钻井泥浆基础知识 钻井泥浆处理

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

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。

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。

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(Al_1.67Mg_0.33)[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。

　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表11-2

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。

　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。950～1050℃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。900～1000℃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。900～1000℃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η_A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表11-3

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2000～4000×0.101325MPa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。

第二单元粘土-水界面的扩散双电层

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。

1. 吸附层
　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：
1.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O_2-，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。

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。

第四单元泥浆的稳定性

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：

式中 r--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：

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：

式中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：

　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"。

　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。

对泥浆的含砂量的测定，采用筛析原理，如图11-12所示。

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。

　　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：

式中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；

式中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：

即：

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。

　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。

　 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。

第四单元泥浆的其它性能

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。
　 2.pH值
　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
第一单元泥浆的一般设计方法

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：

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

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。

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。

第五节砂、砾层中使用的泥浆

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-CMC0.1%。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1～3kgNa-CMC。
　 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
第一单元盐水泥浆配制原理

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。
1.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。

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表11-7

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表11-8

　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表11-7

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。

护壁堵漏

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

　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：

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：

　 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、厚度和孔隙度。因为孔隙、裂隙和溶隙的存在对坚硬岩石的电阻率影响很大，当空隙中充满不同矿化度的水时，它们的电阻率会降低很多。

　　当一定类型的岩石孔隙中完全被地层水饱和时，则多孔岩石的电阻率ρ1与孔隙中水的电阻率ρo的比值ρ可以看作是孔隙度m的函数，即：

式中：ρ--相对电阻率；a₂--与岩性有关的比例系数，按岩性在0.6～1.5间变化；np--孔隙度指数，与岩石结构和胶结程度有关，其值为1.5～3.0。
　 (二)放射性测井
　放射性测井又称核测井，它是利用元素的核物理特性而进行工作的一种井中物探方法。其特点：①核性质一般不受温度、压力、化学性质等因素的影响，因而它能更本质地反映岩石的性质；②γ射线和中子流具有较强的穿透能力，它不仅能在裸眼井中使用，也能在下有套管的钻孔中应用。同时，对干孔或有泥浆的孔中均可应用。目前常用的方法有：自然伽玛法（γ）、伽玛一伽玛法(γ-γ)，中子-中子法(n-n)和中子-伽玛法(n-γ)以及放射性同

位素法等。典型的示例见图12-4和图12-5。

　 (三)声波测井
　利用声波在岩石中的传播速度、幅度和反射特性研究钻井剖面的方法称为声波测井。由于通常使用的声波频率约为20000Hz，故又称超声波测井。目前常用的方法有以下几种：一是按声波速度研究岩石性质的声波速度测井，二是按声波幅度的衰减反映岩性的声波幅度测井，三是利用声波在孔壁上的反射特性研究孔壁结构情况的声波电视测井。
　声速测井仪常采用单发射双接收井下仪器[图（12-6）a]，当声波由声波发射器发出后，经由泥浆射向孔壁时，一部分透过孔壁射向地层(透射波)，一部分反射回来(反射波)，其中以临界角入射的一部分，则在孔壁上产生滑行波，另外还有一部分直接沿泥浆传播称为直达波。声速测井主要是记录滑行波通过厚度等于仪器间距的一段地层所需要的时间Δts，单位为μs／m。习惯上把声波在岩层中走过lm所需要的时间(μs)称做旅行时间。显然，各种岩石均有自己的波速特性，因而声速测井曲线可用于划分岩性剖面图12-6（a）、（b）。

　岩石中的声波是通过固体颗粒(岩石骨架)和孔隙中的液体进行传播的，实验证明，声波通过岩石的时间等于通过固体颗粒和孔隙内液体时间之和，若m为岩石的孔隙度，则：

式中： --声波在岩石中的旅行时间； --声波在岩石孔隙液体中的旅行时间；--声波在岩石骨架中的旅行时间。令a= - ，b= ，则：

当岩石骨架成分和孔隙内液体性质确定后，△tf和△tm均为常数，因而上式为一直线方程，它说明了孔隙度与时差的关系。即可以从实测的声速时差曲线上直接读出△ts值，然后利用上式计算出岩石的孔隙度m值。
　 (四)温度测井
　井内温度测量可以解决地热勘探中测量岩层的温度、地温梯度、井内温度等问题。对于钻孔漏失，井温测量可以确定漏失位置。温度测井可以使用多种类型的温度传感器，将其下入井中，沿井深测得温度分布情况，用以分析判断井内漏、涌情况。
　在不稳定情况下常用抽水法，若估计漏水处温度为T2，则先将温度为T1的液体注入井中，然后循环泥浆，立即进行检查性测量，这时沿井深温度变化较小。然后从井内向外抽水，降低井内液面高度，使地层水进入井内。当T2>T1时，则井内温度升高；当T2<T1时，则井内温度降低。沿井深温度曲线变化大的位置即为明显漏水位置。在稳定的条件下可采用注入法，将低温液体压入地层后，测出的温度曲线在漏水位置以上总是明显的降低，因而根据井温曲线突变位置即可确定漏失位置。

第四单元 用测漏仪及流速流向仪研究漏失层

近一二十年来，采用测漏仪确定钻孔漏失位置，并通过流速及钻孔直径计算流量已得到广泛应用。用这类仪器不仅能测定漏失位置、漏失量，还能测定含水层、隔水层的层次，以及各层的厚度、埋藏深度。当使用流速仪及流速流向仪时还可以直接测定各含水层由于压力不同而造成的各层间的地下水流动状态、流量及含水层的渗透系数。由于钻孔中各含水层的水文地质条件不同，所以在进行流速测量时可以采用不同的方法，如图12-7所示。

图12-7(a)表示孔内有两层压力不同的含水层，层间地下水从上层向下层越流，即上层出水下层漏水，在这种情况下可直接用流速仪测量孔内水文地质参数，图12-7(b)表示含水层压力很低所导致的漏失，需要用水泵从孔口向孔内注水才能测得漏失参数，图12-7(c)说明孔内含水层压力较高，孔口必须安装密封器并用水泵向孔内压水才能测得含水层的水文地质参数(孔口压力由压力表指示)，图12-7(d)说明在钻杆下端装有封隔器及流速仪，来自水泵的水经钻杆送入井内使封隔器膨胀隔离层间的水力联系，同时用流速仪测定下层的渗漏参数。

