作者：贾铎
出版社：石油工业出版社
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钻井液工程师技术手册：汉英对照试读：
前言
钻井液技术是一门为石油和天然气勘探开发服务的专业性极强的应用工程技术，它不仅为高效、优质和经济完成油气井的建井服务，而且还承担着防止油气层伤害、保护油气层产能的任务。由于钻井液新技术、新工艺不断涌现，要求钻井液工程技术人员要不断学习和掌握有关的科学知识和工艺技术，不断提高自己的工作技能。《钻井液工程师技术手册》（中英文双语）就是为钻井液工程技术人员学习专业知识和技术，熟练掌握和应用专业英语而编写的一本专业技术书籍。本书还可用于对外籍钻井液专业技术员工进行培训。
全书共十八章，前八章为第一部分，此部分的中心内容为钻井液的功用、成分、性能，钻井液流变学，黏土胶体化学，钻井液及其滤液测试程序和方法，如何针对油气井勘探开发要求、地质岩层和构造特性和钻井工程设计，选择适当的钻井液材料和化学添加剂，形成该井或该区块应用的钻井液体系，制定相应的钻井液技术设计等基本理论知识。本书第二部分包括第9章至第18章，此部分中心内容为在钻井液施工过程中，正确实施钻井液技术设计，并应用油气井压力控制、钻井液固相控制、井筒水力学、完井液、防止油气产层伤害等工艺技术，及时正确地处理和调整钻井液性能，预测、防止和解除可能发生的井喷、井漏、井塌和卡钻等井下事故，最终实现优质、安全地完成本井或一个区块的勘探开发目的。
本书的附录包括各种常用工程技术数据和有关计算，以及公英制单位的换算。附录中提供了一口井“钻井液完井报告”模板，用于积累所钻井的钻井液资料和建立钻井液技术档案库供今后施工参考。
谨向尊敬的张克勤教授级高级工程师和朱墨教授对本书编写所提出的宝贵的指导意见表示诚挚谢意，并感谢为本书提供了各种资料的王奎才等同志。
诚挚欢迎广大专业同仁、专家和读者对本书的缺陷、不足和错误提出批评和指正，以供今后补充和完善。贾铎2015年12月
PREFACE
Drilling fluid technique is an applicable engineering technique with an extreme specialty character that serves petroleum oil and gas exploration and exploitation.It not only serves to effective,speedy and economical build up wells but also takes the task to prevent damage of productive formations and protect their productive potential.As new innovations of drilling fluid techniques and technologies are springing up quickly,the drilling fluid engineering personnel is required to study and know well those newly emerged scientific knowledge and technologies,and enhance their own working capabilities without interruptions.《DRILLING FLUID ENGINEER TECHNICAL MANUAL(Chinese-English bilingual)》is a book composed specially for drilling fluid engineering personnel to learn specialty knowledge and techniques and to improve their proficient English.The book can be used also for training oversea drilling fluid technical employees.
The book contains 18 chapters and the first 8 chapters contain the content on basic theories of knowledge on drilling fluid functions,compositions and properties,drilling fluid rheology,simplified clay colloidal chemistry,measuring procedures and methods of drilling fluid and its filtrate properties,proper selection of suitable drilling fluid chemical additives and materials to consist a proper drilling fluid system and figuring out a drilling fluid technical design of a well or a region according to the exploration and exploitation purposes,the requirements of the drilling program,the rock natures and geological and tectonic characters of the well or the region.The second part of the book contains next 9 to 18 chapters.The essential content of this part is to properly realize the drilling fluid technical design,skillfully use techniques of pressure control,drilling fluid solids control,bore hole hydraulics,completion fluid and productive formation protection,properly and on time adjust and control drilling fluid properties,detect,prevent and resolve possibly encountered down hole troubles and accidents such as blowout,lost circulation,pipe stuck and borehole instability to reach the final task-safe and with high quality realization of the exploration and exploitation purpose of the well and/or the region.
The annexes of this book contain varied frequently used engineering data and calculations,and reciprocal conversion of data of metric system and English system.A format of drilling fluid report of a well is also provided in the annexes for collection and preserving drilling fluid engineering data and building up a drilling fluid data base for future practice reference.
Great heartfelt thanks to respectable veteran senior engineer Zhang Keqin and professor Zhu Mo for valuable advises given for composing the book and sincere acknowledgement to senior engineer Wang Kuicai and other colleague for reference data and materials provision.
Sincerely welcome observations,indications and critics from colleague,specialists and readers on mistakes,oversights and loses in this book that may help future revision and corrections.
