膨润土的主要成分是什么？它在钻井液中主要起什么作用

膨润土主要成分为蒙脱石，由硅氧四面体和铝氧八面体构成夹层式结构，属于单斜晶系。

以膨润土为主要原料配制钻井泥浆，用于保护井壁、上返岩屑、冷却钻头等。在石油钻井工业中，有机钻井泥浆（油包水泥浆）中所含的泥浆增稠剂、乳胶稳定剂即为有机膨润土，这类泥浆主要用于深井、超深井、海上钻井，因其具有较好的流变性和携带性，膨润土粉碎机故能有效地润滑钻井，防止腐蚀，同时它也是一种很好的提黏提切助剂，可以配制成优良的油包水泥浆和抗高温解卡剂，大大提高钻井速度和减少事故的发生。

帕克化学泥浆粉是一种新型的旋挖钻工程、顶管工程、钻井勘探工程等基础工程化学合成聚合物泥浆，其表观为白色粉末状，无臭，对环境，对人体及牲畜无害，速溶于水，溶解后成半透明糊状，表观粘度大，渗透能力强，胶凝强度大，能有效调节泥浆液的流变性，通过孔内渗透和胶联在孔壁表面能形成一层致密的泥浆保护膜，防止井漏和孔壁坍塌。

钻井液是指满足钻井与完井工程所需要的多功能循环流体。由于在旋转钻井中绝大多数是使用液体，少量使用气体或泡沫，因此把钻井流体称作“钻井液”。目前应用最广泛、研究最深入的是水基钻井液，因此钻井液也常称泥浆(旧称)。我国钻井液技术发展很快。1953年前后开始使用钙基钻井液，开创了粗分散体系的历史。20世纪60年代研制成功了CMC、FCLS处理剂以及70年代钻成了7000m的超深井，又使我国的钻井液技术前进了一大步。1973年前后开始了不分散体系钻井液的研制和使用，目前已基本完善。80年代开始了阳离子钻井液的研制。

一、钻井液的作用及成分钻井液在钻井工程中的主要功用是：(1)清洗井底，携带岩屑；(2)冷却和润滑钻头、钻柱；(3)形成泥饼，保护井壁；(4)控制与平衡地层压力；(5)悬浮岩屑和加重剂；(6)提供所钻地层的有关资料；(7)将水功率传给钻头；(8)防止钻具腐蚀。

钻井液的主要成分有：(1)水(淡水、盐水、饱和盐水等)；(2)膨润土(钠膨润土、钙膨润土、有机土、抗盐土等)；(3)化学处理剂(无机类、有机类、表面活性剂类、高聚合物类、生物聚合物类等)；(4)油(轻质油、原油等)；(5)气体(空气、氮气、天然气等)。这些成分在各类钻井流体中所形成的分散体系不同，因此所起到的作用也不同。从物理化学观点看,钻井液是一种多相不稳定体系,包括悬浮体(如重晶石粉、钻屑、粘土粉等)、胶体(如高聚合物、膨润土的水溶液等)和真溶液(如氯化钠、碳酸钠的水溶液等),其中起主要作用的是胶体成分。

为了满足钻井工程的要求、改善钻井流体的性能，需要在各种钻井液中加入处理剂。根据所起的作用将处理剂分为碱度调节剂、除钙剂、除泡剂、起泡剂、减稠剂、增稠剂、絮凝剂、润滑剂、杀菌剂、乳化剂、堵漏剂、加重剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、页岩水化抑制剂、滤失量降低剂、解卡剂、高温稳定剂等18类，约100～150种,其中经常使用的有20种左右。研究和开发处理剂，是提高钻井液技术水平的重要内容。

二、钻井液的性能为了正确使用钻井液，首先需要对钻井液的基本性能有正确的认识。一般用密度、粘度、切力、失水量、泥饼、pH值、稳定性、胶体率、含盐量和含砂量等项指标来表示钻井液性能的好坏。这些指标直接影响钻井质量和钻井速度。为了快速打出优质井，必须针对不同的钻井情况和要求调整好钻井液的性能指标。对于一般井，着重要求提高钻速、安全钻井；对于深井，还要能够做到充分暴露油气层；对于生产井，还要做到保护油气层,提高产量。这些要求都需要通过制定合理的钻井液性能指标来实现。