第四节 遇水不稳定地层的研究
第一单元 页岩水化的力学机理

在复杂地层分类中，将遇水不稳定地层划分为两种类型，即水溶性地层和水敏性地层。前者依地层遇水后的溶解程度进行分析，其方法在一般化学领域中较为通用。本节只讨论水敏性地层遇水不稳定问题。
　引起页岩与水作用的力有表面水化力和渗透水化力。由于粘土易于水化分散的构造特点（见第十一章），当页岩与水接触后，通过粘土对水的吸附、吸入、吸进和吸收，以很大的力把水吸到页岩内部来。
　页岩的表面水化力可以用埋藏某一深度的页岩的挤压力来估算。岩石埋藏愈深，挤压力愈大，岩石中所含水分被挤掉的就愈多，本身储藏的能量就愈大，它剧烈地需要从外界吸附水分来恢复平衡，故它有巨大的吸水力即表面水化力。例如，正常情况下，在3048m深处，页岩的表面水化力高达36.73MPa。
　页岩的渗透水化力是在地层与钻井液之间存在含盐量差异时产生的。用盐的溶解扩散来理解这个力，当粘土中的含盐量大于钻井液的含盐量时，页岩吸附井内液体中的水分，同时向钻井液中扩散盐分。两种不同含盐量的溶液之间的渗透压力可由下式计算：

式中：P--渗透压力（大气压）；R--气体常数；T--绝对温度，K；θ--盐溶液的渗透系数；m--溶液的含盐浓度；e--每摩尔溶质的离子数。

第二单元 简单的浸泡试验

将被测试的岩土样品粉末在立方体（例如50×50×50）或圆柱体（例如φ50×50）模具中压制成试验样块，再将样块放入清水或其他试验液体中浸泡，观察样块状况随时间的变化情况，如膨胀、开裂、崩塌、分散等。

第三单元 页岩稳定性钻井模拟试验

　图12-8所示为模拟孔内压力、温度和循环条件而设计的实验室装置。利用这个装置开展对页岩等遇水不稳定性的研究。岩心试样用格伦劳斯(GlenRose)C级页岩浆滤去水分而制成。页岩浆是由2250g的地面页岩用750ml海水均化而成，并在31MPa压力下压实，成为水分含量占9%的岩心。压实以后，切成水分含量相等的100mm的岩心试样。在试样中钻出直径为25.4mm、深度为76mm的孔眼，然后将试样用密封圈和环氧涂层固定好，以控制孔隙压力、井眼中泥浆压力和覆盖重量产生的上覆压力。试验液体在65.6℃下通过在岩心内钻孔循环6h，覆盖压力和泥浆循环压力都是20.7MPa,孔隙压力是1.72MPa。随后停止加热和循环，使泥浆和孔隙压力达到与大气压相平衡，而将试样留在泥浆中16～18h。然后将试样切成两半，用来检验模拟井眼条件时各种液体对页岩稳定性的影响。

第四单元 页岩稳定性指标(SSI)的试验方法

SSI试验的基本原理是采用了测量岩心侵蚀(或膨胀)量D值，以及测量可塑性固体的针入度Hf(Hf表示物体硬度和受力产生塑性流动变形能力的大小)，用来表示人造或天然页岩岩心遇水膨胀和剥落的特征和大小。
　页岩浆液是用七份干的格伦劳斯C级页岩粉和三份人造海水混合配成的。配制岩心试样时用一个特殊的活塞与标准的高温高压失水仪压滤室相配合，把页岩浆液中的水挤出来，260g页岩接受7MPa的压力差作用2h，就配成坚固的岩心试样，然后打开压滤室，推出坚实的岩心这个重新组成的岩心放入允许岩心有些过量的圆柱形钢杯中，然后用9MPa的负荷将岩心挤入杯中，再用一个标准的油脂针入度仪(GreasePenetrometer)量测其表面硬度。杯子和压好的岩心被固定在瓶罩内，并浸入包含各种试测溶液的品脱瓶中。岩心试样在65.6℃下暴露在试验溶液中16h，并用低速滚动以模拟冲洗液对岩心的冲蚀影响。然后将瓶冷却，试样试验结束。
　 利用下式计算不同溶液中的页岩稳定性指标(SSI)：

式中：Hi-针入度仪的初始读数，mm； Hf--浸泡后针入度仪读数，mm；D--由针入度仪测得的膨胀值或侵蚀值，mm。

第五单元 英苏林(Ensulin)液体吸收仪

用英苏林(Ensulin)液体吸收仪测量页岩岩屑的膨胀性，建立相应的数学模式，然后用方程中的参数对页岩的本质进行分析和评价，提出页岩分类新方法，以解决控制页岩稳定的有关问题。

　英苏林膨胀仪(图12-9)的试验程序如下：将页岩粉末或碎屑放入样品杯内的多孔玻璃片上，系统内充满电解质溶液，使样品杯内液面维持在能润湿玻璃片上的滤纸。关B阀，开A阀，样品杯与带刻度的移液管相通，记录页岩吸水时间和移液管内被吸收的液体量。移液管内液体吸出太多时，打开B阀补充溶液。
由于页岩在双对数坐标上呈线性关系，因而描述页岩膨胀的方程式可表达为：

式中：M_T--时间t内被吸附的液体量，g/g；Mi--截距，瞬时吸附的液体量，g/g;； N--斜率，水化速度，每分钟每克页岩吸附液体的克数。

液体吸附规律与页岩的膨胀性相对应，截距Mi是页岩吸附液体前的吸附状态近似值，它与粘土和水的含量以及压实程度有关。液体吸附达到平衡状态所需时间是相当长的，一般不必进行测量，但任何时间t内吸附液体产生的膨胀量，能用下列方程式来计算：

式(12-20)在双对数坐标上表示的是线性关系。
使用英苏林膨胀仪也可以研究化学处理剂对页岩的液体吸附性能的影响。

第六单元 毛细管吸收时间(Capillary SuctionTime-CST)仪

　作为分析、评价和提出页岩分类新方法的另一仪器是CST装置图12-10，它用来测定页岩的分散性。CST装置由过滤漏斗(直径约2.54cm、高5～6cm的不锈钢圆筒)、标准孔隙度滤纸、计时器及与之相连的电极组成。电极距漏斗边缘分别为0.5cm、1.0cm和1.5cm。
　CST装置进行页岩分散试验程序如下：将15%的100目页岩浆液在恒速下剪切不同的时间，漏斗置于标准滤纸上，滤纸覆盖带电极的试验板。取5ml搅拌好的浆液倒入漏斗中，测定浆液在滤纸上流动0.5cm距离所需的时间。同一试验至少应进行三次，其误差不超过3%～5%。
　为了评价不同电解质对页岩的作用，制备CST试验样品时，要求用蒸馏水冲洗页岩岩屑，直至水中无氯离子存在为止，然后再将岩屑烘干。

　图12-11所示为三种页岩的CST分散性试验曲线。图中CST值与剪切时间呈线性关系，因此，页岩分散性方程可表达为:

式中:y--浆液渗透0.5cm举例所需的时间s；m₁--斜率,表示页岩在溶液中的分散速度；x--剪切时间,s；B--截距,表示瞬时细分散的胶体粒子量(初分散)

