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