1密度钻井液密度是指钻井液单位体积的质量，一般用符号ρ表示，习惯上单位用g/cm3。钻井液柱对井壁和井底产生的压力可以平衡地层压力、防止井喷、稳定和保护井壁,同时可防止高压油、气、水侵入钻井液破坏其性能，使井下情况复杂化。调节钻井液密度可以控制液柱产生的压力。钻井液密度过大会增大动力消耗,降低钻速,憋漏地层,伤害甚至压死油气层，因而钻井液密度不能过高。在可比条件下，密度下降01～02g/cm3，钻速可提高10%以上。因此，国外目前尽量采用低密度钻井液钻井。

2粘度、触变性和切力1)粘度钻井液粘度是流动时钻井液中固体颗粒间、固体颗粒与液体之间以及液体分子之间的内摩擦的反映。由于测量方法不同，有不同的粘度值。目前最常用的是塑性粘度。

塑性粘度是指在层流流动状况下，钻井液中固相颗粒间、固体与液体分子间的内摩擦以及液体本身受剪切所产生的流动阻力的总和。用旋转粘度计测定，单位用mPa·s表示。

影响塑性粘度的主要因素是钻井液中所含固体颗粒的数量、大小以及粘土矿物的类型。固体颗粒多、粒度细，比表面增加，内摩擦增大，塑性粘度必然增加。降低塑牲粘度最有效的办法是用水稀释或通过机械降砂的办法降低固相含量。

钻井液的粘度要适当。粘度太低，不利于携带岩屑；粘度太高则会带来许多问题，如：(1)使流动阻力增大、泵压上升、排量下降，井底清洗效果变差，以致于严重影响钻速。(2)造成清砂和降气工作困难。(3)易引起泥包钻头，造成“拔活塞”或卡钻。(4)下钻后开泵困难，循环压力高，易憋漏地层。因此，必须根据钻井速度、动力设备和所钻地层的实际情况选择合适的粘度。

2)触变性和切力钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀、静置后变稠的这种特性。钻井液在停止搅拌后，由于粘土颗粒形状不规则、性质不均匀，粘土颗粒间能形成网状结构，慢慢失去流动性，并且结构强度随静止时间的延长而增加。用力搅拌可以破坏网状结构，使钻井液重新恢复其流动性。这就是触变性的一般机理。这种情况在钻井中经常出现，如钻进时钻井液不断循环，粘度较低；而起、下钻时钻井液停止循环，粘度就增大。

钻井液的触变性可用静切力来表示。静切力是指破坏每平方厘米钻井液的网状结构所需的最小力，单位为mg/cm2。钻井液静切力的大小可用切力计进行测定。

由于钻井液具有触变性，则静止时间不同，静切力也不同。一般测两种静止时间的切力：静止1min后所测切力值为初切；静止10min后所测切力值为终切。1min与10min切力值的差异是由触变性所决定的，故其差值能描述钻井液触变性的大小。

钻井液流动时，部分网状结构被破坏，同时另一部分的网状结构又在恢复，最终形成一种动态平衡。网状结构的存在使钻井液具有一定的胶凝强度。度量动态平衡状态下网状结构强度大小的量称作动切力。动切力是钻井液在层流状态时一项非常重要的性能参数，它对流动阻力及运输岩屑的能力影响最大。动切力受粘土粒子表面性质、固相浓度和固相表面带电性质等因素的影响。常用旋转粘度计测定，单位为g/cm2。

3失水量与泥饼在钻井过程中钻井液的失水可分为静失水和动失水。一般动失水是指钻井液流动循环过程中的失水。循环中泥饼有一个形成过程，从建立、增厚直到平衡，在这个阶段的失水都属于动失水。静失水是指静止状态的失水量，地面测量的失水就是静失水。起钻时钻井液停止循环，泥饼随着失水量的增加有所增厚，随着泥饼增厚失水量又有所减少，这个阶段属于静失水。钻井过程实际上是静失水与动失水交替变化的过程。