1 钻井液组成成分、性能及其功用
1.1 钻井液组成成分
在配制钻井液时是将膨润土加入水中使之充分水化分散，再加入一些必要的增稠剂、降滤失剂、胶凝剂（或称结构剂），配制成性能良好的膨润土—水溶液。在油气井钻井过程中，被破碎的土、砂、砾石和其他矿物和岩石会混入钻井液，有时地层中的一些可溶性盐类如氯化钠、硫酸钙等会在钻井液中溶解，产生相应的化学阴离子和阳离子。在井内压力和地层压力的压差作用下，钻井液滤液会渗入地层。如钻遇油气水层，钻井液密度偏低或因上提钻具速度太快，地层中的水也可能进入井筒。所有这些都会使钻井液中的液相和黏土、钻屑等固相的含量在不停地变化。为调节和控制其性能，会在钻井液中添加一些化学添加剂和材料，这样会将一些空气带入，一般情况下混入的空气量不会很多，可认为钻井液中只有固相和液相两相。然而，如混入的空气量过多，或钻入油气层发生气侵和钻入含有CO、HS气体22的地层，或使用泡沫或气雾钻井液，则钻井液会成为一种气液固三相流体，见表1.1。表1.1 钻井液组成成分示意图
1.1.1 液体
钻井液中的液体主要是水和油。（1）水：水是钻井液的最主要成分，要根据地层和作业情况，适时补充水以保持钻井液中必要的水含量和控制其中的黏土和钻屑等固体含量。钻井液中水的来源有：
①配浆用水：配浆用水因地制宜选择，但必须进行分析化验，最好使用矿化度1000mg/L以下的淡水，否则应进行处理。
②钻井液维护处理用水：钻井液维护处理用水同样必须化验，也希望使用矿化度低于1000mg/L的淡水。在缺少淡水的地区和海边，也可使用矿化度水和海水，这时必须先对其进行化学分析，然后对其进行处理。在制定钻井液配方和处理方案时，必须考虑维护处理用水的类型和其中各种离子的含量。
③地层中的水进入井中：要及时正确判断是否有地层水进入井内，如确实有地层水侵入，应调节钻井液密度或进行封堵，并对其进行化验，根据其化学成分，调整钻井液维护处理方案。
④工程作业或洗涤设备、工具的水进入井内：应限制作业用水流入井内，防止其损害钻井液性能。
⑤雨水和雪：雨水和雪落入钻井液中会使钻井液中水的含量升高，特别在大雨或暴雨时，要及时采取措施，防止雨水进入钻井液池。2+
如钻井液用水矿化度超过1000mg/L和其中含有大量的Ca、2+Mg、和等离子时，则应在使用前对水进行处理（详见9水基钻井液的污染和处理）。
钻井液中的水以下述状态存在：
①自由水：这些水不是连接在黏土颗粒上和化学添加剂上的束缚水，它可在钻井液中自由流动。测量钻井液滤失量得到的水即自由水。
②束缚水：这些水是吸附在黏土颗粒上或与化学添加剂的分子连接的水，它们和黏土颗粒和化学添加剂分子一起运动。这类水的状态和数量可通过使用化学添加剂对钻井液进行处理来调节。
③黏土矿物内部的结构水：这类水本身不能自由流动，它是存在并紧密连接在黏土颗粒晶格内的晶格水。这种水在300℃以上黏土矿物结构受到破坏时才能被释放。（2）油：钻井液中油来源于以下途径：
①人为加入的油，如为增加钻井液润滑性或降低钻井液密度加入的原油、柴油和油类润滑剂。
②工程作业使用的油流入钻井液，如解卡剂中的油。
②添加剂中的油：如润滑剂中的基液。
④地层中的油进入井内（在很浅的地层中施工，一般不会遇到油层）。
1.1.2 固体（1）钻井液中的固体可分为有用固体和有害固体两大类。
有用固体包括：
①配浆用的优质膨润土、凹凸棒土、海泡石土等，这是为形成膨润土-水胶体溶液所需的基本胶体颗粒。
②加重材料，如重晶石粉、赤铁矿粉、钛铁矿粉或石灰石粉等。
③堵漏材料和桥堵剂。
④固体添加剂（如羧甲基纤维素、氧化沥青等多为粉状固体）。
有害固体（或称无用固体）包括：
①可分散或可溶解性固体（黏土、泥页岩、岩盐、石膏等）。
②惰性固体（风化土、砂、石英、长石、石灰岩、方解石、白云岩、燧石、花岗岩、硅藻土、铁矿石等）。（2）钻井液中的固体还可按其密度分为低密度（黏土和钻屑3等，其密度在2.20～2.60g/cm）和高密度（重晶石、铁矿粉等密度3在4.20g/cm以上）固体两类。（3）钻井液中的固体还可按其来源分为人为加入钻井液中的固体和钻进过程中侵入钻井液的固体两类：
①人为加入钻井液中的固体：为配制和调控钻井液性能人为加入的膨润土、加重材料、固体处理剂和堵漏材料等。
②钻进过程中侵入钻井液中的固体：为被钻碎的地层岩石碎块、黏土颗粒等，这类固体统称为钻屑。
1.1.3 气体
钻井液中的气体来源于以下途径：（1）地层中的石油气。（2）混入和带入的空气：配制钻井液和往钻井液中加入处理剂以及钻井液在地面循环和用钻井液枪（俗称泥浆枪）冲刺时，会使空气混入钻井液和钻井泵吸入的空气等。因此，应尽量避免钻井液中混2-入大量空气，否则会使钻井液密度降低，并会使CO、HCO-等离33子破坏钻井液性能。（3）地层中的CO、HS等气体：应根据钻井液性能的变化，及22时发现这些气体的侵入。一旦发现此类情况，应及时处理。（4）化学添加剂分解产生的CO、HS、N等气体。222
1.2 钻井液性能
1.2.1 钻井液密度
