分散度：指分散相的分散程度。分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。比表面积：单位体积或单位重量物质的总表面积。比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高。二、主要粘土矿物的晶体构造和特点1、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（T）由于四面体片含有负电荷，所以在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存在。（2）铝氧八面体与铝氧八面体片（O）八面体片能够独立地存在。2、几种主要粘土矿物的晶体构造（1）高岭石TO结构，T与O通过共用氧原子连接在一起，晶层与晶层之间用氢键连接。高岭石分散度低且性能稳定，几乎无晶格取代现象，故为非膨胀型粘土矿物。其水化性能差，造浆性能不好，一般不用作钻井液的配浆粘土。（2）蒙脱石TOT结构，天然具有晶格取代的现象，晶层间以分子间力（范德华力）连接，引力小，连接不紧密，水分子容易进入晶层之间而发生膨胀，水化分散性好，造浆能力强，是配制钻井液的好材料。（3）伊利石TOT结构，与蒙脱石区别在于晶格取代更多，产生的负电荷主要由K+来平衡。伊利石的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，层间补偿性阳离子K+与晶层负电荷之间的静电引力比氢键还强，加之K+的体积大小刚好嵌入相邻晶层间的氧离子网格形成的六角形空隙中，起着一定的固定作用，所以，伊利石的晶格不易膨胀，水分子不易进入晶层间，也不是配制钻井液的好材料。三、粘土一水悬浮体系的胶体化学1、粘土一水界面扩散双电层（1）电泳与电渗21
21 分散度：指分散相的分散程度。分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细 小。 比表面积：单位体积或单位重量物质的总表面积。 比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高。 二、主要粘土矿物的晶体构造和特点 1、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（T） 由于四面体片含有负电荷，所以在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存 在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存在。 （2）铝氧八面体与铝氧八面体片（O） 八面体片能够独立地存在。 2、几种主要粘土矿物的晶体构造 （1）高岭石 TO 结构，T 与 O 通过共用氧原子连接在一起，晶层与晶层之间用氢键连接。 高岭石分散度低且性能稳定，几乎无晶格取代现象，故为非膨胀型粘土矿物。 其水化性能差，造浆性能不好，一般不用作钻井液的配浆粘土。 （2）蒙脱石 TOT 结构，天然具有晶格取代的现象，晶层间以分子间力（范德华力）连接，引 力小，连接不紧密，水分子容易进入晶层之间而发生膨胀，水化分散性好，造浆能力强， 是配制钻井液的好材料。 （3）伊利石 TOT 结构，与蒙脱石区别在于晶格取代更多，产生的负电荷主要由 K+来平衡。伊 利石的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，层间补偿性阳离子 K+与晶层负 电荷之间的静电引力比氢键还强，加之 K+的体积大小刚好嵌入相邻晶层间的氧离子网 格形成的六角形空隙中，起着一定的固定作用，所以，伊利石的晶格不易膨胀，水分子 不易进入晶层间，也不是配制钻井液的好材料。 三、粘土—水悬浮体系的胶体化学 1、粘土—水界面扩散双电层 （1）电泳与电渗
电泳：在电场作用下，胶体颗粒在介质中向某一电极移动的现象。电渗：若固相不动而液相对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。（2）扩散双电层的形成于结构胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面：另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力，这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在胶粒周围，构成扩散双电层。