第五节 水泥护壁堵漏
第一单元 堵漏对水泥性能的要求

水泥是一种良好的胶凝材料，不仅在建筑行业广泛使用，而且早在20世纪40年代钻井工程中就已经开始用水泥护壁堵漏了。用水泥进行护壁堵漏是将水泥浆注入钻孔内，并使其进入所封堵和护壁的孔段漏失层裂隙、孔洞的坍塌部位，利用水泥浆的凝固硬化作用，将其堵塞并与岩层胶结为一整体。水泥还可作为钻井封孔、止水、固井、防喷、加固基础等。由于水泥具有货源广、成本低、无毒、使用方便、利于孔内灌注等优点，目前仍然被广泛用作钻井护壁堵漏的固结材料。本节重点讨论水泥在钻井护壁堵漏中的应用。
　当钻井遇到卵砾石层、破碎带、大裂隙、溶洞、厚砂层，用泥浆难以护壁堵漏时，即应采用水泥等固结材料进行护壁堵漏。这时，在工艺上需要停止钻进，从井内提出钻具，再向井内灌注水泥浆材，待水泥浆材渗挤、充填到地层空隙中并凝固复杂层段后，再重新下入钻具扫孔钻进成井。因此，与泥浆随钻护壁堵漏相比，水泥护壁堵漏在工序上增加了专门灌注、候凝固结和重新扫孔时间。
　（1）护壁堵漏灌注水泥最常用的方法是用水泵通过钻杆将水泥浆液输送到井底，然后水泥浆液在井底能够有效地渗入地层的孔裂隙中。这就要求水泥浆液在这一阶段具有良好的流动性。
　（2）普通建筑用硅酸盐水泥的候凝固结时间很长，如要达到它们的最终强度往往需要10d以上，这么长的停待时间对钻井工作来说是难以接受的，因此希望能够尽量缩短水泥的候凝固结时间（如1～2d，甚至更短）。
　（3）钻井护壁堵漏对水泥的后期强度并不要求很高，只要满足井眼稳定和阻塞漏失即可，它一般的抗压强度只需达到建筑用固结体强度的20%。
　所以钻井护壁堵漏对水泥性能的主要要求可以归结为：初期流动性好，能够快凝早强，后期强度要求不高，可用图12-12的曲线来反映这种要求。

另外，在一些特殊情况下，对护壁堵漏水泥还有一些特殊要求。如在低压地层中要求减轻水泥的重度；在高温地层下应该增加水泥的抗温能力；对于要求严格封堵的地层应使水泥具有较明显的膨胀性，等等。