1)泥饼的形成和失水钻井所遇到的砾石层、砂岩层及裂缝性地层等都是有孔隙和裂缝的，也就是说这些岩层具有渗透性。当钻井液柱产生的压力大于地层压力时，钻井液会沿岩层的缝隙渗入地层。开始时，钻井液中较大的固体颗粒先将大孔堵小一些；然后，由次大的颗粒再将孔堵小一些。持续堆积固体颗粒使孔越来越小，最后形成泥饼。泥饼的形成过程如图5-7所示。

图5-7　钻井液失水示意图

与此同时，钻井液中的自由水渗入地层。渗入地层的水称为钻井液的失水。泥饼形成过程中，钻井液中自由水渗入地层的阻力逐渐增加，失水逐渐减少。泥饼形成后，失水主要取决于泥饼本身的渗透性，而地层渗透性对于失水的影响就变得很小。因此，钻井液失水和泥饼的形成是同时进行的，也是相互影响的。开始由于失水形成泥饼，而形成的泥饼反过来又阻止进一步失水。钻井液的失水量和泥饼可用失水仪测定。

2)泥饼和失水与钻井的关系泥饼在失水过程中才能形成，所形成的泥饼又能巩固井壁并阻止进一步滤失。失水过大会引起油层中粘土膨胀等井下复杂情况，损害油气层的渗透率，故失水应尽可能低一些。

泥饼的作用主要有以下几个方面：

(1)泥饼可以控制失水。

(2)泥饼有润滑作用，可以减少钻具转动的动力消耗，另一方面也可以防止粘附卡钻。

(3)泥饼胶结性好，巩固井壁作用强，可防止松散地层的剥蚀掉块和坍塌。

(4)泥饼有可压缩性，在深井段可以进一步降低失水，巩固井壁。

从以上分析可以看出,一般要求失水量越小越好，但也要根据实际情况作具体分析。在快速钻井过程中或在不易坍塌的地层钻井时可用清水。这时虽然失水量较大，但可大大提高钻速，并可节约处理剂用量。另外，钻井液类型不同要求的失水量范围也不同。聚合物钻井液、盐水钻井液虽然比淡水钻井液失水量大，但由于聚合物及盐水钻井液能抑制泥页岩，仍可保持井壁稳定。

4pH值钻井液的pH值，即酸碱度,是钻井液中氢离子浓度的负对数值。pH值小于7时，钻井液为酸性,pH值越小，酸性越强。pH等于7时，钻井液为中性。pH值大于7时，钻井液为碱性，pH值越大，碱性越强。高碱性钻井液(如石灰钻井液)pH值为12～14；不分散低固相钻井液的pH值为8～9；弱酸性钻井液(如饱和盐水钻井液)，pH值为6～7。现代钻井常用低碱性钻井液。

