油气田应用化学课件

（1）粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成的，除粘土矿物外，还含有不定量的非粘土矿物，如石英、长石等。（2）大多数粘土颗粒的粒径小于2μm，它们在水中有分散性、带电性、离子交换以及水化性。粘土粘土与钻井的关系（1）粘土作为钻井液的重要组成成分。（2）钻井过程中井眼的稳定性（3）油气层的保护。前言一、粘土矿物的两种基本构造单元

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，其结构见右图上。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，其立体结构见右下图。一、粘土矿物的两种基本构造单元

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(如右上图所示)。铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的AL-O八面体网络。定义造浆率：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。造浆率越高，说明粘土的水化分散能力越强。一、稀释剂

稀释剂是指能解除泥浆稠化的化学剂。泥浆稠化的主要原因是泥浆中固相颗粒过多及粘土颗粒形成网架结构。在含有聚合物的泥浆中，聚合物长链分子和粘土颗粒作用，或聚合物分子间相互作用形成网架结构也会引起泥浆粘切增大。无机电机质的污染，使粘土颗粒水化层变薄也易形成空间网架结构导致泥浆增稠。

稀释剂的作用机理稀释剂的稀释作用首先是通过试剂吸附在粘土颗粒的边-端面上，拆散或削弱了粘土颗粒形成的网架结构达到稀释作用。同时，由于稀释剂具有较强的吸附能力及与聚合物分子形成化和物等作用，可使吸附在粘土颗粒上的长链聚合物分子解吸，从而起到稀释的作用。

铁铬木质素磺酸盐（FCLS）

简称铁铬盐，是有含有大量木质素磺酸盐的亚硫酸纸浆废液制成。由于铁铬盐分子中含有磺酸基，和与木质磺酸形成了稳定的螯合物。所以Fcls是一种抗盐、抗钙的有效稀释剂，其热稳定性高，可抗150˚以上的高温。由于铁铬盐具有弱酸性，因此必须配合烧碱使用才能发挥良好的稀释作用。

水解聚丙烯腈铵盐（NH4-NPAN）

简称铵盐，是由人造羊毛的下脚料（腈纶废丝）经高温高压水解反应的产物。普通铵盐的分子量5-11万，水解度60%左右，降粘降失水效果随分子量的不同而改变。分子量低降粘效果好降失水作用减弱，分子量高降粘效果减弱降失水效果增强。在铵盐分子中腈基（-CN）和胺基（-CONH2）作为吸附基，通过吸附在粘土边-端面上拆散粘土的网架结构。以羧铵基（-COONH4）作为水化基形成保护粘土颗粒的水化膜。

磺甲基酚醛树脂（SMP）

SMP是在酸性条件下使甲醛苯酚生产成线性酚醛树脂，再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行分步磺化制得。

表观粘度表观粘度由塑性粘度、动切力和流速梯度组成，它反映总的粘滞作用，是总粘度的意思。表观粘度（AV）AV=1/2Φ600(Mpa.s)塑性粘度反映泥浆层流时泥浆中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮粒子之间、悬浮粒子与液相之间，以及连续液相的内摩擦总和影响塑性粘度的主要因素是固相含量，固含越高塑性粘度越大，此外，粘土的分散度和高分子增粘剂对塑性粘度也有影响。塑性粘度（PV）PV＝Φ600-Φ300（MP、s）动切力动切力是指泥浆在层流流动时，粘土颗粒之间及高聚合物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构应力）。影响动切力的因素是泥浆中的固相含量、分散度、粘土粒子的ξ电位和水化程度，粘土粒子吸取处理剂的情况以及高分子聚合物的使用等。动切力（YP）YP=1/2(2Ф300-Ф600)(Pа)动塑比

反映泥浆的剪切稀释能力。动塑比越大，剪切稀释性越强，越有利于高压喷射钻井和携带岩屑。一般YP/PV＝0.6-1比较理想。储层损害：在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程中，造成储层渗透率下降的现象。储层保护技术：认识和诊断储层损害原因及损害过程的各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。储层保护的核心是有针对性地控制各种外因，使储层的内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。