第二单元 钻井常用的水泥与外加剂

长期以来，普通硅酸盐水泥用于地质钻探护壁堵漏的为数众多，由于受其性能的限制，一般需要配用水泥促凝早强剂来调整其性能。护壁堵漏对水泥性能的主要要求是快凝早强，因此，选用一些具有快凝早强特性的其他品种水泥，也是可以适合护壁堵漏需要的。此外，由于孔内条件的特殊性，如高温、高压、低压、漏失等以及各种工程的施工需要，需选用某些特种水泥。为此，现将有关的水泥外加剂和其他品种水泥作一概括介绍，以便于根据需要加以选用。关于水泥的基本原理详见第三章第五节。
　 (一)普通水泥的外加剂
　钻探施工中，常遇到地层的坍塌、漏失、破碎掉块等复杂问题，需要用水泥进行护壁堵漏。但是，由于普通水泥早期强度低、凝结时间过长、浆液流动性差，就需要使用水泥外加剂来改善和调整各种水泥性能，采用水泥外加剂对改善和调整某些水泥性能是个有效的途径。如需要提高早期强度宜用早强外加剂；需缩短凝结时间，则用速凝剂；若需改善流动性，要用减阻剂等等。
　 水泥外加剂的类型品种很多。用于地质钻探的水泥外加剂依其功用和成分，有不同的分类方法：
　 Ⅰ. 按功用分类
　 (1) 调节水泥凝结硬化速度的速凝剂和缓凝剂；
　 (2) 供使水泥早期强度提高的早强剂；
　 (3) 降低水灰比、改善浆液流动性能的减阻剂或减水剂、稀释剂；
　 (4) 减少浆液的析水和失水的降失水剂；
　 (5) 降低水泥浆比重的减轻剂；
　 (6) 增强水泥与岩层粘结强度的膨胀剂；
　 (7) 防止浆液流失的堵漏剂等。
　 Ⅱ. 按化学成分分类
　 (1) 无机化合物类
　 包括各种无机盐类，一些金属单质，少量氧化物和氢氧化物等。这类物质大多用作早强剂、速凝剂等。
　 (2) 有机物类
　 这类物质种类很多。其中大部分属于表面活性剂的范畴，有阴离子、阳离子、非离子型以及高分子型表面活性剂等。
　为了满足各种工程施工需要，水泥外加剂在改善水泥某些性能的使用中，应考虑以下五个方面问题：①按水泥品种合理选用外加剂；②选用外加剂应明确改善和调整水泥性能的目的；③选用外加剂合适掺量；④考虑具体施工条件，如气温、孔内温度、压力、灌注方式、灌注工具等；⑤尽可能选用复合外加剂。
　 (二)快硬早强水泥
　 快硬早强水泥按其矿物组分，一般可分为四类：
　 1. 硅酸盐类
　水泥熟料以硅酸钙为主要组分，可通过调整矿物的相对含量，如提高C₃S和C₃A的含量，提高水泥的粉磨细度等，可获得快凝早强性能。目前，国内已能大量生产，并列入国家标准的有高级水泥、快硬水泥和特快硬水泥三种。这三种水泥都具有较高的早期强度，可以选用。实际生产中，欲获得快凝早强性能，也可选用高标号625硅酸盐水泥。
　 2. 铝酸盐类
　 水泥熟料是以铝酸一钙为主要组分，由于铝酸一钙的水化速度较快，因此，具有较高的早期强度。目前列入正式产品的有矾土水泥。
　以上两类快硬早强水泥，一天强度虽较高，但小时强度还是不高，且凝结时间较慢，它们的特点是只快硬不快凝。对于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥，要求有较高的小时强度还难于满足，为此，只有配合使用促凝早强剂来达到。
　 3. 硫铝酸盐类
　是以硫铝酸钙(C₄A₃)和硅酸二钙(βC₂S)为主要组分，其早期强度较高，是一种以小时计的快凝快硬即"双快"水泥。目前已研制成功用并于生产的有：硫铝酸盐水泥(亦称地勘水泥)和硫铝酸盐超早强水泥，B1水泥等。
　 4、氟铝酸盐类
　是以氟铝酸钙(C₁₁A_7F)和硅酸钙C₃S(或C₂S)为主要组分，其早期强度可以小时计，亦为快凝快硬水泥。目前已研制成功的有双快型砂水泥，双快抢修水泥等，专门供铸造型砂粘结，机场跑道抢修以及国防军工用。
　 (三)油井水泥、地热水泥
　油井水泥专用于油井、气井等固井工程，又称堵塞水泥。石油地质勘探和开采钻井过程随着井深的增加，井底温度和压力相应也不断增加。实践表明，每增100m，井内温度约提高3℃，压力增加10～30×101325Pa。油井水泥的性能要求是：在井内温度和压力条件下，水泥浆在注入过程中能具有一定的流动性、可泵性和合适的稠化时间；水泥浆注入井内后应能较快凝结，并在短期内具有一定的强度；硬化后的水泥面应有良好的稳定性和抗渗性；在高压气、油井固井，应具有合适的比重等。根据油井固井的要求和不同井深温度条件的需要，我国的油井水泥已形成系列，并将油井水泥分为普通油井水泥和高温油井水泥。
由于不同油井水泥适应不同温度和深度要求，根据国家标准GB 202-78规定为：
　　　　45℃油井水泥 　　　　　　适用井深在1500m以内
　　　　75℃油井水泥　　　　　　 适用井深在1500～2500m
　　　　95℃油井水泥 　　　　　　适用井深在2500～3500m
　以上三个品种称普通油井水泥或称中深井水泥。对于温度在120℃左右到180℃，井深在4000～7000m，可用高温油井水泥。温度为120℃的油井水泥国内已有定型产品。
　 现将常用的两种油井水泥的性能介绍如下：
　 1. 普通油井水泥
　普通油井水泥是以适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细混均而成。但用于45℃、75℃和95℃油井水泥的熟料，其矿物组成有较大的区别。45℃油井水泥，由于适用的温度不高，凝结不快，为了达到具有较高早期强度的目的，可以调整熟料中C₃S、C₄A的相对含量(提高C₃S含量，相应降低C₃A含量)。用于75℃的油井水泥，由于井内温度升高而使凝结加快。因此，应进一步降低熟料中快凝组分C₃A的含量(一般要求降至5%以下)，而且C₃S含量亦不宜过分提高。有时为了延缓凝结时间，粉磨时将水泥磨得稍粗些，以减慢其水化速度，延缓凝结时间。对于95℃油井水泥，由于使用温度更高，凝结更快，则宜选用不含有铝酸盐的贝利特熟料。这种熟料以C₃S为主要成分，不含C₃A。其矿物组成为C₃S18.3%、C₂S60.6%、C₃AF15.6%、C₂F1.87%。试验证明：在高温高压下的水泥强度会随着C₂S含量的增加而显著提高。因此，贝利特熟料加适量石膏磨制成的水泥，具有较好的热稳定性。由此分析可见，调整矿物组成可获得性能不同、用途各异的水泥。C₃A含量多少是影响油井水泥凝结快慢和适用温度的重要因素。C₃S含量则是决定油井水泥强度的关键。
　 2. 高温油井水泥
　高温油井水泥又称深井水泥，一般适用于井深4000～7000m的油井固井。对高温油井，由于温度高，必须用专有的高温油井水泥。高温油井水泥是以贝利特熟料为基础，再加入20%～25%石英砂组成。这种水泥能够在温度为150℃～200℃，压力为400～800×101325Pa下，仍具有较高的强度和良好的热稳定性。其原因是由于石英砂在高温、高压下可以形成C-S-H(Ⅱ)类低碱性水化硅酸钙的缘故，有利于高温高压下强度的提高。
　为了适用在6000m以上的所谓超深井的油井固井，可以使用矿渣砂质水泥、石灰砂质水泥、赤泥砂质水泥、石灰火山灰水泥等无熟料水泥。这类水泥在高温、高压条件下可以形成以低碱性水化硅酸钙为主要组成的水泥石。
　地热井的钻井与油井有相近之处，但两者之间存在着地层温度的不同，导致井内温度变化很大。也就是说，油井中自然地热梯度大体上每100m约升温3℃；而地热井由于受高温岩浆的影响，温度梯度变化异常，井内温度高达200℃以上，有时甚至200℃～360℃；压力高达500×101325Pa。此外，地热区大都处在火山地带，经常要受到硫化氢和亚硫酸气体的影响，有时还会显出较强的酸性。鉴于上述特点，用普通油井水泥显然不能满足要求。因为普通油井水泥只适用于100℃左右的条件，温度升高将导致水泥石的强度降低而失效。地热井的开发与利用，需要有特殊性能的地热水泥，即要求不仅具有高的耐温性，而且还具有一定的耐酸性。通常采用二氧化硅含量较高的硅石粉来提高抗温性，对耐酸问题，一方面可减少水泥矿物熟料C₃A的含量来提高抗硫酸盐侵蚀能力；另一方面在高温高压下，因Ca(OH)₃能与SO₂作用，故使水泥中不含Ca(OH)₂也可使水泥耐酸性提高。
　 (四)低比重水泥
　在油井的固井工程和地质钻探的护壁堵漏中，由于地下地质情况复杂：有些为严重的漏失层；地下水活动的地层；大型溶洞地层以及低压油气层等等。为了在施工过程中防止出现水泥浆的流失，或者因水泥浆比重过大而存在压漏地层，或者因浆液堵塞低压油气层等问题，研制低比重水泥、超轻水泥、泡沫水泥，显然具有现实意义。
　 目前，降低水泥浆比重通常有以下三种方法：
　(1)在水泥中加入高保水材料，增大水灰比如加搬土、硅藻土、膨胀珍珠岩和低比重材料如粉煤灰、火山灰、硬沥青等代替水泥。它们具有成本低、使用方便、材料来源广等特点。但是，在低温下强度过低，高温下强度退化严重，比重只能降至1.4g/cm³左右。
　 (2)用空心玻璃微珠或陶瓷球作低密度固相材料 由于球内空心充满气体，比重很小，仅为0.5～0.7g/cm³，将它混入水泥能配出低比重水泥浆。其优点是配水泥浆所需水量远比前者用水量少，故在低温下它的水泥石强度较高，其成本略比前者要高。
　(3)用充气泡沫水泥浆它可将水泥浆比重降至0.42～1.68，并在该范围内任意变化调节，这是最大的优点。同时，在相同的比重下其流动性好、强度高，是目前国内外关注的最好的方法。

