钻井液中的固相

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1、钻井液与完井液Drilling and Completion Fluids李 方CNPC钻井液重点研究室（西南石油大学）1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） 2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

2、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）3钻钻 井井 液液 与与 完完 井井 液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4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。25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。361. 钻井液的主要作用（简图）携带、悬浮岩屑控制压

3、力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率871. 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。98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49组分举例组分举例某种水基钻井液组分为： 水 + 膨润土 + 处理剂100ml 5g 1g 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。 510水基钻井液的典型组成11油基钻井液的典型组成123. 钻井液的类型通常根据分散介质分为三大类：水基钻井液

4、（Water-Base Drilling Fluids）油基钻井液（Oill-Base Drilling Fluids）气基钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）613714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15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。1016发展 水基钻井液 清水 分散钻井液 抑制 性钻井

5、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17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。181. 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) 11192. 快速发展时期 细分散泥浆阶段主要解决问题：

6、 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12203. 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13214. 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1422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

7、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。 1523粘土胶体化学基础(Fundaments of clay colloid chemistry)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1-100m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。24几个基本概念1.

8、 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。16252.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。1726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/W18273.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

9、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28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 蒙脱石高 岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。29402 . 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-、SiO3 2-等无 机阴离子，或有机阴离子聚电解质。Al O-. H+OH- SiO3 2-30413. 正电荷 表面电荷来源：当PH 3000C，释放出结晶水。2. 吸附水（束缚水）定义：由于分之间力和静电引力

10、吸附极性水 分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。随粘土颗粒一起运动， 成为束缚水。特点：温度1100C，释放出吸附水。包括： 薄膜水、毛细管水、胶体水。3. 自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。不 受粘土束缚，可以自由运动。3346二、粘土的水化和水化膨胀1. 几个名称概念粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程。粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。34472. 引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分

11、子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化35483. 粘土水化的过程两个水化过程：表面水化和渗透水化。 表面水化定 义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水 分子、增大晶层间距的过程。影响因素：影响表面水化膨胀的三种力：a. 晶层间的范德华力；b. 水化能； c. 晶层间的静电引力。3649表面水化特点： 主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。 表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。 产生的膨胀压大（2000 -4000kg/cm2)。3750 渗透水化特点： 主要推动力：双电层斥力。 体积膨胀大。 膨胀压较小。38514.影响粘土水化膨胀的因素(1)因粘土晶体的部位不同，水化膜

12、的厚度也不相同。层面上水化膜厚，端面上薄。(2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。蒙脱石、伊利石、高岭石(3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别(如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下图)。 Ca2+ max17A, Na+ max 40A(4)泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响 可溶性盐类，减低电位有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成较大的水化 膜。5253第四节 粘土 水悬浮体的稳定性一、电动现象 莱斯实验实验中观察 到两个现象： 粘土颗粒通过 细砂层向阳极移动，并沉积起来。 水通过粘土团 块的毛细管向阴极流动。总结这两种实验 现象，得到两个概念： 电泳：在电场 作用下，分散相微粒

13、在介质中向某一电 极移动的现象。 电渗：在电场 作用下，液体对固定的带电荷的固体表 面作相对运动的现象。显然，电泳和 电渗都是外加直流电场于胶体体系引起 的运动现象。莱斯实验 装置土粒水电 泳电 渗+-3954二、界面双电层1. 胶体颗粒扩散 双电层 胶粒周围带有电荷 后，会出现如下现象：反离子扩散分 布于胶粒周围，形成扩散双电层。 扩散双电层结 构 扩散双电层从固体表面到 过剩反离子为零处。 吸附层固体表面紧密 吸引着的部分反离子所构成。 扩散层 其余反离子扩散地 分布在液相中所构成。 滑动面吸附层与扩散 层错开的界面。 胶核：固体表面 胶粒：胶核+吸 附层扩散双电层结构-滑动面吸附层扩散层

14、距离粘土4055 离子的 分布 双电层 内既有同号离子，又有反离 子，其分布如右图所示。 双电层 电荷必须平衡。离子分布反离子过剩反离子同号离子0Xnn041562. 双电层中的电势（ 位） 表面电势 定义：从固体表面到 均匀液相内的电势降。 特点： 固体表面 电势最大。 表面电势 随离表面距离的增大而大致依指数关系降 低。 电动电势 定义：从滑动面到均 匀液相的电势降。 特点： 胶粒带电越多， 电位越高。 大小取决于吸 附层内的静电荷数。0x04257 电势方程式赫斯公式(Helmhohz Smoluchouski)对于片状离子： =(4v/DE)3002对 于 球 离 子：=(6v/DE)

15、3002式中： 介质粘度； v 电泳速度；E 电位梯度；D 液体介电常数43583. 电解质对电位的影响 电解质压缩双电层作用电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电位值。1= 21 20x电解质压缩恒定表面电势双电层1Rb+ K+ Na+ Li+ Ba+ Sr+ Ca+ Mg+5166聚结作用和凝胶 聚结（Aggregation）形式 面面：颗粒变大，分散度降低 ，不利于片架结构的形成，粘度下降。 端端端面：形成片架结构 ，片架结构增强，引起粘度切力增加。 凝胶（gel） 聚结严重时，体系失去了流动性 ，变成豆腐块状的凝胶。 形成胶凝的强度，主要取决于单 位体积中片架结构的数目和每个片架结构的强度 。6768本次作业1. 钻井液的主要功用有哪些?2. 粘土矿物的晶格取