27钻井液中的固相

钻井液与完井液DrillingandCompletionFluids李方CNPC钻井液重点研究室（西南石油大学）2成绩分布1、出勤率（10%）（每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：10分）2、作业（20%）（每次独立完成作业，并提交作业：20分）3、提问（10%）（回答问题正确率达80%以上：10分）4、期末考试（60%）（期末考试成绩100分：60分）3课程学时分布•钻井液概论(3学时)•粘土矿物和粘土胶体化学基础（6学时）•钻井液的流变性（6学时）•钻井液的滤失和润滑性能（5学时）•钻井液配浆材料与处理剂（5学时）•水基钻井液（5学时）•油基钻井液（4学时）•对付井下复杂情况的钻井液技术（4学时）•保护油气层的钻井液技术(2学时)•钻井液固相控制（自学）4钻井液与完井液钻井液流变性钻井液造壁性钻井液处理剂钻井液体系1核心内容5第一章绪论本章要求掌握：钻井液、完井液功用、类型和组成。钻井液、完井液的性能及其测试。钻井液、完井液的发展概况。26第一节钻井液、完井液的功用类型组成钻井液——凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑的流体（液、气、液+气）。广义完井液——一切与产层接触的流体（各种盐水、聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。狭义完井液——钻开油气层的钻井液。371.钻井液的主要作用（简图）携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率881.钻井液的主要作用（具体内容）保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量。99第二节钻井液的组成和类型2.钻井液的组成分散相+分散介质+化学处理剂连续相+不连续相液相+固相+化学处理剂410组分举例某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处理剂100ml5g1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处理剂配方表示的特点：用W/V百分数表示组分。不考虑处理剂的体积。511水基钻井液的典型组成12油基钻井液的典型组成133.钻井液的类型通常根据分散介质分为三大类：水基钻井液（Water-BaseDrillingFluids）油基钻井液（Oill-BaseDrillingFluids）气基钻井液（Gas-BaseDrillingFluids）614%10Oil:)Water/Oil(%4)WW(S%;7)VV(S:)FAPAM(L/mg120Ca:)CaCL/()V/W%(1NaCL:)(L/mg120Ca%;1NaCL:367222混油低固相石灰石膏钙处理海水饱和盐水淡水水基浆固浆固%.:)/(%.%;:)/(90OilWO10Water10OilOW一般油基油包水油基7雾状充气泡沫空气或天然气气基15•钻井液密度•钻井液流变性•钻井液滤失造壁性•钻井液的pH值和碱度•钻井液的含砂量•钻井液的固相含量•钻井液膨润土含量•钻井液滤液分析第二节钻井液的性能及其测试16第三节钻井液技术的发展1.初步形成时期——1888-1928年；2.快速发展时期——1928-1948年；3.高速发展时期——1948-1965年；4.科学化时期——1965年-现在。1017•发展–水基钻井液•清水分散钻井液抑制性钻井液不分散聚合物钻井液–油基钻井液•原油柴油为连续相钻井液油包水乳化钻井液18国内钻井液技术发展特点•同样经历了这些阶段,但滞后一定时间;•水基体系的研究应用比油基体系多;•深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；•成功研制了一些钻井液处理剂；•成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系、聚磺体系等；•研制了大量钻井液性能评价仪器；•计算机应用相对滞后。191.初步发展时期——自然造浆阶段主要解决问题：携带钻屑控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土使用重晶石、铁矿粉（1920年)11202.快速发展时期——细分散泥浆阶段主要解决问题：泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术：性能测定仪器研制出来使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤12213.高速发展阶段——粗分散泥浆阶段主要解决问题：石膏、盐污染温度影响典型技术：各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种16大类13224.科学发展时期—聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题：快速钻井保护油气层典型技术：不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液1423第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础本章要求重点掌握内容：1.几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。2.扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。3.胶体体系的基本概念。4.分散度、比表面的概念。5.聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。1524粘土胶体化学基础(Fundamentsofclaycolloidchemistry)•粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。•狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100μm之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。•广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。•学习本章的意义:–粘土是配浆的基础材料–钻井液是粘土--水的溶胶--悬浮体–地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘土矿物有关。25几个基本概念1.相和相界面相—物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面——相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中：若一相为气体，相界面称为表面。