钻井液胶体化学.ppt
钻井液中的基本胶体化学问题,孙德军2012.10,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,“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。,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,5,1957年 国内第二个胶体化学研究室1983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,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，19803.聚丙烯酰胺泥浆成分与性能的研究,地质出版社,19814.微乳液理论及其应用，石油工业出版社，19955.表面活性剂及其在油气田中的应用，石油工业出版社，19956.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,19998.表面活性剂在水泥和沥青混凝土中应用，轻工出版社，20019.表面活性剂在能源和选矿工业中的应用，轻工业出版社，200210.胶体与表面化学（第三版），化学工业出版社，200411.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,7,钻井液技术的发展,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。,8,clay-freeACCOLADE SystemENCORE SystemINNOVERT SystemINTEGRADE System2.less organophilic clay,油基钻井液中不再使用有机土或用量大幅减少,9,10,11,2006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、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等一系列新技术”,水基钻井液,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,13,分散介质水（盐水）油,14,粘土“成也粘土败也粘土”（既要利用又要控制）,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,16,蒙脱土的钠钙比,17,水基钻井液中的油相主动混入或钻遇？原油（沥青）乳化、磺化沥青白油聚醚类,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,19,19,乳液的初始粒径随着HLB值的变化,最佳HLB值,20,20,乳液滴的zeta电位随着pH值的变化,S=5 wt%,O=20 wt%,T=16,Zeta电位,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,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,23,微乳稀释法制备的正电纳米乳液,微乳液中1.5 wt%D230对纳米乳液粒径的影响,24,稀释温度对乳液粒径和稳定性的影响,25,PIC法制备的正电纳米乳液,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,27,失稳乳液的再利用,冷冻前（左）后（右）乳液流动性的变化,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,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,30,现场应用大约300口井 区块：胜利、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。,31,表面活性剂胺（铵）类聚醚磺化聚合物的起泡,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%）,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：,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,35,有机胺水溶液的表面张力,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,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,38,蒙脱土水化与否对胺吸附的影响,39,胺及典型阳离子活性剂对粘土颗粒Zeta电势的影响,40,胺插入粘土层间示意图,41,温度和电解质对含胺粘土浆pH值的影响,42,胺提高井浆回收率,注：临111-X9，井深2330米(东二段)，加量0.35%,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提高和粘切调控。,胺类抑制剂小结,44,合成聚合物水基钻井液中高温高盐的影响,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,46,部分国外公司的高温处理剂,47,有无差异?聚合物水热处理（降解！）后加入泥浆聚合物（或溶液）直接加入泥浆,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,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%PSSMA+4 wt%泥浆；0.5 wt%CaCl2+4wt%NaCl+2.0 wt%PSSMA+4 wt%泥浆；,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？,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%CaCl2+1.5 wt%聚合物；组成：4 wt%的泥浆+30 wt%NaCl+1.5 wt%聚合物。,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,53,SSMA（x:y=1:1）,PAMPS,PSS,高温高盐对水溶性聚合物的影响-降解？析出（浊点盐度）？,54,注：PAMPS分子量80万,PAMPS分子尺寸随CaCl2浓度和温度的变化,55,PSS尺寸随CaCl2和温度的变化,PSSMw=7万,56,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,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%,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,59,60,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？,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,