钻井液应具有一定的密度，其主要作用是控制地层压力和维持井筒的稳定。钻井液密度是指一定温度下单位体积钻井液的质量，通常3用“g/cm”为单位。钻井液相对密度是指温度为4℃时钻井液的密度与同体积纯水密度的比值，是一个无量纲数值。一般情况下，钻井液相对密度和密度数值相同或接近。在钻井作业过程中，钻井液密度是一个动态变化的参数，钻井液密度受以下因素影响：（1）钻井液中低密度固体（包括人为加入钻井液的膨润土和被钻碎的地层中的黏土矿物、砂和其他岩石等形成的钻屑等）的含量。（2）钻井液中固体材料，即加重材料和桥堵剂（钻井液加重时加入的重晶石粉和铁矿粉，以及石灰石等桥堵剂）的含量。（3）钻井液中溶解在其液相中电解质（如盐水和海水钻井液中加入的食盐或钾基钻井液中氯化钾等）的含量。（4）钻井液中化学添加剂的含量（一般加量不大时对密度影响不大）。（5）钻井液中液相含量（维护钻井液加入的油和水，作业过程中进入钻井液和由地层进入钻井液中的油和水）。（6）侵入钻井液中的气体含量（钻井液循环时混入的空气，地层中的石油天然气、二氧化碳和硫化氢等）。
温度也会影响钻井液密度，但我们通常是指常温（ 20±2℃）下测定的数值。如在井口测量，或当测量温度大大偏离常温时，测得的数值应注明温度。
井中钻井液静液柱压力是指钻井液在静止状态下在某一深度形成的压力，如下式：2
式中 p——钻井液静液柱压力，kg/cm；H3
ρ——钻井液密度，g/cm；
H——垂直井深，m。
压力的不同单位换算如下：22-2
1kgf/cm（千克力/厘米）=9.8067×10MPa（兆帕）；-2
1at（工程大气压）=9.8067×10MPa（兆帕）；-1
1atm（物理大气压）=1.01325×10MPa（兆帕）；2-3
1psi（磅/英寸）=6.8948×10MPa（兆帕）；2-222
1psi（磅/英寸）=7.031×10 kgf/cm（千克力/厘米）。
钻井液密度的公制和英制单位换算如下：33
1g/cm（克/厘米）=8.33ppg（pound/gallon，磅/加仑）33
1ppg（pound/gallon，磅/加仑）=0.12g/cm（克/厘米）
1.2.2 钻井液流变性能
钻井液是一种胶体溶液，钻进时在井内不停地循环，其主要的作用是清洗井底和井筒，携带和悬浮钻屑并将其带出井口。钻井液的黏度表示钻井液本身的黏滞特性和流动特性，即在一定的外力作用下它流动的快慢或流动速度的高低。所以，钻井液的黏度是由它内部的摩擦力和结构力产生的抵抗外力使其流动的阻力大小的度量。
通常在现场量测的是钻井液的马氏漏斗黏度，它是在马氏漏斗中放入1500mL的钻井液，流出946mL所用时间（用秒计量）。使用马氏漏斗测定钻井液的黏度简便快捷，但测出的参数是钻井液的表观黏度（或称视黏度）。
水不管推动其流动的外力的大小，即它流动速度的高低，在一定温度下其黏度总是恒定不变。像水这样的流体称为牛顿流体。钻井液不同于水，钻井液在低速流动时其黏度较高，流速升高后，它的黏度会降低，流速再变小时，它又会变得很黏稠。钻井液的这种性能称为钻井液的触变性能。钻井液具有触变特性是因为钻井液是内部可形成结构的胶体溶液，它是非牛顿流体，或称为宾汉流体。它的流动阻力来自各组分的纯机械摩擦阻力及内部结构力，即内部胶凝力。钻井液的塑性黏度PV（Plastic Viscosity）是其内部各组分纯机械摩擦阻力的表现，而屈服值YP（Yield Point）表示钻井液内部的胶凝结构造成的流动阻力。钻井液的表观黏度AV（Apparent Viscosity）是钻井液流动时其总流动阻力（内部各组分机械摩擦力和内部胶凝力的总和）的度量。
为了科学地表示钻井液的流变特性，使用六速旋转黏度计测定其300r/min和600r/min的读值，则可计算得出钻井液的塑性黏度、屈服值和表观黏度。
测定钻井液静止10s和10min后的旋转黏度计3r/min的读值，可得到钻井液的静切力（Gel Strength），G是静止10s的静切力，G10″10′是静止10min后的静切力。钻井液静切力G和G是钻井液在静止10″10′状态下的胶凝力（或称静态结构力）的度量。屈服值YP表示钻井液在动态下钻井液的携带、悬浮钻屑和固体颗粒的能力，而静切力G10″和G表示钻井液在静止状态下悬浮钻屑和固体颗粒的能力（钻井液10′流变参数和流变特性详见3钻井液流变特性）。
1.2.3 钻井液滤失性能
1.2.3.1 钻井液滤失作用机理
流体在孔隙地层的流动遵循达西定律，即：
式中 Q——流体在渗透介质中的流量；
A——渗流介质的截面积；
K——渗流介质的渗透率；
Δp——推动流体渗流的压差；
L——渗流介质的长度；
μ——流体的黏度。
