钻井液习题参考答案

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1、.一、概念1.粘土晶格取代：在粘土矿物晶体中,一部分阳离子被另外阳离子所置换,而晶体结构保持不变的现象。2.钻井液剪切稀释性：钻井液中塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。3.碱度：指溶液或悬浮液对酸的中和能力。API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。4.聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大的性质。5. 粘土水化作用：粘土矿物表面容易吸附较多水分子的特性。6. 流变模式：钻井液流变性的核心问题是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。用数学关系式表示称为流变方程,又称为流变模式。8.粘土阳离子交换容量：是指在分散介质pH

2、=7时,粘土所能交换下来的阳离子总量,包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以100克粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示符号为CEC。9.造浆率：一吨干粘土所能配制粘度表观粘度为15mPa.s钻井液的体积数,m3/T。10.页岩抑制剂：凡是能有效地抑制页岩水化膨胀和分散,主要起稳定井壁作用的处理剂均可称做页岩抑制剂,又称防塌剂。11剪切稀释性：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。12动切力：塑性流体流变曲线中的直线段延长线与切应力轴的交点为动切力,又叫屈服值。13静切力：使流体开始流动的最低剪切应力称为静切力。14流变性：是指在外力作用下,物质发生

3、流动和变形的特征；对于钻井液而言,其流动性是主要的方面。15滤失造壁性：在压力差作用下,钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透,称为钻井液的滤失作用。在滤失过程中,随着钻井液中的自由水进入岩层,钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼,这便是钻井液的造壁性。16粘土高温分散作用：在高温作用下,钻井液中的粘土颗粒分散程度增加,颗粒浓度增加、比表面增大的现象。17钻井液高温增稠作用：高温分散作用使钻井液中粘土颗粒浓度增加,钻井液的粘度和切力也均比相同温度下理想悬浮体的对应值高的现象,称为高温增稠作用。18钻井液高温胶凝作用：高温分散引起的钻井液高温增稠与钻井液中粘土含量密切相关。当粘土含量大

4、到某一数值时,钻井液在高温下会丧失流动性形成凝胶,这种现象被称为高温胶凝作用。二、简答题1、粘土矿物有哪些基本构造单元？答：硅氧四面体与硅氧四面体晶片铝氧八面体与铝氧八面体晶片晶片的结合2、粘土矿物的构造单元构成哪些粘土矿物的构造单元片？答：硅氧四面体晶片。铝氧二八面体晶片。镁氧三八面体晶片。3、粘土矿物的构造单元片结合成哪些粘土矿物的基本结构层？答：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合,可以构成晶层。11：1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。22：1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。4、粘土矿物中主要包含哪些矿物？答：主要包括高岭石、蒙脱石、伊利石、

5、绿泥石、海泡石族、混合晶层粘土矿物。5、什么是晶格取代？答：在晶体结构中,某些原子被其它化学价不同的原子取代而晶体骨架保持不变的现象。6、说明下列粘土矿物的基本结构层和晶格取代情况：1高岭石；基本结构层是由一片硅氧片和一片铝氧片组成,为1：1型粘土矿物,几乎无晶格取代现象。2蒙脱石；基本结构层由两片硅氧四面体晶片和夹在它们中间的一片铝氧八面体晶片组成,为2：1型粘土矿物。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。3伊利石；伊利石与蒙脱石同属21型晶格。存在晶格取代,取代位置主要在Si-O四面体中,铝

6、原子取代四面体的硅,且取代数目比蒙脱石多,产生的负电荷由等量的K+来平衡。4绿泥石：基本结构是由一层类似伊利石2:1层型的结构片与一层水镁石Mg36晶片交替组成的。存在晶格取代,水镁石片是八面体片,片中有一些Mg2+被Al3+取代而带正电荷,这些电荷与三层型晶片中的负电荷平衡硅氧四面体中的部分硅被铝取代产生负电荷,因而整个网络的电荷很低。7、为什么蒙脱石属膨胀型粘土矿物？答蒙脱石上下相临的层面皆为O面,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。蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷,在它周围必然会吸附等电量的阳离子,水化阳离子给粘土带来厚的水化膜,使蒙脱石膨胀。8、为什么高岭石、伊

