油田化學(xué)課件

1、延延 安安 大大 學(xué)學(xué) 能能 源源 學(xué)學(xué) 院院 甄甄 延延 忠忠 油油 田田 化化 學(xué)學(xué) 緒緒 論論 一、油田化學(xué)研究對(duì)象一、油田化學(xué)研究對(duì)象 油田化學(xué)油田化學(xué) 鉆鉆 井井 化化 學(xué)學(xué) 采采 油油 化化 學(xué)學(xué) 集集 輸輸 化化 學(xué)學(xué) 研究的是石油勘探開(kāi)發(fā)中所涉及的化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)問(wèn)題；其目的是研 究如何利用化學(xué)的方法和手段來(lái)提高石油勘探開(kāi)發(fā)的速度、產(chǎn)量、采收 率、經(jīng)濟(jì)效益，以及這些化學(xué)方法和手段的化學(xué)規(guī)律、作用原理、化學(xué) 理論等問(wèn)題。它是建立在化學(xué)（無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、高分 子化學(xué)、表面化學(xué)等）、鉆井工程、完井工程、采油工程、油氣集輸和 油田污水處理等基礎(chǔ)學(xué)科上的一門應(yīng)用學(xué)科。 二、油

2、田化學(xué)的組成二、油田化學(xué)的組成 鉆井液化學(xué) 水泥漿化學(xué) 鉆井化學(xué) 鉆井液體系及添加劑 完井過(guò)程油氣層保護(hù) 固井射孔油氣層保護(hù) 水泥漿體系及添加劑 完井液體系及添加劑 鉆井化學(xué)主要研究鉆井、完井和水泥漿體系的性能及其控制與調(diào)整。包括添加劑的鉆井化學(xué)主要研究鉆井、完井和水泥漿體系的性能及其控制與調(diào)整。包括添加劑的 作用機(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及鉆井、完井、固井、射孔、試油等過(guò)程的化作用機(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及鉆井、完井、固井、射孔、試油等過(guò)程的化 學(xué)問(wèn)題。學(xué)問(wèn)題。 油層化學(xué)改造 油水井化學(xué)改造 采油化學(xué) 化 學(xué) 驅(qū) 熱 采 法 稠油降粘 酸化解堵 混相驅(qū)法 水井調(diào)剖 油井堵水 油

3、層保護(hù) 綜合措施 射孔壓裂 修井壓井 聚合物驅(qū) 活性劑驅(qū) 堿 驅(qū) 復(fù) 合 驅(qū) 蒸 汽 驅(qū) 火燒油層法 化學(xué)防砂 防蠟清蠟 烴類混相驅(qū) 非烴類混相驅(qū) 采油化學(xué)主要研究油層改造和油水井化采油化學(xué)主要研究油層改造和油水井化 學(xué)改造問(wèn)題。包括改造方案、添加劑的作用學(xué)改造問(wèn)題。包括改造方案、添加劑的作用 理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及采油過(guò)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及采油過(guò) 程中的眾多化學(xué)問(wèn)題。程中的眾多化學(xué)問(wèn)題。 集輸化學(xué) 乳化與破乳 降粘與減阻 腐蝕與防護(hù) 污染與防治 污水的處理 阻垢與清垢 天然氣利用 集輸化學(xué)主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護(hù)、原油的破乳與乳化、原油的降粘與集輸化學(xué)主要研究設(shè)備

4、和管道的腐蝕與防護(hù)、原油的破乳與乳化、原油的降粘與 降阻輸送、天然氣的處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護(hù)降阻輸送、天然氣的處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護(hù) 問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。 三、油田化學(xué)在石油勘探開(kāi)發(fā)中的重要地位三、油田化學(xué)在石油勘探開(kāi)發(fā)中的重要地位 1油田化學(xué)的作用是工程手段無(wú)法代替的； 2油田化學(xué)的作用是工藝手段無(wú)法代替的； 3現(xiàn)代石油勘探開(kāi)發(fā)中工程中一刻也離不開(kāi)油田應(yīng)用化學(xué)； 4油田應(yīng)用化學(xué)應(yīng)用于從勘探開(kāi)發(fā)到石油產(chǎn)品使用及使用后的每一 個(gè)大小環(huán)節(jié)； 5.油田應(yīng)用化學(xué)對(duì)石油勘探