第三单元 灌注水泥的准备工作

(1)利用多种探测方法摸清井内复杂地层的类型、位置、构造特征、岩性特点、漏失层结构及漏失程度、含水层情况以及涌水程度、井内地层的温度，确定灌注孔深、浆液用量、灌注方法。
　 (2)根据灌注方法和要求，选用合适的水泥品种和外加剂，并进行室内水泥性能试验，确定水灰比、外加剂量的合理配方。
　水泥性能试验是确保安全灌注、高质量护壁堵漏的关键，同样的水泥在不同的外界环境下所表现出来的性能差异很大。必须尽可能模拟井内和现场条件，充分考虑灌注水泥浆的实际操作过程，以水泥浆的流动性、凝结时间、达到的可靠固结强度和所对应的时间为主要指标，进行改变水灰比和外加剂的多种配方的试验，从中遴选出理想配方。所谓理想配方，至少应能满足以下4条基本要求：
　 ① 灌注阶段水泥浆流动性好，一方面能够有效地渗入近井壁的地层中；另一方面在钻杆中的流动阻力小，从地面向井底泵送得动。
　 ② 从配成水泥浆到开始发生凝结有足够的安全时间，确保灌注结束直到把钻杆全部提出地表并清洗完泵注设备后水泥浆才开始凝结。
　 ③ 水泥浆经过自动凝结固化，能够达到可护壁堵漏的强度。
　 ④ 水泥成浆至达到可护壁堵漏强度的时间尽可能短。通过试验，能够确定可以重新透孔的时间。
　(3)灌注前应准备好并检查灌注系统各部件(动力、水泵管线、钻具、灌注器等)的工作可靠性，避免和消除灌注过程中的各种故障。
　 (4)进行灌注浆量、替水量的计算，确保所用材料(水、水泥、外加剂等)配剂够用。
　 (5) 孔内准备
　 ①通过分析、判断，确定封堵孔段位置。
　 ②进行扫孔、冲孔，保证孔底和充填孔段清洁干净，需中部灌浆应做好架桥工作。
　 ③丈量钻具，校正孔深。
　 ④测定孔内静、动水位。

第四单元 钻井水泥浆灌注工艺

向孔内灌注水泥的方法有水泵灌注法、灌注器灌注法、孔口灌注法及干料投放法等。
　 1. 水泵灌注法
　水泵灌注法是最常用的方法，它是通过钻杆将水泥浆用水泵压入孔内漏失或坍塌的岩层，以达到护堵的目的。此方法适用于灌浆量大，不受钻孔深度限制的水泥灌注。在钻孔中部只要架桥后也可适用。用此方法还可实现加压灌注。利用水泵灌注法施工简便，无需特珠设备和工具，但对水泥浆要求流动性好，易于泵送。

水泵灌注法的操作过程为：堵漏时，钻具下到预定深度距孔底约0.3～0.5m左右时，先泵入清水以检查钻杆内部确实畅通良好时，即可泵入配好的水泥浆。将水泵莲蓬头放入水泥浆桶内即泵送水泥浆。不论堵漏或护壁，刚开泵时应先打开水泵回水管，将吸水管及水泵中的清水排出，喷浆后再打开三通将水泥浆送入孔内。待泵吸水泥浆过程完后，立即将莲蓬头放入准备好的替浆水桶中，开泵替浆。为了使孔底返流均匀，替浆时可适当慢转钻具。

替浆的压力量应根据孔内水位高低，以达到孔内液柱压力平衡为原则，可按下式进行估计计算：

式中： --替水泥浆所需压水量，kg； L--钻杆柱长度，m；l--孔内静水位离孔口高度，m；q--每米钻杆内容积，L；--地面管线及水泵容积；K--压水系数，浅孔取0.9、深孔取0.95。
　根据上式计算，当孔内无水或水位很低时，压水量达到机上钻杆后（约60～80L），即应停泵，然后拆开机上钻杆，靠钻杆内外液柱压力差，使水泥浆继续沿钻杆内下降，并从钻具底部返出钻杆外，直至钻杆内外压力达到平衡为止。
　当水位很高或返水孔，则压水量接近于钻具内容积加上地面管线容积乘以压水系数，可以保证水不压出钻具底部，这时钻杆外的水泥浆高度比钻具的水泥浆高度会大一些。当提钻时，会向钻杆内回流或填补孔底空间，水泥浆不会被稀释。
　替浆完毕即可提钻，应将钻具提离水泥面10～15m以上（1～2个立根）后再冲洗钻具。提钻速度一定要慢，过快则易发生抽吸作用而使灌注工作失败。为了保证孔内压力平衡，还应考虑在孔口回灌清水。
　 当机上钻杆卸开以后，应开泵清洗水泵、高压管线和机上钻杆内的残留浆液，以保证循环畅通。
　 综上所述水泵灌注法应遵循的技术规程如下：
　 （1）堵漏时，坚持冲孔；护壁时，坚持扫孔到底，保证清除孔内岩屑并检查钻具通畅。
　 （2）钻具下到离孔底0.3～0.5m或架桥处，以减少水泥浆的稀释。图7-13 灌注水泥示意图
　 （3）灌注过程或灌浆完毕，可转动钻具，不能上提钻具，待替浆后方能上提钻具。
　 （4）全部浆量应一次灌完，不得中途停泵，防止浆液断开或被水稀释。

　 （5）泵浆前打开回水管，排出清水不得注入孔内。

　 （6）应考虑孔内水位高低，准确计算替浆压水量。
　 （7）替浆完提钻应离开水泥面10～15m方能清洗钻具。
　 （8）提钻速度要慢，防止抽吸作用并及时在孔口回灌清水。
　 （9）尽量减小水灰比，采用水泥减水剂保证浆液可泵性好。
　 （10）坚持探测水泥面强度，合理确定候凝时间。
　 水泵灌注法还可用在下列特殊情况下：
　 （1） 加压灌注法
　为了保证水泥浆液能更好地进入所堵漏地层，形成足够的渗流半径，有效地加固孔壁岩石，可采用孔口管上部加密封装置，或在钻杆上加钻孔封隔器以封堵漏失层上部，以使在灌注时孔内造成高压，迫使水泥浆进入地层。
　 （2） 分段灌注法
　当遇到厚度较大的破碎地带如硬脆碎的松散地层时，大小不等的孵砾石在钻进时会经常出现遇阻、卡钻或提钻后垮塌现象，这时可采用钻进一段灌注一段的分段灌注法。
　 （3） 充填注浆法
　当裂隙较大或遇小溶洞时，灌注前最好先投入一定量的惰性材料起到堵塞、架桥、充填作用。投入后，下钻具进行挤压，然后再进行灌注。这样既可减少流失，又能提高封堵效果。
　 （4） 网袋注水泥法
　 当遇到较大溶洞时，为了降低水泥浆的大量流失，最好采用网袋注水泥，以控制水泥浆的扩散流失范围（图12-13）。

　 2. 灌注器灌注法
　当堵塞大的裂隙或溶洞时，为了减少水泥浆的流失，往往选用水灰比较小（0.3～0.35）、浓度大的水泥浆或速效混合液进行灌注。这时水泵无法吸入泵送，可采用灌注器灌注法。有时当封闭的孔段较短，浆量不多或钻进中遇到多层间断漏失，为了及时处理也可采用此法。此法优点是不受孔深限制，浆液性能不受流动性限制且对水泥浆稀释较少，但需专用灌注器，灌注时要求相当严格。

