膠體與界面化學(xué)在固井二界面封固中的應(yīng)用

1、學(xué)校代碼： 本科生學(xué)號： 本科課程論文設(shè)計(jì)題目：膠體與界面化學(xué)在固井二界面封固中的應(yīng)用姓 名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 課程：表面膠體化學(xué) 2013年 10月目錄0.前言11.鉆井液與膠體化學(xué)的聯(lián)系21.1粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)21.1.1粘土的成分21.1.2粘土顆粒的帶電性21.1.3粘土膠體的凝集性和分散性21.2粘土水懸浮體的膠體化學(xué)31.2.1粘土水界面擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)32.界面化學(xué)與固井二界面的聯(lián)系42.1固井二界面的介紹42.2固井二界面的封固的研究42.2.1MTC固井工藝和鉆固一體化技術(shù)52.2.2MTA泥餅固化法52.3固井二界面封固的討論62.4固井二界面的

2、界面問題63.膠體與界面化學(xué)在固井工程中應(yīng)用的發(fā)展展望6參考文獻(xiàn)8總結(jié)10膠體與界面化學(xué)在固井二界面封固中的應(yīng)用膠體與界面化學(xué)在固井二界面封固中的應(yīng)用摘要：膠體與界面化學(xué)是研究膠體分散體系和界面現(xiàn)象的一門科學(xué)，在石油與天然氣工程的開發(fā)過程中，鉆井液是一種特殊的粘土膠體，而固井水泥和地層礦物的交界面，即固井二界面，就屬于界面問題。本文將探討膠體與界面化學(xué)學(xué)科在油田化學(xué)試劑鉆井液中的應(yīng)用以及與固井二界面的封固問題的聯(lián)系。關(guān)鍵詞：膠體與界面化學(xué)，鉆井液，固井二界面0.前言膠體化學(xué)是膠體體系的科學(xué)，膠體體系的重要特點(diǎn)之一是具有很大的表面積，任何兩個(gè)界面上都可以發(fā)生復(fù)雜的物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象，總稱為表面現(xiàn)

3、象。膠體化學(xué)與界面化學(xué)具有密切的關(guān)系，因此，膠體與界面化學(xué)是研究膠體分散體系和界面現(xiàn)象的一門科學(xué)。所涉及到其中的一些重大科學(xué)問題，如功能與復(fù)合材料、三次采油、漿體的管道運(yùn)輸、人造血漿、藥物緩釋與定向、摩擦與潤滑和油漆涂料等，與國家安全、能源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和人民生活等方面密切相關(guān)，因此在社會與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有重要的地位1。而油田化學(xué)與膠體化學(xué)有著非常密切的關(guān)系。油田化學(xué)是以解決油氣田開發(fā)、開采、集輸過程中各種生產(chǎn)技術(shù)問題，提高油氣產(chǎn)量和采收率為目的的應(yīng)用型學(xué)科。而膠體化學(xué)則以探索膠態(tài)分散體系的性質(zhì)為目的，屬于基礎(chǔ)學(xué)科。真實(shí)的膠態(tài)體系性質(zhì)及其變化過程非常復(fù)雜，在膠體化學(xué)的理論推導(dǎo)中常常忽略眾多

4、的非本質(zhì)因素，設(shè)置簡化模型，自模型導(dǎo)出公式和規(guī)律。因此膠體化學(xué)中各個(gè)公式均有其嚴(yán)格的應(yīng)用條件和適用范圍，在處理油田化學(xué)問題時(shí)不可簡單地直接套用，而需要從實(shí)際出發(fā)進(jìn)行修正2.在油氣田應(yīng)用的各種化學(xué)處理劑中，有很多都涉及到了膠體化學(xué)的知識，其中在石油與天然氣工程的開發(fā)過程中，鉆井與完井過程中應(yīng)用的鉆井液就屬于該領(lǐng)域的問題。鉆井液是由粘土礦物添加一些化學(xué)處理劑而制成的非牛頓流體，被稱為“鉆井的血液”3。而在固井工程中，對于固井二界面的封固，本質(zhì)上，面對的是固井水泥、泥餅和地層礦物二界面封固的難題。因此，只有搞清楚粘土膠體化學(xué)、固井水泥的水解機(jī)理，還有這其間涉及的多個(gè)界面問題，才能在理論上指導(dǎo)固井二界

