第一章傳熱學課件

1、中國石油大學（華東）石油工程學院油田化學系,油田化學,《油田化學》課程考試改革,《油田化學》課程考核環(huán)節(jié)共分為3個，分別是課堂出勤及作業(yè)考核環(huán)節(jié)、研究性專題考核環(huán)節(jié)、期末考試環(huán)節(jié)，成績比例為10：20：70。,（1）出勤考核由任課教師不定期點名確定，教師點名次數(shù)不低于5次，學生缺勤1次扣2分，遲到或早退1次扣1分。（2）作業(yè)考核根據(jù)作業(yè)上交情況及完成情況確定，留作業(yè)次數(shù)不低于3次，一次不交扣3分；作業(yè)不認真，字跡潦草扣1分。,（3）

2、專題研討部分包括報告、PPT講解和回答問題共3個考核環(huán)節(jié)。本考核環(huán)節(jié)分小組進行，建議每組6人（2個班，共10組），專題題目由小組隨機抽取確定，小組成員通力協(xié)作完成。小組每個成員均需單獨提交調(diào)研報告（成員間不要抄襲，以防雷同），共同探討制作PPT，由抽簽決定由那位同學代表小組進行多媒體匯報，提問階段小組成員可相互補充。,緒論,油田化學的研究對象,油田化學的研究對象,油田化學,,,集輸化學,鉆井化學,采油化學,,油田化學與

3、油田地質(zhì)學密切聯(lián)系；是鉆井工程、采油工程、油藏工程和集輸工程等的邊緣科學；各門基礎(chǔ)化學（無機、有機、分析、物化、表面、膠體化學等）是油田化學的基礎(chǔ)；與流體力學和滲流力學及環(huán)境化學也有密切的聯(lián)系。,,,,,鉆井化學,,,,,鉆井化學主要研究鉆井/完井和水泥漿體系的性能及其控制與調(diào)整。包括添加劑的作用機理、合成、篩選、改進和應(yīng)用。涉及鉆井、完井、固井、射孔、試油等過程的化學問題。,鉆井液化學,水泥漿化學,鉆井液體系及添加劑,完井液體系及添加

4、劑,鉆井、完井過程油氣層保護,水泥漿體系及添加劑,固井射孔油氣層保護,油田化學的研究對象,,采油化學,,油層化學改造,,化學驅(qū)法,,混相驅(qū)法 烴類混相法 非烴類混相法,聚合物驅(qū)活性劑驅(qū)堿驅(qū)復合驅(qū),熱采法 蒸汽驅(qū) 火燒油層法,,油水井化學改造,,水井調(diào)剖 油井堵水化學防砂 防蠟清蠟稠油降粘 酸化解堵射孔壓裂

5、 修井壓井油層保護 綜合措施,,采油化學主要研究油層改造和油水井化學改造問題。包括改造方案、添加劑的作用機理、合成、篩選、改進和應(yīng)用。涉及采油過程中的眾多化學問題。,,,集輸化學,,腐蝕與防護,阻垢與清垢,乳化與破乳,降粘與減阻,天然氣利用,污水的處理,污染與防治,集輸化學主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護、原油的破乳與乳化、原油的降粘與降阻輸送、天然氣的處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護問題。涉及原油集輸和預

6、處理中的眾多化學問題。,,集輸化學主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護、原油的破乳與乳化、原油的降粘與降阻輸送、天然氣的處理和利用、油田污水和污泥的綜合處理以及油氣田環(huán)境保護問題。涉及原油集輸和預處理中的眾多化學問題。,油田化學的研究對象,第一章 粘土礦物,第一篇 鉆井化學,粘土,水/油,處理劑,鉆井液,本章要點,基本概念：晶格取代、陽離子交換容量CEC等粘土礦物的基本構(gòu)造單元和基本結(jié)構(gòu)層常見粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）的