由达西公式可以得出，流体在渗透介质中的流量Q与压差Δp、渗流介质的截面积A和渗流介质的渗透率K成正比，与渗流介质的长度L和流体的黏度μ成反比。然而，钻井液在渗透性地层中的流动不同于均质流体，因其含有的固相颗粒会在渗透性介质的孔隙和裂缝被阻滞，故其渗流规律具有其特殊性。钻井液在井内压力和地层压力之间的压差作用下，开始是钻井液整体流入地层的孔隙和裂缝，而后钻井液中的固体颗粒从大到小逐渐被地层的孔隙和裂缝阻挡，到一定时间，这些固体颗粒不再可能进入地层，它们已在地层中形成了一定厚度和一定渗透率的堵塞区，只允许钻井液的液相通过这个固体堵塞区继续向地层深部渗滤，与其相应的固体颗粒就被滞留在地层的表面（即井壁）。这时，在井壁同时存在钻井液液相在压差作用下向地层中渗滤、固体颗粒在井壁滞留、钻井液液流将部分滞留的固体颗粒冲刷带走、钻具对滞留在井壁的固体颗粒的拍打（如它在旋转）几种作用。一定时间后，固体颗粒在地层表面滞留的速度和被钻井液液流冲刷带走的速度达到平衡，滞留在地层表面的固体颗粒的数量稳定不再变化。在压差和钻具拍打作用下，这些固体颗粒就在井壁形成了具有一定厚度和一定渗透性的滤饼，即井壁滤饼（某些业内人士将固体颗粒在地层内形成的堵塞区称为内滤饼）。
钻井液的整个滤失过程可分为瞬时滤失和稳定滤失两个阶段。从地层被钻开钻井液开始侵入地层至井壁滤饼形成（滤饼的厚度和渗透率基本稳定）的这个过程称为瞬时滤失阶段。井壁滤饼形成以后的滤失过程就称为稳定滤失阶段。因为钻井作业是连续不断进行的，以上所指的钻井液的渗滤只是相当于某一段很短地层而言。对一段较长地层，甚至对某一井段来说，地层的岩性和孔隙度、渗透率等物性在变化，钻井液的各项性能在变化，这种情况下钻井液对地层的渗滤作用是一个连续的很复杂的过程。钻井液在渗透性介质中渗流的这个过程就叫钻井液的滤失和造壁作用。
钻井液在流动状态下的渗滤称为钻井液的动态渗滤过程，钻井液在静止状态下的渗滤称为钻井液的静态渗滤过程。一口井在起完钻以后，钻井液处于静止状态，在压差作用下钻井液中的液相仍慢慢透过滤饼和堵塞区继续向地层渗滤，相应的固相颗粒会滞留在已形成滤饼的表面，钻井液长时间处于静止状态，会使滤饼厚度不断增加，从而造成下钻时出现阻卡等复杂情况。薄且坚韧的滤饼可降低钻井液滤液的渗滤速度，保持井壁的稳定，防止地层坍塌，减轻钻井液对地层的伤害。
1.2.3.2 钻井液滤失性能参数
钻井液滤失性能包括滤失量和滤饼厚度两个参数。钻井液常规滤2失量是量测7kgf/cm（或100±5 psi或0.68948kPa）压差下，30min透过直径为75mm的过滤面积产生的滤液体积（mL）， 滤饼厚度以毫米表示。另外，对于深井需测定钻井液的高温高压滤失量（参见第4章水基钻井液测试程序和第6章油基钻井液测试程序）。
过高的钻井液滤失量和过厚、松散的滤饼有以下危害：（1）造成对油气层的伤害，包括钻井液固体颗粒的堵塞和滤液造成的各种伤害。（2）影响测井数据，造成油气层误判。（3）影响试油的数据和油气层判断。（4）影响井壁取心的结果。（5）造成电测和下套管时的阻卡。（6）增加钻具起下和转动阻力。（7）使压力激动升高，造成井壁不稳定和井下复杂情况。（8）增加压差卡钻的机率。（9）影响固井质量。
钻井液的滤失量，要根据井深、地层类型、地层性质和井下情况等确定。如未遇到油气层，井深未超过1500m，机械钻速很快或处于非水化或弱水化的坚硬地层，滤失量可以相对放宽，如可以控制在8～15mL。但总的来说，如地质和工程情况允许，滤失量不宜控制得过低，因为这样会使在井壁形成坚韧滤饼的过程拉得较长，不利于新钻出的井壁尽快地得到保护和进入稳定状态。如已钻入油气层，或遇水敏性很强的地层，就应严格控制滤失量，一般要控制在5mL左右或更低，以防止对地层的伤害和井壁剥落、坍塌。
滤饼的厚度只是一个粗略的参数，不能完全和准确地表述滤饼的质量，因为，滤饼的致密和坚韧程度及其渗透率的高低与井下阻卡和油层的伤害关系密切。影响滤饼质量的因素包括：钻井液和滤饼中膨润土的数量和胶体状态、颗粒尺寸及其分布，无用固体的数量及其颗粒尺寸组成等。为得到理想的滤饼，应保持钻井液的pH值在9～11，使膨润土颗粒处于良好的水化分散状态，使用固控设备及时清除有害固相。可以加入一定数量的润滑剂，以改善钻井液和井壁的润滑性。
应缩短钻井液向地层渗滤的瞬时滤失阶段延续的时间，使内滤饼和井壁滤饼尽快形成，并使滤饼质地致密和具有低的渗透率。可采取以下措施控制钻井液滤失量和获得坚硬致密的滤饼：（1）使钻井液中膨润土颗粒具有良好的水化和分散状态。（2）调节钻井液中膨润土颗粒尺寸分布，使之与地层孔隙尺寸分布相匹配。（3）制定和实施适合钻井液体系、地层性质和井下情况的滤失量。（4）及时和高效地清除钻井液中有害固相。（5）选用的处理剂既有利于提高钻井液的滤液黏度又不会使滤饼结构松散和增厚。（6）降低钻井液中自由水的含量。（7）使用颗粒尺寸分布恰当的加重材料，既不伤害油气层又不破坏滤饼结构。
钻井液中各种固体含量，颗粒尺寸分布，膨润土水化、分散等胶体化学状态，是决定滤饼内部结构和滤失过程类型的重要因素。科学研究这些内容，对有效地缩短瞬时滤失和滤饼形成阶段，取得致密坚韧的滤饼、降低滤失速度、减轻对油气层伤害和保持井壁稳定具有重要意义。
1.2.4 钻井液含砂量
砂砾颗粒对钻井液危害极大，它们会使钻具提升阻力和扭矩升高，使滤失量升高，增加滤饼摩擦系数，降低机械钻速，磨损钻头、钻井泵和钻具等机械设备和工具，缩短钻头寿命，增加泥包和卡钻的危险等。要根据地层特点，保持钻井液的良好性能，使用钻井液固体控制设备，及时清除砂砾和有害固体，降低钻井液的含砂量。
