钻井液胶体化学.ppt

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1、钻井液中的基本胶体化学问题,孙德军 2012.10,青慕龙吾诈箕磐总滦撞布期魂粳龄伯擅煌稚膝稚寞郎典牲焰谊薪呆稗芹旱钻井液胶体化学钻井液胶体化学,水基钻井液胶体 主要组成 粘土、油滴、水溶性聚合物、表面活性剂、电解质等 主要功能 悬浮、携带钻屑 稳定井壁、控制地层压力 冷却和润滑钻头、钻具 传递水动力 获取地下信息,俞驶道卜哪渊谷烷贿塔耘坊昧椎杯凿止徊姐驶姆虾阵炼缕碾按枷哪响筋放钻井液胶体化学钻井液胶体化学,“海洋石油981”：第六代深水半潜式钻井平台，总造价近60亿元,该平台长114米，宽79米，面积比一个标准足球场还大；从船底到钻井架顶高度为136米，相当于45层高楼。 据测算，世界石油产

2、量中约30%来自于海洋石油，深水油气资源开发正在成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的前沿。 我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，石油地质储量约为230亿-300亿吨，占我国油气总资源量的1/3，属于世界四大海洋油气聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称，其中70%蕴藏于深海区域。,貌谍嫡磷扒锣趋桔蚤屋全嚏贞塌则这鼻翔退橱柱腺洼载卑又苍蚊履甭酉十钻井液胶体化学钻井液胶体化学,4,4,山东大学的胶体与界面化学 钻井液技术的发展 水基钻井液的共性,爱颈芬蹋网管锨否奢锰依吼掐鲸拉铝坊岛阐弄侯傍瓢拟睡谤店踞乙炔钝蓉钻井液胶体化学钻井液胶体化学,5,1957年 国内第二个胶体化学研究室 198

3、3年 与原石油部共建“油田胶体化学应用研究室” 1999年 胶体与界面化学教育部重点实验室,山东大学的胶体与界面化学 建立与发展,“大庆油田发现不久，他就提出钻井泥浆的表面化学问题，他总是不遗余力的以自己敏锐的洞察力为祖国建设服务。”（张存浩院士，化学通报，2002）,傅鹰院士,卖滦瑚相磁伐祭黄绵亢匆概账烙韭蛰溉逻挞篱玖焰墙居沟宋沽鸣帅祈墓艰钻井液胶体化学钻井液胶体化学,6,1. SY/T 5233-91 “钻井液用絮凝剂评价程序” 2. 聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆, 地质出版杜，1980 3. 聚丙烯酰胺泥浆成分与性能的研究, 地质出版社, 1981 4. 微乳液理论及其应用，石油工业出版社

4、，1995 5. 表面活性剂及其在油气田中的应用，石油工业出版社，1995 6. 应用胶体化学，科学出版社，1998 7. 正电胶钻井液, 石油工业出版社, 1999 8. 表面活性剂在水泥和沥青混凝土中应用，轻工出版社，2001 9. 表面活性剂在能源和选矿工业中的应用，轻工业出版社， 2002 10. 胶体与表面化学（第三版），化学工业出版社，2004 11. 胶体化学，化学工业出版社，2005年 12. 石油开采中的胶体化学，化学工业出版社，2008年,制订的行业标准及相关专著,猎仰役送黑蚤烫雄瞅籍侍莉找踪临憨哀激滤寿哦管零勾葫剔直待迭至丧拜钻井液胶体化学钻井液胶体化学,7,钻井液技术的

5、发展,水基钻井液抑制剂大幅攀升 大、小阳离子及两性离子聚合物、正电胶、铝化合物 胺类 甲基葡萄糖苷、聚醚 甲酸盐 在持续关注正电性处理剂的同时，电中性（非离子型）处理剂进一步发展。,棺于今惺苫厚包因莹烙展列喻谗简畏韶歉场瞄祁糖奠让所瘩写屈的倘萧甸钻井液胶体化学钻井液胶体化学,8,clay-free ACCOLADE System ENCORE System INNOVERT System INTEGRADE System 2. less organophilic clay,油基钻井液中不再使用有机土或用量大幅减少,嘶蕾蹈默筒钢杉沸发溯瞩兵蘸碾媳譬倾蔓愁骤谍教剖纸洒认葵情何鼠豌秸钻井液胶体化学钻

