油田化学实验讲义

1、油田化学实验甄 延 忠延安大学能源与环境工程学院2009年7月目 录实验一 钻井液的配制及综合性能评价1实验二 堵水剂的制备与性质5实验三 水基压裂液的交联与破胶8实验四 金属的缓蚀10实验五 聚丙烯酰胺溶液质量浓度的测定12实验六 促凝剂油井水泥浆对稠化时间的影响14实验一 钻井液的配制及综合性能评价一、实验目的：1.了解钻井液配制的配制过程，掌握钻井液的配制方法，学会正确使用配浆设备；2.了解钻井液常规性能（密度、滤失性能、流变性能、pH值）的测试方法和仪器使用方法。二、实验原理：1.钻井液比重秤原理：杠杆原理2.旋转粘度计工作原理：电动机带动外筒旋转时，通过被测液体作用于内筒上的一个转矩

2、，使与扭簧相连的内筒偏转一个角度。根据牛顿内摩擦定律，一定剪功速率下偏转的角度与液体的粘度成正比。于是，对液体粘度的测量就转换为内筒的角度测量。3. 泥浆失水量测定仪：由打气筒提供的压缩空气，经减压阀后可调整为所需要压力值送往泥浆杯（进入泥浆杯的通道由放气阀控制）杯内的泥浆因压差失水。当压力表指针稳定的0.7Mpa时，计时30min，所流出的滤液即为该泥浆的失水量。三、实验仪器与药品1仪器 泥浆比重计、六速旋转粘度计、ZNS 型失水测定仪、漏斗粘度计、高速搅拌机各一台，秒表一只、pH试纸一盒、搪瓷桶、1000mL量筒、500ml、1000ml 泥浆杯各一个、天平（0.001g）。 2药品膨润土

3、、纯碱、重晶石。四、实验步骤：1.基浆的配置与老化；1）用1000ml量筒量取清水400mL置于搪瓷量杯中，称取膨润土粉24克（质量的6%），Na2CO3 粉末1.44g（膨润土粉重量的6%），将搪瓷量杯放于电动搅拌器下低速搅拌，一边搅拌一边缓慢加入已称好的膨润土粉(注意防止土粉在杯底堆积)，待土粉全部加完后，继续搅拌35分钟，加入称取的Na2CO3，继续搅拌1530分钟，静放24小时，再用高速搅拌机搅拌5分钟，即配制成基浆；2）在基浆中分别加入各类处理剂（浓度0.1-1%），边加边搅拌，加完后继续搅拌15分钟。 2.校正泥浆比重计、六速旋转粘度计、漏斗粘度计； 3.用电动搅拌器充分搅拌泥浆1

4、0-20 分钟； 4.测定钻井液的密度、滤失性、粘度、切力、pH值。五、仪器使用：5.1泥浆比重计：将搅拌均匀的泥浆注入杯中齐杯口为止，轻轻将盖旋转盖紧，擦去外溢泥浆，然后将杠杆主刀口置于底座的刀垫上，移动游码，是水平泡与中间两根红线相切，游码左侧边线所对刻度，即为该泥浆的密度（/cm3）.校正方法：测量清水比重应为1.00，否则，须增减枰杆末端调节器中的铅粒。注意： 每测完样品都要把刀口住置于刀架上，保护好刀刃。 每测完样品都要洗净干泥浆杯。5.2泥浆粘度计 用清水刷净漏斗，用手指堵住漏斗管口，把充分搅拌的泥浆经筛网倒入漏斗，直至液面到达筛网底部（700ml），放开手指，记录流满量杯（500

5、ml）所需的时间，即为泥浆的粘度（秒）。校正方法：20左右时，清水粘度为150.5 秒。若误差在1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。实际粘度=注意： 保护管嘴，不得用铁丝等硬物穿通。 测量时，漏斗应垂直放好。5.3六速旋转粘度计1.检查好仪器，要求；刻度盘对零。若不对零，可松开固定螺钉调零后在拧紧。检查同心度。高速旋转时，外筒不得有偏摆。内筒底与杯距不低于1.3cm。2.校正旋转粘度计倒350m1 水于泥浆杯中，置于托盘上，上升托盘，使液面与外筒刻度线对齐，拧紧托盘手轮。迅速从高速到低速依次测量。待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的稳定读数.要求： 600=2.0 格, 300=1.0 格

