（二）聚结稳定性及影响因素
1．聚结稳定性 ——分散相颗粒能克服自动聚结变大所 具有的稳定性。 2．影响聚结稳定性的因素 （1）阻碍粘土聚结的因素 Ⅰ.双电层斥力 Ⅱ.水化膜弹性变形斥力
Ⅰ.颗粒间的引力—各原子间的范德华力总和 Ⅱ.电解质的聚结作用 从上面分析可看出 引力：范德华力 斥力：双电层斥力，水化膜弹性斥力 引力>斥力 颗粒聚结 引力<斥力 颗粒分散具有聚结稳定性。 电解质加入后，使颗粒的水化膜变薄， ξ电位降 低，既双电层斥力和水化膜斥力减少，从而使引力大 于斥力，粘土颗粒发生聚结
平表面双电层
负电性
端面双电层
正或负电性
ξ电势
双电层
较高
较厚
较底
较薄
四、粘土—水悬浮体的稳定性和聚结
（一）沉降稳定性及影响因素 1．沉降稳定性 ——分散相颗粒能克服重力的作用，所具有 的稳定性。 2．影响沉降稳定性的因素 根据斯托克斯定律进行分析分散相离子所受的净 重力 4 4 3 r g r 3 0 g 3 3
4、恶性漏失的防治； 5、井壁稳定性； （1）体系抑制性 （2）体系封堵能力 6、漏、喷、塌同时存在的产层的泥浆技 术与油层保护……； 7、保护环境的泥浆体系
粘土胶体化学基础
常见粘土矿物的晶格构造特点 粘土的水化作用 粘土—水界面双电层 粘土—水悬浮体的稳定性
问题与思考：
4.高岭石
(1)构造 ①由一层硅氧四面体片和一层铝氧八面体片组 成单位晶胞。 ②晶格中几乎没有晶格取代现象。
(2)特点 ①晶层一面为氧层，一面为氢氧层，层间 形成氢键，层间联结力强。 ②不易吸水膨胀 故含有高岭石多的黄土，配出的泥浆造 浆率低。
5.矿物类型
1∶1型 2∶1型 层状结构 间层型 纤维状 高岭石 蒙脱石、伊利石 伊-蒙混层 凹凸棒石 海泡石
(2)铝氧八面体 处于中心的铝原子与两层堆叠的6个氧 或氢氧原子相连构成八面体。每个八面体 两面上的氧或氢氧在相邻的八面体共同构 成八面体片。
2.蒙脱石
(1)晶体构造 ① 由2层Si－O四面体片夹一层Al－O 八面体片组成 单位晶胞，由单位晶胞重叠构成粘土矿物。
②晶格中存在品格取代
晶格取代：粘土矿物在沉积环境中，晶格中的高价阳 离子被低价阳离子所取代的现象。 如 Ae+3→Si+4 Mg+2→Ae+3 取代后正电荷亏损，使晶格带负电，此电荷由层间补 偿阳离子的补偿，使晶格保持电中性。 补偿阳离子---带负电的晶层表面为维持电中性所吸 附的阳离子。 蒙脱石的补偿阳离子的主要是Ca+2和Mg+2
1.为什么要用优质搬土配钻井液？
2.为什么配浆时泥浆中加纯碱？
这些问题都需要用粘土胶体化学基础知
识来解释, 粘土胶体化学知识可指导钻井液
的配制和维护处理工作。
§1—3 常见粘土矿物的晶格构造与性质
一、几种主要粘土矿物的晶体构造
1．粘土矿物的基本结构单位。 (1)硅氧四面体 处于中心的硅原子与四个氧原子或氢氧原 子以等距离相连构成四面体。每个四面体中的 三个氧原子与相邻的三个四面体共用构成四面 体片。
(2)粘土颗粒表面间接吸附水分子水化，由于 粘土带负电，表面紧密地排列着一层阳离子，这 层反离子的水化给粘土表面带来水化膜。 粘土的水化以间接水化为主，那么阳离子的水 化越好，粘土的水化膜越厚。 2．渗透水化 粘土层间离子浓度大于钻井液中离子浓度。
3.影响粘土水化的因素
(1)粘土的本性。 ①晶层间的联结力 ②带电量 (2)补偿阳离子性质 例：钙蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为17A0； 钠蒙脱石吸水膨胀后，底面间距为41A0
(2)特点
①晶层上下皆为氧层，各晶层间以分子间力联接，连 接力弱。 ②易吸水膨胀，分散。 由于蒙脱石易吸水膨胀，分散，取出的浆造浆率高， 含蒙脱石80%以上的纯净土，称为搬土。是配制泥浆的 优质材料，但钻含蒙脱石发的泥浆岩地层，易出现泥 浆增稠。缩径，卡钻，泥包等复杂情况。 造浆率（Ｙ）--每吨土配出粘度为15mpa· s的泥浆方 数。
钻井液
王勇
目
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
录
概论、粘土胶体化学基础 钻井液流变性 钻井液失水造壁性、处理剂 常用钻井液性能维护及处理 复杂情况下的钻井液工艺及 油层保护
§1—1钻井液的功用、类型及组成
一、钻井液的功用
一、平衡地层流体压力 二、悬浮、携带岩屑 三、稳定井壁 四、冷却和润滑钻头、钻具 五、清洁井底，利用水力功率帮助钻头破碎岩石 六、防止各种污染 七、保护油气层 七、录取岩性，油气水显示等地层资料
原因：
离 子 离子半径 水化半径 带电量 Na+ 0.93 7.90 -Ca2+ 1.06 10.00 Na+的2倍
因而使用钙蒙脱石配浆时，要加入NaCO3 NaCO3 Ca土 Na土 (3)水溶性性质
(4)温度和时间
§1—4 粘土胶体化学基础