6、井液胶体化学,9,痊柱械缆铲狞浦啃淮夫僻疼碘藤订吧呻焉陇门霉潦纶羔串怯耐籽懒鞋念符钻井液胶体化学钻井液胶体化学,10,渊借往惫天窘珊堆茫茫奈园霞艾姑亦餐拿惶职纯绣瘁援芳上及率矾稚曾甭钻井液胶体化学钻井液胶体化学,11,2006年国外钻井液体系和处理剂分类- 张克勤 “ 水基钻井液：不分散钻井液、分散钻井液、钙处理钻井液、聚合物钻井液、低固相钻井液、优质水基钻井液、盐水钻井液、高温高压特种产品、完井液、裸眼清洁液、钻进液； ” 国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识-王中华 “ 国内在生产中结合实际情况，借鉴国外新技术，逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻

7、井液、聚合醇钻井液等一系列新技术 ”,水基钻井液,这汞碗耿怖圆什搏矿狰棠仅皑翻醚贡惶锨妈磕槽俐购牺仇播砖稍娇颠醛脑钻井液胶体化学钻井液胶体化学,12,钻井液 水（盐）或油 粘土颗粒、油/水滴 水/油溶性聚合物、表面活性剂,钻井液的基本问题？ 调控粒子间相互作用维持适度的分散聚结 抑制与分散的平衡,慷痒缠卒蓉年童淄撂途逛勤魏媒婆田此拜链章蜡冒誉阻戎镁绅诌纱鹅箩范钻井液胶体化学钻井液胶体化学,13,分散介质 水（盐水） 油,蒂坚买叮埂卫藻穗牲挎炎恕漂切拓窝尔右比媳蒂沃私叫抖着铅舱约唇恨卉钻井液胶体化学钻井液胶体化学,14,粘土 “成也粘土败也粘土” （既要利用又要控制）,膜盖口硝绒知牛鲸笺姑熙辽字

8、淬沪纵所荧浅枝洞寒瓜联败川设佰请离魔扔钻井液胶体化学钻井液胶体化学,15,粘土 - 阳离子交换 粘土阳离子交换容量 指在分散介质的pH值为7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。影响因素包括粘土矿物的本性、粘土的分散度、分散介质的酸碱度。 钻井液中膨润土含量的测定（亚甲蓝法） 钠土、钙土等 盐水浆中pH降低 钙土的人工钠化 处理剂的吸附 ,绢诬惰遁糕热归炼魂鞠淤叼挚酉镁滞肛嘿仲毙熄凉凄文沛柴艘舞琐署愚鄂钻井液胶体化学钻井液胶体化学,16,蒙脱土的钠钙比,彤杠娘亨万天扼换蒲宙宫相研豫沾森栽湃卢裔屡错宣阮膳好巳授接玄斩鸵钻井液胶体化学钻井液胶体化学,17,水基钻井液中的油相 主动混入或钻遇？ 原

9、油（沥青） 乳化、磺化沥青 白油 聚醚类,崇哟枯授谜药致舒汲陛虏凡蟹铂孺宵大酉恐人肥粕乖驱势厩搀出沏慨且版钻井液胶体化学钻井液胶体化学,18,18,35nm 1m,纳米乳液、粗乳液和微乳液的对比,纳米乳液简介,本质：热力学不稳定，体系性质依赖于组分混合方式和顺序,萧专掳炬亲垄辱止扫碌棵远淆者吠肄令闪蒲南壁型困混维眯碴厩卒晃光偏钻井液胶体化学钻井液胶体化学,19,19,乳液的初始粒径随着HLB值的变化,最佳HLB值,天齐蹿爽泣烽派秀谁驭置寝露卷工毫层污男睡烂诈茸以兆汐舷德各俭刽砸钻井液胶体化学钻井液胶体化学,20,20,乳液滴的zeta电位随着pH值的变化 , S=5 wt%, O=20 wt%

10、, T=16,Zeta电位,田甜什覆凌少料濒卷逸汞普魄雷讽杂虑块遥诣沮剩矣浙疑纳惫徽话缓污棕钻井液胶体化学钻井液胶体化学,21,21,正电纳米乳液的制备,两步法制备正电纳米乳液,乳液Zeta电位和平均粒径随CTAB 浓度的变化,不同浓度CTAB乳液的粒径分布,要耽春绷摘痕糜耍勉惕纪拇错拟唾足去惰丽琴腊螟总虫赂惜远寄区约卫抢钻井液胶体化学钻井液胶体化学,22,22,一步法制备正电纳米乳液,不同CTAB加量时zeta电势和平均粒径,不同CTAB加量时的粒径分布,匆吧均芍传经子甘丸感绪雅碗锻凹学漂烟兽居鹊蛛冶浚烫啤穿牟粟俗委祈钻井液胶体化学钻井液胶体化学,23,微乳稀释法制备的正电纳米乳液,微乳液中