在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠固体表面密度高，形成紧密层（吸附层）。（3）扩散双电层中的电位从滑动面到均匀液相（过剩反离子为零）的电位，称为电动电位（电位）。从固相表面到均匀液相内部的电位称为热力学电位（βo）。在溶液中加入电解质，扩散双电层厚度下降的原因是：加入电解质后，将有更多的反离子进入吸附层，结果扩散层的离子数目下降，这就导致双电层厚度下降，电动电位下降（电解质压缩双电层的作用）。（4）粘土一水界面双电层的特点①粘土片表面的双电层结构：晶格取代造成粘土晶格层面上带有永久负电荷，于是它们吸附等电量的阳离子。当将这些粘土放到水里，吸附的阳离子便解离，向外扩散，形成胶粒带负电的扩散双电层。②粘土端面上的双电层结构：当介质PH值低于9时，八面体处端面上OH解离，露出带正电的铝离子，故可以形成正溶胶形式的双电层：而在碱性介质中，端面上的氢解离，露出带负电的表面（一AI一O），在这种情况下，形成的双电层电性与层面上相同。另外，端面上通常由于氢的解离而带负电。但粘土悬浮体中常常有少量A13+存在，它将被吸附在硅氧四面体的破键处，从而使之带正电。2、粘土一水悬浮体的稳定性（1）沉降稳定性和聚结稳定性沉降稳定性：指在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，22
22 电泳：在电场作用下，胶体颗粒在介质中向某一电极移动的现象。 电渗：若固相不动而液相对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。 （2）扩散双电层的形成于结构 胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形 成双电层。 双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面；另一方面， 由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力，这两种相反作用的结果，使得反 离子扩散地分布在胶粒周围，构成扩散双电层。 在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠固体表面密度高，形成紧密层（吸附 层）。 （3）扩散双电层中的电位 从滑动面到均匀液相（过剩反离子为零）的电位，称为电动电位（ 电位）。 从固相表面到均匀液相内部的电位称为热力学电位（ 0）。 在溶液中加入电解质，扩散双电层厚度下降的原因是：加入电解质后，将有更多的 反离子进入吸附层，结果扩散层的离子数目下降，这就导致双电层厚度下降，电动电位 下降（电解质压缩双电层的作用）。 （4）粘土—水界面双电层的特点 ① 粘土片表面的双电层结构：晶格取代造成粘土晶格层面上带有永久负电荷，于 是它们吸附等电量的阳离子。当将这些粘土放到水里，吸附的阳离子便解离，向外扩散， 形成胶粒带负电的扩散双电层。 ② 粘土端面上的双电层结构：当介质 PH 值低于 9 时，八面体处端面上 OH-解离， 露出带正电的铝离子，故可以形成正溶胶形式的双电层；而在碱性介质中，端面上的氢 解离，露出带负电的表面（—Al—O-），在这种情况下，形成的双电层电性与层面上相 同。 另外，端面上通常由于氢的解离而带负电。但粘土悬浮体中常常有少量 Al3+存在， 它将被吸附在硅氧四面体的破键处，从而使之带正电。 2、粘土—水悬浮体的稳定性 （1）沉降稳定性和聚结稳定性 沉降稳定性：指在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小
甚至可略而不计，则称该体系具有沉降稳定性。聚结稳定性：指分散相颗粒是否容易自动粘结变大（即自动降低分散度）的性质。若实际上不自动降低分散度，则称此体系具有聚结稳定性。（2）影响沉降稳定性的因素对一般的分散体系而言，影响沉降稳定性的因素是分散相粒子的大小、分散相与分散介质的密度差、分散介质的粘度。分散相颗粒越小，沉降稳定性越好，而悬浮体的分散相颗粒粗，沉降稳定性不好。此外，尺寸小于1μum的颗粒还具有布朗运动，使胶体粒子能向上扩散而保持悬浮状态，具有较高的沉降稳定性。（3）影响聚结稳定性的因素①阻碍聚结的因素：双电层斥力（电位越高斥力越大）；吸附层的稳定作用。②引起聚结的因素：颗粒之间的引力（范德华力）：电解质的聚结作用。③聚结作用与凝胶凝胶是指由于外界条件（如温度、外力、电解质或化学反应）的变化使溶胶（或悬浮体）或高聚物分子相互联结形成的半固体状态产生凝胶的必要条件是：分散相颗粒形状高度不规则（例如片状），粒子表面性质不均匀，粒子的浓度足够大。