6、。3.把水换成待测泥浆。.将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350毫升），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻线处。拧紧手轮，固定托盘。迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。测静切力时，应先用600r/min搅拌1分钟，静止1分钟后将变速手把置于3r/min。读出刻度盘上最大的读数（初切力）。再将液体搅拌后静止10分钟，按上述方法读出刻度盘上最大读数。5.实验后，关闭电源，倒出泥浆，洗净内、 外筒，擦干装好。注意：停转后，由于静切力作用，刻度盘可能不回零，此时不需要再调零。5.4.打气筒失水仪：松开减压阀，关死放空阀，打气使气筒压力达10MPa 左右，然后

7、顺时针转减压阀，直到压力表读数为0.7MPa。用食指堵住泥浆杯气接头小孔，倒入适量的泥浆，使液面与泥浆杯内槽相齐，放好密封圈（擦干），铺一张干滤纸，拧紧泥浆杯盖。然后装入三通接头，并卡好挂架及量筒。 缓慢逆时针转放空阀，当压力表指针开始下降或有进气声时及时打气，使压力保持为0.7MPa，见第一液滴时开始计时。 记录7.5 分钟时钻井液流出的滤液量，取开量筒，顺时针转放空阀，把泥浆杯中余气放尽，取下泥浆杯。假设瞬时滤失量为零，量筒中滤液毫升数的2倍即为API 滤失量。 冲净、擦干泥浆杯及杯盖。5.5. PH 广泛试纸将PH 试纸放到待测酸碱度的样品中浸湿后取出，待其颜色稳定后（大约30 秒），把

8、变色的试纸上侧颜色和标准色对照，估计出泥浆的PH 值。六、数据处理：剪切速率D 与粘度计转速n 对应关系：D=1.703n泥浆剪切应力 与粘度计读数 对应关系： =0.511 .视粘度 =0.5600 （MPas）塑性粘度 P=600-300 （MPas） 动切力 =0.511(300-P) (Pa)附件：油田化学实验报告姓 名： 班 级： 同组者：实验老师： 实验日期： “钻井液性能参数”原始数据记录表钻井液类型塑性粘度/ (MPas)动切力/Pa初切力/Pa终切力/PapH值API滤失量/(mL/30min)水基钻井液 “六速旋转粘度计测泥浆的流变曲线”原始数据记录表粘度计转速n（r/mi

9、n）60030020010063剪切速率D（）1022511340170105粘度计读数（格）静切力测定：钻井液静止1 分钟粘度计3下的读数：钻井液静止1分钟粘度计3下的读数：实验二 堵水剂的制备与性质一、实验目的1. 学会几种堵水剂的制备方法。2. 掌握几种堵水剂的形成机理及其使用性质。二实验原理堵水剂是指从油、水井注入地层，能减少地层产出水的物质。从油井注入地层的堵水剂称油井堵水剂(或简称堵水剂)，从水井注入地层的堵水剂称为调剖剂。常用的堵水剂有冻胶型堵水剂、凝胶型堵水剂、沉淀型堵水剂和分散体型堵水剂，这些堵水剂的形成机理和使用性质各不相同。1. 冻胶型堵水剂冻胶(如锆冻胶)是由高分子(如

10、HPAM)溶液转变而来，交联剂(如锆的多核羟桥络离子)可以使高分子间发生交联，形成网络结构，将液体(如水)包在其中，从而使高分子溶液失去流动性，即转变为冻胶。锆冻胶是油田常用的冻胶型堵水剂。锆冻胶是由锆的多核羟桥络离子与HPAM 中的羧基发生交联反应而形成的。体系的pH 值可影响多核羟桥络离子的形成及HPAM 分子中羧基的量，因此，pH 值可影响锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。2. 凝胶型堵水剂凝胶是由溶胶转变而来。当溶胶由于种种原因(如电解质加入引起溶胶粒子部分失去稳定性而产生有限度聚结)形成网络结构，将液体包在其中，从而使整个体系失去流动性时，即转变为凝胶。油田堵水中常用的是硅酸凝胶。硅酸凝胶

