆率虽然仅为10m3/t，而在饱和盐水中的造浆率竟有14～19m3/t，在海水中的造浆率也有17.2m3/t。
第二单元 盐水泥浆举例
我国山东钾盐矿床钻探时，在930m至2500m处遇到白垩系石盐岩、钙芒硝夹泥质粉砂岩，石膏等地层；使用的饱和盐水混油乳化泥浆，其组成是：1m3泥浆中加CMC25kg，乳化剂OP型4.5kg，十二烷基磺酸钠4.5kg，皂脚10kg，洗衣粉2.5kg，NaCl325kg，柴油53kg，废机油5kg。泥浆性能为比重1.21，漏斗粘度34s，失水量4.4ml，泥皮0.3mm，塑性粘度21mPa·s，动切力2.75Pa，pH值8。
另一深井钻厚层岩盐时，使用CMC-FCLS饱和盐水泥浆，其组成为纯碱1.5%，FCLS1.5%，烧碱（1/5浓度）0.3%，中粘CMC2%。泥浆性能是：比重1.40～1.41，漏斗粘度30～50s，失水量3.5～4ml，泥皮厚0.5mm，pH值9～10，维护时将各种处理剂的混合液与食盐一起加入，混合液的配比是：丹宁:烧碱:CMC:FCLS:纯碱:水=8:16:10:40:10:100。
第七节 硬岩钻进用泥浆
坚硬的岩石是钻进经常遇到的地层，像花岗岩、石英岩、榴辉岩、片麻岩、闪长岩等属于非常坚硬的岩石，像大理岩、白云岩、千枚岩、板岩、密实的泥页岩等中等硬度的岩石也比粘土和砂、砾要硬得多。
　 对于钻进而言，坚硬岩石有以下特点：
　 1．由于岩石坚硬，钻进时破碎岩石所需要的消耗大，进尺慢，钻头磨损厉害，容易烧钻，这对钻进是不利之处。
2．硬岩中钻进多见于地质勘探孔等情况，此时一般孔径较小（小于150mm），而孔深则较大（可达1000m以上），因此钻进液的循环阻力大。
3．钻进坚硬岩石形成的井壁相对稳定，除了遇到较大的地层破碎带，一般情况下不易发生像土层、泥页岩和砂砾层那样的严重坍塌垮孔。
　 4．由于硬岩钻进多采用像金刚石钻头这样的磨削方式碎岩，钻屑颗粒细小，因而悬排钻屑较为容易。
　针对以上特点，对硬岩钻进泥浆的设计应侧重于增强泥浆的润滑性和冷却性，减少泥浆的流动阻力，减少固相含量以利于提高钻速；而对泥浆的悬排能力和护壁性往往要求不高。
　在泥浆中，聚丙烯酰胺（PAM）不分散低固相泥浆是一种用于硬岩石钻进的泥浆类型，其主要组成包括：预水化膨润土、聚丙烯酰胺絮凝剂、降失水剂、润滑剂和水。所谓低固相是指泥浆体系中的固相（包括造浆粘土和岩屑）含量按体积计不大于4%；所谓不分散是指对进入泥浆体系的钻碴起絮凝作用，不使其分散。
　从PAM长链分子结构分析，NaCOO基团可以很好地水化，OH基团则能吸附絮聚钻碴，而对造浆粘土颗粒，由于相互间的负电斥力，难以将它们捕捉絮聚，因此PAM具有选择性絮凝钻碴的功能。另外，PAM的分子结构特点还使它在泥浆中发挥出其他一些重要作用。经理论分析和实践证明，聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆依托PAM长链分子的特殊作用，在硬岩钻进中呈现出如下的优越性：①低固相含量、流动性好，使机械钻速明显提高，尤其在硬岩中的效果显著；②循环流动阻力损失小，激动压力也小；③PAM还有较强的润滑性，可以减少钻具磨损；④流动性和润滑性好，使钻机与泥浆泵的功率消耗降低；⑤流动性强，冷却钻头效果较好；⑥利用PAM的降失水性、抑制岩土分散性和在井壁上的网膜多点吸附性，具有较好的护壁堵漏性能；⑦泥浆的净化再生程度高；⑧井内清洁、事故率低；⑨污染减轻、成本较低。