1.2.5 钻井液固相含量和膨润土含量
为了使钻井液具有所需的性能和处于良好的胶体溶液状态，应保持钻井液的固相含量和膨润土含量处于所需的范围。用钻井液固相含量测定仪可测出钻井液的固相含量并计算出它的低密度固体及高密度固体（重晶石）含量。用亚甲基蓝吸附容量法（Methylene Blue Test），可测出钻井液的亚甲基蓝吸附容量MBT值，用此数值可计算3出钻井液膨润土含量BE（kg/m或lb/bbl）。
钻井液除了以上主要性能外还有许多性能，所有这些钻井液性能的含义和测定方法详见第4章水基钻井液测试程序、第5章水基钻井液化学分析和第6章油基钻井液测试程序。
1.3 钻井液的功用
1.3.1 控制地层压力防止井喷井漏
一般来说，如果地层压力相当于淡水或盐水液柱的压力，即它的2压力梯度处于0.100～0.107（kg/cm）/m（0.433～0.463psi/ft）范围，这种地层就称它为正常压力地层。低于正常压力的地层称之为异2常低压层，其地层压力梯度为0.055～0.09（kg/cm）/m（0.238～0.390psi/ft）。而高于正常压力的地层称之为异常高压层，其地层压2力梯度为0.107～0.231（kg/cm）/m（0.463～1.000psi/ft）。有些异2常高压地层的压力梯度可能会超过0.231（kg/cm）/m（1.000psi/ft）。
如果钻井液密度很高，它的静液柱压力会大大超过地层压力，就会对产层造成严重伤害，或压裂地层，造成漏速很大的井漏。反之，如果钻井液的密度很低，其静液柱压力大大低于含油或含水地层压力，那就会导致强烈的井喷。如果钻入一个大的盐丘，而钻井液的密度不够高，岩层的蠕动会卡死钻具。所以，钻井液密度对地层压力控制、防止井漏和卡钻是非常重要的。
1.3.2 从井底和井筒清除和携带钻屑
在钻进时，被钻头钻碎的地层岩屑应及时从井底和井筒被携带走，这样就可以不会将动力和时间消耗在重复破碎已钻出的钻屑上，而钻入新的地层。有时会出现地层岩石剥落和掉块，它们会比正常的钻屑尺寸要大很多，应将它们带出井筒以维持正常钻进。
钻井液清除井筒内钻屑的能力取决于下列因素。（1）钻井液的流变性能，即合适的PV，YP，YP/PV，n，K值。（2）泵的排量、环空几何尺寸、钻屑在环空的上升速度和机械钻速。（3）钻屑密度和钻井液密度的差值。（4）钻屑的尺寸和形状。（5）钻井技术措施。
在上述影响因素中，钻井液的清洗能力主要取决于它的动塑比YP/PV或n值和泵的排量。但是一些钻井技术措施也有助于提高钻井液的井筒清洗能力。例如，钻具的旋转可帮助钻屑在环空中沿着一个螺旋轨迹上升，这会比垂直上升更容易。另外一个例子，在起钻之前循环几周同时大幅度上下活动钻具，这会使下次下钻较为顺利。
1.3.3 悬浮钻屑
在钻井过程中会短时停止循环，钻屑应被悬浮以降低其沉降速度，避免在环空中形成岩屑床和岩屑在井底堆积。环空中钻屑的沉降速度取决于钻屑的形状和尺寸、钻井液的黏度、静切力、钻屑与钻井液的密度差值。静切力可以降低钻屑的沉降速度，避免钻屑和加重材料颗粒沉淀。然而，静切力过高会造成高的开泵和钻具提放压力激动，造成井漏、地层剥落或被压裂，以及伤害储层。因此，应恰当地设计和调整钻井液的塑性黏度、屈服值和静切力。
1.3.4 防止地层剥落和坍塌保持地层稳定
井径扩大是由于一系列原因造成，如水沿沉积面侵入地层、机械撞击、倾斜的地层、强度低的地层、悬空的地层和台阶等。钻井液通过以下途径可提高井壁的稳定性和减缓井径扩大的趋势：（1）通过对其密度的调节，形成足够大的静水压头和支撑力，使地层稳定。（2）降低其滤失量，减轻黏土类岩石的水化和分散，防止水沿其他类岩石沉积面浸湿地层降低其强度。（3）在井壁形成致密和坚韧的滤饼，致密和坚韧的井壁滤饼和低的滤失量，有利于巩固井壁和防止地层的剥落和坍塌。
1.3.5 防止地层伤害
应特别注意保护产层的原始渗透率和产能，采取以下措施防止受到伤害：（1）根据地层压力和其破裂强度，设计和调整钻井液的密度。（2）控制钻井液的滤失效应，防止地层因钻井液滤液和固体颗粒的伤害。（3）注意控制开泵、挤压和抽吸压力激动。（4）使用桥堵技术，建立对地层的临时屏障，防止钻井液滤液和固体颗粒对地层的进一步伤害。（5）对钻井液滤液进行化学分析，防止在地层中产生沉淀物和乳化物，以及防止因改变地层岩石表面的润湿性造成的伤害。
1.3.6 冷却和润滑钻头钻具
钻头在井底以一定转速在一定钻压下破碎岩石，它是在高温、高压、撞击和研磨状态下工作，特别是在极坚硬、研磨性极强的地层岩石中和井很深时更是如此。在正常地层温度梯度的地区，井深1000m时井底温度会超过100℃，且由于钻头与岩石的撞击和摩擦会使井底温度更高。钻井液的一个重要功用就是在其循环的过程中，不断地冷却和润滑钻头与井底环境，使其能正常工作并取得理想的钻进速度。通过调整控制钻井液的固相含量、膨润土含量和胶体溶液状态，并加入优选的润滑剂，使其在井壁形成的滤饼具有低的摩擦系数和良好的润滑性，从而降低钻柱运动时与井壁的摩擦和静止时与井壁的黏附力，降低其旋转和提放阻力，减少黏附卡钻事故几率。