　灌注器的种类较多，目前大多采用水压活塞式灌注器，其工作原理是：灌浆时，将水泥浆装入盛浆管内，然后将灌注器用钻杆下至漏失层位，开动水泵后压力水经钻杆进入灌注器推动水泥浆，上部活塞将灌注器的排浆阀打开，则水泥浆被压出进入漏失层。图12-14所示是一种水压活塞式灌注器。其结构简单，操作方便，工作时在水压作用下通过活塞6把盛浆管4的水泥浆往下挤压，剪断销钉9，打开活门8，水泥浆即可排出管外，进入需要封堵的部位。

目前，现场为了加大灌注量，采用不同尺寸的岩芯管作为盛浆管，制造简易的岩芯管灌注器，取得了良好的技术经济效益。
　 3. 孔口灌注法
　当孔较浅，裂隙宽且孔内水位很低，则可从孔口直接倒入浓度较大的水泥浆，利用孔口与孔内液面高差所产生的位能，将水泥浆压入所封堵层。为了使孔口灌注顺利，也可在孔口插入小尺寸套管至灌注孔段，再从套管中倒入水泥浆，借水泥浆的自重下入。
　 4. 干料投放法
　 将水泥用塑料袋装好，单独送入孔内或随钻具下入孔内，然后用钻具搅拌，利用钻孔内的水搅拌和捣固，使浆液进入裂隙而堵漏。
　 5. 水泥球投入法
　 将水泥与少量水混合成水泥球或专门制作具有合适的凝固时间和强度的水泥丸，投入孔内后再下入钻具冲击挤压，使其挤入漏失层。

第六节 化学浆液与惰性材料护壁堵漏

第一单元 脲醛树脂浆液

随着我国化学工业的发展，作为地质钻探护壁堵漏用的化学浆液，从其类型、品种以及应用上都有了新的进展。目前就其浆液成分，可分为无机的、有机高分子的；就其性能可分为固化的、非固化的。常用的水玻璃就是无机类的代表；常用的脲醛树脂、丙烯酰胺是高分子类的代表；常用的水泥则是固化的化学浆液，而粘土、沥青等则为非固化的化学浆液。近年来，从化学浆液的发展趋向看，无机与高分子化合物复合使用，已成为品种繁多、应用广泛的化学浆液。
　非固化化学浆液作为注浆材料，不足之处在于向孔内灌注后，易被水稀释而流失。对能固化的化学浆液--水泥浆液作为注浆材料，它的材料来源广、成本较低、固结性好、强度高，是目前普遍应用的一种注浆材料。其缺点是在没有固化前易被水稀释，固化时间慢且难以控制等。我国20世纪70年代期间，采用高分子化合物、合成树脂等化学浆液，在地质钻探上用于护壁堵漏，取得了一定的成效。其主要优点是：凝结时间可调，可实现瞬间固化，渗透能力和流动性好，能利用专用的灌注器注入到封堵部位，提高了成功率。应当指出这类化学浆液，有一些如氰凝、聚脂等材料来源缺，成本高，且有一定的毒性，故在使用上受到了限制，不便推广用于地质钻探；对于一些高分子化合物，如聚丙烯酰胺、脲醛树脂等，用于地质钻探护壁堵漏上有积极的作用和推广价值。
　本节重点介绍在钻井护壁堵漏中具有代表性的化学浆液和惰性材料，包括脲醛树脂浆液、水玻璃浆液、聚丙烯酰胺浆液、脲醛树脂水泥球、干性堵漏材料和沥青材料。此外，还有许多品种的化学浆液，如铬木素浆液、木铵浆液、丙凝浆液、丙强浆液以及301聚脂浆液等等，也可以用作钻井护壁堵漏浆液。
　脲醛树脂是一种水溶性树脂，它在酸性条件下能迅速凝固成有一定机械强度的固结体，是适合于钻孔护壁堵漏的注浆材料。由于脲醛树脂是由原料易得的尿素和甲醛水溶液合成的一种聚合物，故其性能可调，可人为地控制固化时间，成本较低，配制简单，且是低毒的化学注浆材料。近十多年来，用它在钻孔护壁堵漏方面，开展了生产工艺、性能改性、注浆工具等的研究。目前已生产出适合地质钻探用的粉末脲醛，其灌注工具也得到进一步改进，可实现钻孔"快速堵漏"的效果。
　尿素与甲醛的反应是一个复杂的化学反应过程，整个反应可分为三个阶段，即加成反应阶段、缩聚反应阶段和固化阶段。开始阶段为尿素与甲醛在弱碱性或弱酸性介质中发生加成反应，生成脲的羟甲基（-CH₂OH）衍生物；同时进行缩合反应，从而得到缩聚的初产物（即脲醛树脂），在实际使用时，以酸作催化剂（一般用盐酸）使树脂固化生成不溶的体型网状结构的固结体。
　脲醛树脂的固化过程，可分为初凝（胶化）和终凝（硬化）两个阶段。所谓"初凝"是加催化剂后至失去流动性这段时间（称初凝时间）。所谓"终凝"是加催化剂后至失去弹性所需的时间（称终凝时间）。然而，失去弹性并不立即具有一定强度，所以终凝实际上是一个缓慢的过程，一般凝固后还需在水中养护16～24h后，才具有较高的机械强度。
　脲醛树脂的固化过程与酸催化剂的种类和用量有直接有关。一般强酸、弱酸以及强酸、弱酸中和生成的盐类均可作催化剂。常用的有盐酸、硫酸、草酸、氯化铵、三氯化铁等。试验表明，强酸的浓度增加，凝固时间缩短；若酸的浓度一定时，随加量增加而凝结时间缩短。目前常用的是工业纯盐酸和硫酸，一般使用浓度为3%～36%，用量为树脂液体的1/10～1/5，初凝时间可在几秒至数十分钟的范围内控制。在使用时，应注意环境温度的影响，温度高，则固化速度快；温度低，则固化速度慢。在灌注时，一定要做地表试验，并应考虑到孔内的温度。

为了提高脲醛树脂的强度，增加韧性，在提高其物理力学性质方面，常

采取在脲醛生产过程中加苯酚、苯酚-聚乙烯醇等进行改性，来改变反应生成物的化学结构，增大树脂的分子量和内聚力。目前，在合成脲醛树脂的同时，常加入苯酚，使羟甲基苯酚参与羟甲基脲的混合接枝与镶嵌，使树脂的机械强度和粘结力得到一定改善。表12-2为苯酚改性后树脂物理机械强度性能。

表12-2 苯酚改性后的树脂物理机械性能

使用脲醛树脂浆液，其灌注方式是采用专用的灌注器。它应能满足脲醛树脂与一定酸混合后，在很短时间内能凝固。且能准确地将已充分混合、但尚未凝固的浆液注射到预定的孔段上。