一、分散体系及其种类 1.分散体系
一种物质或几种物质分散在另一种物质中所 形成的体系。 （1）分散相 —— 被分散的物质。 （2）分散介质 ——分散相颗粒所在的连续介质。
二、 钻井液的类型
根据钻井液中分散介质不同，钻井液分成四种 基本类型: 1、水基钻井液 2、油基钻井液 3、合成基钻井液
4、气体钻井液
1、水基钻井液（Water based）
（1）淡水钻井液（细分散体系） NaCl < 1% Ca2+ <120 mg/L （2）粗分散体系 钙处理钻井液 盐水钻井液 饱和盐水钻井液、海水钻井液 （3）不分散体系(聚合物钻井液)
3、油基钻井液(Oil based Drilling Flaids)
（1）普通油基钻井液 （2）油包水乳化钻井液 3、合成钻井液 4、气体钻井液 泡沫、空气、天然气等。 各种类型的钻井液各有其特长和适用范围，选择 时需要根据所在井的地质特点和钻井工艺要求选择合 适的钻井液类型。
三、泥浆的组成
水 粘土 化学处理剂 惰性物质 加重剂 Βιβλιοθήκη 屑总表面积 比表面积 体积
6L2 6 对于正比表面积：比表面积 3 L L 以上可以看出颗粒越小，比表面积越大，分散度越 高，既高度分散体系具有巨大表面积。
分散度与比表面积举例： 例：1cm 方块细分表面积变化
S=6 cm2
S=8 cm2
S=12
cm2
当分为边长为0.01微米时，总表面积可达6 千平方米 。
三、粘土的水化作用
1.水化作用的意义 粘土颗粒表面吸附水分子，使其表面形成水 化膜，晶层间距增大，产生膨胀至分散作用。
(二)粘土水化膨胀作用机理
1．表面水化
水分子是向排列于晶层表面，达四个水分子层。表 面水化有两种方式: (1)粘土表面直接吸附水分子而水化（称直接水化） 原因：① 降低表面能而产生吸附水分子到粘土表面。 ② 粘土带负电，而水分子是极性分子。水分子 受静电引力作用定向排列在粘土表面。 ③ 粘土晶格里的氢或氢氧层通过氢键吸附水分 子。
下沉的阻力： 匀速下沉
F 6ru 下沉速度
4 3 r g ( 0 ) 6ru 3
2 r 2 ( 0 ) u g 9
（斯托克斯定律）
1．颗粒尺寸 2．分散相和分散介质的密度差 3．分散介质粘度 颗粒尺寸是关键，要保证重晶石不下沉应具有一定 细度胶体粒子尺寸小，具有沉降稳定，但胶体粒子具 有聚结不稳定性，当胶体粒子聚结交成大颗粒时就失 去了沉降稳定性，因此二者互相影响的，要维持粘土 颗粒的沉降稳定性，必须保证聚结稳定性。
(二)双电层电位
1.ξ电势-----胶体电荷所产生的电势
粘土总电荷 E总=E吸+E扩
ξ电势∝E扩=E总-E吸
2.电解质对ξ电势的影响
(1)电解质挤压双电层 ——电解质加入后，使双电层变薄，ξ电势下降的 现象。 (2)原因 电解质加入后，溶液中反离子浓度增大，由于反离子 的扩散作用和粘土颗粒的静电引力作用，导致反离子进 入吸附层的机会增多，使双电层变薄，胶粒电荷减少， ξ电位降低。随着电解质浓度增加，ξ电势逐渐下降， 当电解质浓度增大到一定值时，ξ电势为零：ξ电势为 零的状态称为等电态，等电状时，胶粒不带电，粘土颗 粒静电斥力消失，这时粘土颗粒易发生聚结。
1. 扩散双电层的形成 (1) 作用在反离子上的力。 ①扩散力------受极性水分子的影响和自身的热 运动向水中扩散的力。 ②吸引力------带电粘土颗粒表面对反离子的静 电引力。 粘土颗粒表面吸附的反离子在两种相反作用力的 作用结果。使反离子扩散地分布在界面周围。构成扩 散双电层。
(2)扩散双电层定义
3.粘土平表面和端面的双电层区别
平表面带负电，而端面不同，在外力作用下，粘土晶层发 生断裂，晶格中的Al—O八面体和Si--O四面体的键断裂，Al 原子露在端面，在酸性介质中端面带正电。 Al—OH，在碱性介质里端面带负电，如Al--O—H，所形 成的双电层与平面不同。 双电层类型 比较项目 带电性
2.分散体系分类
按分散颗粒尺寸的大小可以分为三类如下表
类 别 颗粒大小
大于0.1微米
0.1微米～1毫微米 小于1毫微米
粗分散体系（悬浮体）
胶体分散体系（溶胶） 分子或离子分散体系（溶胶）
三、胶体分散体系的基础性质
1.多相性：不只有一相。 ２.高度分散性：分散相分散很细，或者说分散 强度高，分散度常用“比表面积”来量度。
带电表面及反离子构成的电层，它们电荷 相反，电量相等。 例：固体表面带十七个负电荷，在液相 中就有十七个过剩的正电荷。 正电荷以固体表面到过剩电 荷为零处由多而少地分布， 固面上紧密地连结着部分水 分子和部分反离子组成内层， 称为吸附溶剂化层，
吸附层：与周面紧密连接着的一层反离子和部分 水分子构成的内层。 扩散层：反离子成扩散的分布在液相内构成的外 层。 滑动面：吸附层与扩散层的分界面。 当离子移动时，界面上的吸附层随着一起移动， 所以固体粒子与吸附层是一整体，称为胶粒。 胶粒：固体离子和吸附层