1.3.7 满足地质和测井数据收集工作的要求
钻井液随井深增加需不断处理和调整其性能，以保证在井壁形成薄、坚韧且润滑性好的滤饼，否则测井时会发生卡电缆事故或者井壁取心时得到的不是地层岩石而是滤饼。钻井液的滤失量不能过高，否则会使从井口捞出的地质砂样被滤液浸泡失去代表性。选取的未经钻井液滤液侵入的岩心而使用示踪剂钻井液进行密闭取心时，必须选择和加入适当的示踪剂，它能正确显示钻井液滤液侵入岩心的深度，确保用于化验的岩心是未被滤液污染的，而且必须与钻井液的其他添加剂匹配，使钻井液仍保持各项良好性能。
2 黏土矿物和黏土水溶液
黏土广泛存在于自然界地表和地下的沉积层中，它的主要成分是具有一定结晶结构的黏土矿物。黏土中同时也含有一些与其共生的石英、长石等非黏土矿物和氢氧化铁、氢氧化铝等非结晶矿物。黏土矿物的化学成分是含水硅铝酸盐。
油气井钻井钻遇的泥页岩地层其主要成分就是黏土，而砂层和砂岩层也含有不同含量的黏土。油气井钻井初始使用的钻井液俗称泥浆，而后由它发展衍化的水基钻井液其基本成分就是黏土水溶液。以这发展出的油基钻井液使用的有机黏土也是由黏土加工制造的。所以学习和研究钻井液，首先就要学习和研究黏土矿物和黏土水溶液。因为钻井液性能的调整和变化，井壁稳定和产层伤害等问题都与黏土密切相关。
自然界中有很多种黏土矿物，如蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石、黑云母、白云母、凹凸棒石、海泡石等。众所周知，不同类型的黏土矿物具有不同的物理、化学和矿物性质，比如带有数量不同的电荷，不同的水化、膨胀和分散性能等。至于它们的结晶结构，蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石等为微层型黏土矿物，而凹凸棒石和海泡石是针状（或称纤维状或棒状）黏土矿物。
与钻井工程和钻井液有关的黏土矿物主要有蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石等。蒙皂石在水中可分散成胶体大小的颗粒（<1μm），这些胶体颗粒是水基钻井液主要成分，它们赋予钻井液必须具备的流变性能、滤失-造壁和巩固井壁的性能。使钻井液中保持一定量的膨润土，就使钻井液具有一定黏度和设计要求的其他性能。因此，蒙皂石被认为是钻井液中有用的固体颗粒。蒙皂石的商业产品称为膨润土。钻井作业所钻的沉积层的岩石中有数量很大的伊利石、绿泥石、高岭石，这些黏土矿物的水化、膨胀和分散性能很差，它们会损害钻井液性能，并且会引发严重的钻井井下复杂情况。所以，伊利石、绿泥石、高岭石被认为是钻井液中的有害固体或称钻屑，应尽可能将它们从钻井液中清除出去。凹凸棒石和海泡石与蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石等比较，在钻井中钻遇得很少，凹凸棒石主要用于配制和维护盐水钻井液，海泡石主要用于配制地热井和高温深井钻井液。
因此，对钻井中所遇到的黏土矿物和钻井液中的黏土矿物的研究和分析应给予极大的关注。
2.1 黏土矿物的晶体结构
黏土矿物是具有微层状或针状晶体结构的含水硅铝酸盐。黏土矿物具有晶体性质，它们晶体中的原子结构是决定它们具有不同性质的第一因素。很多黏土矿物如蒙皂石、伊利石、绿泥石、高岭石等有像云母一样的微层状晶体结构。少数的黏土矿物如凹凸棒石和海泡石为针状结构。微层状晶体结构黏土矿物在水中分散成的薄片是由数量不等的黏土晶片面—面连接而成的。例如，1g蒙脱石的晶片总面积可26达750m，1mm厚的蒙脱石约有10层，每层厚度约10Å（1nm）。
微层状晶体结构黏土矿物分为两层结构和三层结构黏土矿物两种类型。两层结构的微层状晶体结构黏土矿物的晶片单元由两层组成——一层硅氧四面体层（图2.1）叠在另一层铝氧八面体层（图2.2）之上。高岭石属于两层型晶体结构型黏土矿物（图2.3）。三层型微层状晶体结构黏土矿物晶片单元由三层组成——一层铝氧八面体层夹在两层硅氧四面体层之间（一层在上另一层在下，即硅四面体层/铝氧八面体层/硅氧四面体层）。蒙皂石和伊利石属于三层晶体结构型黏土矿物（图2.4）。图2.1 硅氧四面体（a）硅氧四面体单体；（b）硅氧四面体层俯视图图2.2 铝氧八面体（a）铝氧八面体单体；（b）铝氧八面体层；（c）铝氧八面体层俯视示意图图2.3 高岭石图2.4 蒙皂石
微层状晶体结构型黏土矿物在x—y方向呈片状无限延伸，而在z方向一层层重叠。这样由硅氧层和铝氧层构成的一个单元称之为晶片，它的厚度约10Å。在潮湿的环境中，微层状晶体结构黏土矿物可以在两晶层间吸水膨胀，在z方向上增高，黏土矿物体积增大。它吸水后的体积可增至原来的几十倍。在一定的剪切速率下，微层状晶体结构黏土矿物可在z方向上解体，在x—y层面某处的键断裂，从而分散成微小的薄层状颗粒，其尺寸可小于1μm，形成一个黏土在水中的胶体体系。分散在水中的黏土颗粒呈薄片状，这个薄片在x—y方向称为黏土颗粒层面，而在x—y片断裂的某处，称之为边角。