若是液/固分界面，称为界面。16262.分散相与分散介质分散相—在多相分散体系中，被分散的物质。分散介质—分散相所在的连续介质。例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。——粘土为分散相；——水为分散介质。1727分散度和比表面分散度——分散相的分散程度。比表面——单位体积（重量）物质的总表面积。比表面=S/V=S/WL11颗粒平均直径分散度18283.吸附作用•吸附——物质在两相界面上自动浓集（界面浓度大于内部浓度）的现象。•吸附质——被吸附的物质•吸附剂——吸附吸附质的物质•按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为：•——物理吸附•——化学吸附29第一节粘土矿物的晶体构造与性质粘土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。特点：粒度5微米.成分：粘土矿物（蒙托石等）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。粘土矿物：含水的层状及层—链状铝硅酸盐总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构—内部格子构造。1930粘土矿物的晶格构造和特点•常见的粘土矿物(clayminerals)–高岭土（Kaolinite）–蒙脱石(Montmorillonite)–伊利石(illite)•化学组成31一、粘土矿物的两种基本构造单元1.硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。O-O距离：2.61埃。Si-O距离：1.61埃。——硅原子——氧原子2032硅氧四面体片单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。四面体片在粘土中不能独立存在。——硅原子——氧原子Si4O10最小重复单元分子式21332.铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧（氢氧，Al—O(OH)）八面体铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。图中：O-O距离：2.60埃。OH-OH距离：2.94埃。——铝原子——氢氧原子2234铝氧（氢氧）八面体片单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接。两种八面体（片）二八面体（铝氧片）——每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。三八面体（镁氧片）——每三个八面体中心全被Mg3+、Fe3+充填（无空位）。——氢氧原子——铝原子Al4(OH)12最小重复单位分子式23353.晶片的结合晶层四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。晶格取代晶体结构中四面体的Si4+被Al3+取代,或铝氧八面体的Al3+被Fe2+、Mg2+等取代，其结果是晶体结构不变，晶体带负电。CaC间距b2436二、几种粘土矿物的晶体构造1.高岭石（Kaolinite)晶体结构——1：1型单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。特点晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键。）水化分散性差，矿物较稳定。C轴间距=7.2埃。晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8-6+12-10+16-12-----=06OH4Al4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅25372.蒙脱石（Montmorillonite)晶体结构——2：1型两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4特点晶格取代主要在八面体中：Mg2+Al3+补偿阳离子：Na+、Ca2+阳离子交换容量高：70-~130毫克当量/100克土水化能力强。6O4Si4O+2OH4Al4O+2OH4Si6O氧氢氧铝硅14埃26383.伊利石（illite)晶体结构——2：1型+K+晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构。区别：A、晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。B、补偿阳离子主要为K+。C、单位晶胞电荷数比蒙脱石的高1-1.5倍。特点A、单位晶胞电荷数高：0.6-1.8。B、单位层之间由分之间力和K+连接。C、阳离子交换容量低：CEC=20-40meg/100g土D、水化能力弱。氧氢氧铝硅K+10埃2739课程小结C轴间距层间阳离子2840粘土的电性一、粘土晶体的电荷及其来源1.永久负电荷——构造电荷来源：晶格取代产生过剩负电荷。如：四面体：Al3+→Si4+；八面体：Mg2+→Ai3+。特点：永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。蒙托石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部分来源于硅氧四面体。伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧八面体。高岭石几乎无永久负电荷。永久负电荷大小排序：伊利石蒙脱石高岭石。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。29412.可变负电荷——表面电荷来源：晶体端面的AlOH键例如：在碱性条件：端面吸附OH-、SiO32-等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。AlO-…...H+OH-SiO32-30423.正电荷——表面电荷来源：当PH8时,Al—O—H→Al++OH-特点:受环境PH值影响。正电荷负电荷，因此，粘土一般带负电。3143二、粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CECCationExchangeCapacity1.交换性阳离子粘土表面带负电，为了保持电中性，必然从分散介质中吸附等量的阳离子。这些阳离子吸附于粘土上，可以被分散介质中其它阳离子所交换的阳离子。2.粘土的阳离子交换容量CEC定义：分散介质的PH=7时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。通过测定粘土的阳离子交换容量，可以了解粘土表面所带的负电荷.特点：矿物种类不同，CEC有很大差别。蒙脱石：70—130meg/