凡是受外界条件影响而导致储层渗透性降低的储层内在因素，均属储层潜在损害因素（内因）。它包括储层孔隙结构、敏感性矿物、岩石表面性质和地层流体性质等。在施工作业时，任何能够引起储层微观结构或流体原始状态发生改变，并使油气井产能降低的外部作业条件，均为储层损害的外因。它包括入井流体性质、压差、温度和作业时间等可控因素。储层敏感性评价包括速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏等五敏实验，具体实验方法基本按“砂岩储层岩心流动实验评价程序”部颁标准执行，其目的在于找出储层发生敏感的条件和由敏感引起的储层损害程度，为各类工作液的设计、储层损害机理分析和制定系统的储层保护技术方案提供科学依据。储层的速敏性：是指在钻井、测试、试油、采油、增产作业、注水等作业或生产过程中，当流体在储层中流动时，引起储层中微粒运移并堵塞喉道造成储层渗透率下降的现象水敏：储层中的粘土矿物在原始的地层条件下处在一定矿化度的环境中，当淡水进入地层时，某些粘土矿物就会发生膨胀、分散、运移，从而减小或堵塞地层孔隙和喉道，造成渗透率的降低的现象，称为水敏盐敏：在钻井、完井及其它作业中，各种工作液具有不同的矿化度，有的低于地层水矿化度，有的高于地层水矿化度。当高于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，将可能引起粘土的收缩、失稳、脱落，当低于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，则可能引起粘土的膨胀和分散。这些都将导致储层孔隙空间和喉道的缩小及堵塞，引起渗透率的下降从而损害储层。碱敏概念：当高pH值流体进入储层后，造成储层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏（主要是粘土矿物解理和胶结物溶解后释放微粒），且大量的氢氧根与某些二价阳离子结合会生成不溶物，造成储层的堵塞损害现象酸敏概念：酸化酸液进入储层后，一方面可改善储层的渗透率，另一方面又与储层中的矿物及地层流体反应产生沉淀并堵塞储层的孔喉。指储层与酸作用后引起渗透率降低的现象钻井过程中储层损害原因钻开储层时，在正压差的作用下，钻井液的固相进入储层造成孔喉堵塞，其液相进入储层与储层岩石和流体作用，破坏储层原有的平衡，从而诱发储层潜在损害因素，造成渗透率下降。钻井过程中储层损害原因有五个方面:(1）钻井液中固相颗粒堵塞储层（2）钻井液滤液与储层岩石不配伍引起的损害（3）钻井液滤液与储层流体不配伍引起的损害（4）油相渗透率变化引起的损害（5）负压差急剧变化造成的储层损害保护储层的钻井液技术:钻开储层的钻井液类型为了达到上述对保护储层的钻井液要求，减少对储层的损害。通过多年努力，我国已形成三大类十一种用于钻开储层的钻井液:（1）水基钻井液（2）油基钻井液（3）气体类流体（或钻井液）钻开储层的钻井液类型（1）水基钻井液1）无固相清洁盐水钻井液2）水包油钻井液3）无膨润土暂堵型聚合物钻井液a.酸溶性暂堵剂、b.水溶性暂堵剂、c.油溶性暂堵剂、d.单向压力暂堵剂4）低膨润土聚合物钻井液5）改性钻井液6）屏蔽暂堵钻井液屏蔽暂堵保护储层钻井液技术屏蔽暂堵保护储层钻井液技术（简称屏蔽暂堵技术）主要用来解决裸眼井段多压力层系地层保护储层技术难题。即利用钻进储层过程中对储层发生损害的两个不利因素（压差和钻井液中固相颗粒），将其转变为保护储层的有利因素，达到减少钻井液、水泥浆、压差和浸泡时间对储层损害的目的。屏蔽暂堵技术的技术构思是利用储层被钻开时，钻井液液柱压力与储层压力之间形成的压差，在极短时间内，迫使钻井液中人为加入的各种类型和尺寸的固相粒子进入储层孔喉，在井壁附近形成渗透率接近于零的屏蔽暂堵带。此带能有效地阻止钻井液、水泥浆中的固相和滤液继续侵入储层，其厚度必须大大小于射孔弹射入深度，以便在完井投产时，通过射孔解堵。压裂液概念压裂定义：压裂就是用压力将地层压开，形成裂缝，并用支撑剂将裂缝支撑起来，改善油气层的导流能力，以减小流体流动阻力的增产、增注的措施。压裂液：压裂过程中所用的液体。它起着传递压力、形成地层裂缝和沿着张开的裂缝输送支撑剂的作用。地层应力及分布地应力：存在于地壳内部的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。裂缝的形态与方位岩石轴应力分布图油层通过压裂后形成的裂缝有两种形态：即水平裂缝和垂直裂缝。原理：裂缝面垂直于最小主应力方向。压裂液性能及分类根据压裂液在不同阶段的作用分为：前置液、携砂液、顶替液。前置液作用：主要是破裂地层形成一定几何尺寸裂缝。携砂液作用：将支撑剂带入裂缝并将砂子置于预定位置上。顶替液作用：将井筒中的携砂液全部替如到裂缝中。对压裂液的性能要求(1)滤失少；(2)携砂能力强；(3)低摩阻；(4)热稳定性和抗剪切稳定性；(5)与地层岩石和地下流体的配伍性；(6)低残渣、易返排；(7)价格便宜、宜配制、货源广。水基压裂液：以水作为溶剂或分散介质，加入稠化剂、添加剂配制而成。水+添加剂+稠化剂→溶胶液水+添加剂+交联剂→交联液溶胶液+交联液→水基冻胶压裂液溶胶液:交联液=100:(1~12)天然植物胶水基压裂液：主要成分是多糖天然高分子化合物即半乳糖甘露聚糖。不同植物胶的高分子链中半乳糖支链与甘露糖主链的比例不同。天然植物水基胶压裂液纤维素衍生物压裂液合成聚合物压裂液三种水基压裂液性能比较