5、開(kāi)發(fā)做出了巨大貢獻(xiàn)。 案例：案例： 例1.羅平亞院士的三磺泥漿體系， 在70年代打出了中國(guó)第一口7000以 上的油井。 例2.羅平亞院士的兩性離子泥漿體 系，在8090年代大大提高了石油鉆井速度。 例3.羅平亞院士的疏水聚合物驅(qū)油體系，可以提高采收率12個(gè)百分 點(diǎn)，相當(dāng)于再造了12個(gè)大油田。 羅平亞院士羅平亞院士 四、四、油田應(yīng)用化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)油田應(yīng)用化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 1高效的化學(xué)劑和技術(shù)； 2多效的化學(xué)劑和技術(shù)； 3環(huán)保的化學(xué)劑和技術(shù)； 4極端條件下石油勘探開(kāi)發(fā)中的化學(xué)劑和技術(shù)。 閱閱 讀讀 參參 考考 書(shū)書(shū) 1油氣田應(yīng)用化學(xué)陳大均，石油工業(yè)出版社 2鉆井液工藝學(xué)，鄢捷年，石油大學(xué)出版社 3油

6、田化學(xué)，佟曼麗，石油大學(xué)出版社 4油田化學(xué)原理與技術(shù)，馬寶岐，吳安明，石油工 業(yè)出版社 作作 業(yè)業(yè) 查資料了解2010年我國(guó)油田化學(xué)品的產(chǎn)值和用量 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 第一篇第一篇 鉆井化學(xué)鉆井化學(xué) 本章要點(diǎn) 基本概念：晶格取代、基本概念：晶格取代、cec等等 粘土礦物的基本構(gòu)單元和基本晶層粘土礦物的基本構(gòu)單元和基本晶層 常見(jiàn)粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）的特點(diǎn)及其常見(jiàn)粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）的特點(diǎn)及其 特性解釋特性解釋 粘土礦物的基本特性及其機(jī)理粘土礦物的基本特性及其機(jī)理 粘粘 土土 前言前言 （2 2）粘土粘土：疏松的尚未固結(jié)成巖的以粘土礦物為：疏松的尚未固結(jié)成巖

7、的以粘土礦物為 主的（主的（50%）沉積物。）沉積物。 （3 3）粘土巖粘土巖（俗稱：泥頁(yè)巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、（俗稱：泥頁(yè)巖）：粘土礦物經(jīng)沉積、 固結(jié)成巖作用后成為粘土巖。固結(jié)成巖作用后成為粘土巖。 （1 1）粘土礦物粘土礦物：細(xì)分散的（：細(xì)分散的（2um）含水的鋁硅）含水的鋁硅 酸鹽類礦物的總稱，可進(jìn)一步分為晶質(zhì)（具有晶體結(jié)酸鹽類礦物的總稱，可進(jìn)一步分為晶質(zhì)（具有晶體結(jié) 構(gòu)的）和非晶質(zhì)，自然界中所見(jiàn)到的粘土礦物絕大多構(gòu)的）和非晶質(zhì)，自然界中所見(jiàn)到的粘土礦物絕大多 數(shù)是晶質(zhì)的。數(shù)是晶質(zhì)的。 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 與與 鉆鉆 井井 工工 程程 的的 關(guān)關(guān) 系系 （ 1）粘土作為）粘土

8、作為鉆井液鉆井液的重要組成成分，的重要組成成分，配漿原材料配漿原材料。 （ 2）鉆井過(guò)程中）鉆井過(guò)程中井眼的穩(wěn)定性井眼的穩(wěn)定性，泥頁(yè)巖的主要組，泥頁(yè)巖的主要組 成部分，成部分，75%地層為泥頁(yè)巖，地層為泥頁(yè)巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)的井壁不穩(wěn)定發(fā) 生在泥頁(yè)巖。生在泥頁(yè)巖。 （3）油氣層的保護(hù)油氣層的保護(hù)，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿 粘土堵塞。粘土堵塞。 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 第一節(jié)第一節(jié) 粘土礦物的基本構(gòu)造粘土礦物的基本構(gòu)造 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 粘土礦物的基本構(gòu)造 1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片 硅氧四面體硅氧四面體：有一個(gè)硅原：有一個(gè)硅原 子與四個(gè)