5、面的封固作業(yè)。1.鉆井液與膠體化學(xué)的聯(lián)系鉆井液屬于復(fù)雜的多相多級膠體懸浮體分散體系。它即可以是固體分散在液體中，或者是液體分散在另一種液體中，也可以是氣體分散在液體中，或者是液體分散在氣體中所形成的分散體系。鉆井液的基本成分由“分散相+分散介質(zhì)+化學(xué)處理劑”組成3。1.1粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)國際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會IUPAC曾規(guī)定，凡是顆粒直徑在1100nm的范圍著，均屬膠體顆粒。大多數(shù)鉆井液是粘土水的膠體懸浮體系，因而懸浮體系的性能直接影響到鉆井液的工藝性能，進(jìn)而影響到鉆井工程的安全4。1.1.1粘土的成分粘土主要由細(xì)粒狀的具有晶體結(jié)構(gòu)的粘土礦物組成的顆粒聚集體?；瘜W(xué)分析表明，粘土中主要喊氧

6、化硅、氧化鋁、水及少量鐵，鉀、鈉、鈣、鎂等，粘土礦物的化學(xué)成分是含水的鋁硅酸鹽。1.1.2粘土顆粒的帶電性粘土是一種特殊類型的土，從沉積過程和粘土礦物特性分析具有復(fù)雜的膠體化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)5。永久電荷是由粘土礦物晶格中的同晶置換所產(chǎn)生的。粘土礦物的結(jié)構(gòu)單位是硅氧四面體和鋁氧八面體，硅氧四面體的中心離子Si4+和鋁氧八面體的中心離子Al3+能被其它離子所代替，從而使粘土礦物帶上電荷。如果中心離子被低價(jià)陽離子所代替，粘土礦物帶負(fù)電荷；如果中心離子被高價(jià)陽離子所代替，鉆土礦物帶正電荷。多數(shù)情況下是粘土礦物的中心離子被低價(jià)陽離子所取代，所以，粘土礦物以帶負(fù)電荷為主6。由于同晶置換一般發(fā)生在鉆土礦物的結(jié)

7、晶過程中，存在于晶格的內(nèi)部，這種電荷一旦形成就不會受到外界環(huán)境(pH、電解質(zhì)濃度)的影響，稱永久電荷。粘土中有些電荷不是永久不變的，這些電荷的數(shù)量和性質(zhì)會隨著介質(zhì)pH的改變而改變稱為可變電荷，可變電荷是因?yàn)檎惩聊z體向粘土中釋放離子或吸附離子而產(chǎn)生。1.1.3粘土膠體的凝集性和分散性粘土膠體有兩種不同的狀態(tài)，一種是粘土膠體微粒均勻地分散在水中，呈高度分散的溶膠，一種是膠體微粒彼此凝集在一起呈絮狀的凝膠。粘土膠體受某些因素的影響，使膠體微粒下沉，由溶膠變成凝膠的過程稱粘土膠體的凝集作用，反之，由凝膠分散成溶膠的過程稱膠體的分散作用。粘土膠體因其高度分散性，并帶有電荷，因此具有從粘土溶液中吸附和交換

8、離子的特殊能力。其吸附交換量既與膠體的比表面積大小有關(guān)，也與膠體所帶電荷量的大小有關(guān)。因此粘土膠體的種類和數(shù)量以及介質(zhì)的pH值影響其吸附交換量的大小。1.2粘土水懸浮體的膠體化學(xué)1.2.1粘土水界面擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)正如上文所言，既然膠體粒子帶電，那么它周圍必然分布著等電量的相反電荷，于是在固液界面形成雙電層。雙電層中的反離子一方面受到固體表面的電荷的吸引，靠近固體表面；另一方面由于反離子的熱運(yùn)動，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)部去的能力，這兩種相反作用的結(jié)果，使得反離子擴(kuò)散地分布在膠粒周圍，構(gòu)成擴(kuò)散雙電層。在擴(kuò)散雙電層的反離子的分布是不均勻的，靠近固體表面的密度高，形成緊密層，如下圖所示：圖1.粘土礦

9、物雙電層結(jié)構(gòu)其中，電動電位是滑動面處與水溶液離子濃度均勻處的電位差。電動電位取決于粘土顆粒表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽離子正電量的差值。電動電位愈高，表示在擴(kuò)散層中被吸附的陽離子愈多，擴(kuò)散層愈厚。它是擴(kuò)散雙電層的重要特點(diǎn)，與膠體體系的穩(wěn)定系密切相關(guān)7。由于粘土礦物呈片狀，其晶體表面與端面的結(jié)構(gòu)不同，因此可以形成兩種不同的雙電層，這就是所謂粘土膠體雙電層的兩重性8。2.界面化學(xué)與固井二界面的聯(lián)系2.1固井二界面的介紹就油氣井完井工程而言，通常把套管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)面稱之為固井一界面；而通常認(rèn)為固井二界面是指水泥環(huán)與地層之間的相互膠結(jié)面，是由地層、泥餅和水泥環(huán)組成的界面封固系統(tǒng)，如下圖所示：固井二界面