包括：稠化剂、交联剂、破胶剂、pH值控制剂、粘土稳定剂、润湿剂、助排剂、破乳剂、降滤失剂、冻胶粘度稳定剂、消泡剂、降阻剂和杀菌剂等。水基压裂液添加剂交联剂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，使原来的聚合物相对分子质量明显增加。通过化学键或配位键与稠化剂发生交联反应的试剂称为交联剂。破胶剂：使粘稠压裂液可控地降解成能从裂缝中返排出的稀薄液体，能使冻胶压裂液破胶水化的试剂称为破胶剂。

交联冻胶难于化学破胶的三个原因是：(1)除了破坏聚合物的骨架外，破胶剂必须与连接聚合物分子的交联键反应；(2)为保持液体的pH值在冻胶最稳定的范围内，泵送的交联压裂液一般具有一个强的缓冲体系；(3)破胶反应必须足够缓慢，以保证压裂液的稳定性达到要求并适于铺置大量的支撑剂。适用于水基交联冻胶体系的破胶剂有：氧化剂、酶破胶剂、潜在酸、胶囊破胶剂(延迟破胶技术)、pH值调节剂(缓冲剂)油基压裂液：以油作为溶剂或分散介质，与各种添加剂配制成的压裂液。油基压裂液分类：稠化油压裂液、泡沫压裂液、油基冻胶压裂液常用稠化剂：油溶性活性剂：主要是脂肪酸盐、铝磷酸酯盐这类稠化剂在油中形成“缔合”，将油稠化。油溶性高分子：当浓度超过一定数值，就可在油中形成网络结构，使油稠化。主要有：聚丁二烯、聚异丁烯、聚异戊二烯、α-烯烃聚合物，聚烷基苯乙烯，氢化聚环戊二烯、聚丙烯酸酯。泡沫压裂液定义：由气相、液相、表面活性剂（发泡剂）和其他化学添加剂组成。按作用机理可分为两类：第一类是增粘型稳定剂。主要是通过提高基液的粘度来减缓泡沫的排液速率，延长半衰期，从而提高泡沫的稳定性，属于这类的稳定剂有CMC。第二类稳定剂主要作用不是增粘而是提高气泡薄膜的质量，增加薄膜的粘弹性，减小泡沫的透气性从而提高泡沫的稳定性，属于此类的稳定剂有HEC。将这两类稳定剂复配使用可获得最佳效果。泡沫破坏的机理主要有：液膜的排液；气体透过液膜而扩散。泡沫稳定剂：多为高分子化合物。清洁压裂液定义：又称为粘弹性表面活性剂压裂液，是一种基于粘弹性表面活性剂的溶液。清洁压裂液主要是将由长链脂肪酸盐衍生物所形成的季铵盐作为表面活性剂加入到氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯甲基四铵或水杨酸钠溶液中配置而成。作用机理：在水中特种表面活性剂随着浓度增加形成棒状胶束结构。▲利用烃类有机物增溶到胶束中并使其分裂而破胶。VES压裂液携带支撑剂是依靠流体的结构粘度，同时能降低摩阻力。VES压裂液与聚合物压裂液不同，它无造壁性，不会留下滤饼。清洁压裂液不需要交联机理：当表面活性剂与盐水混合时，表面活性剂分子形成线型柔性棒状胶束、囊泡或层状结构，溶液粘度将急剧增加，特别是线型柔性棒状胶束的形成和相互间缠绕形成三维空间网状结构，常伴随粘弹性和其它流变特性出现(如剪切稀释、触变性等)。清洁压裂液的破胶破胶机理：