9、氧原子，硅原子子與四個(gè)氧原子，硅原子 在四面體的中心，氧原子在四面體的中心，氧原子 在四面體的頂點(diǎn)，硅原子在四面體的頂點(diǎn)，硅原子 與各氧原子之間的距離相與各氧原子之間的距離相 等。等。 頂氧頂氧 底氧底氧 硅氧面體晶片硅氧面體晶片：指：指 硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。 硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由 硅氧四面體通過(guò)相硅氧四面體通過(guò)相 臨的氧原子連接而臨的氧原子連接而 成。成。 粘土礦物的基本構(gòu)造 2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片 鋁氧八面體鋁氧八面體：六：六 個(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子個(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子 團(tuán)，鋁、鐵或鎂原團(tuán)，鋁、鐵或鎂原 子居于八面體中央。子居于八面體中央。 氧或羥基氧或羥基 粘土礦物

10、的基本構(gòu)造 鋁氧八面體晶片鋁氧八面體晶片： 多個(gè)鋁氧八面體多個(gè)鋁氧八面體 通過(guò)共用的通過(guò)共用的oh 連接而成的連接而成的 al-o八面體網(wǎng)八面體網(wǎng) 絡(luò)。絡(luò)。 粘土礦物的基本構(gòu)造 3、晶片的結(jié)合 層面是層面是o 層面是層面是oh si-o晶片晶片 al-o晶片晶片 晶層晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層 （1）1：1型晶層型晶層：由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁 氧八面體氧八面體 晶片構(gòu)成。晶片構(gòu)成。 粘土礦物的基本構(gòu)造 （2）2：1型晶層：由兩個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體由兩個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)

11、鋁氧八面體 晶片構(gòu)成。晶片構(gòu)成。 氧原子氧原子 氧原子氧原子 si-o晶片晶片 al-o晶片晶片 si-o晶片晶片 粘土礦物的基本構(gòu)造 粘土礦物的基本構(gòu)造 第二節(jié)第二節(jié) 粘土礦物粘土礦物 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 1、基本概念 粘土礦物粘土礦物 （1 1）晶格取代：）晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽(yáng)離子被另外在粘土礦物晶體中，一部分陽(yáng)離子被另外 陽(yáng)離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。陽(yáng)離子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。 sisi-o-o四面體：四面體：alal3+ 3+取代 取代sisi4+ 4+ al-o al-o八面體：八面體： mgmg2+ 2+、 、fefe2+ 2+取代 取代

12、alal3 3+ + 粘土帶粘土帶 負(fù)負(fù) 電荷電荷 例例1 1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： alal4 4sisi8 8o o2 2(oh)(oh)4 4.nh.nh2 2o o 蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為：蒙脫石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (1/2ca,na)(1/2ca,na)x x(mg(mgx xalal4-x 4-x)(si )(si8 8o o20 20)(oh) )(oh)4 4.nh.nh2 2o o 例例2 2：伊利石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：伊利石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： alal4 4（sisi8 8o o2

13、0 20）（ ）（ohoh）4 4 伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為：伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (k)(k)x xalal4 4(si(si8-x 8-xal alx x)o)o20 20(oh) (oh)20 20 粘土礦物粘土礦物 （2）陽(yáng)離子交換容量（）陽(yáng)離子交換容量（c.e.c) 定義定義：分散介質(zhì)分散介質(zhì)ph=7ph=7時(shí)，時(shí)，1kg1kg粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離 子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽(yáng)離子毫摩爾數(shù)表示）。子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽(yáng)離子毫摩爾數(shù)表示）。 c.e.c c.e.c可用來(lái)表示粘土在水中帶電性的多少，它與粘可用來(lái)表示粘土在水中帶電性的多少，它與粘 土的水化分散、吸附等性質(zhì)密

14、切相關(guān)。土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。 （3）造漿率：）造漿率：一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為一噸干粘土所能配制粘度（表觀粘度）為 15mpa.s鉆鉆 井液的體積數(shù)，井液的體積數(shù)，m3/t。 造漿率造漿率粘土的水化分散能力粘土的水化分散能力 粘土礦物粘土礦物 （1 1）高嶺石）高嶺石 高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 粘土礦物粘土礦物 高嶺石特點(diǎn) si-o al-o oh o a、1：1型粘土礦物型粘土礦物 b、幾乎不存在晶格取代，負(fù)電量少、幾乎不存在晶格取代，負(fù)電量少 c、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距c=7.2 問(wèn)題：為什么

