分子模拟无机盐抑制蒙脱石水化机理

井壁不稳定是油气勘探开发过程中最为复杂的技术难题之一,而井壁的稳定性在很大程度上取决于岩石中黏土矿物的含量和特性,尤其是蒙脱石的水化膨胀特性。为深入了解无机盐稳定井壁的微观作用机理,利用分子模拟软件Material Studio（MS）建立了Na-蒙脱石的晶体模型,并对其水化过程、水化机理以及水化造成的强度参数变化进行了动力学模拟研究。模拟结果表明,Na-蒙脱石晶体层间距随晶体表面吸附水分子个数的增多而逐级增大,当水分子数达到48、72、96时,分别形成1、2、3层饱和水合层;加入无机盐后,蒙脱石晶体的力学参数有一定程度的提高;KCl和CaCl₂具有较其他无机盐更好的提高Na-蒙脱石晶体弹性模量、减小膨胀的效果。通过KCl、NaCl和CaCl₂ 3种无机盐在不同质量分数条件下对Na-蒙脱石晶体弹性力学性质影响的研究,给出了Na-蒙脱石晶体达到最佳稳定状态性时3种无机盐的质量分数范围。膨胀实验结果很好地证明了蒙脱石具有一定盐敏特性,在高质量分数无机盐条件下,膨胀率反而增加。该结果对于强水敏性地层防塌机理研究和抑制性钻井液体系的研究开发具有重要的理论指导意义 。     

高温高压下蒙脱石水化特性的分子模拟

页岩中黏土矿物的水化膨胀是影响页岩气井井壁稳定性的一个重要因素，蒙脱石作为黏土矿物的主要成分，其水化机理对于解决页岩气井井壁失稳问题至关重要。为了深入探索高温高压地层环境下蒙脱石的水化机理，利用分子模拟软件从微观角度研究了不同水化程度的蒙脱石在不同温度压力条件下的晶层间距、晶层间物质的移动规律、离子水化参数以及力学参数的变化。研究结果表明:温度增加、压力降低时，蒙脱石层间距随之增加，且温度对层间距的影响较大，层间距范围在1.823～2.042 nm之间；层间水分子和钠离子的扩散速率随温度增加而加快，随压力升高而减慢；低温高压时钠离子的水化配位数较大，配位数范围在2.35～4.35之间；温度增加时，蒙脱石晶体的体积模量、剪切模量以及弹性模量随之减小，泊松比随之增加，而压力对蒙脱石晶体力学参数的影响却恰恰相反。可见，本文的研究结果对于高温高压地层环境下页岩地层水化机理的研究具有重要的理论指导意义。      

生物聚合物甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理

为验证甲基葡萄糖甙对泥页岩的抑制作用,分别进行了甲基葡萄糖甙在黏土上的吸附实验、甲基葡萄糖甙对黏土层间距的影响实验、甲基葡萄糖甙对页岩膜效率影响实验。实验表明:甲基葡萄糖甙对膨润土有很强的亲和力,水溶液(30℃)甲基葡萄糖甙吸附量可达120%,与无机盐复配使用后,其吸附能力进一步增加;用7%NaCl+25%甲基葡萄糖甙处理天然蒙脱石,其晶层间距为1.77 nm,比用水处理的蒙脱石晶层间距(1.92 nm)小,其干样晶层间距比未处理原样(1.54 nm)也小,说明甲基葡萄糖甙盐溶液能减少水分子进入蒙脱石,起到抑制泥岩膨胀作用;用清水饱和岩心,8 d时岩心与水+7%NaC l溶液的渗透压达到最大值,两边高度差为4.3 cm,而用MEG饱和岩心,9 d时岩心与水+7%NaCl溶液渗透压达到最大值,两边高度差为6.7 cm,说明甲基葡萄糖甙可有效改善页岩的膜效率。现场应用,表明甲基葡萄糖甙钻井液有较好的抑制和防塌作用,是油基钻井液较好的替代品。     