[本讲课程的小结】粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势‘、粘土的水化[本讲课程的作业]1、比较蒙脱石、伊利石和高岭石的水化能力并分析其原因？2、粘土一水界面双电层有何特点？课程名称：《钻井工程》第7周第3讲摘要第三章钻井液授课题目（章、节）夜第三节钻井液的工艺性本讲目的要求及重点难点：【目的要求】重点掌握钻井液两个工艺性能对钻井工程的影响，了解胶体化学特点及其对钻并液性能的影响。了解相关的化学添加剂类型及其作用原理：了解钻并液性能的测量、维护控制和调整的基本原理和方法。[重点】流变参数及其胶体化学性质；流变性能调节原理[难点]流变参数及其胶体化学性质内容23
23 甚至可略而不计，则称该体系具有沉降稳定性。 聚结稳定性：指分散相颗粒是否容易自动粘结变大（即自动降低分散度）的性质。 若实际上不自动降低分散度，则称此体系具有聚结稳定性。 （2）影响沉降稳定性的因素 对一般的分散体系而言，影响沉降稳定性的因素是分散相粒子的大小、分散相与分 散介质的密度差、分散介质的粘度。分散相颗粒越小，沉降稳定性越好，而悬浮体的分 散相颗粒粗，沉降稳定性不好。此外，尺寸小于 1m 的颗粒还具有布朗运动，使胶体 粒子能向上扩散而保持悬浮状态，具有较高的沉降稳定性。 （3）影响聚结稳定性的因素 ① 阻碍聚结的因素：双电层斥力（ 电位越高斥力越大）；吸附层的稳定作用。 ② 引起聚结的因素：颗粒之间的引力（范德华力）；电解质的聚结作用。 ③ 聚结作用与凝胶 凝胶是指由于外界条件（如温度、外力、电解质或化学反应）的变化使溶胶（或悬 浮体）或高聚物分子相互联结形成的半固体状态。 产生凝胶的必要条件是：分散相颗粒形状高度不规则（例如片状），粒子表面性质 不均匀，粒子的浓度足够大。 [本讲课程的小结] 粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势ζ、粘土的水化 [本讲课程的作业] 1、比较蒙脱石、伊利石和高岭石的水化能力并分析其原因？ 2、粘土—水界面双电层有何特点？ 课程名称：《钻井工程》 第 7 周 第 3 讲 摘 要 授课题目（章、节） 第三章 钻井液 第三节 钻井液的工艺性 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 重点掌握钻井液两个工艺性能对钻井工程的影响，了解胶体化学特点及其对钻 井液性能的影响。了解相关的化学添加剂类型及其作用原理；了解钻井液性能的测量、维护控 制和调整的基本原理和方法。 [重点] 流变参数及其胶体化学性质；流变性能调节原理 [难点] 流变参数及其胶体化学性质 内 容
[本讲课程的内容]：第三节钻井液的工艺性一、钻井液的流变性1、流变性概念钻井液流动和变形的特性称为流变性，其中流动性是主要的2、流变性的作用（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁：（2）悬浮岩屑和重晶石：钻（3）合理确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥头水马力的作用，提高机械钻速：井（4）减轻钻井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止漏和井塌等事故的发生（5）有效地发挥固控设备的效能：（6）防止气侵。3、钻井液流变模式及流变参数幂律流体牛顿流体（假塑性型）幂律流体宾汉流体流（膨胀型）速（塑性型）梯度卡森流体切应力Tsto赫切尔一巴尔克莱流体（1）流变学模式及流变参数：牛顿流体T=uyT=Ta+pvy+宾汉流体 t=Kyn幂律流体 2 = 2+1/2..1/222+n！卡森流体本 t=t+Ky"赫切尔一巴尔克莱流体24
24 [本讲课程的内容]： 第三节 钻井液的工艺性 一、 钻井液的流变性 1、流变性概念 钻井液流动和变形的特性称为流变性，其中流动性是主要的。 2、流变性的作用 （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑和重晶石； （3）合理确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥 钻 头水马力的作用，提高机械钻速； （4）减轻钻井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止 井 漏和井塌等事故的发生； （5）有效地发挥固控设备的效能； （6）防止气侵。 3、钻井液流变模式及流变参数 （1）流变学模式及流变参数： 宾汉流体 （塑性型） 卡森流体 赫切尔—巴尔克莱流体 牛顿流体 幂律流体 （膨胀型） 切应力 流 速 梯 度 s 0 幂律流体 （假塑性型） 牛顿流体 = n 幂律流体 = K 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 卡森流体 = c + n = + K 赫切尔—巴尔克莱流体 0 宾汉流体 = d + PV