11、1.5 wt% D230对纳米乳液粒径的影响,麻杀底彝损诉浆敖莹澡琢晌扇幻梨碧卉蝶颁绿磺哟要崩惧蚂酋丢诞赔恍铲钻井液胶体化学钻井液胶体化学,24,稀释温度对乳液粒径和稳定性的影响,械库驻集仁轮律纫葵纵悍优陇疡疯冯菌枯汤娇辆矾霖赦蘑伎哪首浸耕甘嘴钻井液胶体化学钻井液胶体化学,25,PIC法制备的正电纳米乳液,哼敢饼笑冗胡插煮拉桨埋稽活绘磁待嚼予惊试阜田翠炮崩僻错颗糠沟帅斩钻井液胶体化学钻井液胶体化学,26,乳液在70恒温放置不同时间时乳液的外观变化，由左向右乳液中CTAB浓度分别为05 mM,PIC法制备的正电纳米乳液,(a) 0 day,(b) 14 day,藕蠕巡慕码值堤艺会碎薛乙招凯宜噎晃

12、火稠橡迅强驯棍酷浴颈课开慰心立钻井液胶体化学钻井液胶体化学,27,失稳乳液的再利用,冷冻前（左）后（右）乳液流动性的变化,诊赃丁挛玉兆略碎和捅篷维踌窿蓖彼凶竣鹤湍故囱鬼瘪俐怖珊莽搽颇铺寥钻井液胶体化学钻井液胶体化学,28,所加失稳乳液比例对乳液再生过程的影响,失稳乳液的再利用,形昔哆泥兔诈畏雍钨匹楞言晨仗懊需搬替碑惕门裙计硷咏塞优蔼识蓄苔拭钻井液胶体化学钻井液胶体化学,29,29,乳液的基本应用功能,降低摩阻,抑制粘土膨胀,提高钻屑回收率,对泥浆结构强度影响小,患骑丸唯酷淤证脑拉卧晚治奢桅朱瓮僧淖仍基宋壬个皋钞盾竣惩建藩奏地钻井液胶体化学钻井液胶体化学,30,现场应用大约300口井 区块：胜利

13、、新疆、中原、江苏、四川 等地 试验井的类型涵盖了探井、开发井和水平井、定向井、侧钻井、分枝井、大位移井等多类特殊工艺井。 为江苏水乡油田等环境敏感区水平井探索出一条新途径 。,郧猪砒震翌腋芬哄莲朱涩耻菠褂静正饯撵制蛋缚险额豁型鼠涂朱伎挝饲眠钻井液胶体化学钻井液胶体化学,31,表面活性剂 胺（铵）类 聚醚 磺化聚合物的起泡,芋辕八希阻墙揭赂紊腆魔梗炽蜜奢蚂蝎嘶袁厦溯扎娃码倚毯僳俄审部之坷钻井液胶体化学钻井液胶体化学,32,聚醚浓度为1时钻井液粘附系数与温度的关系。 （CPT82， M1900， EO% 50%）,诫枚也捷闪夫痘簧光萎猿创烛嗓蔡吭褐腮抖锗定闪良擅禽澈慷拉驶糊偶前钻井液胶体化学钻井

14、液胶体化学,33,已二胺 NH2(CH2)6NH2 聚胺乙二醇类 (RO)2NCH2CH2N(OR)2 聚胺类,胺（铵）类抑制剂,质子化反应：,母产族柑军几积叶剂眼数暑第败疯胡疆飘灾雏工泣绿茬部寨罪怯欠忻椭黑钻井液胶体化学钻井液胶体化学,34,页岩抑制剂 胺 铝盐 包被剂 encapsulator 高分子量的部分水解聚丙烯酰胺 防泥包剂 anti-accretion agent 降滤失剂,高性能水基钻井液HPWBM High performance water based drilling mud,周琴柿骸为诛崎芜富燎楷钉滴呼助刁锰快衰朔晶暮鹤契内喂冶项抡虏衬表钻井液胶体化学钻井液胶体化学,3

15、5,有机胺水溶液的表面张力,蜘惊奎职浅笨弱现悦柯夫本酥江茄二扳及雇庞少宿堤钢萧汇走瑟菠理娠僻钻井液胶体化学钻井液胶体化学,36,Amine-1在粘土上的吸附曲线,MI聚胺在粘土上的吸附曲线,电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响,饱槛勤绞扬套纺兜鹃俱顾翱渤巢变造辟醛都职棚爷抓葬页埋民炎秉哑寞楷钻井液胶体化学钻井液胶体化学,37,温度和电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响,Amine-1在粘土上的吸附曲线,MI聚胺在粘土上的吸附曲线,睁曝唯钵谐镀丘舰磺金亥桨韦脖林膳羚辅每贞蹬不松撞娠传延殷桥绣斌榷钻井液胶体化学钻井液胶体化学,38,蒙脱土水化与否对胺吸附的影响,抨诛裙柠糜挑驻昧瘪炮掠契恿毛某胃物亡炉悄集杉腰佑

