油基钻井液用有机黏土的制备、结构和性能研究

发布时间：2020-10-29 19:16

　　 本论文研究了有机蒙脱石、有机坡缕石和有机海泡石在油基钻井液体系中的流变性能和调控机制,从矿物结构、矿物化学以及界面反应的角度探索了有机黏土在油基钻井液中流变性的制约机理。有机蒙脱石在油基体系中的结构变化主要经过分散、膨胀和剥离三个阶段在油基体系中形成“卡房式”网络结构。有机改性剂性质、用量以及温度影响有机蒙脱石在油基钻井液中的网络结构的形成机制和强度,并以此制约油基钻井液的流变性能。有机改性剂通过阳离子交换反应插入蒙脱石层间,并增大蒙脱石的层间距。改性剂的极性越低、分子越大、用量越多,制备出的有机蒙脱石层间距越大、亲油性越好,在油基钻井液中的流变性能越突出。老化温度的升高促进了有机蒙脱石在油基体系中的膨胀或剥离程度,进而提升了油基钻井液的流变性能。但是,180℃以上的高温将降低有机蒙脱石在油基钻井液中的流变性。有机蒙脱石在油基钻井液中的热稳定性受有机改性剂脱附和热分解的双重影响。有机改性剂通过阳离子交换反应和物理作用吸附于坡缕石和海泡石矿物表面,进而改善黏土矿物与油的相容性。有机坡缕石(有机海泡石)的纳米纤维或晶束在油基体系中通过分散、搭接而形成无序的三维网络结构,从而提升油基钻井液的流变性。纳米纤维之间的摩擦力制约网络结构的强度。有机分子与矿物的表面的纳米孔道结构的界面作用是制约有机坡缕石(有机海泡石)流变性的重要因素。有机分子插入矿物的纳米通道或者表面凹槽显著提升其流变性和热稳定性。由于坡缕石和海泡石的纳米通道尺寸差异,两者对有机改性剂的选择也不同。以质量比为1:1有机蒙脱石和有机坡缕石(或有机海泡)组成的复合有机黏土石在油基钻井液中的流变性和热稳定性显著优于单独的有机黏土。这是由于剥离后的有机蒙脱石纳米片和分散的有机坡缕石(有机海泡石)纳米纤维在油中分散和搭接,提高了网络结构强度和稳定性,从而提高了油基钻井液的流变性和热稳定性。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE254
【部分图文】：

中国地质大学（北京）博士学位论文则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流（湍流和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主递速率远大于层流。为可以通过经典物理学和数学方程来描述。以缓慢流动靠近两侧，流速越小，中心处流速最大（图 1-1）。管道，即中心处流速最大，周围流速越小，靠近管壁处的流抛物线，从三维空间来看，流速分布的结构如图 1-2 所

图 1-2 水在圆形管路中的流速分布：（A）流速分布示意图；（B）流速分布曲线中各层的流速不同，层与层之间必然存在着相互作用：流速较快的流慢且与之相邻流动层，而流速较慢的流动层又会阻碍流速较快的相邻流速不同的各流动层之间就会存在内摩擦作用（成对的摩擦力），并阻。液体流动时所具有的这种抵抗剪切变形的物理性质称为黏滞性。牛研究提出了液体内摩擦定律（式 1-1）。液体流动层与流动层之间的内与其性质及温度有关，且与液层间的接触面积 S 和剪切速率γ成正比压力无关。F S （式 1-1）擦力 F 除以接触面积 S 可得液体内的剪切应力 （式 1-2）： （式 1-2）FS

中国地质大学（北京）博士学位论文剪切速率是流变学中的两个基本概念，钻井液流变性的应力与剪切速率之间的关系。这种关系可以用流变方程述。按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的对应关：牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀流体（见图液为塑性流体和假塑性流体。

本文编号：2861334