　用聚丙烯酰胺配制的泥浆种类较多。不仅有主要用于硬岩钻进即以絮凝除碴为主的，也有用于提高泥浆粘度、抑制地层分散等为主的。这里，仅以絮凝除碴为主的聚丙烯酰胺-聚丙烯腈泥浆（双聚泥浆）为例，介绍其具体配方。这种泥浆的主要处理剂是部分水解PAM（写作PHP）分子量在250&104以上，水解度30%左右，起选择性絮凝和护壁防塌作用，用水解聚丙烯腈（HPAN），聚丙烯酸钙（CPA），聚丙烯腈钙（CPAN），低分子量聚丙烯酰胺（LAP）等作为降失水剂。这种泥浆不用分散型处理剂，泥浆粘度低，流动性好，有较好的护壁和除砂效用，失水量中等，可用于一般松软和水敏性地层钻进，其一些配方如表11-7所示。
粘土造浆率质量标准指标表&&&&&&&&&&&
泥 浆 配 方
泥 浆 主 要 性 能
(占土量）%
Apl失水量ml
注：* 为低分子量PAM，分子量为7&104，水解度为30%
作为絮凝剂使用时，PAM与所絮沉的钻碴一起被消耗掉，因此需要不断补加。补加时，要在井口泥浆流出处加入，以达到在地表沉淀净化系统中而不是在井内除砂的目的。
第八节 耐高温泥浆和高、低重度泥浆
第一单元 耐高温泥浆
在高温地层中钻井，常规泥浆中粘土的分散度增大并且发生"钝化"，失去活性；泥浆处理剂断链、降解、吸附能力减弱，失去其应有的作用；泥浆体系处在高温解吸、高温去水化和高温降粘状况下。因此，泥浆的性能变差，甚至整个泥浆体系遭到破坏。
对此，高温条件下使用的泥浆应考虑解决如下问题：①选用耐高温的造浆粘土，如海泡石和凹凸棒石粘土等。②采用抗温和抗盐能力较强的有机处理剂。丙烯酸类的衍生物、腐植酸类的磺化体，以及各种树脂具有较高的抗温能力，各种树脂与腐植酸类的复合物则既抗高温又抗盐，是目前抗高温处理剂的发展方向。一些处理剂的抗温能力如表11-8所示。③减少粘土加量，对付粘土分散度增大的情况。此时，为保持泥浆携带岩屑和悬浮重晶石的能力，必须加入抗温抗盐的结构增粘剂。实践表明：石棉纤维是较合适的材料。石棉的结构单元呈圆筒状，宏观呈纤维状，圆筒的两端带正电荷，与粘土层面的负电荷相吸而形成结构，可提粘，提高携带钻屑的能力。
一些处理剂的抗温能力&&&&&&&&&&&&&&&
处理剂名称
抗温能力（℃）
处理剂名称
抗温能力（℃）
钻井粉（于淡水中）
磺甲基丹宁
生物聚合物
水解聚丙烯腈
纤维素及其衍生物
腐植酸及其衍生物
220～230（或更高）
磺甲基酚醛树脂
220～230（或更高）
　现以地热井为例，介绍抗高温泥浆的配制。因地热钻井的地层大都为岩浆岩和变质岩，水敏性地层较少，因此，它与石油钻井泥浆有区别。石油钻井泥浆不仅要重点考虑抗温而且要同时重点考虑水敏性地层的抑制；而地热井泥浆一般重点只考虑抗温。从国外地热井钻进的经验看，其泥浆组成比石油钻井泥浆简单。在泥浆体系的设计上，依地热井的温度不同可分为三种情况：
　 （1）100℃以下的低温地热井 其泥浆类型与普通岩心钻探相同，为膨润土低固相泥浆；
（2）100℃以上至200℃的中温地热井一般采用膨润土，高岭土或海泡土配浆，或用它们的混合土配浆，处理剂则用铬褐煤，丙烯酸盐，特种树脂，并加耐温石棉。
　 （3）温度200℃以上为高温地热井 其泥浆的配制主要用海泡土，处理剂主要是褐煤，特种树脂，丙烯酸类和耐温石棉。
　 美国和日本用的泥浆组成和性能如表11-9所示。
粘土造浆率质量标准指标表&&&&&&
