常用的钻井液是以水作为溶剂，也被称为“水基钻井液”。钻进过程中钻井液会混入很多固体物质，同时添加剂也被加入到钻井液中改变其特性，以满足现场操作要求。除此之外，对于水平定向钻穿越，环境因素对于造浆材料的选取更加重要，因为水平定向钻穿越钻井液的循环几乎不可控制和限制。为了更好地了解不同添加剂对于水基钻井液的效果，必须首先理解钻井液基础材料的理化性质。
8.2.1 粘土的结构
粘土的结构由良好的粒状材料构成，当分散在水中时，形成大约2μ或者更小的粒子，这些粒子悬浮在水中，形成胶体。
8.2.1.1 蒙脱石
蒙脱石的结构与其他粘土相比较为独特（图8－1）。蒙脱石的晶格结构由非常薄的原子片组成，更易于在水中分散。因此，蒙脱石与水混合造浆时，显示具有更大的表面积，尤其是钠质蒙脱石。
图8－1 蒙脱石的水合作用
蒙脱石由大量的近乎平行的薄片组成，非常类似云母。这些薄层片状粒子构成三层平面结构（外面两个四面体硅平面，里面一个八面体铝平面）。粘土薄层带负电荷，吸引大群的钠粒子、钙离子在其附近。单价的钠离子会吸引带负电的薄层，同时，带二价正电荷的钙离子对薄层的吸引会更强。
当粘土发生水合作用，吸收的水被吸引到薄片附近。钠质蒙脱石比钙质蒙脱石吸附的水的体积大很多。
8.2.1.2 坡缕石
坡缕石是一种具有含水的镁铝硅链式结构粘土。坡缕石由于其具有提高钻井液粘度的功能，被广泛应用于由含盐水制造的钻井液中。当它在盐水中分散良好时，能使盐水钻井液产生和淡水钻井液相同的粘度。它的缺点是不能提供有效的过滤控制，并且要求加入其他的化学添加剂。
8.2.1.3 海泡石
海泡石是和坡缕石类似的棒状结构粘土，但是在高温下具有更高的稳定性。
8.2.2 钻井液中的阳离子
粘土颗粒结构根据不同的化学平衡可以将其联接方式分为三种：面面联接，边边联接和边面联接。这些联接方式能够同时出现，或者以一种方式为主。面面联接或称为聚合作用，仅仅导致形成更厚的层面。然而这种作用会减少单独的微粒数量并降低粘度。
8.2.2.1 聚合和分散作用
二价的交换阳离子能导致聚合。水化后的膨润土浆液中加入石膏后会出现非常明显的聚合作用，浆液的粘度在初期会增大（由于絮凝物），后来悬浮液会逐渐变稀，粘度也会降低，小于初始悬浮液粘度。分散作用与聚合作用相反，会增加微粒的数量并提高粘度。粘土的连接面在水合之前是聚合的，一旦水合反应发生，微粒开始分散，分散程度取决于水中电解质的含量、时间、温度、粘土的粒子交换能力和粘土的集中度。
边边联接或者边面联接是一种凝絮反应，会形成类似于空中楼阁的结构。这也增加了粘度，微粒联接强度由作用在微粒上的力和可以被联接的颗粒数决定。减小微粒间的排斥力，或者收缩吸水层（加入有限数量的二价阳离子或者高温），都能促进凝絮反应。
二价阳离子（如加入石膏产生钙离子）可以导致粘土聚合。某些加入钻井液的化学物中和薄层的电荷，导致微粒间的联接被破坏，钻井液被分散。低浓度的木质磺化盐就可以完全分散低固体含量的钻井液。因为在木质磺化盐被吸收的平面边缘区域相对较小。铬铁络盐用于高温情况下分散钻井液，因为此时木素磺化盐是无效的。
8.2.2.2 盐性粘土
阳离子的作用（如钙离子）是在膨胀土悬浊液中干扰电荷平衡导致颗粒的絮凝作用。然而如果浆液中有阴离子出现，也会通过类似的机制减少钻井液的各种效果。如果是利用盐水制造钻井液，膨润土的粘度会明显降低。如果在大的含盐区域钻进，膨润土会由于盐水的作用出现凝絮，导致流变性变差。但是，盐粘土或者坡缕石混合在强的电介质中会增加粘度。
坡缕石的结构由针状的含水镁铝硅微粒组成。尽管不能保证浆液的滤液控制或者水的流失，但这种结构在剪切作用下表现出很好的粘度。如果在配浆中使用坡缕石，还要求使用一些额外的流体控制机制。最经济的材料是淀粉质或者羧甲基纤维素（CMC）。
8.2.2.3 产量
粘土的产量定义为1吨干燥粘土加水产生15cp粘度的钻井液桶数（1桶＝0.159m3）。一般来说，在粘度达到15cp之前，大量增加粘土对粘度只有很小的影响。在到达15cp粘度之后，钻井液中固体含量增加很小，也会导致粘度急剧增大。
粘土在钻井液的组分中占有重要作用，当不能平衡过量的地压时，通过加入高产量的膨润土，形成低固相、高粘度并能有效控制液体流失的钻井液，能达到稳定地层的目的。每吨粘土可以预期产生超过90桶的钻井液。但是，如果钻井液的用水含盐或者某种粒子，产量会显著减小。因为阳离子会中和负电荷层，从而限制微粒层展开吸水。解决这种问题的办法就是预先加入淡水使粘土发生水合反应，再加入盐水。最终的产量少于全部使用淡水的产量。但是产量相对于只是用盐水仍然提高了。由于膨润土的似层状结构，它是附着在孔壁上的良好媒介，在孔壁形成薄的可压缩泥皮，使钻井液向地层流失量极低。坡缕石更适合与盐水混合，产生与相同浓度膨润土类似的粘度，产量超过159m3／t。
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