黏土矿物晶层间连接的类型和特点极为重要，因为这决定不同黏土矿物的解析和分散的性质。蒙皂石两个单元晶片的连接属于O—O（氧—氧）化合键连接，这种连接力量微弱，故蒙皂石晶片间的沿z方向的吸水解离很容易。
伊利石虽然也如同蒙皂石一样是三层型黏土矿物，其晶片间的连+接也是O—O（氧—氧）连接，但是在黏土矿物形成时有K嵌入了硅氧四面体的氧的六角环中，这使它层间的连接力除O—O（氧—氧）连接力外又被增强了，就使伊利石晶片间的连接更紧密，晶片间不易吸水解离，分散性能比蒙皂石弱很多。
因为在高岭石黏土矿物成岩过程中基本上没有阳离子晶格取代作用（晶格取代作用下面详述），所以它不带电荷，晶片之间的连接属于O—OH（氧—氢氧）连接，这种连接比O—O（氧—氧）连接更为紧密。所以，高岭石黏土在水中的水化和分散性能又比伊利石差很多。
2.2 黏土矿物的性质
2.2.1 黏土矿物的带电性
在微晶型晶体结构的黏土矿物地质成岩的过程中，原来存在于黏4+3+土晶层内的硅氧四面体层中的一些Si被周围环境中的Al取代；另3+2+外，原来存在于黏土晶层铝氧四面体层中的Al被周围环境中的Mg、2+2+Fe或Zn取代。这种取代作用的结果，就使黏土矿物晶片具有了一定的负电荷，这就是黏土矿物的晶格取代作用（Crystal Lattice Substitution）。这种黏土矿物的晶格取代作用发生在几百万年以前的黏土矿物成岩和沉积过程，黏土矿物因晶格取代作用而获得的负电荷称为永久性负电荷（Permanent Electric Negative Charge），这种永久性负电荷只具有科学研究和理论意义。而黏土矿物所具有的实际负电荷是由黏土矿物在成岩过程以后，经它与周围环境中的阳离子的吸附和交换作用而形成的。晶格取代和阳离子交换吸附是黏土形成和黏土发育两个不同时期的两种不同的反应，晶格取代作用在黏土矿物形成以后已不可能再现，而黏土矿物在它存在的电解质环境一旦发生改变时，随时可发生新的阳离子交换吸附作用，使黏土颗粒的实际负电荷发生变化。
不同的黏土矿物在成岩过程中发生的晶格取代作用有很大的差+异，虽然伊利石的晶格取代作用最强，但由于K嵌入它的晶格中的硅氧四面体的氧六角环，所以它因晶格取代作用生成的永久负电荷部分被中和，使它的电性减弱。蒙皂石的晶格取代作用虽然比伊利石稍弱，但它的永久负电荷最高，平均每个单位晶胞有0.25～0.60单位，伊利石的永久负电荷较弱，而高岭石因几乎没有晶格取代作用，它的永久负电荷很低。
黏土在水中首先吸水膨胀，然后在一定的剪切作用下，它的晶层沿z方向的分解和沿x—y方向的断裂，分散成细小的颗粒。因此，黏土除了在它层面上有负电荷外，在它边角的某些位置会有弱的正电荷或负电荷。黏土矿物的负电荷主要在它的层面上，故黏土颗粒从整体来说是显负电性。
在溶液中或潮湿环境中，黏土颗粒总会与环境中的阳离子进行阳离子交换吸附，它带电的强弱会随之变化。
2.2.2 黏土的阳离子交换
黏土颗粒表面的阳离子交换是由于黏土矿物颗粒表面带有负电+2+荷，所以它总会在其表面吸附流体中的阳离子，如Na和Ca，这样就使其表面的负电荷发生改变。这些已经吸附黏土颗粒表面的阳离子可以和流体中含有的其他阳离子交换。不同黏土矿物的阳离子交换容量随流体中阳离子的价数、体积（或直径）和结构而改变。阳离子交换能力的顺序如下：
按照这个顺序，吸附能力弱的阳离子可以被吸附能力强的阳离子顶替或置换。例如，流体中的钠膨润土可以转换成钙膨润土，这是因2+2+为钻水泥塞或钻入石膏层会提供大量的Ca，这些Ca置换了原来+吸附在膨润土表面的Na。
阳离子交换能力的顺序并不是绝对的，黏土颗粒表面的阳离子交换还受流体中阳离子浓度的影响。当流体中交换能力弱的阳离子浓度远远超过已经吸附在黏土颗粒表面交换能力强的阳离子时，它们也可将已吸附在黏土颗粒表面吸附能力强的阳离子顶替下来。这就如同在+配浆水中加入了纯碱或烧碱，它们提供大量的Na，就可把黏土颗粒2+表面的Ca置换下来，使原来的钙土转换成钠土，从而提高了黏土的造浆率和流体的黏度。
黏土颗粒表面阳离子交换还受温度的影响，各种化合物溶解度随温度的变化相差极大。例如，大多数钙化合物的溶解度随温度升高而降低，而大多数钠化合物的溶解度随温度升高而升高。当溶液中的+2++2+Na/Ca的比例升高时，溶液中Na取代已吸附在黏土表面Ca的趋势就会增强。
2.2.3 黏土颗粒表面的扩散-吸附双电层结构和电动电势 ζ
黏土颗粒可与流体中的可交换阳离子发生离子交换吸附，这样，它所实际带有的电荷将随流体中离子的类型和含量的多少发生变化。在某一特定时刻黏土颗粒所带的电荷称为黏土颗粒可变负电荷（Changeable Electric Negative Charge）。