7、利石和绿泥石属非膨胀型粘土矿物？答：由于高岭石单元晶层,一面为OH层,另一面为O层,而OH键具有极强的极性,晶层与晶层容易形成氢键。因而,晶层之间连接紧密,故高岭石的分散度低且性能比较稳定,几乎无晶格取代现象,因此高岭石阳离子交换容量小,水分不易进入晶层中间,为非膨胀型粘土矿物；2由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中,产生的负电荷离晶层表面近,与吸附的K+产生很强的静电力,层间引力比氢键强,水分子不易进入晶层。另外,K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中,起到连接作用,周围有12个氧与它配伍,因此,K+连接通常非常牢固,是不能交换的,故水分子不易进入晶层,为非膨胀型粘土矿物；

8、绿泥石晶层间存在氢键,加上水镁石对晶层的静电引力,使绿泥石的晶层结合紧密,水不易进入其中。因此绿泥石也属于非膨胀型黏土矿物。9、什么叫阳离子交换容量？阳离子交换容量与晶格取代数量由什么关系？答：粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的pH值为7的条件下,粘土所能交换下来的阳离子总量,包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以100克粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数来表示符号为CEC；晶格取代数量愈多的粘土矿物,其阳离子交换容量也愈大。10、粘土矿物表面的带电性有哪些来源？答：粘土晶体因为环境的不同或环境的变化,可能带有不同的电性,或者说带有不同的电荷,可分为永久负电荷、可变负电荷、正电荷三种,它们

9、产生的原因如下：1永久负电荷：主要由晶格取代作用造成。由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子,产生了过剩的负电荷,因此,一般情况下粘土带负电。粘土的硅氧四面体中四价的硅被三价的铝取代,或者铝氧八面体中三价的铝被二价的镁、铁等取代,粘土就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的数员取决于晶格取代作用的多少,而不受pH值的影响。A、蒙脱石的永久负电荷主要来源于铝氧八面体中的一部分铝离子被镁、铁等二价离子所取代、仅有少部分水久负电荷是由于硅氧四面体中的硅被铝取代所造成的,一般不超过15。B、伊利石和蒙脱石不同,它的永久负电荷主要来源于硅氧四面体晶片中的硅被铝取代,大约有15的硅被铝取代,每个晶胞中约有个永

10、久负电荷。C、高岭石的晶格取代很微弱,由此而产生的永久负电荷少到难以用化学分析法来证明。2可变负电荷：粘土所带电荷的数量随介质的PH值改变而改变,这种电荷叫做可变负电荷。3正电荷：当粘土介质的PH值低于9时,粘土晶体端面上带正电荷。对于粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是出于裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-。综述,粘土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土晶体的净电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷,因此粘土一般都带负电荷。11、粘土矿物表面的吸附有哪些类型？答：物理吸附：无选择性,吸附热较小,易脱附；化学吸附：有选择性,吸附热较大,不易脱附。12、什么叫钻井液？答：保证钻

11、井工作能安全顺利进行的所有入井流体统称。13、钻井液有哪些功能？答:1清洗井底,携带钻屑。2悬浮钻屑和加重剂。3控制地层压力。4传递水力功率。5稳定井壁。6冷却、润滑钻头及钻柱。承受钻柱和套管的部分重量。提供所钻地层的大量资料。保护油气层。14、钻井液由什么组成？答：钻井液主要由分散介质、分散相和处理剂三大部分组成。15、若按用途,钻井液处理剂分几类？写出它们的名称。答：分16类,分别为降滤失剂；增粘剂；乳化剂；页岩抑制剂；堵漏剂；降粘剂；缓蚀剂；粘土类；润滑剂；加重剂；杀菌剂；消泡剂；泡沫剂；絮凝剂；解卡剂；其它类等。16、提高钻井液密度的材料分几类？它们是通过什么机理提高钻井液密度的？答：

12、分四类。重晶石粉：是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石,经过加工后制成灰白色粉末状产品。纯品比重为,现场使用一般为。一般用于加重密度不超过2.30g/cm3的水基和油基钻井液,它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。石灰石粉：主要成分为CaCO3,纯品为白色,含杂质时呈灰色或浅黄色,常温比重为,溶于酸。一般不会堵死油气层,即可采用油井酸化可以清除堵塞。铁矿粉和钛铁矿粉：前者的主要成分为Fe2O3,密度；后者的主要成分为TiO2 Fe2O3,密度。优点是由于这两种加重材料的硬度约为重晶石的两倍,且耐研磨,在使用中颗粒尺寸保持较好,损耗率较低；易酸溶。方铅矿粉：方铅矿为铅灰色有金属光泽的颗粒或块状