适用井温 ℃
泥 浆 组 成
200℃以上
200℃以上
泥 浆 性 能
塑性粘度mPa·s
屈服值0.478Pa
1.05～1.08
1.05～1.15
1.08～1.03
注：* BH-特种腐植酸盐和天然树脂的复合物，泥浆中加有甲基磺化栎木剂（作稀释剂）
为提高润滑性，可加入抗温性能好的润滑添加剂。日本研制的由几种高分子组成的非离子型表面活性剂TEL-CLEAN，可用于230℃以下润滑减阻，使泥浆的摩擦系数降为0.15左右。
第二单元 高、低比重泥浆
在高压地层等一些需要明显增大泥浆比重的场合，仅靠增加泥浆中粘土粉含量已经不能解决问题。因为过量的粘土势必使泥浆粘度、切力增大，导致泥浆在流动性方面不符合要求；同时，粘土的重度（2.2）并不很高，用它增加泥浆的比重，效果不显著。因此，应该用专门的加重剂增加泥浆比重。
　重晶石（BaSO4）为白色粉末，比重为4.2～4.6，细度要求过200目筛子，筛余不大于3%。重晶石只溶于浓硫酸，生成硫酸氢钡，不溶于水、有机溶剂、其他酸和碱溶液。
石灰石粉（CaCO3），比重2.2～2.9，不溶于水，但溶于含CO2的水中，生成重碳酸钙。石灰石粉也可作堵漏材料用。
　其他加重剂还有：比重4.9～5.2的磁铁矿粉（Fe3O4），比重5.3的赤铁矿粉（Fe2O3），比重7.4～7.6的方铅矿粉（PbS）等。
　 按泥浆比重的要求计算加重剂用量的计算方法，详见本章第四节。
2、泡沫泥浆是目前应用较广泛的低比重泥浆，其比重可降低至0.65～0.70左右。它主要用于井壁不稳定的低压漏失地层和石油钻进的低压油气层钻井。在平衡地层压力的同时，由于其比重低，有利于提高机械钻速。
第一节 复杂地层分类
地层是由各种造岩矿物以不同集合形式组成，矿物的成分、性质和结构构造决定了各种类型岩层的物理、力学性质，如岩石的强度、硬度、弹塑性、脆性、水溶性和水化性等。钻进过程中出现的各种复杂情况与岩石性质密切相关。另外，岩层在形成过程中或形成以后，在扭转、挤压、风化、搬运、沉积、溶蚀等内、外动力地质作用下，形成松散层、破碎带、孔隙环境、裂隙环境以及溶隙性环境，也是钻进过程中经常遇到的各种复杂情况。根据复杂地层的成因类型、性质和状态及其在钻进过程中可能出现的情况，可将复杂地层分类如表12-1所示。
表12-1 复杂地层综合分类表
地 层 分 类
成 因 类 型
典 型 地 层
复 杂 情 况
各种盐类地层
水溶性地层
盐岩、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏
钻孔超径，污染泥浆，孔壁掉块，坍塌
各种粘土、泥岩、页岩
水敏性地层（溶胀分散地层、水化剥落地层）
松散粘土层、各种泥岩、软页岩，有裂隙的硬页岩，粘土胶结及水溶矿物胶结的地层
膨胀缩径，泥浆增稠，钻头泥包，孔壁表面剥落，崩解垮塌超径
流砂、砂砾、松散破碎地层
松散的孔隙性地层，风化裂隙发育地层，未胶结的构造破碎带
流砂层，砂砾石层，基岩风化层，断层破碎带
漏水，涌水，涌砂，孔壁垮塌，钻孔超径
构造裂隙地层，成岩裂隙地层
节理、断层发育地层
漏水，涌水，掉块，坍塌
溶隙、溶洞发育地层（石膏，石灰岩，白云岩，大理岩）
漏水，涌水，坍塌
高压油、气、水地层
封闭的储油、气、水的孔隙型地层，裂隙及溶隙地层
储油、气、水的背斜构造，逆掩断层的封闭构造
井喷及其带来的一切不良后果
岩浆活动带与放射性矿物有关地层