11、由硅酸溶胶转化而来，硅酸溶胶由水玻璃(又名硅酸钠，分子式Na2OmSO2)与活化剂反应生成。活化剂是指可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶的物质。盐酸是常用的活化剂，它与水玻璃的反应如下:Na2OmSiO2 + 2HCl H2OmSiO2 + 2NaCl由于制备方法不同，可得两种硅酸溶胶，即酸性硅酸溶胶和碱性硅酸溶胶。这两种硅酸溶胶都可在一定的条件(如温度、pH 值和硅酸含量)下，在一定时间内胶凝。评价硅酸凝胶堵水剂常用两个指标，即胶凝时间和凝胶强度。胶凝时间是指硅酸体系自生成至失去流动性的时间。凝胶强度是指凝胶单位表面积上所能承受的压力。3. 沉淀型堵水剂沉淀型堵水剂由两种可反应产生沉淀的物

12、质组成。水玻璃-氯化钙是油田最常用的沉淀型堵水剂，它通过如下反应产生沉淀:Na2OmSiO2 + CaCl2 CaO2mSiO2 + 2NaCl4. 悬浮体型堵水剂悬浮体是指溶解度极小但颗粒直径较大(大于10-5cm)的固体颗粒分散在溶液中所形成的粗分散体系。分散体系中的固体颗粒可以在多孔介质的喉道处产生堵塞作用。油田中常用的分散体型堵水剂是粘土悬浮体型堵水剂。粘土悬浮体中的粘土颗粒可用聚合物(如HPAM)絮凝产生颗粒更大、堵塞作用更好的絮凝体堵水剂。絮凝是聚合物(HPAM)在粘土颗粒间通过桥接吸附形成。三实验仪器与药品1. 仪器100ml 烧杯，10ml 具塞刻度试管，5ml、25ml 量筒

13、，玻璃棒，广泛pH 试纸。2. 药品聚丙烯酰胺，氧氯化锆，水玻璃，氯化钙，盐酸，粘土。四实验步骤1. 锆冻胶堵水剂的制备与性质取3 个100ml 烧杯，用量筒各加入质量分数为510-3 的聚丙烯酰胺水溶液25ml,其中一个烧杯中滴加6 滴质量分数为110-2的盐酸，另一烧杯中滴加4 滴质量分数为110-2 的NaOH，搅拌均匀，用广泛pH 试纸测定三个烧杯中聚丙烯酰胺溶液的pH 值，然后向三份聚丙烯酰胺溶液中分别加入2ml 质量分数为510-3 的ZrOCl2 溶液(注意:边用玻璃棒搅拌，边缓慢加入)，观察并记录冻胶形成的现象(注意记录成冻时间)和冻胶的强度(用玻璃棒挑起程度衡量)。2. 硅酸

14、凝胶堵水剂的制备与性质取三支10ml 具塞刻度试管，加入质量分数为0.1 的水玻璃5ml，用滴管向三支试管中依次加入质量分数为0.1 的盐酸10 滴、15 滴、20 滴并摇匀，观察凝胶的生成并记录胶凝时间，待三支试管中全部胶凝后用玻璃棒插入凝胶，从玻璃棒插入的难易排出三种凝胶强度的顺序。3. 水玻璃氯化钙沉淀型堵水剂的制备与性质取一支10ml 的具塞刻度试管，加入质量分数为0.1 的水玻璃5ml，然后用滴管逐滴加入质量分数为0.1 的氯化钙溶液，摇匀，观察硅酸钙沉淀的生成情况。4. 粘土HPAM 絮凝体堵水剂的制备与性质取三支10ml 具塞刻度试管，分别加入质量分数为110-2 的粘土(钠土基

15、膨润土)悬浮体5ml，然后分别加入质量分数为110-3 的聚丙烯酰胺溶液0.5ml、2ml、5ml，摇匀，观察絮凝现象。五实验结果处理用表格形式表达实验现象与数据，并解释实验现象。实验三 水基压裂液的交联与破胶一、实验目的：1.了解水基压裂液羟丙基胍胶的交联与破胶过程；2.了解水基压裂液羟丙基胍胶的剪切稀释作用。二、实验原理：交联反应是金属或金属络合物交联剂将聚合物的各种分子联结成一种结构，是原来的聚合物分子质量明显增加。羟丙基胍胶（HPG）是现在压裂中常用的一种稠化剂，在一定pH值条件下与两性金属或与两性非金属组成含氧酸阴离子盐交联成水冻胶。羟丙基胍胶（HPG）与硼酸钠的交联机理如下：(1)