13、,常温比重为,硬度为2-3,容易加工成细粉末。不溶于水和碱,但能溶于酸,是酸溶性加重剂。由于比重较高,特备适用于配制超重钻井液,密度达3.0g/cm3。由于该加重剂的成本高、货源少、一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。17、为什么钻井液的pH 值控制在弱碱性810范围？答：这主要是由于有以下几方面的原因：可减轻对钻具的腐蚀；可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；有相当多的处理剂需在碱性介质中才能充分发挥其效能,如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等。18、有哪些因素影响钻井液滤失量？答：1影响钻井液静滤失量的因素有滤失时间压差滤液的粘度、温度固相含量和

14、类型岩层的渗透性泥饼的压实性和渗透性絮凝与聚集2影响钻井液动滤失量的因素与静滤失相似,不同之处是动滤失还有钻井液流动性的影响,表现为剪切速率和钻井液流态对动滤失的影响。3影响瞬时滤失的因素主要有压差,岩层的渗透性,滤液的粘度,钻井液中固相颗粒的含量、尺寸和分布,水化程度以及钻井液在地层孔隙入口处能否迅速形成桥点。19、什么叫钻井液滤失剂？它分几类？它们是通过什么机理起降滤失作用的？20、什么叫钻井液流变性调整剂？它分几类？它们是通过什么机理起调整钻井液流变性作用的？21、什么叫钻井液絮凝剂？它分几类？它们是通过什么机理起絮凝作用的？答：1.定义：使钻井液固相颗粒聚结变大的化学剂。2.分类：大类

15、分无机絮凝剂,有机絮凝剂两大类。有机絮凝剂,按官能团类型：非离子型、阴离子型、阳离子型和两性离子型;常见有机絮凝剂有聚丙酰胺PAM、部分水解聚丙烯酰胺PHP、丙烯酰胺和丙烯酸钠共聚物80A51、阳离子型聚丙烯酰胺CPAM。按絮凝粘土颗粒种类：完全絮凝剂和选择性絮凝剂。3.作用机理：a.无机絮凝剂主要是一些无机盐,如氯化钠、氯化钙等。作用机理：通过离子交换吸附压缩双电层,降低粘土颗粒表面电动电位,水化膜变薄,使粘土颗粒产生絮凝。 b.有机絮凝剂主要高分子聚合物分子量300万。非离子型和阴离子型絮凝剂主要是通过吸附、桥接、蜷曲、下沉机理；阳离子絮凝剂除了搭桥机理以外,还具有电性中和,具有更快更高的

16、絮凝效率。22、什么叫页岩抑制剂？它分几类？它们是通过什么机理起抑制页岩作用的？答：A:凡是能有效地抑制页岩水化膨胀和分散,主要起稳定井壁作用的处理剂均可称做页岩抑制剂,又称防塌剂； B:1沥青类氧化沥青、磺化沥青、天然沥青和改性沥青2钾盐腐植酸类腐植酸钾、硝基腐植酸钾、K21 C：机理1氧化沥青：防塌机理主要是一种物理作用。它在一定的温度和压力下软化变形,从而封堵裂隙,并在井壁上形成一层致密的保护膜。在软化点以内,随温度升高,氧化沥青的降滤失能力和封堵裂隙能力增加,稳定井壁的效果增强。但超过软化点后,稳定井壁的效果变差。2磺化沥青：防塌机理是磺化沥青含有磺酸基,水化作用强,当吸附在页岩晶层断

17、面上时,可阻止页岩颗粒水化分散；不溶于水的部分又能起到填充孔喉和裂缝的封堵作用,并覆盖在页岩表面,改善泥饼质量。随着温度的升高,磺化沥青的封堵能力会有所下降。磺化沥青还在钻井液中起润滑和降低高温高压滤失量作用,是种多功能的有机处理剂。3天然沥青和改性沥青：沥青粉的主要作用机理是：在钻遇页岩之前,往钻井液中加入该种物质,当钻遇页岩地层时,若沥青的软化点与地层温度相匹配,在井简内正压差作用下,沥青产品会发生塑性流动,挤入页岩孔隙、裂缝和层面,封堵地层层理与裂隙,提高对裂缝的粘结力,在井壁处形成具有护壁作用的内、外泥饼。其中外泥饼与地层之间有一层致密的保护膜,使外泥饼难以被冲则掉,从而可阻止水进入地

