含水泥浆钻进粘土一直是一个潜在的难题，多年来，人们提出了各种各样的解决方案来对抗这种粘稠的敌人。这些产品从简单的、从商店买来的洗洁精到高科技的、非常昂贵的块状共聚物技术都有。在这篇文章中，我将介绍几种常用的抗粘土添加剂，并概述为什么每种类型的抗粘土添加剂都能改善粘土钻井。

粘土膨胀

让我们从为什么粘土和页岩如此难钻的基本原理开始。粘土类型可以覆盖的范围很广，有些比其他的反应性更强。虽然像蒙脱土这样的层状硅酸盐无疑是最糟糕的，但我们大多数人都在处理高岭土、伊利石和其他活性较低的粘土类型。粘土这个术语在技术上指的是颗粒大小，而不是明显的晶体组成。页岩或泥岩和泥岩主要由粘土和淤泥组成，随着时间的推移，这些粘土和淤泥被压缩，排出了水分，从而形成了坚硬的、有粘性的岩石。然而，当粉碎得足够细，并与水相结合时，这些所谓的岩石会变得非常粘稠，甚至在我们身上膨胀，就像表面附近潮湿的普通粘土一样。

“黏糊糊”是什么意思?

由于粘土体积很小，而且在形态上典型地呈薄片状，所以相对于其体积而言，粘土的表面积很大。整个表面是亲水的，或者说能够吸附水分子。当一个表面想要吸附水分子，但没有足够的水来充分湿润它的表面，那么这个材料就会有粘性。它需要更多的水。通常情况下，干燥的土壤不会有粘性，水分饱和的表面也不会有粘性。只有当土壤有一些水，但没有足够的水时，它才会变得粘稠。

四种主要类型

就水泥浆钻井而言，我们可以根据它们的性能大致将大多数常用的抗粘土添加剂分为四大类。这些都是:

1. 润湿剂
2. Encapsulators
3. 抑制剂、混凝剂和絮凝剂
4. 稀释剂

润湿剂

当被卡在秋葵汤中时，大多数钻井人员首先使用的抗粘土添加剂是润湿剂或表面活性剂。表面活性剂是一种化学物质，它可以改变水的表面张力，使其更有效地润湿疏水或疏水的表面。想象一颗水滴落在不粘锅上。它有一个部分泄气的篮球的形状，但总体上仍然是圆形的，接近90%的接触角。简单地说，这是因为水分子喜欢有序，想要以最小的表面积形成尽可能紧密的分子排列。非极性表面会打断这个顺序，因此被推开。当我们加入一点表面活性剂时，它会干扰氢键，氢键使水滴形成紧密的形状。水分子现在能够呈现出稍微不那么坚硬的构象，允许水滴向外扩散，湿润更多的疏水表面。

现在，把页岩和粘土颗粒想象成一副紧密地混合在一起的纸牌。一滴水想要保持它的球形，把它挤进卡片之间是很困难的。通过添加表面活性剂，我们可以把水球变形成更扁平的形状，这样就可以让水滑进卡片之间，把卡片弄湿。原本缺乏水分的粘土颗粒表面现在有了足够的水来满足它们，我们降低了粘土的粘性。

使用表面活性剂的好处是，它们可以非常有效地减少钻头起球现象。缺点是，所有新浸湿的粘土表面都可能悬浮在钻井液中，增加固体含量，减少悬浮，并缓慢但急剧地增加泵压力。

在含水钻井行业，大多数润湿剂往往是非离子型或两性离子型的(既有正电荷也有负电荷)。这些表面活性剂通常是无泡或低泡的，尽管任何表面活性剂都会降低表面张力，帮助润湿表面。

Encapsulators

封装钻屑是处理粘性粘土的第二常见方法。这通常是通过添加一些高分子量阴离子聚合物如PHPA的段塞来实现的。部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)无疑是用于这一目的的最常见的一类聚合物。它很便宜，而且可以达到惊人的高分子量(大约3000万)。PHPA聚合物是阴离子的，这意味着它有一个负电荷，帮助它水合物和迅速分散在水中。

