一、 分散钻井液的组成
1. 膨润土及原浆的配制
通常将以蒙脱石为主要成分的配浆土称为膨润土(Bentonite)。膨润土是分散钻井液中不可缺少的配浆材料，其主要作用在于提高体系的塑性粘度、静切力和动切力，以增强钻井液对钻屑的悬浮和携带能力；同时降低滤失量，形成致密泥饼，增强造壁性。
膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，在添加离子交换容量各不相同，来自不同产地的膨润土主要处理剂之前的预水化膨润土浆常称做原浆或基浆。几乎在所有室内实验中，首先都要进行原浆的配制。由于蒙脱石含量和阳，其造浆效果往往有很大差别。几种典型粘土造浆的曲线如图6-1所示。由图可见，所有各类粘土的造浆曲线都有一个共同点，即表观粘度较低时，其值随粘土含量的增加增长缓慢；当达到15mpa·s左右时，其值才随粘土含量的增加而明显上升。因此，常将每吨粘土能配出表观粘度为15mpa·s的钻井液体积称做粘土的造浆率(YieldofClay)。通常配浆土的质量是以造浆率来衡量的。从该图还可看出，配制1m315mpa·s的钻井液只需57kg 怀俄明优质膨润土，如使用低造浆率粘土，则需570kg，两者的用量为1:10。经换算，用1 t优质膨润土可配制出表观粘度为15mpa·s的泥浆约16m3，而1t低造浆率粘土只能造浆约1．6 m3，相差亦近10倍。使用优质膨润土配浆，泥浆密度仅为1．03～1．04g／cm3时，表观粘度即可达到10～15 mpa·s；而使用低造浆率粘土配浆，泥浆密度必须增至1．35一1. 40g／cm3时，其表观粘度才能达到同样的数值。因此，尽可能选用优质膨润土配浆，对减少体系中的固相含量，提高钻速有着重要的意义。
图6-1 典型粘土的造浆率曲线
配制原浆时，还需加入适量纯碱，以提高粘土的造浆率。纯碱的加入量依粘 土中钙离子的含量而异，可通过小型试验确定。一般约为配浆土质量的5％。
加
入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，将钙质土转变为钠质土，从而使粘土
颗粒的水化作用进一步增强，分散度进一步提高。因此，在原浆中加入纯适量碱
后，一般会使表观粘度增大，滤失量减小。如果随着纯碱加入滤失量反而增大，则
表明纯碱加过量了。配制一定密度原浆所需的膨润土及水量可由下式求得： mc＝[ρcVm(ρm-1)]／(ρm一1) (6-1) Vw＝Vmρm-mc (6-2)
式中 mc一所需膨润土的质量，t; ρc一膨润土密度，g／cm3； Vm一所配制原浆的体积，m3； ρm一原浆密度，g／cm3； Vw一所需水量，m3。 二、 分散钻井液的特点
分散钻井液的主要特点是粘土在水中高度分散，正是通过高度分散的粘土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。其优点除配制方法简便、成本较低之外，还体现在以下方面：(1)可形成较致密的泥饼，而且其韧性好，具有较好的护壁性，API滤失量和HTHP滤失量均相应较低；(2)可容纳较多的固相，因此较适于配制高密度钻井液，密度可高达2．00g／cm3以上；(3)抗温能力较强，比如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂为主处理剂的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℃。1977年，我国陆上最深的一口井--关基井就是使用这种体系钻至7 175m的。
但是，与后来发展起来的各类钻井液相比，分散钻井液在使用、维护过程中往往又存在着一些难以克服的缺点和局限性，主要表现在：(1)性能不稳定，容易受到钻井过程中进入钻井液的粘土和可溶性盐类的污染。钻遇盐膏层时，少量石膏、岩盐就会使钻井液性能发生较大的变化；(2)因滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，并使井壁的岩盐溶解，即钻井液抑制性能差，不利于防塌；(3)由于体系中固相含量高，特别是粒径小于1μm的亚微米颗粒所占的比例相当高，因此使用时对机械钻速有明显的影响，尤其不宜在强造浆地层中使用；(4)滤液侵入易引起粘土膨胀，因而不能有效地保护油气层，钻遇油气层时必须加以改造才能达到要求。据统计，在经过充分的剪切作用之后，用木质素磺酸盐处理的分散钻井液中亚微米颗粒约占全部固相颗粒总数的80％，而典型的不分散聚合物钻井液中的亚微米颗粒仅占颗粒总数的13％。试验表明，亚微米颗粒要比大于1μm的较大颗粒对钻速的影响大12倍，可见使用分散性过强的钻井液对提高钻速是十分不利的。