15、高嶺石屬非膨脹問(wèn)題：為什么高嶺石屬非膨脹 性粘土礦物？性粘土礦物？ 粘土礦物粘土礦物 d d、c.e.cc.e.c低（低（30-150 mmol30-150 mmol/kg/kg土土) ) 在三種常見(jiàn)的粘土礦物中，高嶺石的在三種常見(jiàn)的粘土礦物中，高嶺石的.e.c.e.c最低。最低。 原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷很原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷很 少，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)少，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù) 目就更少了，所以目就更少了，所以c.e.cc.e.c小。小。 、造漿率低、造漿率低 高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶

16、層間連接高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶層間連接 緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面，緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面， 故水化分散能力差，造漿率低。故水化分散能力差，造漿率低。 粘土礦物粘土礦物 蒙脫石 al-o si-o si-o 蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 粘土礦物粘土礦物 蒙脫石特點(diǎn) a、2：1型粘土礦物型粘土礦物 b、存在晶格取代，、存在晶格取代，取代位置主要在取代位置主要在al-o八面體中，即八面體中，即 al3+被被mg2+、fe2+和和zn2+等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的 na+或或ca2+來(lái)平衡。來(lái)平

17、衡。 c、晶層間引力以分子間力為主、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，晶層間距引力弱，晶層間距 c=9.6- 40。 為什么屬膨脹型粘土礦物？為什么屬膨脹型粘土礦物？ 粘土礦物粘土礦物 d、c.e.c 大（700-1300 mmol/1kg土) 、造漿率高、造漿率高 因?yàn)橐驗(yàn)槊擅撌哂泻軓?qiáng)的水化膨脹能力，造漿率高，蒙脫石具有很強(qiáng)的水化膨脹能力，造漿率高， 所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。 原因在于蒙脫石存在原因在于蒙脫石存在晶格取代晶格取代，所以帶負(fù)電荷較多，所以帶負(fù)電荷較多， 周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽(yáng)離子數(shù)目周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換

18、的陽(yáng)離子數(shù)目 多，所以多，所以c.e.cc.e.c大。大。 粘土礦物粘土礦物 （3）伊利石 伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖 粘土礦物粘土礦物 伊利石特點(diǎn) al-o si-o si-o k+ a、2：1型粘土礦物型粘土礦物 b、存在晶格取代、存在晶格取代，取代位置主要在，取代位置主要在 si-o四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石 多，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的多，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的k+來(lái)平衡。來(lái)平衡。 c、晶層間引力以靜電力為主，、晶層間引力以靜電力為主，引力引力 強(qiáng)，晶層間距強(qiáng)，晶層間距c=10，屬非膨脹型粘，屬非膨脹型粘 土礦物。土礦物。 為什么？為什么？ 粘土礦

19、物粘土礦物 由于伊利石由于伊利石取代位置主要在取代位置主要在si-o四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷 離晶層表面近，與吸附的離晶層表面近，與吸附的k+產(chǎn)生產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力很強(qiáng)的靜電力，層間引力較，層間引力較 強(qiáng)，水分子不易進(jìn)入晶層強(qiáng)，水分子不易進(jìn)入晶層. k+的大小剛好的大小剛好嵌入嵌入相鄰晶層間的相鄰晶層間的 氧原子網(wǎng)格形成的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中空穴中，周圍有，周圍有 12個(gè)氧與它配伍，起到連接作用，個(gè)氧與它配伍，起到連接作用， 水分子不易進(jìn)入晶層；水分子不易進(jìn)入晶層； 粘土礦物粘土礦物 d、c.e.c 大介于高嶺石與蒙脫石之間（200-400mmol/1kg土) 蒙脫石由于晶

20、格取代作用蒙脫石由于晶格取代作用產(chǎn)生的產(chǎn)生的負(fù)電荷由負(fù)電荷由k+來(lái)平衡來(lái)平衡，由于由于 蒙脫石蒙脫石取代位置主要在取代位置主要在si-o四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層 表面近，故與表面近，故與k+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力， k+不易交換下來(lái)。不易交換下來(lái)。 k+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴 中，起到連接作用，周圍有中，起到連接作用，周圍有12個(gè)氧與它配伍，因此，個(gè)氧與它配伍，因此， k+連連 接通常非常牢固接通常非常牢固，不易交換下來(lái)，不易交換下來(lái)。 、造漿率低、造漿率低 粘土礦物粘土礦物 一般