10、的封固問題是長期困擾石油工程界且亟待解決的一個(gè)復(fù)雜工程難題，其嚴(yán)重制約了石油天然氣勘探開發(fā)的效果和效益已是不爭的事實(shí)9。目前油氣田固井質(zhì)量的問題大致體現(xiàn)在4個(gè)方面：一是投產(chǎn)之后的層間竄問題；二是固井后管外冒油氣水問題；三是整個(gè)環(huán)空的“聲變”問題；四是固井一界面的“聲幅”問題10。竄流通道主要發(fā)生在固井封固系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，即水泥石本體或界面膠結(jié)處（固井一界面和固井二界面）。而研究表明，雖然未凝固水泥漿具有較高的滲透率而可能形成流體竄流的通道，但是由于其竄流臨界距離有限，故地層流體不可能通過未凝固水泥漿發(fā)生竄流，水泥石本體不是流體竄流的根源，另外目前固井一界面膠結(jié)良好而固井二界面膠結(jié)差是國內(nèi)各大

11、油田普遍存在的現(xiàn)象，這說明固井一界面也不是流體竄流的通道，固井二界面封隔失效才是油氣井流體竄流問題的根源11。因此，合理有效地封固固井二界面顯得緊迫與意義重大。2.2固井二界面的封固的研究國內(nèi)外學(xué)者針對解決固井二界面封隔失效問題進(jìn)行了大量細(xì)致的研究工作，主要圍繞研發(fā)優(yōu)質(zhì)水泥漿、改善界面潤濕性、機(jī)械去除泥餅、獲得優(yōu)質(zhì)泥餅和泥餅固化等方法，由此出現(xiàn)了防竄水泥漿體系、優(yōu)質(zhì)固井前置液、物理機(jī)械法、MTC、MTA固井工藝和鉆固一體化技術(shù)、鉆井液改性法和泥餅固化法等技術(shù)手段12。而在本文中，我將著重探討MTC和MTA這兩種技術(shù)。2.2.1MTC固井工藝和鉆固一體化技術(shù)鉆井液直接轉(zhuǎn)化水泥漿技術(shù)即為MTC（M

12、ud To Cement）固井工藝。20世紀(jì)50年代國外開始對該技術(shù)進(jìn)行研究。而我國90年代才開始研究，起步相對較晚，但90年代末已在長慶油田取得應(yīng)用13。該技術(shù)的核心是利用高爐水淬礦渣水化硬化特性取代水泥漿用于封固油氣井。較油井水泥漿，MTC固化液與泥餅的相容性良好，能夠在一定程度上提高水泥漿的頂替效率，改善固井質(zhì)量。但是由于MTC固井工藝僅在完井鉆井液添加了潛在活性物質(zhì)，先期鉆井過程中依然使用原鉆井液，因此形成的泥餅中并沒有潛在活性物質(zhì)，其成分與MTC固化液還有一定的區(qū)別，相容性受到一定的限制，兩者界面依然存在薄弱的過渡層。雖然相對其他固井工藝，該過渡層的厚度明顯減小，但是對固井二界面封固

13、系統(tǒng)危害依然較大。MTC鉆固一體化技術(shù)14，15是將多功能鉆井液與MTC固井工藝共同運(yùn)用。多功能鉆井液是含有高爐水淬礦渣等活性物質(zhì)的鉆井液，與MTC固化液僅在固井中使用不同，該鉆井液肩負(fù)起鉆井和固井的雙重任務(wù)，因此形成的泥餅中也含有潛在活性物質(zhì)。由于泥餅和MTC固化液成分相同，水泥漿頂替效率得到顯著改善，同時(shí)該泥餅會隨著MTC固化液固化，促使鉆井液直接與地層相互膠結(jié)為統(tǒng)一的整體，因此該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是避開了固井二界面封固系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)泥餅。但是目前該技術(shù)并沒有得到很好的推廣，原因是MTC固井工藝存在致命的缺陷固化體高溫脆裂16，會在油氣井后續(xù)作業(yè)（如射孔等）中引發(fā)更為嚴(yán)重的流體竄流問題。2.2

