4、期末考试（60%）
（期末考试成绩100分：60分）
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课程学时分布
• • • • • • • • • • 钻井液概论(3学时) 粘土矿物和粘土胶体化学基础（6学时） 钻井液的流变性（6学时） 钻井液的滤失和润滑性能（5学时） 钻井液配浆材料与处理剂（5学时） 水基钻井液（5学时） 油基钻井液（4学时） 对付井下复杂情况的钻井液技术（4学时） 保护油气层的钻井液技术(2学时) 钻井液固相控制（自学）
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铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面体 通过共用晶棱连接起来，顶端和 底端氧原子则构成两个平行的平 面（每个八面体同相邻的六个其 它八面体通过共用氧（氢氧）连 接。 两种八面体（片） 二八面体（铝氧片）—— 每三 个八面体中心只有二个中心被 Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。 三八面体（镁氧片）——每三个 八面体中心全被Mg3+、Fe3+充填 （无空位）。
• 吸附——物质在两相界面上自动浓集（界面浓 度大于内部浓度）的现象。 • 吸附质——被吸附的物质 • 吸附剂——吸附吸附质的物质 • 按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为： • ——物理吸附 • ——化学吸附
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第一节 粘土矿物的晶体构造与性质
粘 土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的 细粒粘滞土 状物质。 特点：粒度 < 5微米. 成分：粘土矿物（蒙托石等）+ 非粘土矿物（石英、 长石等）+ 胶体矿物（蛋白石等）。 粘土矿物：含水的层状及层 — 链状铝硅酸盐总称。 特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结 构— 内部格子构造。
6OH -6 4Al +12 4O+2OH -10 4Si +16 6O -12 ----=0
氧
氢氧
铝
硅
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25
2. 蒙脱石（Montmorillonite) 晶体结构 —— 2：1型 两层四面体片中间夹一层八面体 片。每个四面体尖顶均指向中央的八 面体，通过共用的氧连接成晶层。若 干个晶层按一定距离在C轴方向上重 叠构成晶体。 晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4 特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高： 70-~130 毫克当量/100克土 水化能力强。
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几个基本概念
1. 相和相界面
相 —物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。 体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。 相界面 —— 相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界面称为表面。 若是液/固分界面，称为界面。
25
16
2.分散相与分散介质 分 散 相 —在多相分散体系中，被分散的物 质。
钻井液与完井液
Drilling and Completion Fluids
李 方
CNPC钻井液重点研究室
（西南石油大学）
成
1、出勤率（10%）
绩
分
布
（每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：10分）
2、作业（20%）
（每次独立完成作业，并提交作业：20分）
3、提问（10%）
（回答问题正确率达80%以上：10分）
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19
粘土矿物的晶格构造和特点
• 常见的粘土矿物(clay minerals)
–高岭土（Kaolinite） –蒙脱石(Montmorillonite) –伊利石(illite)
• 化学组成
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一、粘土矿物的两种基本构造单元
1.硅氧四面体与硅氧四面体片
硅氧四面体
由一个硅原子和四个等距的氧原子组 成的正四面体。硅原子在四面体的中心， 氧原子在四面体的顶点。
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埃 6O 4Si 4O+2OH 4Al 4O+2OH 4Si 6O
氧
氢氧
铝
硅
37
26
3. 伊利石（illite) 晶体结构 —— 2：1型+K+ 晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构。 区别： A 、晶格取代比蒙脱石多，且主要发 生在四面体片中。 B 、 补偿阳离子主要为K+。 C 、 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高 1-1.5倍。 特点 A、 单位晶胞电荷数高：0.6-1.8。 B、单位层之间由分之间力和K+连接。 C、 阳离子交换容量低： CEC=20-40 meg/100g土 D、水化能力弱。
6
3
1. 钻井液的主要作用（简图）
控制压力
携带、悬浮岩屑
传递水功率
形成泥饼
破岩、清岩
保护油气层
7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
8
1. 钻井液的主要作用（具体内容） 保持清洁；控制压力；
冷却润滑；防止垮塌；
避免损害；取准资料； 传递功率；承受重量。
8 9
第二节
钻井液的组成和类型
2. 钻井液的组成 分散相+分散介质+化学处理剂 连续相+不连续相 液相+固相+化学处理剂
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14
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容： 1. 几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。