7、特點及其特性解釋粘土礦物的基本特性及其機理,與鉆井工程的關(guān)系,（ 1）粘土是鉆井液的重要組成成分，配漿原材料。,,（ 2）鉆井過程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁巖的主要組成部分，75%地層為泥頁巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁巖。,（3）油氣層的保護，粘土礦物膨脹與鉆井液配漿粘土堵塞。,第一章 粘土礦物,第一節(jié) 粘土礦物的基本構(gòu)造,第一章 粘土礦物,基本構(gòu)造單元 基本構(gòu)造單元片 基本結(jié)構(gòu)層

8、 各種粘土礦物基本構(gòu)造單元 硅氧四面體和鋁氧八面體 Si/O Al/O基本構(gòu)造單元片 硅氧四面體片和鋁氧八面體片基本結(jié)構(gòu)層 (單位晶層) 1:1型 2:1型各種粘土礦物,,,,粘土礦物的

9、基本構(gòu)造,1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片,硅氧四面體：有一個硅原子與四個氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點，硅原子與各氧原子之間的距離相等。,頂氧,底氧,硅氧四面體晶片：指硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由硅氧四面體通過相臨的氧原子連接而成。,粘土礦物的基本構(gòu)造,2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片,鋁氧八面體：六個頂點為氫氧原子團，鋁（或鐵、鎂）原子居于八面體中央。,氧或羥基,粘土礦物的基本構(gòu)造,鋁氧八面體晶片：多個鋁氧八面體

10、通過共用的O或OH連接而成的Al-O八面體網(wǎng)絡(luò)。,粘土礦物的基本構(gòu)造,3、晶片的結(jié)合,,,,層面是O,,層面是OH,Si-O晶片,,Al-O晶片,,晶層：四面體晶片與八面體晶片以適當?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層,（1）1：1型晶層：由一個硅氧四面體晶片與一個鋁 氧八面體 晶片構(gòu)成。,粘土礦物的基本構(gòu)造,（2）2：1型晶層：由兩個硅氧四面體晶片與一個鋁氧八面體

11、 晶片構(gòu)成。,,,,,氧原子,,氧原子,,Si-O晶片,,Al-O晶片,,Si-O晶片,粘土礦物的基本構(gòu)造,粘土礦物的基本構(gòu)造,層間域/晶層間距,層間域：相鄰基本結(jié)構(gòu)層之間的空間。晶層間距：相鄰基本結(jié)構(gòu)層的相對應(yīng)晶面間的垂直距離。,第二節(jié)粘土礦物,第一章 粘土礦物,1、基本概念,,,粘土礦物,（1）晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽離子被另外 陽離

12、子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生 過剩電荷的現(xiàn)象。,Si-O四面體：Al3+取代Si4+,Al-O八面體： Mg2+、Fe2+取代Al3+,粘土帶,負,電荷,例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4Si8O2(OH)4.nH2O,蒙脫石的實際結(jié)構(gòu)式為： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O,例2：伊利石在不發(fā)生晶格

13、取代時，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4（Si8O20）（OH）4,伊利石的實際結(jié)構(gòu)式為： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20,粘土礦物,（2）陽離子交換容量（C.E.C),定義：分散介質(zhì)pH=7時，1kg粘土所能交換下來的陽離子的毫摩爾數(shù)（以一價陽離子毫摩爾數(shù)表示）。,C.E.C可用來表示粘土在水中帶電性的多少，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。,（3）造漿率：一噸干粘土所能配制粘度（

14、表觀粘度）為 15mPa.s鉆井液的體積數(shù)，m3/T。,造漿率,,粘土的水化分散能力,,,粘土礦物,（1）高嶺石,①高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖,粘土礦物,,,,晶層間距,高嶺石,,②高嶺石特點,,,,,Si-O,Al-O,,OH,,O,A、1：1型粘土礦物,B、幾乎不存在晶格取代，負電量少,C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強，晶層間距C=7.2Å,問題：為什么高嶺石屬非膨脹性粘

