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。
1 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-O⼋⾯体⽹络祁汉照片
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5 1:1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6 2:1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⾼岭⽯晶体结构⽰意图上海二本大学
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
a 1:1型粘⼟矿物化学组成Al4[Si4O10](OH)4或2Al2O3·4SiO2·4H2O
b 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=7.2?
d C.E.C低（3-15 mmol/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）
图10蒙脱⽯的晶体构造
②蒙脱⽯特点
a 2:1型粘⼟矿物，化学组成（Al2Mg3）（Si4O10）（OH）2nH2O
b 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=0.96~4nm
d C.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，可发⽣交换的阳离⼦数⽬多，所以C.E.C⼤。
护肝最好方法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伊利⽯晶体结构
②伊利⽯特点
A 2:1型粘⼟矿物化学组成（K，Na，Ca2）m（Al，Mg）4（Si，Al）8O20（OH）4·nH2O b存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四⾯体中，且取代数⽬⽐蒙脱⽯多，产⽣的负电荷由等量的K+来平衡。
c晶层间引⼒以静电⼒为主，引⼒强，晶层间距C=10?，
d C.E.C介于⾼岭⽯与蒙脱⽯之间（20~40mmol/100g⼟)
伊利⽯由于晶格取代作⽤产⽣的负电荷由K+来平衡，由于蒙脱⽯取代位置主要在Si-O四⾯体中，产⽣
的负电荷离晶层表⾯近，故与K+产⽣很强的静电⼒，K+不易交换下来。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个氧与它配位，因此，K+连接通常⾮常牢固，不易交换下来。
e造浆率低
三种粘⼟矿物的晶体结构和物理化学性质的特点如表12。
表12 粘⼟矿物晶体结构与物理化学性质
矿物
名称
晶
型
晶层间距
/10-1nm
层间引
⼒
阳离⼦交换容
量/mmol·(100g
粘⼟)-1
⾼岭
⽯
1:1 7.2
氢键⼒,
吸⼒强
3-5 蒙脱
⽯
2:1 9.6-40
分⼦间,
吸⼒弱
70-130 伊利
⽯
2:1 10.0
吸⼒较
强
20-40
1.3 钻井液中粘⼟矿物分类
粘⼟在钻井液中按照其功能可分为膨润⼟、抗盐⼟、有机⼟。
1.3.1 膨润⼟
以蒙脱⽯为主要成分的配浆⼟称为膨润⼟。其可以分为API钻井级膨润⼟(改性膨润⼟)、未处理天然膨润⼟(试验⽤钠膨润⼟)、OCMA膨润⼟(改性膨润⼟)。膨润⼟密度在2.5~2.7g/cm3之间；可以造成液体的粘稠流动性质；API钻井级膨润⼟在去离⼦⽔中加量为 6.4%时表观粘度⼤于15mPa·s，滤失量⼩于15mL。膨润⼟⽤于⽔基钻井液中提⾼塑性粘度，静切⼒和动切⼒，以增强钻井液对钻屑的悬浮和携带能⼒，降低滤失量，形成致密泥饼，增强造壁性。