2. 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。 3. 胶体体系的基本概念。 4. 分散度、比表面的概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。
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15
粘土胶体化学基础(Fundaments of clay colloid chemistry)
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二、几种粘土矿物的晶体构造
1. 高岭石（Kaolinite) 晶体结构 —— 1：1型 单元晶层由一层四面体片和一层八 面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都 朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶 层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠， 而在a、b轴方向上连续延伸。 特点 晶层间连接紧密（晶层一面为‚O‛ 层，一面为‚OH‛层，易形成氢键。） 水化分散性差，矿物较稳定。 C轴间距=7.2埃。 晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8
• 原油
柴油为连续相钻井液
油包水乳化钻
井液
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国内钻井液技术发展特点
• 同样经历了这些阶段,但滞后一定时间; • 水基体系的研究应用比油基体系多; • 深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液
• •
• •
理论较成熟； 成功研制了一些钻井液处理剂； 成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两 性离子聚合物体系、聚磺体系等； 研制了大量钻井液性能评价仪器； 计算机应用相对滞后。
图中： 基底氧：四面体底面三个氧原子。 顶端氧：四面体顶点一个氧原子。 O-O距离：2.61埃。 Si-O距离：1.61埃。 —— 硅原子 —— 氧原子
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硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四 面体通过底面氧相连，构成平 面连续的四面体晶格。 四面体片特点： 由SiO4彼此连接而成的Si4O10 的无限重复的六方网格。 所有基底氧排列在同一个平面 上。 所有顶端氧在另一个平面上。 平面投影形成正六角形的三层 空心六角环网格。 四面体片在粘土中不能独立存 在。
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1. 初步发展时期 —— 自然造浆阶段 主要解决问题： 典型技术：
携带钻屑 控制地层压力
水+钻屑+地面土 使用重晶石、铁矿粉（>1920年)
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2. 快速发展时期 —— 细分散泥浆阶段 主要解决问题： 泥浆性能的稳定 井壁稳定 典型技术： 性能测定仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤
3
钻
井
液
与
完
井
液
核心内容 钻井液流变性 钻井液处理剂
钻井液造壁性
钻 井 液 体 系
4
1
第一章
本章要求掌握：
绪
论
钻井液、完井液功用、类型和组成。


钻井液、完井液的性能及其测试。
钻井液、完井液的发展概况。
5
2
第一节
钻井液、完井液的功用类型组成
钻井液 —— 凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑 的流体（液、气、液+气）。 广义完井液 —— 一切与产层接触的流体（各种盐水、 聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。 狭义完井液 —— 钻开油气层的钻井液。
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4
组分举例
某种水基钻井液组分为： 水 + 膨润土 + 处理剂
100ml 5g
1g
用组分表示的配方为： 5%膨润土浆+1%处理剂 配方表示的特点： 用W/V百分数表示组分。 不考虑处理剂的体积。
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5
水基钻井液的典型组成
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油基钻井液的典型组成
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3. 钻井液的类型
通常根据分散介质分为三大类： 水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids） 油基钻井液（Oill-Base Drilling Fluids） 气基钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）
分 散 介质 —分散相所在的连续介质。
例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。
—— 粘土为分散相； —— 水为分散介质。
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分散度和比表面
分散度 —— 分散相的分散程度。
1 1 分散度 颗粒平均直径 L
比表面 —— 单位体积（重量）物质的总表面积。 比表面 = S/V = S/W
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3.吸附作用
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6
淡水 : NaCL 1% ;Ca 2 120mg / L 饱和 ) : NaCL 1% (W / V ) 盐水( 海水 石膏 / 石灰 钙处理( ) : Ca 2 120mg / L 水基 CaCL 2 低固相( PAM ) : S( V固 ) 7% ;S( W固 ) 4% FA 367 V浆 W浆 混油(Oil / Water ) : Oil 10%