　近几年来，我国为解决小口径金刚石钻探中严重漏失层的快速堵漏问题，基于射流泵原理，设计了一种新型的、用于脲醛浆液的孔内双液注浆工具--ZJ

型速凝注浆堵漏工具，它与其他注浆堵漏器相比，有以下特点：

　 ① 双液在孔内定量地连续均匀混合，可灌注数秒凝固的浆液；
　 ② 借用现场钻杆盛堵漏浆液，大大简化了工具的结构和操作，并可实现大剂量注浆；
　 ③孔底动作过程的报信，由地面水泵压力表读数显示，信号明显，操作者可据此灵活调整操作工艺；注浆后可不提钻通水扫孔，实现注浆、透孔、清孔一个回次完成。其工具结构如图12-16所示。

ZJ型液浆堵漏工具，现有ф54、ф73两种规格，其主要技术性能如表12-3所示。

表12-3 ZJ型灌注器的技术性能

第二单元 水玻璃浆液

水玻璃是化学浆液中无机类的一种注浆材料。由于它的价格低廉，货源较广，适于各种工程的需要以及配制简便等优点，故目前仍然是一种大量使用的行之有效的化学浆液。我国所用的水玻璃浆液类型，除了有单一使用的外，大多使用的是水玻璃复合浆液，如水玻璃-氧化钙、水玻璃-铝酸钠、水玻璃-水泥，水玻璃-稀磷酸等。
　水玻璃是一种能溶于水的硅酸盐。它是由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成。最常用的是硅酸钠水玻璃Na2O·nSiO2，还有硅酸钾K2O·nSiO2。
　 通常把水玻璃组成中的二氧化硅和氧化钠（或氧化钾）的克分子摩尔数之比，称为模数M。

一般水玻璃的模数从1到4之间，模数为0.5的水玻璃（相当于原硅酸钠）没有实用价值，而实用价值最大的水玻璃其M在2.0～3.5。模数是影响水玻璃的重要因素，水玻璃在水中溶解的难易程度随模数而定，M为1时能溶于常温水中；M加大，则只能溶于热水中；当M大于3，要在4×10⁵Pa以上蒸气中才能溶解。低模数的水玻璃晶体组分较多，粘结能力较差。模数高时，胶体组合相对增多，粘结能力也大。目前生产的水玻璃模数在1～3.6之间都有，一般生产的浓度品种有：35°B、40°B、45°B、56°波美度等。
　除液体水玻璃外，还有不同形状（块状、粒状、粉状）的固体水玻璃。液体水玻璃呈青灰色或黄绿色，以无色透明为好。它与水可按任意比例混合成不同浓度（比重）的溶液。同模数的水玻璃溶液，其浓度越高，则比重越大，粘结力越强。常用的固体水玻璃模数为2.6～2.8，比重为1.36～1.50。其浓度常用波美比重计来测定，以波美度（Be）表示。
工厂生产的水玻璃浓度为50～56波美度，而一般注浆则多采用35～40波美度，故使用时需加水稀释。
　水玻璃的粘度与模数、浓度和温度关系密切。通常粘度随温度降低，模数随浓度的增加而加大。温度为-2℃时，水玻璃会开始冻结。液体水玻璃吸收空气中的CO2，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化。反应式为：
　 　　　Na₂O·nSiO₂+CO₂+mH₂O-→Na₂CO₃+nSiO₂·mH₂O
　 为加速水玻璃的硬化，常加入硅氟酸钠Na2SiF6或氟化钙，水玻璃中加入硅氟酸钠会发生以下反应，能促使硅酸凝胶加速析出：
　 　 　2[Na₂O·nSiO₂]+Na₂SiF₆+mH₂O-→6NaF+(2n+1)SiO₂·mH₂O
　 硅氟酸钠的适当加量为水玻璃重量的12%～15%，加量越多，凝结越快。
　 作为地基灌浆材料使用时，常将水玻璃溶液与氯化钙溶液交替地灌入基础中，其反应式如下：
　　　Na₂O·nSiO₂+CaCl₂+mH₂O-→nSiO₂·(m-1)H₂O+Ca(OH)₂+2NaCl
　反应生成的硅胶起胶结作用，能包裹上粒并充填于孔隙中，而Ca(OH)₂又与加入的CaCl₂反应生成氢氧化钙，也起胶结与充填孔隙的作用，故既使基础提高强度，又能增强其不透水性。
　当水玻璃与水泥水化时所析出的活性很强的氢氧化钙作用时，可生成具有一定强度的硅酸钙胶体，使水泥石的强度相应增大，其反应式为：
　 　　　Na₂O·nSiO₂+Ca(OH)₂-→CaO·nSiO₂↓+2NaOH
　 因而将水玻璃加入水泥浆中，可使水泥浆急骤硬化，因而可用于堵水堵漏。

第三单元 聚丙烯酰胺浆液

用聚丙烯酰胺来堵漏乃是利用高分子化合物的交联原理，即利用聚丙烯酰胺和无机交联剂(铁、锌、铝等水溶性卤化物，或硫酸铁、硫酸铝水泥等)或有机交联剂(甲醛、乙二醛、乙二醇等)发生交联反应，而形成不溶于水的体型结构的凝胶体来达到堵塞通道的目的。常用的两种混合浆液为：聚丙烯酰胺-水玻璃浆液、聚丙烯酰胺-水泥浆液。
　 (一)聚丙烯酰胺-水玻璃浆液
　聚丙烯酰胺-水玻璃浆液是粘度较低的浆液。固化期可以控制，有一定的固结强度。其使用方法是：用酸(盐酸、硫酸)将pH值调至2～2.5(因pH在4～7之间会瞬时胶凝；pH接近于零时，胶凝也很快)，然后将水玻璃加入此酸溶液中，其用量一般以能在酸性溶液中很好分散为主，加量可在4～8%范围内。对于聚丙烯酰胺可用分子量200～300×10⁴为宜，一般常用浓度为0.1%～1.0%。裂隙较大时浆液粘度应高，聚丙烯酰胺浓度也应增加，对一般裂隙地层，可减少浓度，在此基础溶液中加入交联剂进行交联，其常用量为0.1%～1.0%，有时常在浆液中加入惰性材料用以架桥。
　 (二)水泥-聚丙烯酰胺浆液
　聚丙烯酰胺作为絮凝剂加到水泥浆中加快固相的絮凝过程，这种聚合物水泥浆的应用目的在于弥补水泥浆性能的不足，使得能调节浆液的凝结时间和增加硬化水泥石的强度，改变脆性为韧性和提高胶结强度。其机理为：当水泥浆与聚丙烯酰胺混合后，线性高分子化合物的聚丙烯酰胺与水泥颗粒中的高价阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺等)发生交联作用，使线性结构转变为体型结构的混合凝聚体，从而增加了水泥石原先的强度和韧性；同时由于聚丙烯酰胺分散在水泥颗粒的连续相内，水泥颗粒因吸收聚丙烯酰胺的水分而水化，使具有长链结构的丝状膜分布在水泥硬化体中，产生纵横拉紧、结合成特高的高分子性质的网状结构，这不仅弥补了原先水泥硬化体中存在孔隙或微裂隙的缺陷，而且被充填在水泥硬化体的连续的或非连续的孔道里，从而增加了水泥石的强度和粘结强度。
　根据文献资料介绍，70年代，前苏联在油井中曾用聚丙烯酰胺-水泥浆液，有效地隔绝堵塞了十多个强吸收地层，其中有碳酸盐溶洞吸收地层。其配方为：泵入16t水泥，0.4t浓度为6.5%的聚丙烯酰胺，0.64t氯化钙和0.007t纯碱所组成的堵塞浆液，取得了良好的堵漏成效。
　在我国，胜利油田用聚丙烯酰胺-水泥浆液堵漏也取得了成功的经验。当钻遇断层裂隙发育的砂岩时，发生泥浆严重漏失，先采用惰性材料堵漏无效。后改用贝壳碴-水泥-聚丙烯酰胺浆液，其配方为：聚丙烯酰胺1%～1.5%，水泥0.75%～1.5%，贝壳碴3%～5%(其中0.075～0.5mm占20%，0.5～5mm占20%，15～15mm占60%)，在四口井中使用五次，获得堵漏成功。
　美国曾用分子量大于200×10⁴的聚丙烯酰胺，用三氯化铁、二乙醛作交联剂与水泥浆混合进行交联堵漏，也有明显效果。