高粘性聚合物泥浆会紧紧地吸附住水分子，使水分子无法移动。此外，粘性液体进入和通过狭窄的裂缝和裂缝比水等较薄的液体更慢。正因为如此，结合在PHPA链上的水并不能真正润湿粘土血小板的表面。通过阻止水接触粘土颗粒，我们有效地延缓了它们的粘性。注意，我说的延迟，是因为使用聚合物封装的一个缺点是，最终，粘土会变得潮湿和粘性。事实上，PHPA泥浆实际上可能会增加粘土的最终膨胀体积。不过，这需要时间。如果幸运的话，你钻孔的竖井将在粘土渗湿并开始膨胀之前完成。通常情况下，较高的分子量和/或中性电荷更多的聚合物是更有效的封装器，尽管它们需要更长的时间来水合物。

抑制剂，混凝剂和絮凝剂

粘土抑制和粘土絮凝是一枚硬币的两面。当我们阻止原生粘土的水化时，我们是在抑制，当我们从悬浮液中去除水合粘土固体时，我们是在絮凝。乍一看，这似乎是完全不同的效果，但抑制粘土的添加剂也会使粘土絮凝。这种相似性与表面电荷的逆转或否定和悬浮液中离散粒子的绝对数量的限制有关。

悬浮液中的大多数粒子表面都带有电荷——典型的是阴离子。就像磁铁一样，两个带负离子的两极会相互排斥，带相反电荷的表面会相互吸引。水被吸引到土壤表面的机制是通过渗透势。电荷越密集，被吸引到带电表面的水就越多。当水被吸附时，它有助于将粒子分开。这是粘土水合作用。我们可以通过两种主要方式来中断这种排斥。首先，我们可以在两个相似的带电粒子之间插入一个相反的带电粒子，以帮助结合它们。这是反电荷絮凝。其次，我们可以使用非离子聚合物或盐有效地减少或掩盖表面电荷。 When a charged surface is rendered effectively chargeless it has a tendency to attract other, similarly low-charge surfaces. Technically referred to as coagulation, the outcome is essentially the same as flocculation, since particles are brought together.

通常，当使用絮凝剂时，我们会看到低剪切粘度随着粒子间相互作用的建立而开始上升。这有可能增加砂粒和固体悬浮的暂时好处。然而，有一个理想的剂量窗口，它可以很窄。此外，需要注意的是，在使用抗粘土絮凝剂时，有两种潜在的危险会突然出现。第一种是粘度不断增加，直到我们达到花生黄油泥，需要荒谬的泵压力才能移动。另一个是我们所有的钻井固体和膨润土可以完全絮凝到井底。絮凝作用既适用于天然粘土，也适用于钻井液中的膨润土，因此在使用这种防粘策略时需要格外小心。这也说明了絮凝剂的另一种用途，即脱水辅助剂。由于原生粘土与膨润土泥浆的密度相同，一旦钻井液中出现胶体固体，絮凝剂是去除它们的唯一方法。

当我们在土壤遇水之前使用絮凝剂时，我们可以防止粘土颗粒有效地水合。它们对水的需求量减少了。这被称为抑制，大多数絮凝剂是非常有效的抑制剂。最有效的粘土抑制成分之一是氯化钾盐(KCl)，但使用阳离子或非离子聚合物(如瓜尔胶)和多价盐(如氯化钙)可以配制出一种奇妙的抗粘土钻井液。

稀释剂

稀释剂，或絮凝剂，是典型的低分子量，高阴离子聚合物。它们的工作原理是吸附在粘土表面，增加电荷导致分散，也防止粘土颗粒相互作用。通过分散粘土颗粒，我们可以看到泥浆粘度的下降，但需要指出的是，使用稀释剂来对抗粘土有两个主要的缺点。首先，钻井液的固体悬浮能力将受到不利影响，其次，添加分散剂将增加悬浮中不同颗粒的绝对数量。稀释剂是通过粘点的一种极好的段塞处理方法，但如果分散的流体被留下形成固体，泵的压力会迅速上升。