地热井、超深井所遇到的地层
泥浆处理剂失效，地层不稳定，H2S造成危害
　上述复杂地层，一些主要表现为井壁直接松散、破碎；一些主要表现为遇水后水化、水溶；另一些则主要表现为漏失、涌水；还有一些主要表现为压力温度异常。许多情况下，地层的多种复杂表现兼而有之，或以一种为主，其他为辅；或是先有一种表现，继而再出现其他复杂状况。
第二节 井壁稳定力学分析
第一单元 地层压力分析
钻井之前，地壳内的岩层处在原始力学平衡和相对稳定状态。钻头钻穿岩层后改变了井壁周围岩石所承受的原始应力，使之失去了原始平衡的稳定条件而发生应力集中，在上部地层压力作用下迫使井壁岩石向井内移动，造成井壁失稳破坏而坍塌。
　与任何一种材料相似，孔壁岩石的失稳破坏是由于在外力作用下其内部应力状态发生变化超过了其强度极限所导致的。因此，从理论上分析井壁的力学稳定性，应该从地层压力入手，解出井壁单元体的应力状态，再将这应力状态变换为与其唯一对应的主应力状态；接着，设法获得井壁岩石的某种强度指标；最后，将主应力状态与强度指标比较，得出井壁岩石是否发生失稳破坏的结论。
　 1. 由上覆地层造成的垂向压力
式中：γ--上覆地层比重；h--地层深度，m。
　 2. 由垂向压力导致的侧向压力
式中：λ--测压系数；μ--地层泊松比；
　 3. 井中静液柱压力
式中：γw--液体比重
　 4. 关于地层孔隙流体压力的说明
　地层孔隙流体压力是指充斥在地层孔隙中的流体的压力，也称地层压力，但应注意与上述的垂向和侧向岩体压力严格区分。当地下流体与地面大气敞通，则处于正常孔隙压力状态，它等于流体的静液柱压力，即：
式中：γ--流体比重；H--流体静液柱高度，m。
　 在一些特殊情况下，还经常会遇到异常的地层孔隙压力，如异常高压或异常低压。
第二单元 井壁单元体应力状态
以垂直井为例，在地层垂向压力、地层侧向压力和井中静液柱压力的作用下，近井壁地层中某一点（图12-1）的应力状态可由弹性力学厚壁筒理论解得：
图12-1 地层厚壁筒模型示意图
式中：σr、σθ、σz--分别为近井壁地层中一点的径向正应力、周向正应力和垂向正应力；P1、
P2--分别为井中液压力和地层水平方向压力；a、b--分别为厚壁筒的内、外半径；r--该点距井中心的水平距离。
　因为实际地层比井筒大得多（b&&a），所以可由以上3式整理得到井壁处（r=a）的应力状态为：
σθ= P1- P2
由于垂直井的特殊性即单元体面上的切应力为零，三个正应力也可以直接看出为三个主应力。但是对于斜井或水平井，由于单元体面上存在切应力，其应力状态比较复杂，必须通过主应力变换公式计算得到。
σr、σθ、σz三者究竟谁为最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主
应力σ3，要视具体参数代入后的计算结果来确定。
第三单元 井壁岩土的强度
井壁岩土的强度是指在标准测试条件下所获得的该岩土的通用强度指标，如单轴抗压强度σbc、单轴抗拉强度σbt等。这些强度指标可以通过对钻进所取出的岩心做单轴强度等试验直接地得到，也可根据所钻地层岩土名称查岩石性质资料间接地得到。
第四单元 井壁失稳破坏的理论判别
运用材料力学强度理论，将上面得到的井壁单元主应力和岩土强度指标代入到材料破坏判别式中即可得出井壁是否失稳破坏的结论。公式（12-11）是较常用的材料破坏判别准则之一--最大剪应力理论（Tresca理论）。式中的σ1和σ3在此是井壁单元体的最大和最小主应力；τmax和σb是井壁岩土的强度指标。具体数值代入后，若不等式成立，则井壁失稳破坏，否则井壁稳定。