甲酸钾抑制蒙脱石水化机理的分子动力学模拟

在盐膏地层或者泥页岩地层钻井过程中，钻遇的地层含有大量的蒙脱石，蒙脱石是典型的水化膨胀性矿物，当钻井液滤液进入蒙脱石含量较高的地层会因水化膨胀作用导致井壁失稳，发生卡钻、井眼缩径、井塌等井下复杂事故。有机盐钻井液的主要成分是含有抑制作用强的甲酸钾，成为目前钻复杂井段的重要水基钻井液体系。为了深入揭示有机盐钻井液中的主要抑制剂甲酸钾抑制蒙脱石水化的机理，采用分子动力学的方法，从分子角度研究其抑制机理。通过建立甲酸钾和蒙脱石的模型，计算两者的相互作用。研究发现在甲酸钾溶液中，电离出的甲酸根主要偏向作用于层间水，且能与水分子形成氢键，电离出的钾离子会吸附在蒙脱石表面，与蒙脱石表面作用，降低蒙脱石的Zeta电位，当质量分数大于一定量时，钾离子对蒙脱石表面作用饱和并开始向层间扩散。通过模拟发现，低浓度的甲酸钾有利于蒙脱石力学性质稳定，随着其浓度继续增加，有利于抑制水分子扩散，而蒙脱石的杨氏模量、剪切模量略微降低，泊松比上升，当浓度大于一定量后，其抑制性趋于稳定，蒙脱石力学性质趋于稳定。模拟认为钻井液中甲酸钾最佳质量分数（相对于水）范围应在32.57%～34.92%。      

端氨基超支化聚合物泥页岩抑制剂的合成与性能评价

通过丁二酸酐和二乙烯三胺合成了端氨基超支化聚合物(HP-NH_2)泥页岩抑制剂,采用FTIR,~1H NMR,TOFMS等技术对其结构进行了表征;通过线性膨胀和3次滚动回收实验对HP-NH_2抑制剂的抑制性能进行了评价;通过吸附实验、XRD及FTIR分析对HP-NH_2作用于蒙脱土的机理进行了初步研究。实验结果表明,HP-NH_2对泥页岩的水化分散和膨胀具有良好的抑制性能,并随HP-NH_2含量的增加其抑制性能增强。HP-NH_2在蒙脱土表面发生有效吸附,单位吸附量可达0.35 g/g,且可进入蒙脱土晶层间距并通过置换层间水化阳离子将结合水挤出,起到抑制蒙脱土水化膨胀的作用。     

水化作用下页岩微观孔隙结构的动态表征——以四川盆地长宁地区龙马溪组页岩为例

为了研究真实压裂环境下水化作用对页岩孔隙结构的影响，选取四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组页岩样品，在90 ℃储层温度下开展了页岩压裂液自吸及水化实验；采用扫描电镜、低温N2吸附、高压压汞、CT扫描等实验手段，对比了水化0 d、5 d、10 d、20 d时页岩样品颗粒形态、孔径、比表面积等孔隙结构参数的宏观演变过程，并且对页岩孔隙结构变化的原因进行了剖析；开展单黏土矿物（蒙脱石、伊利石）水化实验，对比单黏土矿物的水化特征，进而从机理上研究了水化对页岩微观结构的影响。研究结果表明：①黏土矿物水化可以促进页岩层理面间微裂缝的产生，由于水化诱导裂缝尺度较小，分布较为密集，微观上能局部相互连通，从而对页岩储层物性有明显的改善作用；②随水化时间延长，微裂缝由延伸扩展到趋于闭合，孔隙体积先增大后减小，并在水化5 d时达到最大值；③黏土矿物水化膨胀相对于水化应力变化的滞后性是导致页岩微观结构变化的主要原因，并且伊利石的水化膨胀体积小于蒙脱石；④无机阳离子可以抑制黏土矿物水化，K+、Na+、Ca2+的抑制效果依次变差。结论认为，水化作用可以提高页岩储层的渗透率，研究区龙马溪组页岩储层压裂后的合理焖井时间推荐为5 d，而对于蒙脱石含量较高的页岩气储层则可以适当延长焖井时间。     

钠蒙脱石表面水化评价方法研究

页岩地层黏土矿物表面水化的抑制仍然存在技术瓶颈,亟需建立抑制黏土矿物表面水化的新理论和新方法。文章主要以泥页岩中常见的钠蒙脱石黏土矿物样品为研究对象, 通过等温吸附法研究其表面水化程度,采用Ｘ射线衍射分析法、热重分析法和核磁共振分析法研究了钠蒙脱石的结合水类型及含量,建立了钠蒙脱石结合水的定量评价方法。实验结果表明：随着相对湿度的增加, 钠蒙脱石的基底间距呈阶梯状逐步增加,当相对湿度为1.00 时,钠蒙脱石可达到四层水化;热重分析可定量区分钠蒙脱石的阳离子层间水、层间表面水和自由水。核磁共振分析能定量区分黏土矿物的结合水和自由水。此举可为建立抑制黏土矿物表面水化定量评价方法提供理论和实验支撑。     