第四单元 脲醛树脂水泥球

脲醛树脂水泥球是我国最近研制的新的堵漏材料。对于裂隙较大并伴有地下水活动的漏失层，用常规浆液堵漏往往会造成浆液稀释和被流水冲走，而"脲醛树脂水泥球"可解决上述地层堵漏问题，实践证明效果良好。
　"脲醛树脂水泥球"是选用脲醛树脂胶粉、加入早强水泥或普通水泥后，与水配制而成。该脲醛树脂水泥球具有强的抗水稀释性能，与岩石粘结力强，且有可堵期可调、早期强度高的特点，特别是在地下水活动剧烈、漏失量较大的地层，只要选准漏失层位，一次就能将漏失层堵住，且成功率高。所用的材料较其他浆液材料来源广，成本较低，故有其推广价值。
　 脲醛树脂水泥球的主体骨架材料可选用两种不同品种水泥。

当用早强水泥-硫铝酸盐地勘水泥时，需加酒石酸进行可堵期的调节（表12-4）。

表12-4 早强水泥树脂水泥球配方表

当用普通水泥时，需加水玻璃来调节可堵期（表12-5）。

表12-5 普通水泥树脂水泥球配方表

表中所测得的可堵期为从拌和混合物料开始，直到压力表指示压力为50kg/cm2时终止的时间，其测定方法由一专门试验装置测得。根据试验得知，从脲醛树脂水泥球的固化过程分析：水泥中加脲醛树脂起到减水剂作用。脲醛树脂中加水泥不能促进固化，早强水泥树脂球中加酒石酸则起到缓凝作用，呈现出是早强水泥的性质，因为酒石酸对脲醛树脂是起促进固化作用。普通水泥树脂球中加水玻璃是起促凝作用，呈现出是普通水泥的性质，因为水玻璃呈碱性，不能促进脲醛树脂的固化。所以，脲醛树脂水泥球的固化主要是水泥起作用，固化时间的调整是靠增减水泥的促凝剂、缓凝剂加量来调整。

第五单元 干性堵漏材料

钻孔堵漏片是我国最近新研制成功的一种钻孔堵漏材料。它是一种干性堵漏材料，最适用于中等裂隙以上漏失地层，具有较好的湿强度、湿粘结性、耐水性，并可根据堵漏需要制成各种尺寸的片剂，直接送入孔内。在孔内水化固结，无需凝结时间，简化了堵漏工艺，成功率较高，且材料无毒，无污染，使用方便，有推广价值。
　钻孔堵漏片是用压片机自动连续冲压成型，具有较高强度，外表光洁规则，有多种尺寸规格，可供堵塞不同漏失通道时合理选用。该堵漏片是以水溶性树脂为主剂的复合材料，遇水能产生快速湿粘和交联热化等反应，使瞬时形成的堵漏体具有良好的粘弹性、韧性、抗水性以及有结构的湿强度，可以实现对漏失通道的快速可靠的堵漏效果。其技术规格为：
　 (1)外形尺寸：为微黄色片剂，两面稍呈凸弧形圆片状，尺寸规格有15种，由φ5×3mm(直径×厚度)到φ20×9mm，应用时可用一种或多种规格混合；
　 (2) 湿粘性 初始粘着力大于30g/cm(遇水10s)
　 (3) 湿强度 抗压入强度大于40kg/cm2(浸水3h)；
　 (4) 耐水性 浸水8h，片剂溃散体积不超过1/5；
　 (5) 材料比重 大于1.5；
　 (6) pH值 7.5～8.5；
　 (7) 定型规格 共有31种；直径范围：5～20mm，厚度范围：3～9mm。
　该堵漏片可用于各种漏失类型。对中等以上漏失、开放性裂隙、有地下水活动以及部分溶洞堵漏均可使用。其输送方法可分为孔口投送和输送器两种。孔口投送要注意合理掌握投入量和投放速度，防止投送过急造成片剂中途架桥阻塞，可边投边冲水，借助水流作用帮助片剂下沉和进入漏失通道内；对采用输送器可利用普通岩芯管，但要求管内保持光洁干燥，两端要密封，片剂不能受潮，管底要承托片剂不得脱落，以保证安全可靠。片剂的排出方法可用泵压，同时借助钻具回转振动，以利排出片剂。当堵漏片排出后，下入无岩芯钻头扫孔，将钻孔中未进入漏失通道的片剂挤向孔壁四周。扫孔时，宜用慢转、轻压，小泵量，扫至孔底后等待10～15min，后再用逐渐增大的泵量冲送观察30min，若返水正常，说明封漏有效。实践表明，它对中等裂隙以上漏失进行堵漏，有较好的效果。

第六单元 沥青材料

沥青是一种源广、价廉、易购的有机胶凝材料，它具有抗水性、粘结性、塑性、不导电性以及耐侵蚀性等优点。用于钻探堵漏与护孔是一种行之有效的材料。
　钻孔用沥青堵漏有两种方法：一种是将沥青加热至230℃～250℃，装在保温的灌注器中送入孔内。为减少沥青的流动性，增强堵漏护壁的效果，可在其中加入惰性堵漏材料。另一种方法是采用磺化沥青和乳化沥青进行堵漏，它比前者热溶沥青使用方便。

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