21、情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含一般情況下，隨著地層深度的增加，伊利石含量增加蒙脫石含 量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主。量減少，因此，下部地層縮徑現(xiàn)象少，以剝落掉塊、坍塌為主。 粘土礦物粘土礦物 表表1-11-1 高嶺石、伊利石和蒙脫石基本特性比較高嶺石、伊利石和蒙脫石基本特性比較 礦物名稱礦物名稱 項(xiàng)目項(xiàng)目 高嶺石高嶺石 伊利石伊利石 蒙脫石蒙脫石 晶體類型晶體類型 1：1 2：1 2：1 層間力層間力 氫鍵力氫鍵力 靜電力，分子間力靜電力，分子間力 范氏力范氏力 層間距，層間距，nm 0.72 1.0 0.964 層間離子層間離子 無(wú)無(wú) k+ na

22、+/ca2+ 電荷來(lái)源電荷來(lái)源 晶體邊緣斷鍵晶體邊緣斷鍵 al3+取代取代si4+ mg2+或或fe2+取代取代al3+ 晶格取代晶格取代 幾乎無(wú)幾乎無(wú) 有有 有有 cec，mmol/kg土土 30150 200400 7001300 比表面積，比表面積，m2/g土土 970 65180 600850 水化性水化性 難水化難水化 不易水化不易水化 易水化易水化 第三節(jié)第三節(jié) 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 第一章第一章 粘土礦物粘土礦物 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 一、帶電性一、帶電性 定義：指粘土礦物在與水接觸時(shí)的帶電符號(hào)和帶電量定義：指粘土礦物在與水接觸時(shí)的帶電符號(hào)和帶電量 粘土帶電性驗(yàn)證

23、：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電粘土帶電性驗(yàn)證：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電 荷）荷） 電荷產(chǎn)生原因 值等的影響受粘土表面化學(xué)變化和表面電荷（可變電荷） 晶格取代永久電荷（構(gòu)造電荷） ph 1 1、永久電荷、永久電荷 晶格取代晶格取代：粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中一部分陽(yáng)離子被另外一：粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中一部分陽(yáng)離子被另外一 部分陽(yáng)離子所取代（置換），但晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。部分陽(yáng)離子所取代（置換），但晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。 伊利石與蒙脫石相比雖晶層結(jié)構(gòu)相同，但由于晶格取代位置不同，伊利石與蒙脫石相比雖晶層結(jié)構(gòu)相同，但由于晶格取代位置不同， 平平衡陽(yáng)離子不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不

24、同。衡陽(yáng)離子不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不同。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 2、表面羥基與h+與oh-的反應(yīng)（可變電荷） 在在酸性環(huán)境中酸性環(huán)境中：羥基與：羥基與h+反應(yīng)，粘土帶正電性。反應(yīng)，粘土帶正電性。 al-oh + h+ al+ + h2o 在堿性或中性條件下：在堿性或中性條件下：羥基與羥基與ohoh- -反應(yīng)，粘土帶負(fù)電性。反應(yīng)，粘土帶負(fù)電性。 al-oh + oh- al-o- + h2o 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 粘土礦物帶電量粘土礦物帶電量 粘土帶電量通常用粘土帶電量通常用c.e.c表示，表示， c.e.c越大，說(shuō)明粘土越大，說(shuō)明粘土 所帶負(fù)電荷越多，三種常見(jiàn)

25、粘土礦物的所帶負(fù)電荷越多，三種常見(jiàn)粘土礦物的c.e.c大致如下。大致如下。 礦物名稱礦物名稱c.e.c 高嶺石高嶺石30-150 蒙脫石蒙脫石700-1300 伊利石伊利石200-400 思考題：思考題：為什么伊利石單位晶胞所帶負(fù)電荷比蒙脫石為什么伊利石單位晶胞所帶負(fù)電荷比蒙脫石 多，而多，而c.e.c卻比蒙脫石??？卻比蒙脫石??？ 影響因素：影響因素：粘土類型；分散程度；粘土類型；分散程度；cec；ph值等值等 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 1、定義、定義 水化：水化：粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。 膨脹：膨脹：粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。膨脹性是衡