　& 也可依莫尔圆理论，用图形方法求得相应的结果。
图12-2 摩尔应力圆图解
图12-2是莫尔圆图形方法示例。以对象地层岩土的单轴抗拉强度σbt和单轴抗压强度σbc为直径作外切圆（图中的两个实线圆）和公切直线L；以两圆的切点为应力原点0，将井壁单元的最大主应力σ1和最小主应力σ3在σ轴上标出；以σ1-σ3为直径，（σ1+σ3）/2为圆心作井壁单元莫尔圆（图中的虚线圆），若虚线圆超出了公切直线L，则井壁失稳破坏，否则井壁稳定。
第三节 井眼漏涌水的研究、测试
第一单元 井眼漏涌水影响因素分析
井眼中的液体向地层中漏失或地层向井眼中涌水，从根本上看是压力不平衡的表现。当井眼中的流体压力与地层孔隙流体压力不相等时，漏失或涌水这种渗透现象就有可能发生。同时，地层的空隙性和流体的粘性对渗透的程度也起到重要影响作用。压力平衡和流体粘度可以人为进行控制，而地层的空隙性则是客观的存在。
　地层的空隙分为孔隙、裂隙和溶隙。这些空隙多互相贯通，成为液体的流动通道。与之相应的地层为孔隙地层、裂隙地层和岩溶地层以及各种空隙相互穿插共存的混合地层。相应地，反映地层空隙性的参数指标分别为：
　 孔隙率--岩石中孔隙的体积与岩石总体积之比。又细分为绝对孔隙率和有效孔隙率，前者含全部孔隙，后者仅含相互贯通的孔隙。
　 裂隙率--裂隙体积与岩石总体积之比。又细分为体积裂隙率、面积裂隙率、线性裂隙率、裂隙密度、裂隙张开程度等。
　 岩溶率--岩溶体积与岩石总体积之比。有体积岩溶率、面积岩溶率和线性岩溶率之分。
　与空隙性紧密相关的是地层渗透性。关于地层渗透性的基本原理在第二章中已做过详细介绍，其中两个重要指标是渗透率k和渗透系数K。以达西渗透定理微分方程为基础，可以从理论上解析推导出水平辐射状渗透条件下钻井井眼漏、涌的计算公式：
式中：QI--液体渗流量；η--渗流液体粘度；RC--井眼半径；RK--影响半径；hS--漏失层厚度；△P--井眼中与地层间压差。
　 对于裂隙地层，若裂隙张开量为δ，裂隙率为m时，则其渗透率为：
k=m(δ2/12)
　 在张开量巨大的裂隙中，液体流动多呈紊流状态，因而其运动服从非线性渗透定律：
式中：QP--巨大裂隙渗透量。
第二单元 在钻进时研究漏失层
(一)机械钻速的观测
　钻速的变化能反映地下岩层的坚硬或松软程度。钻速的变化不仅能了解到所钻岩石的性质变化，还能了解漏失层裂隙尺寸的变化，如在溶洞地层中钻进时的钻具突然坠落，在有松软充填物的大裂隙中钻速的突然加快等现象均可对溶洞或裂隙出现的深度和尺寸进行直接考察。
　可以利用1：500比例尺的地质预测柱状图，在计算纯钻进时间、时效分析和指导钻进和采取岩心的同时，配合钻孔结构绘制钻孔深度与钻速或钻时的关系曲线图，以便及时判断地层岩性的变化和漏失层出现的深度、厚度、洞隙及裂隙大小等。这种方法虽然粗略，但对于没有必要采用物探测井或没有测井资料的钻孔中划分地层、对比地层既及时、直观，又方便。
　应当指出，钻速虽然与岩性密切相关，但还受其他很多影响因素的制约，如钻头类型、新旧程度、钻进工艺参数、操作技术等，都会使钻速的真实性受到不同程度的影响。所以在使用钻速资料时，尚应综合考虑各种因素的影响。使得到的结论比较接近地层的真实情况。