18、层,起到稳定井壁的作用。4腐植酸钾：腐植酸钾是以褐煤为原料,用KOH提取而制得的产品。主要用做淡水钻井液的页岩抑制剂,并兼有降粘和降滤失作用。抗温能力为180,一般加量为13。5硝基腐植酸钾是用HNO3对褐煤进行处理后,再用KOH中和提取而制得的产品。外观为黑褐色粉末,易溶于水,水溶液的pH值为810。其性能与腐植酸钾相似。6防塌剂K21是硝基腐植酸钾、特种树脂、三羟乙基酚和磺化石蜡等的复配产品。是一种常用的页岩抑制剂,具有较强的抑制页岩水化的作用,并能降粘和降低滤失量,抗温可达180。它与磺化酚醛树脂的缩合物是一种无荧光防塌剂。23、什么叫钻井液体系？钻井液体系分几类？答：国内外对钻井液分类

19、有各种不同的分类方法,其中,各种各样的钻井液类型组成的一个庞大的体系称为钻井液体系；根据流体介质的不同,总体上分为水基钻井液、油基钻井液、气体钻井液以及合成基钻井液。由于水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位,根据体系在组成上的不同可分为若干种类型。在参考国外钻井液分类标准的基础上,在国内得到认可的钻井液分类方法如下：分散钻井液钙处理钻井液盐水钻井液饱和盐水钻井液聚合物钻井液钾基聚合物钻井液油基钻井液合成基钻井液气体型钻井流体保护油气层的钻井液24、什么叫水基钻井液？它分几类？如何配成？性能上有哪些特点？适合于钻哪些地层？答：1概念：水基钻井液是由膨润土、水、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组

20、成的多相分散体系。2分为六类：分散钻井液、钙处理钻井液、盐水钻井液、聚合物钻井液、正电胶钻井液、抗高温深井水基钻井液。3A:分散钻井液-配制方法：膨润土是分散钻井液中不可缺少的配浆材料,将膨润土逐渐分散在淡水中,有时加入适量纯碱,以提高粘土的造浆率,最后加入对粘土起分散作用的处理剂。分散钻井液的主要特点是粘土高度分散。优点是：1,配制方法简便、成本较低;2、形成的泥饼致密,而且韧性好,具有较好的护壁性,API滤失量和HTHP滤失量均相应较低;3、可容纳较多固相,较适于配制高密度钻井液。4、抗温能力较强,比如三磺钻井液是我国常用于钻深井的分散钻井液体系,抗温可达160-200。B. 钙处理钻井液

21、: 钙处理钻井液体系主要由含Ca2+的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。钙处理钻井液有较好抗盐、钙污染能力和对泥页岩水化有较强抑制作用的一类钻井液。钙处理钻井液的优点:性能较稳定,抗钙、盐和粘土污染能力强。固相含量相对较少,容易在高密度条件下维持较低的粘度和切力有利于提高钻速。能在一定程度上抑制泥页岩的水化膨胀；滤失量较小,泥饼薄且韧性好,有利于井壁稳定。钻井液中粘土细颗粒含量较少,对油气层的损害程度相对较小。C. 盐水钻井液: 盐水钻井液是通过人为添加无机阳离子,抑制粘土颗粒的水化膨胀和分散,在分散剂的协同作用下,形成抑制性粗分散钻井液的。在使用盐水钻井液时应及时补充烧碱,维持一定的PH值。

22、盐水钻井液的主要特点:矿化度高,具有较强的抑制性,能有效地抑制泥页岩水化,保持井壁稳定;抗盐侵的能力很强,能够有效地抗钙侵和抗高温,适于钻含岩盐地层或含盐膏地层,在深井和超深井中使用；滤液性质与地层原生水比较接近,对油气层的损害较轻;钻出的岩屑不易在盐水中水化分散,在地面容易清除,有利于保持较低的固相含量;5盐水钻井液能有效地抑制地层造浆,流动性好,性能较稳定。维护工艺比较复杂,对钻柱和设备的腐蚀性较大,钻井液配制成本相对较高。D.聚合物钻井液：通常是将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系称为聚合物钻井液。在配制时,将聚合物与无机盐相配合,提高了聚合物钻井液的防塌能力。聚合物钻