15、土礦物？,粘土礦物,D、C.E.C低（30-150 mmol/kg土)　 在三種常見的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ.E.C最低。原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代，所以帶負電荷很少，周圍吸附的陽離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目就更少了，所以C.E.C小。,Ｅ、造漿率低　 高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強，晶層間連接緊密，水分子不易進入晶層間，水化作用僅限于外表面，故水化分散能力差，造漿率低。,粘土礦物,⑵蒙脫石,,,,Al-O,S

16、i-O,Si-O,①蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖,粘土礦物,,,,Si-O,Si-O,Al-O,可交換陽離子 nH2O,蒙脫石,②蒙脫石特點,A、2：1型粘土礦物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面體中，即Al3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負電荷由等量的Na+或Ca2+來平衡。,C、晶層間引力以分子間力為主，引力弱，晶層間距c=9.6Å- 40Å。,粘土礦物,◆蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層

17、間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進入晶層。,◆蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負電荷，在它周圍必然會吸附等電量的陽離子，水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。,,,,,,,Al-O,Si-O,Si-O,Si-O,Si-O,Al-O,為什么蒙脫石屬膨脹型粘土礦物？,D、C.E.C 大（700-1300 mmol/1kg土),Ｅ、造漿率高,因為蒙脫石具有很強的水化膨脹能力，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。,原因在于

18、蒙脫石存在晶格取代，所以帶負電荷較多，周圍吸附的陽離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目多，所以C.E.C大。,粘土礦物,（3）伊利石,①伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖,粘土礦物,②伊利石特點,,,,,,,Al-O,Si-O,Si-O,K+,,,,,,,A、2：1型粘土礦物,B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面體中，且取代數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負電荷由等量的K+來平衡。,C、晶層間引力以靜電力為主，引力強，晶層間距C=10Å，屬非

19、膨脹型粘土礦物。,粘土礦物,Si-O,Si-O,Al-O,?由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強的靜電力，層間引力較強，水分子不易進入晶層.,? K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的六方網(wǎng)格空穴中，周圍有12個氧與它配伍，起到連接作用，水分子不易進入晶層；,粘土礦物,伊利石屬非膨脹型粘土礦物。為什么？,D、C.E.C 大介于高嶺石與蒙脫石之間（200-400mmol/1kg土

20、),?伊利石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負電荷由K+來平衡，由于伊利石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強的靜電力， K+不易交換下來。,? K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周圍有12個氧與它配伍，因此， K+連接通常非常牢固，不易交換下來。,Ｅ、造漿率低,粘土礦物,粘土礦物,表1-1 高嶺石、伊利石和蒙脫石基本特性比較,,第三節(jié) 粘土礦物的性質(zhì),第一章 粘

21、土礦物,粘土礦物的性質(zhì),一、帶電性,?定義：指粘土礦物在與水接觸時的帶電符號和帶電量,?粘土帶電性驗證：電泳實驗（粘土在水中移向正極，帶負電荷）,1809年，俄國物理學家Рейсе將兩支玻璃管插在潮濕的粘土塊中，加水至兩管液面相平。各放一電極，接通電源。 發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：,正極粘土粒子不斷富集，水變渾濁，且水面略下降，負極管內(nèi)水慢慢上升結(jié)論：

22、 濕粘土： 粘土粒子——→電泳，帶負電 介質(zhì)水——→電滲，帶正電,電荷產(chǎn)生原因,1、永久電荷,晶格取代：粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中一部分陽離子被另外一部分陽離子所取代（置換），但晶體結(jié)構(gòu)不變的現(xiàn)象。,伊利石與蒙脫石相比雖晶層結(jié)構(gòu)相同，但由于晶格取代位置不同，平衡陽離子不同，因此層面電荷密度不同，水化難易程度不同。,粘土礦物的性

23、質(zhì),2、表面羥基與H+與OH-的反應(yīng)（可變電荷）,在酸性環(huán)境中：羥基與H+反應(yīng)，粘土帶正電性。,﹥Al-OH + H+ ﹥Al+ + H2O,,在堿性或中性條件下：羥基與OH-反應(yīng)，粘土帶負電性。,﹥Al-OH + OH- ﹥Al-O- + H2O,,粘土礦物的性質(zhì),粘土礦物帶電量,粘土帶電量通常用C.E.C表示， C.E.C越大，說明粘土所帶負電荷越多，三種常見粘土礦物的C