（2）静切应力ts静切应力是指使静止的塑性流体开始运动时的最低切应力，现场简称静切力，常用Ts表示。（3）触变性指恒温恒压下搅拌后变稀，静止后变稠的特性。触变性流体具有两个特点：①形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的；②结构的变化与时间紧密相关。规定静置1min后测定的静切力为初切力，静止10min后测定的静切力为终切力，并用二者的差值或比值来表示钻井液触变性的强弱。（4）表现粘度/有效粘度表现粘度是指某一剪切速率下剪切应力与剪切速率的比值，Ⅱ=Y4、调整钻并液流变性的一般要求及方法对于非加重钻井液：塑性粘度μpv的适宜范围为5～12mPaS：动切应力td一般应保持在1.4~14.4Pa范围内。静切力ts是使钻并液开始流动所需的最低切应力，其值过高时会造成开泵困难，甚至憨漏地层：其值过低又直接影响钻井液的悬浮能力。为了能够有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比(ta/μpv)。根据现场经验和平板型层流流核直径的有关计算，一般将ta/μpv保持在0.48Pa/mPas左右是适宜的。在使用幂律模式时，n值保持在0.4～0.7之间。K值尚未明确其适宜范围，但原则上应在保证有效携岩的前提下，尽量维持较低的K值，以提高钻速和降低开泵时所需的压力。5、调整宾汉和幂律模式流变参数的方法（1）降低μpv。通过合理使用固控投备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。（2）提高μpv。加入低造浆率粘土、重晶石以及混入原油均可提高μpv。另外增加聚合物浓度使钻井液的滤液粘度提高，也可起到提高Hpv的作用。（3）降低td。最有效的方法是加入适合于本体系的降粘剂(或称稀释剂)，以拆散钻井液中已形成的网架结构。25
25 （2）静切应力 s 静切应力是指使静止的塑性流体开始运动时的最低切应力，现场简称静切力，常用 s 表示。 （3）触变性 指恒温恒压下搅拌后变稀，静止后变稠的特性。 触变性流体具有两个特点：① 形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可 逆的，可重复的；② 结构的变化与时间紧密相关。 规定静置 1 min 后测定的静切力为初切力，静止 10 min 后测定的静切力为终切力， 并用二者的差值或比值来表示钻井液触变性的强弱。 （4）表现粘度/有效粘度 表现粘度是指某一剪切速率下剪切应力与剪切速率的比值， = 。 4、调整钻井液流变性的一般要求及方法 对于非加重钻井液：塑性粘度 pv 的适宜范围为 5～12 mPa.s；动切应力 d 一般应 保持在 1.4～14.4 Pa 范围内。 静切力 s 是使钻井液开始流动所需的最低切应力，其值过高时会造成开泵困难， 甚至憋漏地层；其值过低又直接影响钻井液的悬浮能力。 为了能够有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比(d / pv)。根据现场经验 和平板型层流流核直径的有关计算，一般将 d/pv 保持在 0.48 Pa/ mPa.s 左右是适宜的。 在使用幂律模式时，n 值保持在 0.4～0.7 之间。 K 值尚未明确其适宜范围，但原则上应在保证有效携岩的前提下，尽量维持较低的 K 值，以提高钻速和降低开泵时所需的压力。 5、调整宾汉和幂律模式流变参数的方法 （1）降低 pv。通过合理使用固控投备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固 相含量。 （2）提高 pv。加入低造浆率粘土、重晶石以及混入原油均可提高 pv。另外增加 聚合物浓度使钻井液的滤液粘度提高，也可起到提高 pv 的作用。 （3）降低 d。最有效的方法是加入适合于本体系的降粘剂(或称稀释剂)，以拆散 钻井液中已形成的网架结构