26、量粘土親粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。膨脹性是衡量粘土親 水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。水性的指標(biāo)，親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。 2、水化膨脹機(jī)理、水化膨脹機(jī)理 各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨 脹的程度不同而已。粘脹的程度不同而已。粘 土水化膨脹受三種力制約：土水化膨脹受三種力制約：表面表面 水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用。水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 二、二、 粘土的水化膨脹性粘土的水化膨脹性 (1)表面水化 定義定義：由粘土晶體表面直接吸附水分子和通過(guò)所吸附的：由粘

27、土晶體表面直接吸附水分子和通過(guò)所吸附的 可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化?？山粨Q性陽(yáng)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。 表面水化機(jī)理表面水化機(jī)理 直接水化直接水化：粘土表面上的：粘土表面上的h+和和oh-通過(guò)氫鍵吸附水分子。通過(guò)氫鍵吸附水分子。 間接水化間接水化：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子。：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子。 (2) 滲透水化滲透水化 定義定義：由于晶層間陽(yáng)離子濃度大于溶液內(nèi)部：由于晶層間陽(yáng)離子濃度大于溶液內(nèi)部 的陽(yáng)離子的陽(yáng)離子 濃度，因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層。濃度，因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層。 作用機(jī)理作用機(jī)理：濃差擴(kuò)散。：濃差

28、擴(kuò)散。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 1、 吸附：吸附：物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)濃集物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)濃集(界面濃度大于內(nèi)部界面濃度大于內(nèi)部 濃濃 度）的現(xiàn)象。度）的現(xiàn)象。 吸附質(zhì)：吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)（鉆井液處理劑）被吸附的物質(zhì)（鉆井液處理劑） 吸附劑：吸附劑：吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)（粘土）吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)（粘土） （1）物理吸附：）物理吸附：范德華引力引起，一般無(wú)選擇性，范德華引力引起，一般無(wú)選擇性， 吸附熱較吸附熱較 小，容易脫附。例：陰離子和非離子處理劑在粘土上的吸附。小，容易脫附。例：陰離子和非離子處理劑在粘土上的吸附。 2、分類、分類 （2）化學(xué)吸附：）化學(xué)吸附：化學(xué)鍵力引起，具有選擇性，

29、吸附熱較大，化學(xué)鍵力引起，具有選擇性，吸附熱較大， 不易脫附。例：陽(yáng)離子處理劑在粘土上的吸附。不易脫附。例：陽(yáng)離子處理劑在粘土上的吸附。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) （3）離子交換吸附）離子交換吸附 粘土礦物表面上離子（通常為補(bǔ)償性陽(yáng)離子）與溶液粘土礦物表面上離子（通常為補(bǔ)償性陽(yáng)離子）與溶液 中同號(hào)離子間的交換作用。中同號(hào)離子間的交換作用。 如自然界中的膨潤(rùn)土（即蒙脫土）絕大多數(shù)為鈣蒙脫如自然界中的膨潤(rùn)土（即蒙脫土）絕大多數(shù)為鈣蒙脫 土，可轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫土土，可轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫土 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) caca2+ 2+土 土+na+na2 2coco3 3 2na 2na+ +土土+ca

30、co+caco3 3 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 同號(hào)、等電量、可逆同號(hào)、等電量、可逆 影響因素：影響因素： a. a. 離子價(jià)數(shù)離子價(jià)數(shù) 離子價(jià)數(shù)越大越容易發(fā)生離子交換離子價(jià)數(shù)越大越容易發(fā)生離子交換 b. b. 離子半徑離子半徑 離子半徑越大離子水化半徑越小，離子的離子半徑越大離子水化半徑越小，離子的 吸附性越強(qiáng)交換能力越大，通常離子的交換能力由弱到強(qiáng)吸附性越強(qiáng)交換能力越大，通常離子的交換能力由弱到強(qiáng) 的排列順序?yàn)榈呐帕许樞驗(yàn)?lili+ +nana+ +kk+ +(nh(nh4+ 4+)mg )mg2+ 2+ca ca2+ 2+ba ba2+ 2+al al3+ 3+fe fe3+ 3+h h+ + c