24、.E.C大致如下。,思考題：為什么伊利石單位晶胞所帶負電荷（晶格取代）比蒙脫石多，而C.E.C卻比蒙脫石??？,影響因素：粘土類型；分散程度；CEC；pH值等,粘土礦物的性質(zhì),1、定義 水化：粘土礦物表面容易吸附較多水分子的特性。 膨脹：粘土吸水后體積增大的性質(zhì)。膨脹性是衡量粘土親水性的指標，親水性越強，吸水量越大，水化膨脹越厲害。,2、水化膨脹機理,各種粘土都會吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化

25、膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和毛細管作用。,粘土礦物的性質(zhì),二、 粘土的水化膨脹性,(1)表面水化,①定義：由粘土晶體表面直接吸附水分子和通過所吸附的可交換性陽離子間接吸附水分子而導致的水化。,②表面水化機理,直接水化：粘土表面上的H+和OH-通過氫鍵吸附水分子。間接水化：通過所吸附的可交換性陽離子間接吸附水分子。,(2) 滲透水化,①定義：由于晶層間陽離子濃度大于溶液內(nèi)部 的陽離子濃度，

26、因而發(fā)生水的濃差擴散，使水進入晶層。,②作用機理：濃差擴散。,,粘土礦物的性質(zhì),1、 吸附：物質(zhì)在兩相界面上自動濃集(界面濃度大于內(nèi)部 濃度）的現(xiàn)象。 吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)（鉆井液處理劑） 吸附劑：吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)（粘土）,粘土礦物的性質(zhì),三 吸附性,2、分類,（1）物理吸附：范德華引力引起，一般無選擇性， 吸附熱較小，容易脫附。例：陰離子和非離子處理劑在粘土上的吸附。,（2）化學吸附：化學鍵力引起，具有選擇性，

27、吸附熱較大，不易脫附。例：陽離子處理劑在粘土上的吸附。,（3）離子交換吸附 粘土礦物表面上離子（通常為補償性陽離子）與溶液中同號離子間的交換作用。 如自然界中的膨潤土（即蒙脫土）絕大多數(shù)為鈣蒙脫土，可轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫土,,粘土礦物的性質(zhì),Ca2+土+Na2CO3 2Na+土+CaCO3,四、 粘土的凝聚性,（1）概念：粘土礦物（顆粒）在水分散體系狀態(tài)下，通過不同的聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)

28、生絮凝或聚結(jié)（集）的現(xiàn)象。 粘土顆粒的聯(lián)結(jié)：絮凝和聚結(jié)（集）,粘土礦物的性質(zhì),粘土礦物的性質(zhì),（2）粘土顆粒聯(lián)結(jié)方式,形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、體系粘度增加,粘土的分散度下降，體系粘度下降,,,,,,,,,,,,,,,擴散雙電層模型,粘土表面吸附的帶相反電荷的正離子（即反離子）與水接觸時，在靜電吸引和熱運動兩種效應(yīng)的作用下，只有一部分緊密地排在固體表面附近，相距約一、二個離子厚度稱為吸附層；,另一部分離子按一定的濃度梯度擴散到溶液中

29、，稱為擴散層。,雙電層由吸附層和擴散層構(gòu)成，使固體表面與分散介質(zhì)之間有電位差，即?電位（Zeta-電位）。,試驗：淡水泥漿鈣侵后，鈣離子壓縮擴散雙電層，ζ電位減低，雙電層斥力降低，產(chǎn)生絮凝，粘土顆粒逐漸增大，粘度增加。進一步增加鈣離子濃度，粘土顆粒繼續(xù)變粗而沉淀，最終破壞粘土顆粒的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成水土分離的現(xiàn)象。,案例 鉆井液鈣侵及其處理,測量石灰的不同加量下，鉆井液流變性能的變化。,鈣侵鉆井液加入適量稀釋劑（比如單寧堿液）后，稀釋劑通過