14、.2MTA泥餅固化法泥餅固化法的核心思想是中心質(zhì)理論和中心質(zhì)效應(yīng)，即將泥餅固化為凝餅，發(fā)揮泥餅的大中心質(zhì)效應(yīng)，將泥餅這一不利因素變?yōu)橛欣蛩?1。MTA（Mud cake To Agglomerated cake），即泥餅仿地成凝餅，正是泥餅固化法的典型代表。該技術(shù)由顧軍于2006年提出17，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于許多油氣田的開發(fā)中，并取得了不錯(cuò)的效果18。該技術(shù)的原理是通過各種復(fù)雜的界面物理化學(xué)作用和改善各個(gè)界面之間的親和力使疏松的泥餅變成既能與油井水泥漿(膠凝材料)膠結(jié)又能與地層(礦物巖石)膠結(jié)的凝餅(凝固了的泥餅)：一者，實(shí)現(xiàn)油井水泥漿-泥餅-地層巖石的整體膠結(jié)，減少固井二界面封固系統(tǒng)的缺陷

15、，提高固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度；二者，因泥餅仿地成了凝餅，不僅大幅提高了泥餅本身的抗壓強(qiáng)度，而且還因凝餅內(nèi)部形成的凝膠物質(zhì)具有抗蝕性能，延緩井下高溫高壓流動條件下地層油水的溶蝕破壞，從而可顯著提高固井二界面的封隔質(zhì)量19。2.3固井二界面封固的討論針對上述兩種固井技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)MTC存在一定的技術(shù)缺陷而致使其不能更好地推廣。原因就是在較深的底層內(nèi)，井底的溫度比較高，而MTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的“一體化”會因?yàn)楦邷囟兊么嗳酰绱?，在后續(xù)的射孔工程中，會導(dǎo)致泥餅的斷裂，所以會引起嚴(yán)重的石油或天然氣流竄發(fā)生。而MTA技術(shù)則是通過仿地構(gòu)想，利用粘土礦物仿地成凝石的原理20，使疏松的泥餅轉(zhuǎn)變成能與固井水泥和地層礦物結(jié)

16、合的凝餅，從而實(shí)現(xiàn)了油井水泥漿-泥餅-地層巖石的整體膠結(jié)的理想效果。這里的凝餅是鋁硅酸鹽架狀結(jié)構(gòu)的沸石礦物，而泥餅是由于鉆井液的慮失性而形成的，如此，較好的解決了固井二界面的封固難題。2.4固井二界面的界面問題固井工程涉及到了界面化學(xué)，其中主要有“固井一界面”和“固井二界面”。固井一界面是固井水泥和套管間的界面，固井二界面則是固井水泥、泥餅和地層礦物之間的復(fù)雜的界面，而顧軍則認(rèn)為固井二界面的封固系統(tǒng)更為復(fù)雜10。欲使各個(gè)界面的兩相能更好的膠結(jié)，形成良好的防竄體系，則要研究兩相表層物質(zhì)的微觀粒子結(jié)構(gòu)與相互作用。因此，界面化學(xué)在固井二界面的封固問題上扮演著重要的角色。3.膠體與界面化學(xué)在固井工程中

17、應(yīng)用的發(fā)展展望研究表明，流體竄流的通道是固井二界面，即只要有泥餅存在，不管多薄，水泥環(huán)與地層壁面之間都會存在不同程度的剝離而形成微裂縫，導(dǎo)致固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度下降，給被圈閉于地層的流體創(chuàng)造竄流路徑，因此影響固井二界面封隔失效的主要因素是界面缺陷和強(qiáng)度不足21，原因是固井二界面不能實(shí)現(xiàn)整體固化膠結(jié)22。因此，繼續(xù)研究能實(shí)現(xiàn)固井二界面的整體膠結(jié)的固井方法依然是固井科研人員努力的方向和重點(diǎn)。同時(shí)，油田化學(xué)工程一般具有周期長、工作量大、體系復(fù)雜、技術(shù)難度大、資金投入多、風(fēng)險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。要把油田化學(xué)推向更高的層次，需要膠體化學(xué)工作者和油田科技人員的密切合作和共同努力。而當(dāng)前鉆井液中粘土礦物的顆粒大小大多

18、處于1100nm級，據(jù)王星東等23的研究，當(dāng)沸石粒徑處于納米尺度時(shí)，由于小粒子間存在較大而均勻的毛細(xì)管力，因而納米沸石可以有序排列，并進(jìn)而得到邊界整齊的透明絲狀纖維。納米材料在鉆井完井液領(lǐng)域的應(yīng)用可顯著地提高油氣的產(chǎn)量，降低開采的成本，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1郭榮.我國膠體與界面化學(xué)的發(fā)展J.化學(xué)通報(bào)，2012，01:6-14.2樊西驚.膠體化學(xué)的新進(jìn)展與油田化學(xué)J.油田化學(xué)，1998，02:81-84+89.3陳平.鉆井與完井工程，第1版.M.北京.石油工業(yè)出版社.2005年.4趙福麟.油田化學(xué).M.北京.石油大學(xué)出版社.2000年5付亮，羅龍勇，李

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