在实际应用中，为了将分散性钻井液中亚微米颗粒所占比例减至最小程度，一方面应控制膨润土的加量，另一方面应通过固控设备的使用，尽可能降低体系的总固相含量。膨润土的含量应随钻井液密度和井温的高低加以调整。密度和井温越高，膨润土含量应该越低。分散剂和NaOH的加量亦不宜过高，pH值一般应控制在9．5～11．0范围内。此外，由于大多数分散剂的抗盐性不够强，故分散性钻井液中应保持较低的无机盐含量。 三、 钻井液的受侵及其处理
钻井过程中，常有来自地层的各种污染物进入钻井液中，使其性能发生不符合施工要求的变化，这种现象常称为钻井液受侵。有的污染物严重影响钻井液的流变和滤失性能，有的加剧对钻具的损坏和腐蚀。当污染严重时，只有及时地对配方进行有效的调整，或者采用化学方法清除它们，才能保证钻进的正常进行。其中最常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，此外还有Mg2+、CO2、H2S和O2等造成的污染。由于分散钻井液最容易受侵，因此在本节有必要对该问题进行扼要的讨论。 1．钙侵
Ca2+可通过以下途径进入钻井液：(1)钻遇石膏层；(2)钻遇盐水层，因地层盐水中一般含有Ca2+；(3)钻水泥塞，因水泥凝固后产生氢氧化钙；(4)使用的配浆水是硬水；(5)石灰用做钻井液添加剂等。除在钙处理钻井液和油包水乳化钻井液的水相中需要一定浓度的Ca2+外，在其它类型钻井液中Ca2+均以污染离子存在。虽然CaSO4和Ca(OH)2 在水中的溶解度都不高，但都能提供一定数量的Ca2+。 实验表明，几万分之一的Ca2+就足以使钻井液失去悬浮稳定性。其原因主要是由于Ca2+易与钠蒙脱石中的Na+发生离子交换，使其转化为钙蒙脱石，而Ca2+的水化能力比Na+要弱得多，因此Ca2+的引入会使蒙脱石絮凝程度增加，致使钻井液的粘度、切力和滤失量增大。 当钻井液遇钙侵后，有两种有效的处理方法。一是在钻达含石膏地层前转化为钙处理钻井液(见本章第二节)；二是使用化学剂将Ca2+清除。通常是根据滤液中Ca2+浓度，加入适量纯碱除去钻井液中的Ca2+。这种处理方法的好处是，既沉淀掉Ca2+，多出的Na+又将钙蒙脱石转变为钠蒙脱石。但注意纯碱不要加量过多，以免引起CO32-污染。
如果是水泥引起的污染，由于Ca2+和OH-同时进入钻井液，致使钻井液的pH值偏高。这种情况下，最好用碳酸氢钠(NaHCO3)或SAPP(即酸式焦磷酸钠，Na2H2P20，)清除Ca2+。 2盐侵和盐水侵
当钻遇岩盐层时，由于井壁附近岩盐的溶解使钻井液中NaCl浓度迅速增大，从而发生盐侵；钻达盐水层时，若钻井液的静液压力不足以压住高压盐水流，盐水便会进入钻井液发生盐水侵。由于分散钻井液的矿化度一般很低，不可能有足够的抗盐能力，因此在其受到盐侵或盐水侵之后，钻井液的流变和滤失性能将发生如图6-2所示的规律性变化。
钻井液中的粘土矿物由于晶格取代其颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。随着进入钻井液的Na+浓度不断增大，必然会增加粘土颗粒扩散双电层中阳离子的数目，从而压缩双电层，使扩散层厚度减小，颗粒表面的电位下降。在这种情况下，粘土颗粒间的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒之间端-面和端-端连接的趋势增强。由于絮凝结构的产生，导致钻井液的粘度、切力(图中为初切)和滤失量均逐渐上升。当Na+浓度增大到一定程度之后，压缩双电层的现象更为严重，粘土颗粒的水化膜变得更薄，致使粘土颗粒发生面-面聚结，分散度明显降低，因而钻井液的粘度和切力在分别达到其最大值后又转为下降，滤失量则继续上升。此时如不及时处理，钻井液的稳定性将完全丧失。从图6-2可见，当NaCl浓度在3％左右时，分散钻井液的粘度和切力分别达到最大值。但需注意，该分数值以及最大值的大小都不是固定不变的，而是依所选用配浆土的性质和用量而异。
盐侵的另一表现是随含盐量增加，钻井液的pH值逐渐降低，其原因显然是由于Na+将粘土中的H+及其它酸性离子不断交换出去所致。