　 (二)岩心和岩粉的观测
　岩心的资料是最直观地反映地下岩层特征的第一性资料，通过对岩心的分析研究可以了解地层的倾角、接触关系、孔隙、裂隙、溶洞及断层的发育情况，通过岩心采取率可以评价岩石的破碎程度，间接判断岩石的透水性及含水层的厚度。因为钻孔漏失通常都发生在含水层中，特别是含裂隙和溶洞的地层，所以要特别注意岩心裂隙的观察和描述。这项工作对及时发现漏失并间接了解漏失通道的大致尺寸，有时是很有用的。例如钻进风化裂隙岩层时，由于裂隙对岩体的分割使采取岩心很困难。如果能注意收集岩屑和岩粉并及时地进行观察研究，就可以对漏失层作出正确的判断并提出合理的治漏措施。另一方面，还可以通过岩屑颗粒的大小间接判断漏失通道的尺寸。因为漏失通道的尺寸大于岩屑的尺寸时，冲洗液中就不会含有岩屑。
　因为石油钻井多采用无岩心钻进，所以对岩屑录井非常重视。井场通过对岩屑的观察和分析研究，可以得到很多地层和油、气、水层的信息资料。可以根据岩屑的粒度组成来评价漏失通道的张开量，在双目镜下挑出所有裂隙和溶洞充填物，用面积法估计裂隙和溶洞中岩屑在全部岩屑中所占的比例，得出裂隙和溶洞发育系数和张开系数等。
　 (三)钻井液性质变化及消耗量的观测
　钻井液的性质在现场主要指颜色、稠度、比重、含砂量等，它们的变化通常能反映孔底的岩石性质。如果遇到含水层时，冲洗液比重和稠度可能降低，在砂、砾石含水层中钻进时，可使冲洗液含砂量增加。因而必须经常注意对冲洗液性质变化的观测，以便即时采取防止漏失的措施。
　钻进中冲洗液消耗量的非正常变化，最能说明岩层透水性的变化。在隔水层钻进时冲洗液消耗甚微。而当遇到含水层并发生漏失时，冲洗液消耗量就可能突然增加。所以要特别注意观测冲洗液突然大量漏失时单位时间的消耗量(漏失强度)。如果漏失严重，孔内不返水时，则应尽快观测孔内水位高度。必要时应提钻观测含水漏失层的静止水位，并通过向孔内定量注水，测量不同时间的动水位变化数据，按动静水位差及漏失强度初步计算该地层的渗透性。
　在能维持正常循环时的漏失条件下，应该在每次提升钻具后和下降钻具前各测一次孔内水位并记录两次测量的间隔时间。停钻期间，每隔1～4h测量一次水位，钻进时应按时测量记录冲洗液的增添量和消耗量。
　总之，对钻孔漏失应观察收集下列资料：①钻孔漏失起止时间、井深、层位、钻头位置，②冲洗液单位时间的漏失量和漏失的总量；③漏失前后及漏失过程中泥浆性能的变化；④孔内是否有返出物，返出量及返出特点；⑤孔内静止水位及动水位的变化情况。如已进行堵漏，还应了解堵漏时间、堵漏物质、堵漏数量及方法，堵漏前后孔内液柱变化情况，⑥堵漏前后的钻进情况，以及泵量和泵压的变化情况。此外，还应记录漏失原因的分析及处理效果的分析。
　 (四)涌水现象的观测
　钻孔涌水时往往伴随有孔壁坍塌、涌砂，钻具陷落等现象出现，这时应立即观测其发生的起止深度，并接长孔口管或压力表，测量其水头高度和单位时间的涌水量，以及水的温度。
第三单元 研究漏失层的物探方法
物探方法是勘探地壳上层岩石构造与寻找有用矿产的重要技术手段之一。常用的方法有电法测井、放射性测井、声波测井、温度测井和钻孔技术测井等。对研究地下含水层和钻孔漏失都很有用。
　 (一)视电阻率测井
所谓视电阻率测井，就是沿井身测量各点的视电阻率变化曲线。根据所用电极不同又分为普通视电极系测井、微电极系测井和井液电阻率测井。
视电阻率测井曲线(图12-3)可用于划分钻孔地质剖面，确定含水层的位置、厚