31、. c. 離子濃度離子濃度 離子濃度越大交換能力越強(qiáng)離子濃度越大交換能力越強(qiáng) 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 四、四、 粘土的凝聚性粘土的凝聚性 （1）概念：概念：粘土礦物（顆粒）在水分散體系狀態(tài)下，粘土礦物（顆粒）在水分散體系狀態(tài)下， 通過(guò)不同的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生絮凝或聚結(jié)（集）的現(xiàn)象。通過(guò)不同的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生絮凝或聚結(jié)（集）的現(xiàn)象。 粘土顆粒的聯(lián)結(jié)：粘土顆粒的聯(lián)結(jié)：絮凝和聚結(jié)（集）絮凝和聚結(jié)（集） 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 聚結(jié)（反之分散）面，面 絮凝（反之散凝） 面，邊 邊，邊 - - ff ef ee 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) （2 2）粘土顆粒聯(lián)結(jié)方式粘土顆粒聯(lián)結(jié)方式 （3）粘土顆粒在

32、水分散體系中的存在狀態(tài)）粘土顆粒在水分散體系中的存在狀態(tài) 粘土顆粒的存在狀態(tài)決定了粘土懸浮體系的流變性和粘土顆粒的存在狀態(tài)決定了粘土懸浮體系的流變性和 濾失造壁性（濾失造壁性（8種）種） 邊面、邊邊、面面聯(lián)結(jié) 邊面聯(lián)結(jié) 邊邊聯(lián)結(jié) 聯(lián)結(jié)顆粒散凝，相互分散的面面 聚結(jié)顆粒 邊邊邊面共存 邊面絮凝 邊邊絮凝 散凝，邊、面互不聯(lián)結(jié) 分散狀態(tài) . . . . . . . /. d c b a d c b a 粘粘 土土 顆顆 粒粒 的的 存存 在在 狀狀 態(tài)態(tài) 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 試驗(yàn)：試驗(yàn)：淡水泥漿鈣侵淡水泥漿鈣侵 后，失水增大，產(chǎn)生后，失水增大，產(chǎn)生 絮凝，粘土顆粒逐漸絮凝，粘土顆粒逐漸

33、增大，進(jìn)一步增加鈣增大，進(jìn)一步增加鈣 離子濃度，最終破壞離子濃度，最終破壞 粘土顆粒的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，粘土顆粒的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)， 形成水土分離的現(xiàn)象。形成水土分離的現(xiàn)象。 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物的性質(zhì) 本章完本章完 第一節(jié)第一節(jié) 鉆井液的功能與組成鉆井液的功能與組成 鉆井液的定義: 指油氣鉆井過(guò)程中以其多種功能滿足鉆井工作需要 的各種循環(huán)流體；鉆井液（drilling fluid)又稱做 泥漿 (mud)。 第二章第二章 鉆井液及其化學(xué)處理鉆井液及其化學(xué)處理 泥漿池中的鉆井液 “鐵人” 王進(jìn)喜用身體攪拌鉆井 液 一、鉆井液的循環(huán)： 泥漿罐 泥漿泵 地面高壓管匯 立管 水龍帶 水龍頭 方鉆桿 鉆桿 鉆鋌 鉆

34、頭 鉆桿與井 壁形成的環(huán)形空間 井口流出 流經(jīng)固控設(shè)備進(jìn)行處理 泥漿罐 鉆井液的循環(huán)流程鉆井液的循環(huán)流程 二、鉆井液的功能：二、鉆井液的功能： 1.1.沖洗井底沖洗井底 2.2.攜帶懸浮巖屑和密度調(diào)整材料攜帶懸浮巖屑和密度調(diào)整材料 3.3.平衡地層壓力平衡地層壓力 4.4.穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁 5.5.冷卻與潤(rùn)滑鉆頭鉆具冷卻與潤(rùn)滑鉆頭鉆具 6.6.獲取地層信息獲取地層信息 7.7.傳遞功率傳遞功率 三、鉆井液的組成三、鉆井液的組成: : 分散介質(zhì)分散介質(zhì)：水、油、汽水、油、汽 分散相分散相 組組 成成 粘土、密度調(diào)整材料（懸浮體）粘土、密度調(diào)整材料（懸浮體） 油或水（乳狀液）油或水（乳狀液） 氣體