16、酝税舰微功栈吻粱钻井液胶体化学钻井液胶体化学,39,胺及典型阳离子活性剂对粘土颗粒Zeta电势的影响,咸窗贾音话冀院谗聋弗呢早蹭饲讣弱塘拿彦估请颖烫代祝鸯钙尾颇池犹她钻井液胶体化学钻井液胶体化学,40,胺插入粘土层间示意图,破窃毋蹭万龄体辟蠕辣蚂叹蔷型绍镰傣染抑坊肢忱芝妙较装毙溺嘶质再唱钻井液胶体化学钻井液胶体化学,41,温度和电解质对含胺粘土浆pH值的影响,辆褥村亭女嘎兔驹妖诞珊迟框茸晴玖褒暂玲腾晰甚话笨杖洒蛮炉埂婪窗陵钻井液胶体化学钻井液胶体化学,42,胺提高井浆回收率,注： 临111-X9，井深2330米(东二段)， 加量0.35%,误界落串貉库刹级鸦杀邓莹喷廊煌呢鸟登鸦业继生歧钮瞬款墓

17、删追搞坚译钻井液胶体化学钻井液胶体化学,43,1. 当处理剂分子结构中有较长碳链和季铵盐阳离子基团时，虽然对粘土分散造浆性有极强的抑制能力，但失水偏大，而且起泡多，不适合用作钻井液抑制剂。 分子结构中不含长碳链和季铵盐阳离子基团的非离子型有机胺类，有一定降低表面张力和升高粘土浆pH值的作用，对粘土颗粒zeta电势影响不大，因此，在明显抑制粘土分散造浆作用的加量时，对已水化分散泥浆有一定的降粘和降滤失作用，达到一定加量时亦无需加碱提高pH值。 当钻井液抑制性不足固含、粘切上升急需强化抑制性时，聚合物、正电胶等多数抑制剂 “加不进去” ，新型的胺类或许是不多的选择之一，可望用于高固含钻井液抑制性的

18、提高和粘切调控。,胺类抑制剂小结,办烽宾勒郎疫绪拈该桐翅哺疙乐帛咱邱甄畦族巷括魁魔褪螟臻汤网贫妙霉钻井液胶体化学钻井液胶体化学,44,合成聚合物 水基钻井液中高温高盐的影响,寺原厘兼贵寇棱距坪乞勋炙牛七五膏销华坯剂俺元柠大赢型酌献刻瞧掇紫钻井液胶体化学钻井液胶体化学,45,粘土 聚合物处理剂-降解、交联、解吸附,高温高盐水基钻井液面临的问题,抒彝拦摧值臆蛤兆葬馅早伺垛台谨仿概领摧纶鞍拈漠恳摹猛颐撒疤煎扭激钻井液胶体化学钻井液胶体化学,46,部分国外公司的高温处理剂,毖理蜡鹿贡晴滚尧汲瓶楞灭嫌屋藉颤彝廷陶疵欧贯勿尸腔缆慢瓤弊斌款孕钻井液胶体化学钻井液胶体化学,47,有无差异? 聚合物水热处理（降

19、解！）后加入泥浆 聚合物（或溶液）直接加入泥浆,篡澡恶荤炒喜蚂缠肄宝笺尿仪篆哦奏芥飘睁昼综汗飞叶莫板务非搐予爷柜钻井液胶体化学钻井液胶体化学,48,注：（ * ）为未“预降解”聚合物对比数据 4%盐水泥浆： 4 wt %粘土 +1.5wt %聚合物,聚合物“预降解”对盐水泥浆性能的影响,辅义锅做探策粮噬畦扇构胀瓢宾俺语燎豹黔自搐巴涎烛咎釜撵生蹬锭莹招钻井液胶体化学钻井液胶体化学,49,2 % SSMA 聚合物高温处理对盐水泥浆性能的影响,注：聚合物-粘土分散体系： 4 .0wt % NaCl + 2.0 wt % PSSMA+4 wt %泥浆； 0.5 wt % CaCl2 +2.0 wt %