1.3.2 抗盐⼟
抗盐⼟主要有凸凹棒⼟和海泡⽯两种粘⼟。凹凸棒⼟、海泡⽯由平⾏长轴的双硅链组成，这些硅链形成了⼀种带⽹结构，在其边缘连在⼀起，通过铝或镁原⼦在⼋⾯体⽅向把每条链的上下部分连在⼀起，形成凹凸⾯。由于其结构是三维链组成，所以不会膨胀；其矿物结晶为针状；具有很⾼的吸⽔容量。密度为2.5~2.7g/cm3；API 钻井级凹凸棒⼟海泡⽯在去离⼦⽔中加量为6.4%时表观粘度⼤于15mPa·s，⽔分⼩于16%。可⽤于海⽔或盐⽔钻井液中起到提粘作⽤并且形成泥饼，堵漏效果良好。
1.3.3 有机⼟
有机⼟组成：由钠膨润⼟经季铵盐类阳离⼦表⾯活性剂处理⽽成的亲油膨润⼟。所选择的季铵盐必须有很强的润湿反转作⽤，常⽤⼗⼆烷基三甲基溴化铵、⼗⼆烷基⼆甲基卞基氯化铵。主要作⽤是在油中分散，形成结构；在油基钻井液中做增粘剂和降滤失剂。
2 加重剂(加重材料)
钻井液加重剂⽤于提⾼钻井液密度的处理剂⼜称加重材料，由不溶于⽔的惰性物质经研磨加⼯制备⽽成。为了对付⾼压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液中以提⾼钻井液的密度。加重材料应具备的条件是⾃⾝的密度⼤，磨损性⼩，易粉碎；并且应属于惰性物质，既不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发⽣相互作⽤。
2.1 API级重晶⽯（BaSO4）、活化重晶⽯
重晶⽯为含钡硫酸盐矿物，化学成分为65.7%BaO、34.3%SO3，密度为4.2g/cm3之间，是制取钡和钡化合物的最重要的⼯业矿物原料。由于重晶⽯密度⼤、硬度适中、化学性质稳定、不溶于⽔和酸、⽆磁性和毒性，是全世界应⽤最⼴泛的钻井液加重剂。
2.2 铁矿粉(氧化铁矿粉、钛铁矿粉)
钻井液加重剂的主要⽤铁矿粉和钛铁矿粉，前者的主要成分为Fe2O3，密度4.9~5.3g/cm3；后者的主
要成分为TiO2、Fe2O3，密度4.5~5.1g/cm3，均为棕⾊或⿊褐⾊粉末。铁矿粉和钛铁矿粉均具有⼀定的酸溶性，因此可应⽤于需进⾏酸化的产层。
2.3 碳酸钙粉（CaCO3、⽯灰⽯）
⽯灰⽯粉的主要成分为CaCO3，密度为2.7~9g/cm3。易与盐酸等⽆机酸发⽣反应，⽣成CO2、H2O和可溶性盐，因⽽适于在⾮酸敏性⽽⼜需进⾏酸化作业的产层中使⽤，以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低,⼀般只能⽤于配制密度不超过
1.68g/cm3的钻井液和完井液。
2.4 新型钻井液加重材料
四氧化锰加重材料，四氧化锰⼜称四氧化三锰，分⼦式为Mn3O4，呈红⾊或⿊褐⾊球状颗粒，粒径平均值⼩于0.5µm，密度4.856g/cm3，熔点为1564℃，不溶于⽔，可溶于盐酸。贝克休斯公司使⽤这种重材料开发出的逆乳化钻井液，塑性粘度⼤幅度降低，改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发⽣沉降的趋势，可在⾼温/⾼压井和⼩井眼中使⽤。
2.5 ⽆机盐（NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2、ZnBr2）
可⽤于钻井液加重剂的可溶性盐包括⽆机盐和有机盐，与惰性不溶固体加重剂相⽐，可溶