黏土颗粒层面上带有负电荷，流体中的阳离子就有趋势被吸附到黏土颗粒表面而使其电性被部分中和。由于黏土颗粒表面的容积是有限的，它不能容纳所有能被吸附的阳离子，因此流体中可以被吸附的阳离子分布成两层：一部分紧贴在黏土颗粒的表面，这一层称为吸附层（Bound Layer）；其余的阳离子分布成从黏土颗粒表面向流体远处逐渐疏散的扩散状态，这一层称为扩散层（Diffuse Layer）。黏土颗粒随流体在一定的剪切速率下流动时，吸附层的阳离子紧密连接在黏土颗粒的表面随其一起运动，而部分扩散层的阳离子可能被黏土颗粒甩掉而与其分离。这时，黏土所带的电荷将等于黏土颗粒表面原有的电荷（即它的永久负电荷）与吸附层的正电荷和残留的扩散层的正电荷之和的（几何）差值。这一差值就是黏土颗粒在它们流动状态下实际带有的负电荷，它被称为黏土颗粒的电动电势ζ，或称为电势ζ。分布在黏土颗粒表面的这种阳离子分布状况称为黏土颗粒的可交换阳离子吸附—扩散双电层（Diffuse-Adsorption Electric Double Layers of Exchange Cations）（图2.5）。图2.5 吸附到黏土颗粒表面的可交换阳离子—扩散双电层
黏土颗粒的电动电势ζ随流体中的电解质特性和黏土本身的水化分散状态变化而变化。影响和决定黏土颗粒的电动电势ζ的因素如下：（1）黏土矿物类型——蒙皂石、伊利石、高岭石。（2）黏土表面吸附层原有的阳离子的类型和组成。（3）流体中的电解质，包括阳离子、阴离子和离子集团的类型和浓度。（4）流体中黏土颗粒吸附层和扩散层阳离子的水化状态。
2.2.4 黏土颗粒的水化和分散
由于水分子是极性分子，而黏土颗粒在其层面上带负电，其边角一些位置带正电，另一些位置带负电，这样黏土颗粒会吸附水分子，被水分子膜包被。因黏土颗粒在其层面上带有较多的负电荷，而其边角的电荷较微弱，所以它的层面的水化膜比较厚，而边角处的水化膜较薄。由于黏土晶层间的吸水，开始它的体积膨胀，而后在一定的剪切速率下，就分散成细小的颗粒，形成一个黏稠的胶体体系——黏土水溶液。水化离子的价数、形态及其直径会影响吸附到黏土颗粒表面的阳离子的数量，这样就会改变黏土颗粒的水化程度和电动电势ζ。吸附阳离子的价数越高，水化直径越小，越容易被吸附到黏土颗粒的表面。
黏土颗粒吸附水化膜的厚度取决于连接在黏土颗粒表面的阳离子的类型（其价数和水化直径）和数量。吸附在黏土颗粒表面的2+2+3+Ca、Mg和Al等二价和高价离子使黏土颗粒间的斥力较弱，吸引力较强，颗粒间的空间较小，它可容纳在黏土晶片间的水化阳离子数量较少，故钙黏土的水化膜较薄，其水化能力较差。如吸附层中为一+价的Na，它们的体积小、电荷低，就使黏土颗粒的电动电势ζ较高，它们之间的斥力较强，水化膜也较厚，故钠黏土的水化能力比钙黏土强，分散程度较高。干燥的钠蒙脱石的晶层间距为9.8Å，而干燥的钙蒙脱石的晶层间距则为12.1 Å。如将这两种黏土样品放入水中，通过吸附了水化阳离子它们就得到了厚度不同的水化膜。吸附水化膜使晶层间距增大，钠蒙脱石吸水后的晶层间距可达40Å，而钙蒙脱石则仅为17Å（图2.6）。因此，水化阳离子的类型、尺寸和水化程度会明显影响黏土的膨胀、水化和分散。可变换阳离子的直径和其水化后的直径列于表2.1。图2.6 两种蒙脱石的吸水膨胀表2.1 可交换阳离子的直径和其水化后的直径
流体中被黏土颗粒吸附的水和与黏土颗粒相关的水可分为下列三种：（1）结晶水：这种水是黏土晶体结构中的不可分割的一部分，它只有在将黏土加热到300℃以上将黏土晶体结构破坏后，才能将其释放出来。（2）吸附水：这种水是黏土吸附了水化阳离子后与黏土层面和边角连接的水，这种水在黏土颗粒周围形成了一个水化膜，它与黏土颗粒一起运动，称它为价键连接水（Bound Water）。这个水化膜在黏土颗粒层面较厚，在其边角处较薄，因边角处电性较弱。（3）自由水：这种水存在于黏土颗粒之间的孔道中，与黏土颗粒没有连接，它可以在流体中自由流动。
对钻井液进行的化学处理可以改变已被黏土颗粒吸附的阳离子的类型和数量，同时也就改变了黏土颗粒的电动电势ζ以及它的水化程度，其结果就改变了钻井液的流变性能和滤失性能。
以下因素会影响黏土颗粒的水化程度：（1）膨润土的类型：蒙皂石水化很强，伊利石和高岭石水化微弱。（2）已吸附在黏土颗粒表面的阳离子的类型。（3）流体中的电解质的浓度：电解质的浓度高会降低黏土的水化。（4）黏土颗粒的水化膜的厚度是不均匀的，层面上的比边角处的厚。
蒙脱石晶层间的连接是O—O连接，是原子吸附力造成的连接，连接力很弱。当将蒙脱石放入水中，水分子就会很容易地进入蒙脱石的晶层之间，因它是O—O连接，连接力弱，故就使黏土膨胀。此外，蒙脱石晶层内的原子置换很强，就可吸附很多的水化阳离子进入它的晶层。在一定的剪切速率和搅拌下，蒙脱石黏土可分散形成3～4 晶片组成细小的胶体颗粒。蒙脱石黏土在水中的分散程度取决于黏土的含量和类型、溶液中的电解质的种类和浓度以及剪切的强弱。钠蒙脱石黏土是强分散性的黏土，但它在自然界分布很少。尽管怀俄明黏土2+被称之为钠蒙脱石黏土，但它的可交换阳离子的36%～67%是Ca和2+Mg。Kahn 分析了蒙脱石黏土在淡水中的颗粒分布，并按尺寸将其分成5组（表2.2）。根据他的试验数据，晶层间距沿z方向等于19Å的颗粒的质量只占其全部颗粒质量的57.3%。表2.2 蒙脱石黏土颗粒在淡水中的分布
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