35、（泡沫）氣體（泡沫） 處理劑處理劑 1.1.堿度和堿度和phph控制劑控制劑 2.2.溫度穩(wěn)定劑溫度穩(wěn)定劑 3.3.除鈣劑除鈣劑 4.4.緩緩 蝕劑蝕劑 5.5.乳化劑乳化劑 6.6.降粘劑和分散劑降粘劑和分散劑 7.7.降失水劑降失水劑 8.8. 絮凝劑絮凝劑 9.9.起泡劑起泡劑1010增粘劑增粘劑11.11.潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑 12.12.頁(yè)巖穩(wěn)頁(yè)巖穩(wěn) 定劑定劑 13.13.解卡劑解卡劑14.14.堵漏材料堵漏材料15.15.加重材料加重材料 第一節(jié)第一節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整鉆井液密度及其調(diào)整 引言引言： 鉆井液密度主要用來(lái)調(diào)節(jié)鉆井液的靜液柱壓力，以平衡地 層孔隙壓力，確保安全鉆井。同時(shí)亦用來(lái)

36、平衡地層構(gòu)造應(yīng)力， 以避免井塌的發(fā)生。鉆井液密度必須滿足地質(zhì)和工程的要求。 如果密度過(guò)高，會(huì)引起鉆井液過(guò)度增稠、易漏失、鉆速下降、 對(duì)油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問(wèn)題，密度過(guò)低 則容易發(fā)生井涌甚至井噴，有時(shí)還會(huì)造成井塌、井徑縮小和攜 屑能力下降等。 一、鉆井液密度定義：一、鉆井液密度定義： 鉆井液的密度是指單位體積鉆井液的質(zhì)量，其單位常用 kg/m3(g/cm3 )表示。英制單位通常為1bm/gal（磅/加侖）。 二、為什么要調(diào)整鉆井液密度：二、為什么要調(diào)整鉆井液密度： 1. 鉆井液密度影響鉆井速度；鉆井液密度影響鉆井速度； 2. 鉆井液密度與油氣層損害有關(guān)；鉆井液密度與油氣層損害有

37、關(guān)； 3. 防止噴、塌、漏鉆井事故的發(fā)生。防止噴、塌、漏鉆井事故的發(fā)生。 問(wèn)題問(wèn)題1：什么叫靜液柱壓力？：什么叫靜液柱壓力？ 由液體自身重量產(chǎn)生的壓力叫靜液柱壓力。由液體自身重量產(chǎn)生的壓力叫靜液柱壓力。 三、密度測(cè)定：三、密度測(cè)定： 儀器為：鉆井液比重秤。 四、怎樣調(diào)整鉆井液密度：四、怎樣調(diào)整鉆井液密度： 降低鉆井液固相含量； 加水稀釋；（增加處理劑的用量和費(fèi)用） 混油；（使鉆井液成本增加，且影響地質(zhì)錄井） 充氣；（需額外設(shè)備） 1.降低鉆井液密度 2.提高鉆井液密度 （1）方法：加入加重材料 （2）加重材料： 高密度不溶性礦物或礦石粉末 高密度的可溶性鹽類 名稱名稱分子式分子式 密度密度 g

38、/cm3 酸溶性酸溶性 重晶石重晶石baso44.2-4.6 石灰石石灰石caco32.7-2.9酸溶酸溶 鐵礦粉鐵礦粉fe2o34.9-5.3酸溶酸溶 鈦鐵礦粉鈦鐵礦粉tio2.fe2o34.5-5.1酸溶酸溶 方鉛礦方鉛礦pbs7.4-7.7酸溶酸溶 表1 高密度不溶性礦物或礦石 可溶性鹽類做高密度材料所帶來(lái)的問(wèn)題 （1）腐蝕問(wèn)題。加緩蝕劑 （2）鹽結(jié)晶問(wèn)題。加鹽結(jié)晶抑制劑 幾個(gè)概念幾個(gè)概念 鹽水冰點(diǎn)： 鹽水在低密度時(shí)溫度降至一定程度析出冰,該溫度稱 鹽水冰點(diǎn)。 析鹽溫度： 鹽水在高密度時(shí)溫度降至一定程度析出鹽,該溫度稱 析鹽溫度。隨著鹽水密度增加，鹽水析鹽溫度陡然上升。 五、鹽結(jié)晶抑制劑：五、鹽