油田化学 王业飞

第一篇 钻井化学
第一章 粘土矿物
本章要点
基本概念：晶格取代、CEC等 粘土矿物的基本构单元和基本晶层 常见粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）的特点及 其特性解释 粘土矿物的基本特性及其机理
前言
第一章 粘土矿物
（1）粘土矿物：细分散的（≤2um）含水的铝硅
酸盐类矿物的总称，可进一步分为晶质（具有晶体结
粘土矿物的基本构造
3、晶片的结合
晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层
Байду номын сангаас
（1）1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体
晶片构成。
层面是OH
层面是O
Al-O晶片 Si-O晶片
粘土矿物的基本构造
（2）2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成。
氧原子
氧原子
粘土矿物
（2）阳离子交换容量（C.E.C) 定义：分散介质pH=7时，1kg粘土所能交换下来的阳离
子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。
C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘 土的水化分散、吸附等性质密切相关。
（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPa.s钻 井液的体积数，m3/T。
顶氧 底氧
粘土矿物的基本构造
硅氧面体晶片：指 硅氧四面体网络。 硅氧四面体网络由 硅氧四面体通过相 临的氧原子连接而 成。
粘土矿物的基本构造
2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体：六 个顶点为氢氧原子 团，铝、铁或镁原 子居于八面体中央。
氧或羟基
粘土矿物的基本构造
铝氧八面体晶片： 多个铝氧八面体 通过共用的OH 连接而成的 AL-O八面体网 络。
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
粘土矿物的基本构造
第一章 粘土矿物
第二节 粘土矿物
粘土矿物
1、基本概念
（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，而晶体结构不变的现象。
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
粘土带 负 电荷
化学驱法
聚合物驱 活性剂驱
碱驱
复合驱
混相驱法 烃类混相法
采
非烃类混相法
油
热采法 蒸汽驱 火烧油层法
化
水井调剖 油井堵水
学
化学防砂 防蜡清蜡
稠油降粘 酸化解堵
油水井化学改造 射孔压裂 修井压井
油层保护 综合措施
采油化学主要研究油层改造和油水井化学改造问题。包括改 造方案、添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。涉 及采油过程中的众多化学问题。
构的）和非晶质，自然界中所见到的粘土矿物绝大多
粘 数是晶质的。
土
（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为
主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、 固结成岩作用后成为粘土岩。
第一章 粘土矿物
（ 1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆
与
原材料。
钻
井
（ 2）钻井过程中井眼的稳定性，泥页岩的主要组
油田化学
中国石油大学（华东） 石油工程学院油田化学系
绪论
油田化学的研究对象
油田化学的研究对象
油田化学
钻
采
集
井
油
输
化
化
化
学
学
学
油田化学与油田地质学密切联系；是钻井工程、采油工程、油 藏工程和集输工程等的边缘科学；各门基础化学（无机、有机、 分析、物化、表面、胶体化学等）是油田化学的基础；与流体 力学和渗流力学及环境化学也有密切的联系。
Si-O Al-O Si-O
粘土矿物
②蒙脱石特点
A、2：1型粘土矿物 B、存在晶格取代，取代位置主要在AL-O八面体中，即 AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的 Na+或Ca2+来平衡。 C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距 C=9.6Å- 40Å。
工
成部分，75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发
程
的
生在泥页岩。
关
系
（3）油气层的保护，粘土矿物膨胀与钻井液配浆
粘土堵塞。
第一章 粘土矿物
第一节 粘土矿物的基本构造
粘土矿物的基本构造
1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片
硅氧四面体：有一个硅原 子与四个氧原子，硅原子 在四面体的中心，氧原子 在四面体的顶点，硅原子 与各氧原子之间的距离相 等。
原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很 少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数 目就更少了，所以C.E.C小。
Ｅ、造浆率低 高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接
紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面， 故水化分散能力差，造浆率低。
粘土矿物
⑵蒙脱石 ①蒙脱石晶体结构示意图
油田化学的研究对象
钻井液体系及添加剂
钻
钻井液化学
完井液体系及添加剂
井
完井过程油气层保护
化
学
水泥浆体系及添加剂
水泥浆化学
固井射孔油气层保护
钻井化学主要研究钻井/完井和水泥浆体系的性能及其控制与 调整。包括添加剂的作用机理、合成、筛选、改进和应用。 涉及钻井、完井、固井、射孔、试油等过程的化学问题。
油层化学改造
粘土矿物
例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O2(OH)4.nH2O
蒙脱石的实际结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O
例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4（Si8O20）（OH）4
伊利石的实际结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20
造浆率
粘土的水化分散能力
粘土矿物
（1）高岭石
①高岭石晶体结构示意图
粘土矿物
②高岭石特点 A、1：1型粘土矿物 B、几乎不存在晶格取代，负电量少 C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2Å
Si-O
O
Al-O
问题：为什么高岭石属非膨胀
性粘土矿物？
OH
粘土矿物
D、C.E.C低（30-150 mmol/kg土) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ.E.C最低。
油田化学的研究对象
腐蚀与防护
集
阻垢与清垢
输
乳化与破乳
化
降粘与减阻
学
天然气利用
污水的处理
污染与防治
与污输乳水和集乳污集集化和预化水输输输、污处、和和化化原泥理原污预学油的中学油泥处主的综的主的的理要降合众要降综中研粘处多研究粘合的与理化究与处众设降以学设降理多备阻及问备阻以化和输油题和输及学管送气。管送油问道、田道、气题的天环的天田。腐然境腐然环蚀气保蚀气境与的护与的保防处问防处护护理题护理问、和。、和题原利涉原利。油用及油用涉的、原的、及破油油破油原乳田集乳田油与