当钻井液受到盐侵或盐水侵之后，欲采取化学方法除去钻井液中的Na+是十分困难的，因此目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。例如，降滤失剂CMC的分子链中含有许多羧钠基(一COONa)。这是一种强水化基团，并且电离后生成的羧基(一C00-)带有负电荷，因而可以使被Na+压缩双电层所降低的C电位得到补偿。因此，CMC的加入可有效地阻止粘土颗粒间相互聚并的趋势，有助于保持钻井液的聚结稳定性，使其在盐侵后仍然具有较小的滤失量。除CMC外，聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂和改性淀粉等也是常用的抗盐降滤失剂，铁铬盐(FCLS)等是常用的抗盐稀释剂。海泡石和凹凸棒石等抗盐粘土是用于配制盐水钻井液以及对付盐侵、盐水侵的优质材料，但由于我国受矿源的限制，至今未广泛使用。
(从上图看出：①NaCl含量小于1%时，粘度、切力和失水量的变化不大。②含盐量大
于1%，粘度、切力和失水量随含盐量增大而迅速上升，当含盐量达到某个数值时，(依配浆
土的性质而异，这里是3%)，粘度、切力达到最大值。③当含盐量超过某个数值后(这里是3%)，粘度、切力随含盐量的增加而下降，失水量则继续增大。④pH值一直随含盐量的增加逐渐下降。
对于泥浆性能的这种变化可作如下的理解：随着NaCl加入量的增大泥浆中Na+越来越多，由于电解质对粘土胶粒扩散双电层扩散层的“压缩”作用，粘土胶粒的ξ电势降低，粘土颗粒之间的电性斥力减小，水化膜变薄，泥浆体系从细分散向粗分散转变，粘土颗粒之间形成絮凝结构，粘度、切力和失水量均上升。随着NaCl加入量的增大，“压缩”双电层的现象更加严重，粘土颗粒的水化膜变得更薄，尺寸变得更大，于是出现粘土颗粒在分散度上的明显降低，致使粘土、切力转而下降，失水量则继续上升。
PH值的变化原因是由于加盐后钠离子从粘土表面把氢离子和其他酸性离子交换出去的结果。
从上述试验看出，盐侵的现象是失水量增大，pH值下降，Cl-含量增大，粘度、切力上升(含盐量大时会上下波动)，钻到岩盐层时泥浆里有盐粒返出。无论是处理受盐侵的泥浆或者是配盐水泥浆，关键在于要使用在钠离子浓度较高的情况下仍能保护粘土胶粒的处理剂。如SMP、SMT、SMK和抗盐粘土如海泡石、坡缕缟石、凹凸棒石等。
钻井中遇高压盐水层时，如泥浆性能不好且处理不及时容易引起井下复杂的情况，对此要有足够的重视。泥浆受盐水侵时，会出现如下现象：①盐水侵入不多时粘度、切力突然增大；②滤液中氯根含量增加、有泡沫；③失水量增大，泥饼增厚；④pH值降低；⑤当盐水已较大量地侵入时，泥浆粘度下降、密度下降，泥浆池液面显著上涨、井口外溢，甚至发生轻度井喷。
在钻进高压盐水层时，主要是预防盐水侵入。在钻开高压盐水层前应根据盐水层的压力调整泥浆的密度，使泥浆液柱压力大于盐水层压力30~40大气压，在确保把盐水层压住的情况下钻进。一旦发生盐水侵可采出如下方法处理：
①泥浆变稠时，可用钙处理(石灰-丹宁或栲胶碱液)或高碱比降粘剂胶液处理，使粘度、切力降低，便于加重以压住盐水层，防止井下复杂化；
②泥浆变稀时，应立即设法提高粘度、降低失水(如加纯碱、CMC、粘土等)以保护胶体便于加重，若盐水侵入很多，泥浆粘度低于18s，应考虑换泥浆。)
3．二氧化碳污染
在许多钻遇的地层中含有CO2，当其混入钻井液后会生成HCO3-和CO32-，室内和现场试验均表明，钻井液的流变参数，特别是动切力受HCO3-和CO32-的影响很大，尤其高温下的影响更为突出。一般随着HCO3-浓度增加，τ0呈上升趋势；而随着CO32-浓度增加，τ0则先减后增。由于经这两种离子污染后钻井液性能很难用加入处理剂的方法加以调整，因此只能用化学方法将它们清除。通常加入适量Ca(OH)2即可清除这两种离子，由于pH值的升高，体系中的HCO3-先转变为CO32-出来的Ca2+除去CO32-。这两者并不矛盾，恰恰表明在不同的受污染情况下，应采取不同的处理方法。在容易引起CO32-污染的井段，HCO3-和CO32-对钻井液性能的危害性明显大于Ca2+，经验证明，此时在钻井液中始终保持50～75mg／1的Ca2+是适宜的。
4．硫化氢污染
H2S主要来自含硫地层，此外某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐在井底高温下也会分解产生H2S。H2S对人有很强的毒性，在其浓度为800mg／1以上的环境中停留就可能因窒息而导致死亡。同时，H2S对钻具和套管有极强的腐蚀作用。总的腐蚀过程可用下式表示：
