钻井液常用处理剂的作用机理(一)

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1、钻井液常用处理剂的作用机理（一）钻井液处理剂用于改善和稳定钻井液性能,或为满足钻井液某种性能需要而加入的化学添加剂。处理剂是钻井液的核心组分，往往很少的加量就会对钻井液性能产生很大的影响。钻井液原材料和处理剂的种类品种繁多，为了使用和研究方便将按其功能进行分类。根据2006年API钻井液处理剂分类方法，将钻井液处理剂分为降滤失剂、增粘剂、乳化剂、页岩抑制剂、堵漏材料、降粘剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、润滑剂/解卡剂、加重剂、杀菌剂、消泡剂、泡沫剂、絮凝剂、除钙剂、pH控制剂、高温稳定剂、水合物控制剂。共计18类。其中润滑剂/解卡剂合并，另外增加了水合物控制剂我国钻井液标准化委员会根据国际上

2、的分类法，并结合我国的具体情况，将钻井液配浆材料和处理剂分为16类，分别为粘土类、加重剂、碱度控制剂、降滤失剂、降粘剂、增粘剂、页岩抑制剂、絮凝剂、润滑剂、解卡剂、杀菌剂、缓蚀剂、乳化剂、堵漏剂、发泡剂、消泡剂。这16类处理剂所起的作用不同，但在配制和使用钻井液是，并不同时使用这些处理剂，而是根据现场需要选择其中的几种。下面对这16种处理剂进行介绍。第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）61粘土类粘土的本质是粘土矿物。粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。粘土矿物是整个粘土类土或岩石的性质，它是最活跃的组分。晶质含水的层状硅酸盐矿物：高岭石、蒙脱石、伊

3、利石、绿泥石等；含水的非晶质硅酸盐矿物：水铝英石、硅胶铁石等。1.1粘土矿物的两种基本构造单元1.1.1硅氧四面体与硅氧四面体晶片硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图。图1硅氧四面体结构硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右图。图2硅氧四面晶片结构图1.1.2铝氧八面体与铝氧八面体晶片铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右图所示)。图3硅氧八面体结构图铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的OH连接而成的AL-

4、O八面体网络第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）6图4铝氧八面体及铝氧八面体晶片构造示意图1.1.3晶片的结合四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层。晶层可分为如下几种：1）1:1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。图51:1型晶层结构图2）2:1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。图62:1型晶层结构图1.2几种常见粘土矿物的晶体构造1.2.1高岭石高岭石的单元晶层构造是由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体晶体组成的，所有的硅氧四面体的顶尖都朝着同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶片由共用的氧原子连接在一起。①

5、高岭石晶体结构示意图图7高岭石的晶体构造（立体图）图8高岭石的晶体构造②高岭石特点a1:1型粘土矿物化学组成Al4[Si4O10](OH)4或2Al2O3·4SiO2·4H2Ob几乎不存在晶格取代，负电量少c晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2ÅdC.E.C低（3-15mmol/100g土)，在三种常见的粘土矿物中，高岭石的C.E.C最低。原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以C.E.C小。e造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散

6、能力差，造浆率低。1.2.2蒙脱石蒙脱石可看做是叶石蜡脱石晶体结构示意图9：图9蒙脱石的晶体构造（立体图）第1卷第2期钻井液用常用处理剂的作用机理（一）6图10蒙脱石的晶体构造②蒙脱石特点a2:1型粘土矿物，化学组成（Al2Mg3）（Si4O10）（OH）2nH2Ob存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面体中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡。c晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=0.96~4nmdC.E.C大（70~130mmol/100g土)，原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，

7、可发生交换的阳离子数目多，所以C.E.C大。e造浆率高蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料。1.2.3伊利石①伊利石晶体结构示意图图11伊利石晶体