性盐钻井液加重剂能降低钻井液中固相含量，有利于流变性调控和提⾼机械钻速，但成本较⾼，对钻具的腐蚀性强，使⽤中⼀般要加⼊缓蚀剂。⽆机盐有氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钙和溴化锌，其中溴化锌饱和溶液的密度达2.3g/cm 3。有机盐有甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯，其中饱和溶液的密度达2.3g/cm 3。与⽆机盐相⽐, 有机盐与其他处理剂的配伍性更好，腐蚀性较低，储层保护性能和环境保护性能更佳，特别是甲酸铯钻井完井液体系更是近年发展起来的新型⾼效的⾼温⾼压储层钻井完井液体系。 2.6 加重材料⽤量的计算
加重剂⽤量：加重后的泥浆重量等于原泥浆重量加上加重剂重量。
计算公式：
周扬简历V W =ρρρρρ--原加原加加重
加（）
(1)
式中：W 加-----加⼊加重剂重量，公⽄或吨； V 原-----原浆体积，公升或⽶3；
ρ加-----加重剂密度，g/cm 3；ρ原-----原浆密度，g/cm 3；
ρ重-----欲加重泥浆的密度，g/cm 3。
降低泥浆的密度所需的加⽔量。计算公式：
V W =
ρρρρρ--原加原稀加稀⽔
（）
(2)
式中：X ----加⼊⽔的重量，公⽄或吨；
V 原----原浆体积，公升或⽶3；
ρ
⽔----⽔的密度，g/cm 3；
ρ原----原浆密度，g/cm 3；
ρ稀---加⽔稀释后泥浆的密度，g/cm 3
。
3 ⽆机处理剂
⽆机处理剂按钻井液标准委员会制订的分类⽅法，⽆机处理剂呗划分在其它类。⽆机处理剂的数量较多，下⾯介绍常⽤的⼏种处理剂。 3.1常⽤的⽆机处理剂 3.1.1 烧碱（NaOH ）
乳⽩⾊晶体，密度2~2.2g/cm 3，易溶于⽔，溶解时放出⼤量热，溶解度随温度升⾼⽽增加，⽔溶液呈碱性，易吸收空⽓中⼆氧化碳和⽔分，并与⼆氧化碳⽣成碳酸钠能提⾼钻井液的烧碱主要调节钻井流体pH 值；与单宁、褐煤等酸性处理剂⼀起配合使⽤，使之分别转化为单宁酸钠、腐殖酸钠等有效成分；可控制钙处理钻井液中Ca 2+的浓度。 3.1.2 纯碱（Na 2CO 3）
李湘和王岳伦⽩⾊粉末，密度2.5g/cm 3，易溶于⽔，36℃时溶解度最⼤，⽔溶液呈碱性，pH 值为11.5。在⽔中易电离和⽔解。
Na 2CO 3=2Na ++CO 32-
宁德中考成绩查询CO 32-+H 2O=HCO 3-+OH -
纯碱通过离⼦交换和沉淀作⽤使钙粘⼟变为钠粘⼟，改善粘⼟的⽔化能⼒。Ca -粘⼟与Na 2CO 3反应能⽣成Na -粘⼟和CaCO 3，在钻⽔泥塞或钻井流体受到钙侵时，加⼊适量的纯碱使Ca 2+沉淀成CaCO 3；含羧钠基官能团（-COONa ）的有机处理剂遇到钙侵（或Ca 2+浓度过⾼）⽽降低其溶解性时，可加⼊适量的纯碱，使其恢复能效。
3.1.3 氧化钙（CaO ）
氧化钙吸⽔后变成熟⽯灰Ca （OH ）2，氧化钙在⽔中溶解度低，常温下为0.16%，⽔溶液呈碱性，溶解度随温度升⾼⽽降低。
在钙处理钻井液中，提供Ca 2+，以控制粘⼟的⽔化能⼒，使之保持适度絮凝状态；在油包⽔乳化钻井液中，是必要的组分，⽤以调节钻井流体pH 值8.5~10范围，未溶Ca(OH)2的量保持在0.43~0.72Kg/m 3范围；防⽌地层中CO 2和H 2S 等
酸性⽓体对钻井液的污染。
3.1.4 ⽯膏（CaSO 4）
⽣⽯膏（CaSO 4·2H 2O ）熟⽯膏（CaSO 4），⽩⾊粉末，密度2.31~2.32g/cm 3，在⽔中溶解度低，常温下为0.2%，在40℃以下，溶解度随温度升⾼⽽增⼤，在40℃以上，溶解度随温度升⾼⽽降
低。在钙处理钻井液中，提供Ca 2+，⽤⽯膏处理可避免钻井液pH 值过⾼。 3.1.5 氯化钠NaCl
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