16、硼酸钠在水中离解成硼酸和氢氧化钠： (2)硼酸进一步水解形成四羟基合硼酸根离子：（3）硼酸根离子与邻位顺式羟基结合：羟丙基胍胶压裂液常用过硫酸铵作为破胶剂，其破胶过程是过氧化物在水溶液中，通过热分解，产生游离氧和酸(降低冻胶PH值)，共同破坏冻胶结构，使冻胶降解破胶。其反应机理如下所示： 三、实验仪器与药品：1.仪器六速旋转粘度计、电子天平、500mL烧杯、100mL量筒2.药品羟丙基胍胶、硼酸钠、过硫酸铵、蒸馏水四、实验步骤： （1）称取0.9g羟丙基胍胶（HPG）溶于300mL水中，搅拌使其充分溶解，配制成0.9%的羟丙基胍胶溶液。用旋转粘度计测量170S-1时的表观粘度。（2）将上述溶液

17、平行分成三份，分别移到编号为1、2、3的烧杯中。（3）在1号烧杯中先加入3mL 质量分数为0.5%的硼酸钠溶液（交联剂），待充分交联后测定粘度。然后每次加入5mL质量分数为0.5%的过硫酸铵溶液，分别测定过硫酸铵溶液加量为5mL、10mL、15mL、20mL、25mL破胶后的粘度。（4）在2号烧杯中一次性加入3mL 质量分数为0.5%的硼酸钠溶液和5mL质量分数为0.5%的过硫酸铵溶液，待充分反应后测定粘度。（5）在3号烧杯中先加入3mL 质量分数为0.5%的硼酸钠溶液，待充分交联后测定该冻胶在一定的剪切速率、不同的剪切时间条件下的粘度。五实验结果处理：（1）用表格形式记录实验数据；（2）在坐

18、标纸上分别绘制出破胶剂体积与粘度关系（V-）曲线；（3）绘制剪切时间与粘度关系（t-）曲线。六、思考题：比较交联剂和破胶剂同时加入与逐步加入破胶剂的破胶效果，并作出解释。实验四 金属的缓蚀一、实验目的：1. 掌握一种测定钢铁腐蚀速度的方法(静态挂片失重法)。2. 了解缓蚀剂的缓蚀机理。二、实验原理：钢铁在酸性介质中的腐蚀是电化学腐蚀。若在盐酸中，钢铁的腐蚀反应为：阳极反应： 阴极反应: 电池反应：为了减小酸性介质对金属的腐蚀，常用的方法是在酸性介质中加入缓蚀剂。按作用机理，酸性介质缓蚀剂可分为吸附膜型(如甲醛)和“中间相”型(如丁炔醇)两类。为了定量地表示缓蚀剂的缓蚀作用，可以测定钢铁在加与不

19、加缓蚀剂的介质中的腐蚀速度。在测定腐蚀速度的方法中最常用的是挂片失重法。当用挂片失重法测定钢铁腐蚀速度时，可将一已知质量并已知表面积的试片放在腐蚀介质(例如盐酸和加有缓蚀剂的盐酸)中，经过一定时间，再称它的质量，求得失量，即可按式4-1 计算钢铁的腐蚀速度。 （4-1）式中： 腐蚀速度，g/(m2h)；m 试片的失量，g； A0 试片的表面积，m2； t 腐蚀时间，h。缓蚀剂的缓蚀率按式1-2 计算。（1-2）式中：0、1分别为试片在不加与加缓蚀剂的介质中的腐蚀速度。三、实验仪器与药品：1. 仪器和材料电子天平（感量0.000lg）、游标卡尺、红外干燥箱、镊子、试片、50ml 具塞试管、5ml

20、量筒、试管架、砂纸、脱脂棉、滤纸。2.药品盐酸、甲醛、丁炔醇、丙酮、乙醇。四实验步骤：1. 将4 片金属腐蚀试片分别依次用布砂纸、水砂纸和金相砂纸磨平、磨亮，用脱脂棉擦净铁屑，再用游标卡尺测量它的长、宽、厚和圆孔直径。2. 将试片在11 的丙酮乙醇溶液中洗去油污后，放在洁净的滤纸上，置于红外干燥箱中烘干，用电子天平按其编号准确称取质量。3. 取4 个50ml 具塞试管，各加入30ml 质量分数为0.1 的盐酸，第一个试管中加入2ml蒸馏水，第二个试管中加入2ml 质量分数为0.125 的甲醛，第三个试管中加入2ml 质量分数为0.125 的丁炔醇，最后一个试管中加入1ml 质量分数为0.125

