第一章傳熱學(xué)課件

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院油田化學(xué)系,油田化學(xué),《油田化學(xué)》課程考試改革,《油田化學(xué)》課程考核環(huán)節(jié)共分為3個(gè)，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(jī)比例為10：20：70。,（1）出勤考核由任課教師不定期點(diǎn)名確定，教師點(diǎn)名次數(shù)不低于5次，學(xué)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(rèn)真，字跡潦草扣1分。,（3）

2、專題研討部分包括報(bào)告、PPT講解和回答問(wèn)題共3個(gè)考核環(huán)節(jié)。本考核環(huán)節(jié)分小組進(jìn)行，建議每組6人（2個(gè)班，共10組），專題題目由小組隨機(jī)抽取確定，小組成員通力協(xié)作完成。小組每個(gè)成員均需單獨(dú)提交調(diào)研報(bào)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(xué)代表小組進(jìn)行多媒體匯報(bào)，提問(wèn)階段小組成員可相互補(bǔ)充。,緒論,油田化學(xué)的研究對(duì)象,油田化學(xué)的研究對(duì)象,油田化學(xué),,,集輸化學(xué),鉆井化學(xué),采油化學(xué),,油田化學(xué)與

3、油田地質(zhì)學(xué)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(xué)；各門基礎(chǔ)化學(xué)（無(wú)機(jī)、有機(jī)、分析、物化、表面、膠體化學(xué)等）是油田化學(xué)的基礎(chǔ)；與流體力學(xué)和滲流力學(xué)及環(huán)境化學(xué)也有密切的聯(lián)系。,,,,,鉆井化學(xué),,,,,鉆井化學(xué)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(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及鉆井、完井、固井、射孔、試油等過(guò)程的化學(xué)問(wèn)題。,鉆井液化學(xué),水泥漿化學(xué),鉆井液體系及添加劑,完井液體系及添加

4、劑,鉆井、完井過(guò)程油氣層保護(hù),水泥漿體系及添加劑,固井射孔油氣層保護(hù),油田化學(xué)的研究對(duì)象,,采油化學(xué),,油層化學(xué)改造,,化學(xué)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(fù)合驅(qū),熱采法 蒸汽驅(qū) 火燒油層法,,油水井化學(xué)改造,,水井調(diào)剖 油井堵水化學(xué)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(hù) 綜合措施,,采油化學(xué)主要研究油層改造和油水井化學(xué)改造問(wèn)題。包括改造方案、添加劑的作用機(jī)理、合成、篩選、改進(jìn)和應(yīng)用。涉及采油過(guò)程中的眾多化學(xué)問(wèn)題。,,,集輸化學(xué),,腐蝕與防護(hù),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(xué)主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護(hù)、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(hù)問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)

6、處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。,,集輸化學(xué)主要研究設(shè)備和管道的腐蝕與防護(hù)、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(hù)問(wèn)題。涉及原油集輸和預(yù)處理中的眾多化學(xué)問(wèn)題。,油田化學(xué)的研究對(duì)象,第一章 粘土礦物,第一篇 鉆井化學(xué),粘土,水/油,處理劑,鉆井液,本章要點(diǎn),基本概念：晶格取代、陽(yáng)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(diǎn)及其特性解釋粘土礦物的基本特性及其機(jī)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(guò)程中井眼的穩(wěn)定性，泥頁(yè)巖的主要組成部分，75%地層為泥頁(yè)巖，90%的井壁不穩(wěn)定發(fā)生在泥頁(yè)巖。,（3）油氣層的保護(hù)，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(gè)硅原子與四個(gè)氧原子，硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)，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(guò)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(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子團(tuán)，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(gè)鋁氧八面體

10、通過(guò)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(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，構(gòu)成晶層,（1）1：1型晶層：由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)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(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)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(duì)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(yáng)離子被另外 陽(yáng)離

12、子所置換，而晶體結(jié)構(gòu)不變，產(chǎn)生 過(guò)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(fù),電荷,例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4Si8O2(OH)4.nH2O,蒙脫石的實(shí)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(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為： Al4（Si8O20）（OH）4,伊利石的實(shí)際結(jié)構(gòu)式為： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20,粘土礦物,（2）陽(yáng)離子交換容量（C.E.C),定義：分散介質(zhì)pH=7時(shí)，1kg粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽(yáng)離子毫摩爾數(shù)表示）。,C.E.C可用來(lái)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(diǎn),,,,,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(fù)電量少,C、晶層間引力以氫鍵為主，引力強(qiáng)，晶層間距C=7.2Å,問(wèn)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(fù)電荷很少，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽(yáng)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(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)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(yáng)離子 nH2O,蒙脫石,②蒙脫石特點(diǎn),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(fù)電荷由等量的Na+或Ca2+來(lái)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(jìn)入晶層。,◆蒙脫石由于晶格取代產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，在它周圍必然會(huì)吸附等電量的陽(yáng)離子，水化陽(yáng)離子給粘土帶來(lái)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?yàn)槊擅撌哂泻軓?qiáng)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(fù)電荷較多，周圍吸附的陽(yáng)離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽(yáng)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(diǎn),,,,,,,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(fù)電荷由等量的K+來(lái)平衡。,C、晶層間引力以靜電力為主，引力強(qiáng)，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(fù)電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，層間引力較強(qiáng)，水分子不易進(jìn)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(gè)氧與它配伍，起到連接作用，水分子不易進(jìn)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(fù)電荷由K+來(lái)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(fù)電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力， K+不易交換下來(lái)。,? 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(gè)氧與它配伍，因此， K+連接通常非常牢固，不易交換下來(lái)。,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(shí)的帶電符號(hào)和帶電量,?粘土帶電性驗(yàn)證：電泳實(shí)驗(yàn)（粘土在水中移向正極，帶負(fù)電荷）,1809年，俄國(guó)物理學(xué)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(fù)極管內(nèi)水慢慢上升結(jié)論：

22、 濕粘土： 粘土粒子——→電泳，帶負(fù)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(yáng)離子被另外一部分陽(yáng)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(yáng)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(fù)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(shuō)明粘土所帶負(fù)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(fù)電荷（晶格取代）比蒙脫石多，而C.E.C卻比蒙脫石小？,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(biāo)，親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。,2、水化膨脹機(jī)理,各種粘土都會(huì)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(xì)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(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。,②表面水化機(jī)理,直接水化：粘土表面上的H+和OH-通過(guò)氫鍵吸附水分子。間接水化：通過(guò)所吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子。,(2) 滲透水化,①定義：由于晶層間陽(yáng)離子濃度大于溶液內(nèi)部 的陽(yáng)離子濃度，

26、因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層。,②作用機(jī)理：濃差擴(kuò)散。,,粘土礦物的性質(zhì),1、 吸附：物質(zhì)在兩相界面上自動(dòng)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(wú)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(xué)吸附：化學(xué)鍵力引起，具有選擇性，

27、吸附熱較大，不易脫附。例：陽(yáng)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(bǔ)償性陽(yáng)離子）與溶液中同號(hào)離子間的交換作用。 如自然界中的膨潤(rùn)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(guò)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(kuò)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(shí)，在靜電吸引和熱運(yùn)動(dòng)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(gè)離子厚度稱為吸附層；,另一部分離子按一定的濃度梯度擴(kuò)散到溶液中

29、，稱為擴(kuò)散層。,雙電層由吸附層和擴(kuò)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(yàn)：淡水泥漿鈣侵后，鈣離子壓縮擴(kuò)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(jìn)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(cè)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(guò)