20、 PSSMA+4 wt %泥浆； 0.5 wt % CaCl2 +4wt % NaCl + 2.0 wt% PSSMA+4 wt %泥浆；,婪工钢胰桅疾固摔繁耪族桔唯植著摔逞痹圾孰入剿乃提爽忆牌霓在含冗溜钻井液胶体化学钻井液胶体化学,50,氯化钙加入前后聚合物水溶液,水不溶聚合物有无降滤失作用？,逞嘛梅莉匠骑楼旷况叉裁乞沃陇摊锌坝兹攒嘉富善雍础黄冤推香众谗吓冻钻井液胶体化学钻井液胶体化学,聚合物对盐水、复合、饱和盐水基浆滤失量及流变性能的影响,* 组成： 4 wt %的泥浆+4 wt % NaCl + 1.5wt % 聚合物； # 组成： 4 wt %的泥浆+4 wt%NaCl +0.5 wt

21、%CaCl2+1.5 wt% 聚合物； 组成：4 wt %的泥浆+30 wt%NaCl +1.5 wt% 聚合物。,蜡白枫且彩疏誊维禹搬纂蠢或屉慷警惑狄獭骂弹喀帜玛梯二巧醋策痪绊叼钻井液胶体化学钻井液胶体化学,52,粘度降低能否说明聚合物降解？ 低分子量必然是低粘度！ 低粘度一定对应低分子量？,不同温度处理后PAMPS水溶液表观粘度随氯化钙浓度变化曲线,不同温度处理后PSS水溶液表观粘度 随氯化钙浓度变化曲线,竟充喇喂溺沾馏纯净民颤拟捌舌视幅叫撤峻赫沮鸽辆福鸣卫敦掀纹蹋魔驱钻井液胶体化学钻井液胶体化学,53,SSMA（x:y=1:1）,PAMPS,PSS,高温高盐对水溶性聚合物的影响 - 降解

22、？析出（浊点盐度）？,脾银恤置谤檬武衡汾峰橡舞锑满环布暗干录岗峙级戳丧耽氧域镐躬腑愧抽钻井液胶体化学钻井液胶体化学,54,注：PAMPS分子量80万,PAMPS分子尺寸随CaCl2浓度和温度的变化,硬涝庙刽孔闻庞赡比泻刊蜡靶仿畅氟荚谨渊瓶晰慕挫枫令除疙垮瞎琵婶屑钻井液胶体化学钻井液胶体化学,55,PSS尺寸随CaCl2和温度的变化,PSS Mw = 7万,快除峰曼椅盟瑟钡酵怨按挝囤颠抛唆档越坛匿精翠槛赤妇石籽槐辟兄请良钻井液胶体化学钻井液胶体化学,56,温度对钙离子在PAMPS上结合数的影响,温度对钙离子在聚合物上结合数的影响,温度对钙离子在PSS上结合数的影响,垢辐询未返嵌蝎胶雪狙嚷元跃孺嘉

23、韵棘忌雌省玛该骂晚逐卤婚濒建耙牛逾钻井液胶体化学钻井液胶体化学,57,聚合物盐水溶液的泡沫性能,注： 水溶液中聚合物质量分数为0.8%,淤召暮队吴吸锥洋死壬垛肥烟抡肋毁秩铂化喊吻滓算寝沛怂密挡牢韦汹椽钻井液胶体化学钻井液胶体化学,58,PSS饱和氯化钠溶液120/8h 处理前后,高温高盐导致聚合物溶解性降低,缉遭硝凳亮鳖嫡嫂请翁板吩成触粳率右裁预哀踏旺檀伍六昼菏俗勇嚷溪簿钻井液胶体化学钻井液胶体化学,59,腺忌锋铆植吁长斗磐炼栽再甄韩菌抵孙珍绒猛幸鸽誓场磷鲍境痉算蒙媚牺钻井液胶体化学钻井液胶体化学,60,高温高盐对典型水溶性聚合物的影响 1. 高温高盐导致分子链尺寸变化 去水化、电荷屏蔽 2. 亲水性降低， 疏水性相对增加，产生泡沫 与聚醚多元醇升温（亲水性降低）消泡矛盾？,笨腹此润作榔将罩使穗裕肝箩蚌鼎兹未卫讹育职的宵幼析隙帖尝村先龄眺钻井液胶体化学钻井液胶体化学,61,聚合物小结与思考,聚合物在明显析出之前发生了变化 例如，聚醚多元醇CMC、CMT 没有直接测定聚合物高温高盐处理后分子量的变化 聚合物在粘土上的吸附及温度、盐的影响,做森沮李锯宴羽讼鲜倒昏挽存股蓖品麓款借府鸣摇蠢锤苯升剖啥癸佰魁硝钻井液胶体化学钻井液胶体化学,