资源预览内容
第1页 / 共33页
第2页 / 共33页
第3页 / 共33页
第4页 / 共33页
第5页 / 共33页
第6页 / 共33页
第7页 / 共33页
第8页 / 共33页
第9页 / 共33页
第10页 / 共33页
亲,该文档总共33页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院2002年10月10日粘土矿物及钻井液 电动电位变化规律研究 1一、研究内容简介二、钻井液电性转化方法三、钻井液电动电位与渗透理论等关系四、认识及结论2一、简介分析了导致粘土矿物膨胀分散的 原因;研究了粘土矿物、钻井液等 电动电位(Zeta电位)变化规律; 提出了粘土矿物及钻井液电性的转 变方法;通过对膨胀渗透理论与双 电位理论研究,认为二者是统一的 。 3影响粘土ZETA电位的因素 (1)粘土矿物组成及颗粒粒度。 (2)水溶液介质类型、浓度。 (3)扩散层吸附离子化合价的高低 。 (4)水溶液的PH值; (5)温度等。 4为何要进行粘土及钻井液 电动电位的转化 当粘土的Zeta电位为-60mv以下时,属于极 端分散; Zeta电位为-40mv左右时,属于较强分散; Zeta电位为-20mv左右时属于可能分散; Zeta电位为-10mv左右时属于低分散或不分 散; 随粘土Zeta负电位的升高,分散性增强。 所以,如何提高钻井液的正电位,改变粘 土的电位,是抑制、防塌的关键。5研究粘土及钻井液 电动电位的意义 粘土矿物的分散、膨胀、收缩、坍塌、 渗透等特性均与Zeta电位的大小有密切关 系,随钻井液Zeta正电位的升高高,对粘 土矿物的抑制能力就强,就能达到稳定 井眼、提高钻井速度、保护油气层、减 少环境污染的目的。所以,研究粘土矿 物及钻井液的电性具有重大的现实意义 和理论意义。6二、钻井液电性的转化 (1)有机正电处理剂处理法。 (2)无机正电胶MMH处理法。 (3)电解质处理法。 (4)非离子型聚合物处理法 。 (5)调整PH值法。 71、有机正电处理剂处理法 向含有粘土相的钻井液中直接加入具有 阳离子基团的有机化物(如BPS,阳离 子聚合物、阳离子表面活性剂、醚化剂 等),使阳离子基团靠静电引力牢固地 吸附在粘土颗粒表面的晶层间,改变粘 土颗粒表面电荷性质,使粘土矿物颗粒 的Zeta电位降低或转变为正电位。8试验结果正电处理剂加量对钠膨润土浆Zeta电位的影响序号加量 /%FL /mlAV/ mpa. sPV/ mpa. sYp/p aZeta/ mv1028734-45.022399.54.05.5-31.734711798-28.24613010.591.5-25.25817313103-23.1610全失 水-20.59表2 有机正电处理剂加量对钙膨润土浆Zeta电位的影响加量 /%03468Zeta/ mv-9.8+5.6+23.3+35.2+50.0表3 CETA对膨润土浆Zeta电位的影响CETA /%0010202504Zeta/ mv-15.35-12.0-11.0+0.5+1010小阳离子抑制粘土分散的机理主 要是化学吸附作用,依靠小阳离子所 带正电荷中和粘土表面所带负电荷, 削弱粘土颗粒间的静电排斥作用,阻 止水分子进入粘土内部。112、无机正电胶MMH处理法 正电胶既可使粘土颗粒电性由负向 正转化,又不直接产生中和作用1, 是通过正负粒子电场极化水分子来 形成复合体,使钻井液性能得到稳 定,所以它不同于可溶性电解质。 正电胶是连接正电性钻井液与负电 性钻井液的重要桥梁 。12表4 正电胶加量对5%膨润土浆Zeta电位 的影响 MMH加量 /%00.51.01.52.02.5Zeta/mv-30-28-26-22-18+313表5 MMH加量对10%高岭土性能的影响序号MMH 加量/%AV /mpa.sFL /mlZeta /mv 1011.0 -12.820.56.7137+21.9312.039+39.541.52.022.5+45.552.52.015.0+46.51415因高岭土所带负电荷较少,分散 性较差,Zeta电位的反转比较容易实 现。而钠膨润土分散性能较强,水化 能力强,要将高的负电位粘土矿物转 变成正电位,所消耗的正电处理剂量 大。 153、电解质处理法 向钻井液中加入电解质后,扩散双 电层受到压缩,双电层厚度变薄, Zeta电位随之发生变化 。 AICI3.6H2O对粘土颗粒的电性影 响大,并随AICI3.H2O加量的增加, Zeta电位升高,滤失量降低,粘度 降低。在此条件下,AICI3具有降粘 降滤失的作用。 16表6 AICI3 6H2O对MMH-膨润土钻井液 Zeta电位的影响 AICI3 6H2O性 加量/%00.050.150.250.350.450.6Zeta/mv-6.24.911.718.821.042.444.7YP/pa11.29.07.06.95.25.85.5PV/mpa.s6.54.03.51.00.50.50.5FL/ml19020018517416214314117NaCI 、CaSO4、CaCI2、AI2(SO4)3对 2%膨润土浆Zeta电位的影响 表7 NaCI对2%膨润土浆Zeta电位的影响NaCI 加量 /%00.51351015Zeta/ mv-15.35-13.78-11.52-10.73-10.10-12.20-15.3518CaSO4、CaCI2、AI2(SO4)3对2%膨润土浆 Zeta电位的影响 19试验结果 铝盐具有明显提高膨润土浆电位的 功能,当铝盐加量达到一定数量后,钻 井液电性会发生反转,如硫酸铝的加量 为1%时,Zeta电位由初始的-15.35mv升 高到14.57mv。