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《泥浆工艺原理》复习资料

第一章——钻井液概论

1.钻井液: 指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液功用: ( 1) 携带和悬浮岩屑( 2) 稳定井壁和平衡地层压力( 3) 冷却和润滑钻头、钻具

( 4) 传递水动力。

2.密度

( 1) 低密度活性固相( 粘土) : 2.2g cm-3 2.3g cm-3

( 2) 低密度惰性固相( 钻屑) : 2.5 g cm-3 2.7 g cm-3(平均: =2.6g cm-3)

( 3) 钻井液密度

低密度: g cm-3

中高密度: 1.8 g cm-3 2.5g cm-3

高密度: 2.5g cm-3 3.0 g cm-3

超高密度: 3.0 g cm-3

( 4) 加重材料

API重晶石: =4.2 g cm-3

石灰石粉: 2.7g cm-3 2.9 g cm-3

铁矿粉: 4.9 g cm-3 5.3 g cm-3

钛铁矿粉: 4.5 g cm-3 5.1 g cm-3

方铅矿: 7.4 g cm-37.7 g cm-3

( 5) 无机处理剂

纯碱: 2.5 g cm-3

烧碱:2.0—2.2 g cm-3

3.钻井液密度作用

( 1) 稳定井壁, 防井塌。

( 2) 实现近平衡钻井技术, 减少压持效应, 提高机械钻速。

( 3) 平衡地层压力, 防止井喷、井漏和钻井液受地层流体污染。

( 4) 钻开油气层, 合理选择钻井液密度, 减少钻井液对产层的伤害。

4.实际应用中, 大多数钻井液pH控制在8—11之间, 维持一个较弱的碱性环境。酚酞变色点: pH=8.3左右; 甲基橙变色点: pH=4.3左右。

常温下: 10%Na

2CO

3

(aq) pH=11.1; Ca(OH)

2

(饱和aq) pH=12.1 ; 10%NaOH(aq) pH=12.9;

5. 钻井液组成

①分散介质+分散相+化学处理剂

②连续相+不连续相

③液相+固相+化学处理剂

6.钻井液含砂量: 钻井液中不能经过200目筛的砂粒体积占钻井液体积的百分数。一般砂含.

【即粒径74的砂粒占钻井液总体积的百分数】

第二章——粘土矿物和粘土胶体化学基础

1.相: 物质物理化学性质完全相同的均匀部分。

分散度: 分散相的分散程度。

分散度==

吸附: 物质在两相界面上自动浓集的现象。【包括: 物理吸附、化学吸附】

2.粘土矿物的两种基本晶体构造: 硅氧四面体( 硅氧四面体晶片) 、铝氧八面体( 铝氧八面体晶片) 。

3.主要粘土矿物——多数粘土颗粒粒径2

晶格取代: 物质结构中某些原子被其它化合价不同的原子取代而晶体骨架保持不变的作用。

交换性阳离子: 粘土为保持电中性在分散介质中吸附的等电量的阳离子。

离子交换特点: 等电量、同电性、速度慢。

阳离子交换容量( CEC) : 分散介质pH=7时, 100g粘土所能交换下来的阳离子毫摩尔数。单位: mmol( 100g粘土) -1.

①高岭石——非膨胀性粘土矿物, 1: 1构型, CEC: 3—15 mmol( 100g粘土) -1

晶层间作用力: 氢键力, 引力强;

相关性质: 晶层间连接紧密、阳离子交换容量低、水化分散膨胀性差、矿物较稳定。

②蒙脱石——配浆用土, 2: 1构型, CEC: 70—130 mmol( 100g粘土) -1

晶层间作用力: 分子间作用力, 引力弱;

相关性质: 晶格取代( 主要在八面体) 而带负电、比表面积大、阳离子交换容量高、水化膨胀能力强。

③伊利石——最丰富粘土矿物, 2: 1构型, CEC: 20—40 mmol( 100g粘土) -1

晶层间作用力: 分子间作用力、 K+连接;

相关性质: 晶格取代( 主要在四面体) 而带负电、单位晶胞电荷数高、阳离子交换容量低、水化膨胀能力差。

附加——伊利石水化膨胀性差原因分析: K+大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中, 周围12个氧与K+配位, K+将相邻晶层牢固的连接在一起( 晶格固定作用) ; 伊利石负电荷主要产生在四面体晶片, 离晶层表面近, K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强, 水不易进入晶层间, 只在晶层外表面发生水化作用, 水化膨胀性差。】

4.粘土电性

( 1) 永久负电荷: 粘土在自然界形成时发生晶格取代作用而产生的负电荷。

( 2) 可变负电荷: 粘土电荷数量随介质pH值改变而改变的负电荷。

( 3) 正电荷: 粘土介质pH值低于9时, 粘土晶体端面上所带正电荷。

可变负电荷产生原因分析: 粘土晶体端面上与铝连接的OH中的H在碱性或中性条件下

2-等无机阴离子或吸附有机阴解离而使端面带上负电荷; 粘土晶体端面上吸附OH-、 SiO

3

离子聚电解质而使端面待负电荷。

正电荷产生原因分析: 粘土端面裸露的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-而使端面带负电荷。【Al—O—H在H+条件下断Al—O间键】

5.粘土水化膨胀作用机理

粘土矿物水分:

( 1) 结晶水: 粘土矿物晶体结构中的水。

( 2) 吸附水( 束缚水) : 粘土表面因分子间引力、静电引力而吸附的水。【在粘土表面形成水化膜】

( 3) 自由水: 存在于粘土颗粒孔穴或孔道中, 不受粘土束缚, 能够自由运动的水。

粘土水化分类: 表面水化、渗透水化。【晶格膨胀、渗透膨胀】

表面水化: 粘土晶体表面吸附水分子、交换性阳离子( 本身也水化) 而引起。

表面水化推动力: 晶层间范德华力、水化能、晶层间静电引力。

表面水化特点: 表面水是多层的, 层间、层内水经过氢键结合, 膨胀压大, 体积膨胀小。

渗透水化: 粘土晶层间阳离子浓度大于溶液内部浓度, 产生渗透压, 引起水分向粘土晶层间扩散, 增大晶层间间距, 形成扩散双电层。

渗透水化推动力: 双电层斥力、渗透斥力。

渗透水化特点: 膨胀压小、体积膨胀大。

6.影响粘土水化膨胀的因素:

( 1) 粘土晶体部位不同, 水化膜厚度也不同。【层面上厚, 端面上薄】

( 2) 粘土矿物不同, 水化作用强弱不同。

( 3) 粘土吸附的交换性阳离子不同, 水化程度不同。【钠土是配制钻井液的理想材料】7.扩散双电层: 胶体离子带电, 周围分布着电荷数相等的反离子, 在固液界面形成双电层, 反离子一方面受固体表面电荷吸引而靠近固体表面, 另一方面, 由于热运动, 又有扩散到液相内部去的能力, 两种相反结果使得反离子扩散地分布在胶粒周围, 构成扩散双电层。

吸附层: 固体表面紧密吸引着的部分反离子( 溶剂化离子) 。

电动点位: 吸附溶剂化层界面( 滑动面) 到均匀液相内的电位。

: 固体表面到均匀液相内部的电位。

8.热力学电位

9.影响双电层厚度与电动电位( 的因素——主要取决于溶液电解质反离子价数及