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表11-1粘土矿物各种化学成分的含量（%）名称产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OH2O高岭石江西浮梁高岭45.5837.22-0.460.070.451.7013.39江苏苏州阳山47.0038.040.510.160.22--13.53蒙脱石膨润土辽宁黑山68.7420.000.702.932.17-0.206.80浙江临安71.2914.171.751.622.221.921.784.24美国怀俄明55.4420.143.670.502.492.760.6014.70山东滩县71.3415.141.972.433.420.310.435.06新疆夏子街63.7016.435.450.282.242.571.945.57伊利石水云母52.2225.914.590.162.840.176.097.14湖南澧县64.2120.132.120.260.52--8.27凹凸棒石美国乔治亚53.648.763.362.029.05-0.7520.00江苏盱眙55.358.435.060.159.730.181.8517.14海泡石江西乐平61.300.570.730.1529.700.160.197.10南澳大利亚52.437.052.24-15.08--19.93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7.2?。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9.6?，吸水后可达21.4?。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K1(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2.66?，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(OH