机理一：VES压裂液进入含油地层后，亲油性有机物被胶束增溶，棒状胶束膨胀并最终崩解，VES凝胶破胶形成低粘度水溶液，流阻降低；在裂缝中接触到原油或天然气同样如此。机理二：在地层水的作用下，清洁压裂液液体因稀释而降低了表面活性剂浓度，棒状胶束也不再相互纠缠在一起，而呈现单个胶束结构状存在。与传统聚合物压裂液对比：传统聚合物压裂液随压力增大滤失严重；而VES压裂液对压力不敏感。VES压裂液不含聚合物，显著降低了残渣在支撑剂填充带和裂缝表面上的吸附量，形成高导流能力的裂缝。VES压裂液无造壁性，不会留下滤饼，对地层污染程度较小，改善了负表皮系数，从而增加了油气井产能。酸化及酸液添加剂第四章油气田应用化学总结酸化分类：按油气层分类：①碳酸盐岩酸化②砂岩酸化按酸液的组成和性质①常规酸酸化②缓速酸酸化按酸化处理工艺①酸洗②基质酸化③压裂酸化酸液类型：盐酸、土酸、乙酸、甲酸、多组分酸、粉状有机酸、缓速酸体系

硫酸、碳酸、磷酸（特殊酸化）酸液添加剂类型：①缓蚀剂②铁稳定剂③防乳-破乳剂④互溶剂⑤降滤失剂⑥粘土防膨剂⑦醇类⑧其它添加剂油气田应用化学总结4.1酸化增产原理酸洗定义：用酸清洗井筒中酸溶性结垢或疏通孔眼的一种油气井增产措施。特点：①酸用量少②溶解法③及时返排酸液防止造成二次伤害。基质酸化定义：在低于地层岩石破裂压力的条件下，将酸液注入地层孔隙空间，使之沿径向渗入油气层，溶解孔隙中的细小颗粒、胶结物等以扩大孔隙空间、提高地层渗透率的一种增产措施。特点：①解除近井地带因污染而造成的渗透率下降②仅靠化学溶蚀作用

③酸大体沿径向流渗入地层压裂酸化（分为普通酸压和前置液酸压）定义：在足以压开地层形成裂缝或张开地层原有裂缝的压力条件下，对油气层的一种挤酸工艺。油气田应用化学总结能产出工业性气体的三个条件：①油气层的油气饱和度大②压力高③渗透性能好基质酸化增产作用：①酸液进入孔隙或天然裂缝，与其中岩石或砂粒之间的胶结物反应溶蚀孔壁或裂缝壁面，增大孔径，提高地层渗透率②溶蚀孔道或天然裂缝中的堵塞物，破坏泥浆、水泥、岩石碎屑等堵塞物的结构，使之与残酸一道排出地层，从而解除堵塞物的影响，恢复地层原有渗透率。压裂酸化增产作用：①撑开并扩大天然裂缝或压开新裂缝，改造和提高油气层内部的渗透能力②解除堵塞③使井底与高渗透带或新的裂缝系统沟通进一步提高酸压效果的途径:①增加酸液有效作用距离②提高酸压裂缝的导流能力③分层酸压，特别是对低渗透层进行选择酸压油气田应用化学总结4.2酸液类型和用途盐酸（使用浓度5%~15%）优点：①解离度高②溶蚀能力强③反应生成的CaCl2，MgCl2全溶于残酸，不产生沉淀

④成本低。缺点：①石灰岩反应速度快②很强的腐蚀性③H2S含量高，钢材的氢脆断裂土酸土酸：12%HCl／3%HF，仅用于砂岩酸化固体酸氨基磺酸：NH2-SO3H氯乙酸：Cl-CH2COOH其他无机酸（硫酸、碳酸、磷酸）缓速酸定义——