21、 的甲醛和1ml 质量分数为0.125的丁炔醇，盖好瓶塞摇匀备用。4. 将称好质量的试片用镊子小心放入上述试管中，准确记录加入的时间和室温。注意观察气泡从试片表面析出的速度。0.5h 后，用镊子将试片从酸液中取出，立即用自来水洗去残留在试片上的酸并用洁净滤纸蘸去部分自来水，然后放入11 的丙酮乙醇溶液中洗涤，最后放在红外干燥箱中烘干，称其质量。五、结果处理：（1）用表格形式记录实验数据；（2）根据试片的长、宽、厚和圆孔的直径，计算试片的表面积；（3） 计算试片在加与不加缓蚀剂的质量分数为0.1 盐酸中的腐蚀速度；（4） 计算三种缓蚀剂的缓蚀率。六、思考题：（1） 解释丁炔醇的缓蚀机理，并说明低

22、温缓蚀效果差的原因。（2） 说明试片的光洁度对腐蚀速度有何影响?（3） 比较三种缓蚀剂的缓蚀效果并说明原因。实验五 聚丙烯酰胺溶液质量浓度的测定一、实验目的：1掌握碘-淀粉比色法测定聚丙酰胺溶液质量浓度的方法2. 了解721型分光光度计的使用方法。二、实验原理：在pH=4.0条件下，溴将聚丙烯酰胺中的酰胺基团氧化成N-溴代酰胺，多余的溴及饱和溴水中少量HBrO用甲酸钠溶液除去。生成的N-溴代酰胺定量水解生成HBrO，HBrO定量地将I-氧化成I2，I2和 I-结合为I3-离子。I3-与淀粉生成淀粉-碘化物，此种化合物呈蓝色。然后用分光光度计测定其吸光度即可确定聚丙烯酰胺溶液的质量浓度。其质量浓

23、度测定的线性范围为0-6mg/L。三、仪器和药品：1.仪器722型分光光度计、50ml具塞容量瓶、移液管。2.药品乙酸、三水乙酸钠、甲酸钠、可溶性淀粉（化学纯）、碘化镉(分析纯)、 饱和溴水、水合硫酸铝、聚丙烯酰胺。四、测定步骤1. 聚丙烯酰胺溶液标准曲线的制备1） 打开722分光光度计的电源开关，预热20min， 用空白液（可用蒸馏水或55mL 缓冲溶液，3.5mL 甲酸钠溶液，1mL饱和溴水，5mL淀粉碘化镉试剂用蒸馏水稀释至50ml）进行调“0”和调“100%”。2）分别取pH=4.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液5mL至六个50mL容量瓶中。3）分别取质量浓度为10mg/L的聚丙烯酰胺标准溶液

24、5、10、15、20、25、30mL至50mL容量瓶中，再加入1mL饱和溴水。用蒸馏水稀释至35mL左右，反应10-15min后加入1%甲酸钠溶液3mL。准确反应4-5min，立即加入5mL淀粉碘化镉试剂。用蒸馏水稀释至刻度，反应10mL，用分光光度计测定溶液在不同浓度下的吸光度值E，（尽量使E在0.2-0.8范围内）。2. 未知聚丙烯酰胺溶液质量浓度的测定取未知聚丙烯酰胺溶液若干毫升至50mL容量瓶中，加入5mL缓冲溶液。再加入1mL饱和溴水，稀释至35mL左右，反应10-15min后加入1%甲酸钠溶液3mL。准确反应4-5min，立即加入5mL淀粉碘化镉试剂。用蒸馏水稀释至刻度，反应10mL，用分光光度计测定溶液在不同浓度下的吸光度值E。重复测定2-3次。五、数据处理1.记录数据，将聚丙烯酰胺溶液质量浓度和相应的吸光度用表格表示。2.绘制吸光度（E）-聚丙烯酰胺标准溶液质量浓度（C）关系曲线。3.由通过标准曲线求得未知样品的质量浓度，取其平均值作为测定结果。六、思考题1.当溶液中存在其他离子时，是否对其干扰范围进行确定？2.当聚合物溶液试样的质量