发生电性反转的原因是粘 土颗粒对AI+3的吸附和晶格取代作用引 起。 20由试验结果可以看出,交换阳离子价愈高 ,水化膜愈薄,Zeta负电位愈低,分散性下 降,反之,交换离子价愈低,水化膜愈厚, Zeta负电位愈高,分散性强。CaSO4、CaCI2、NaCI等无机盐均具有 提高钻井液电性的趋势,其中CaCI2优于 CaSO4,NaCI效果最差。当它们的加量超过 各自的临界值时,体系的电性明显下降,它 们均无法使膨润土浆的电性发生反转。214、非离子型聚合物处理法 常用的非离子型聚合物有聚乙烯醇(PVA)、聚乙醇、HEC等。如利用PVA对维县膨润土改性后2,膨润土的Zeta电位由-35mv升高到改性后的0mv。 225、调整PH值法 不同的粘土矿物,具有不同的等电点 。如胜利油田玄武岩等电点为3.9,若PH 值小于3.9,则可使玄武岩的Zeta电位由 负变正。随PH值的降低,Zeta电位升高 。23PH值对正电性钻井液Zeta电位的影响 PH5678.59.51010.5Zeta/ mv+30.4+29+28.6+27.17+22.44+22.04+20.88在其它条件相同的情况下,PH值升高,Zeta电位 下降,粘土膨胀分散性增强。其原因是:粘土矿物 除含永久性负电荷(不受PH值影响)外,还含有 受PH值大小或电解质种类与影响所产生的电荷。246、温度对Zeta电位的影响 温度/PV/mpa.sYp/paZeta/mv FL /mlPH基浆常温性能109+28.688基浆120/16h108+28.09.58基浆120/24h106+26.511.58基浆120/48h103+25.1158基浆+5%膨润土常温 性能125+20178基浆+5%膨润土 120/16h135+5075825不同温度对无粘土相钻井液电位的影响 胶粒间静电斥力的大小与电动电位大小有关,电动 电位数值与扩散双电层厚度和离子水化膜厚度成正 比,温度升高(在一定温度范围内),扩散双电层 厚度增加,胶粒间斥力增大;水化膜的厚度与扩散 层厚度相当,当温度升高时,水化膜厚度增加。因 此,温度升高会使胶体颗粒的Zeta电位略有上升, 但影响不明显。温度 /25304050607080Zeta/ mv+26.4+26.6+26.8+27.0+27.1+27.1+27.1267、改变粘土矿物Zeta电位的其它方法改变粘土矿物Zeta电位的方法还有超声 波法,电极极化法等。改变连续相的性质(如甘油、葡萄糖苷 、聚合醇、乳化矿物油等)或处理剂的 浓度等,均会影响Zeta电位。膨胀型粘土矿物可与一些化学剂反应, 转化为非膨胀性的其它矿物 。27三、钻井液电动电位与渗透理论等关系泥页岩粘土矿物表面带负电,带电量 的大小与粘土矿物类型,阳离子交换能 量,晶体表面羟基数量,泥页岩分散度 等众多因素有关。 28电动电位与其它钻井液性能的关系王杰祥3等同志对各种泥页岩分别进行膨胀率, 分散率,毛细虹吸时间CST值,阳离子交换容量 CEC值,胶体率,电动电位(zata),比表面积, 吸水率和比吸水量等九个指标进行测定,实验表明 ,九个评价指标之间有一定的相关性,有的相关性 强,有的相关性弱。电动电位是粘土带电情况的定 性定量描述,其他指标对粘土膨胀和分散的反映都 没有电动电位更具有综合性。Lauzon4用电动电位 的大小对泥页岩的稳定性进行了评价及分类,其分 类情况与泥页岩的膨胀分散程度基本吻合。29Zeta电位与渗透理论的关系渗透理论认为,在粘土水体系中存在着渗透压力, 这是膨胀机理的根据。这种渗透压力可能高达538 645103kg/m2。当粘土矿物受到外部压力时,粘土颗粒 之间的距离缩小而水被挤出,结果使粘土颗粒之间离子浓 度升高,从而渗透压力也随之增大。与此相反的过程是外 部压力减小,并借助粘土颗粒间的渗透压力及浓度平衡原 理而大量吸水。这将导致粘土颗粒距离增大。体积增大和 渗透压力降低,这个过程自发进行,直至建立新的平衡为 止。由此可见,水的渗透是引起粘土膨胀的重要原因之一 。由渗透作用导致颗粒表面水膜变化主要是指结合水而言 ,它受粘土颗粒表面水化离子扩散层的控制,实际上也是 双电层(Zeta电位)的作用,从这个意义来讲,二者是统 一的。 30四、几点认识和结论 (1)粘土一水分散体系的Zeta电位的大 小,取决于内因(构成粘土的成分和结构 )和外因(液相性质和组成等)。 (2)无机盐具有压缩双电层的作用,交 换阳离子价愈高,水化膜愈薄,Zeta负电 位愈小, 31四、几点认识和结论(3)阳离子处理剂具有提高钻井液Zeta正 电位的作用,能使粘土一水分散体系的电性 发生反转。 (4)正电胶既可使粘土颗粒电性由负向正 转化,又保持粘土一水分散体系的稳定性, 正电胶是沟通负电性钻井液与正电性钻井液 的“重要桥梁”。32谢谢大家 !33
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号