5含砂量钻井液的含砂量是指钻井液中不能通过200号筛子(筛孔边长74μm)的砂子占钻井液总体积的百分数。

钻井液的含砂量过大，则易磨损钻具和泵的零件。随含砂量的增加，泥饼变粗变厚、摩擦系数增大、密度增加，严重时会引起卡钻。因此，一般要求钻井液的含砂量小于1%。

一般采用含砂量瓶及特别仪器进行含砂量的测定。

6含盐量钻井液的含盐量是指钻井液滤液中含可溶性盐类(钠盐和钙盐等)的数量，用每升溶液中含盐类的毫克数表示。

可用滴定法或确定钻井液电导率的方法来测定含盐量。

7稳定性钻井液的稳定性可以从两方面分析：

(1)钻井液中的固相是否容易下沉以及沉降的快慢(称沉降稳定性)。

(2)钻井液中的粘土颗粒是否容易粘结变大(称絮凝稳定性)。

现场一般只测沉降稳定性。沉降稳定性的好坏，在一定程度上也能反映出絮凝稳定性的好坏。此外，絮凝稳定性还可以根据失水、切力、沉降体积等间接测得。

钻井液类型：

依据基液和主要处理剂的不同，钻井液可以分为以下几类：

（1）气体配制成的：空气、氮气钻井液；

（2）水配制成的：充气--泡沫钻井液、硬胶黏土钻井液、聚合物钻井液；

（3）非水配制成的：油基或合成基钻井液、全油基钻井液和逆乳化钻井液。

钻井液由分散介质、分散相和添加剂组成。

钻井液按分散介质（连续相）可分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体等。

钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组成。液相可以是水（淡水、盐水）、油（原油、柴油）或乳状液（混油乳化液和反相乳化液）。固相包括有用固相（膨润土、加重材料）和无用固相（岩石）。化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。

水基钻井液

水基钻井液是一种以水为分散介质，以粘土（膨润土）、加重剂及各种化学处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、粘土、加重剂和各种化学处理剂等。水基钻井液基本经历了五个阶段，即天然钻井液（1904-1921年）、细分散钻井液（1921-1946年）、粗分散钻井液（1946-1973年）、不分散低固相钻井液（1966年至今）、无固相钻井液（1968年至今）、聚合物钻井液（1978年至今）阶段等。

水基钻井液还可分为：

（1）淡水钻井液。氯化钠含量低于10mg/m^3，钙离子含量低于012mg/m^3。

（2）盐水钻井液（包括海水及咸水钻井液）。氯化钠含量高于10mg/m^3。

（3）钙处理钻井液。钙离子含量低于012mg/m^3。

（4）饱和盐水钻井液。含有一种或多种可溶性盐的饱和溶液。

（5）混合乳化（水包油）钻井液。含有3%-40%乳化油类的水基钻井液

（6）不分散低固相聚合物钻井液。固相含量低于4%，含有适量聚合物。

（7）钾基钻井液。氯化钾含量高于3%。1978年以来开始在我国钻井现场使用。

（8）聚合物钻井液。它是以聚合物为主体，配以降粘剂，降滤失剂、防塌剂和润滑剂等多种化学处理剂所组成的钻井液。它是20世纪80年代发展起来的一种新型钻井液体系。包括阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液、全阳离子聚合物钻井液、深井聚合物钻井液和正电胶钻井液等。

油连续相钻井液

油连续相钻井液（习惯称为油基钻井液）是一种以油（主要是柴油或原油）为分散介质，以加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混合体系。其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。它基本经历了原油钻井液（1930年初）、油基钻井液、油包水（反相乳化）钻井液（1960年至今）等三个阶段。

（1）原油钻井液。主要成分是原油。

（2）油基钻井液。以柴油（或原油）为连续相，以氧化沥青为分散相，再配以加重剂和各种化学处理剂配制而成。

（3）油包水（反相乳化）钻井液。一柴油（或原油）为连续相，以水为分散相呈小水滴分散在油中（水可占60%的体积），以有机膨润土（亲油鹏润土）和氧化沥青等稳定剂，再配以加重剂和各种化学处理剂等配制而成。1978年以来开始在我国钻井现场使用。

气体型钻井流体

气体钻井液是以空气或天然气作为钻井循环流体的钻井液。

泡沫钻井液是以泡沫作为钻井循环流体的钻井液。主要组成是液体、气体及泡沫稳定剂等。

20世纪80年代我国标准化委员会钻井液体系分委会把钻井液分为：不分散地固相聚合物钻井液、淡水钻井液、盐水钻井液、饱和盐水钻井液、钙处理钻井液、钾基钻井液、油基钻井液、气体钻井液等八大体系。

API(美国石油学会)及LADC(国际钻井承包商协会)认可的钻井液体系如下：

不分散钻井液体系、分散性钻井液体系、钙处理钻井液体系、聚合物钻井液体系、低固相钻井液体系、饱和盐水钻井液体系、修井完井钻井液体系、油基钻井液体系和空气、雾、泡沫和气体体系。

钻井液是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总称。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。像目前使用比较多的甲酸钾配制的钻井液体系，具有强抑制、配伍性好、环境保护、油层保护等突出优点。