23、井液的特点固相含量低,亚微米粒子所占比例低,对提高钻井速度有利。具有良好的流变性,有较强的剪切稀释性和适宜的流型。 钻井速度快。稳定井壁的能力较强,井径比较规则。对油气层的损害小,有利于发现和保护产层。可防止井漏的发生。钻井成本低。E. 正电胶钻井液: MMH正电胶胶粒与粘土负电胶粒静电作用形成空间连续结构,稳定钻井液,吸附在钻屑和井壁上抑制钻屑分散和稳定井壁,MMH正电胶钻井液具有极强的剪切稀释性。正电胶钻井液特点独特的流变性。2较强的抑制性。较低的负电性F.抗高温深井水基钻井液: 在深井钻井液的特点:具有抗高温能力。要求配方设计时,必须优选出各种能够抗高温处理剂。在高温条件下对粘土的水化分

24、散具有较强的抑制能力。具有良好的高温流变性。在高温下保证钻井液具有很好的流动性和携带、悬浮岩屑的能力。具有很好的润滑性。25、描述钻井液钙侵后性能变化规律及原因？答：1性能变化第一阶段：粘度、切力、滤失量增加,泥饼增厚第二阶段：粘度、切力减小,失水量增加,泥饼增厚2原因：A. 阳离子交换;B. Ca2+与Na+交换钠土转换为钙土粘土电势减小,水化膜变薄。26、描述钻井液盐侵后性能变化规律及原因？答：1性能变化A、粘度切力急剧上升;B、滤失量增加;C、粘度切力增加到一定值后急剧下降。D、PH值下降2原因：NaCl溶于水压缩粘土双电层粘土Zeta电势降低水化膜变薄粘土絮凝,聚结。27、粘土在钻井液

25、中的作用？答：1提高体系的塑性粘度、静切力、动切力。2增强钻井液对钻屑的悬浮和携带能力。3降低滤失量,形成致密泥饼,增强造壁性。28、两性离子聚合物钻井液中的降粘剂与传统降粘剂有何异同？答：相同点：均可以降低钻井液结构粘度。不同点：传统降粘剂对钻屑有一定的分散作用,难以维持低固相,而两性离子聚合物降粘剂XY型,一是能增强钻井液的抑制能力,二是能使非结构粘度有所下降。29、提高处理剂抗高温耐污染的途径有哪些？该题答案暂未找到,求补充！三、计算1使用重晶石将200m3密度为1.32g/cm3的钻井液加重到密度为1.38g/cm3。1如最终体积无限制,求重晶石密度为4.2g/cm3的用量答：=204

26、.255 m3所需重晶石的质量为 =17871。2如果最终体积200m3,求重晶石的用量。答： =195.833 m3所需重晶石的质量为 =17500Kg。2测得钻井液1min滤失量为6.5ml, 7.5min滤失量为14.2ml ,试求这种钻井液瞬时滤失量和API滤失量?解:使用该仪器时的瞬时滤失量可由两点式直线方程求得,即VSP = 6.5-/10.5 =2.07 mL由于VSP不可忽略,30 min的滤失量可以由式求得:V30 = 2 + Vsp = 2+2.07 =26.33 所以V30=VAPI=26.33 四、综合题1、你认为理想的钻井液应具有哪些功能或特点,并试述钻井液的发展趋势

27、。答：感觉该题为自由发挥题,答案不固定,推荐参考课本第一章钻井液的功能、特点及发展概况来回答该题。2、比较各种钻井液的性能特点。答：推荐参考第六章水基钻井液性能特点来答,油基钻井液和保护油气层钻井液性能特点可以补充作答。3、某钻井液的组成为：基浆+0.1%KCl+0.1%FCLS+0.1% XY-27。利用六速旋转粘度计测得某浆六个转速下的读数分别为从高到低26、17、14、10、5、3。1计算该钻井液的表观粘度,塑性粘度,动切力,流性指数、稠度系数。2判断该浆的剪切稀释性是否符合钻井一般要求。3各种处理剂的作用机理是什么？解：1表观粘度=13塑性粘度 =9动切力 =4.088流性指数 =3.3321lg稠度系数 因为=0.454,所以该浆的剪切稀释性是符合钻井一般要求的。3KCl作用机理：见书本123页；FCLS作用机理：见书本130页；XY-27作用机理：见书本131-132页。.