有机胺抑制蒙脱石水化机理的分子模拟

井壁失稳一直是困扰石油钻井的重大技术难题,泥页岩水化是造成井壁失稳的最重要因素之一,作为最易吸水和泥页岩主要组分的蒙脱石是引起井壁失稳的根本性因素。利用分子模拟的方法,建立了有机胺类抑制剂与钠蒙脱石反应的分子结构模型,研究了甲酰胺和尿素等小分子有机胺类抑制剂对蒙脱石水化的抑制作用机理。胺类有机小分子抑制蒙脱石水化的能力与分子结构及官能团有关,甲酰胺和尿素均可与层间水分子及蒙脱石表面的氧原子形成氢键,抑制层间钠离子的水化,限制层间水分子及钠离子的自扩散。甲酰胺和尿素分子在不同浓度时对钠蒙脱石体系的密度和力学性能影响不同,但有相同的变化规律,即存在一临界浓度,低于此浓度时,胺类分子的加入可增大蒙脱石的密度,提高体系的力学性能,而高于此浓度时,体系密度减小,力学性能变差。甲酰胺和尿素都是在低浓度时能更好地发挥抑制作用,提高钠蒙脱石的稳定性,综合各参数对比分析,甲酰胺比尿素的整体作用效果好。     

页岩水化及水锁解除机制

选取四川盆地长宁地区龙马溪组页岩样品,开展电镜扫描、CT扫描、高压压汞、低温N2吸附、水化自吸等实验,对比蒙脱石、伊利石水化特征,分析页岩水锁解除能力的主控因素,揭示页岩水化过程中孔隙结构的演变机制。研究表明:页岩水化特征与黏土组成密切相关,伊利石含量高的页岩不易水化膨胀,改善储集层孔隙结构的能力有限;蒙脱石含量高则易水化膨胀,改善储集层孔隙结构的潜力较大;页岩伊利石含量高,初期自吸作用相对较强,但扩散能力不足,易形成水锁;页岩蒙脱石含量高,初期自吸作用相对较弱,扩散能力较好,具有一定的水锁解除能力;页岩存在最佳水化时间,此时储集层物性最好,水化时间过长,则对储集层物性形成伤害,伊利石含量高的页岩最佳水化时间较短;无机阳离子对黏土矿物吸水膨胀具有抑制作用,对伊利石的抑制作用更强,K~+抑制效果较好,蒙脱石含量高的储集层可以通过降低压裂液阳离子含量促进黏土水化作用;伊利石含量高的储集层可注入高K~+含量的压裂液抑制水化作用。图13表2参25     

水化作用下页岩微观孔隙结构的动态表征——以四川盆地长宁地区龙马溪组页岩为例

为了研究真实压裂环境下水化作用对页岩孔隙结构的影响,选取四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组页岩样品,在90℃储层温度下开展了页岩压裂液自吸及水化实验;采用扫描电镜、低温N_2吸附、高压压汞、CT扫描等实验手段,对比了水化0 d、5 d、10 d、20d时页岩样品颗粒形态、孔径、比表面积等孔隙结构参数的宏观演变过程,并且对页岩孔隙结构变化的原因进行了剖析;开展单黏土矿物(蒙脱石、伊利石)水化实验,对比单黏土矿物的水化特征,进而从机理上研究了水化对页岩微观结构的影响。研究结果表明:①黏土矿物水化可以促进页岩层理面间微裂缝的产生,由于水化诱导裂缝尺度较小,分布较为密集,微观上能局部相互连通,从而对页岩储层物性有明显的改善作用;②随水化时间延长,微裂缝由延伸扩展到趋于闭合,孔隙体积先增大后减小,并在水化5 d时达到最大值;③黏土矿物水化膨胀相对于水化应力变化的滞后性是导致页岩微观结构变化的主要原因,并且伊利石的水化膨胀体积小于蒙脱石;④无机阳离子可以抑制黏土矿物水化,K~+、Na~+、Ca~(2+)的抑制效果依次变差。结论认为,水化作用可以提高页岩储层的渗透率,研究区龙马溪组页岩储层压裂后的合理焖井时间推荐为5 d,而对于蒙脱石含量较高的页岩气储层则可以适当延长焖井时间。     

用钛酸正丁酯合成钛交联层柱蒙脱土的研究

以提纯钠化后的精制钠基膨润土为基质(d_(001)=1.28 nm),以钛酸正丁酯[Ti(n-C_4H_9O)_4]为钛源,制备了一系列钛交联层柱蒙脱土(Ti-PILCs)；并对Ti/土比、H/Ti(摩尔比)等主要合成条件进行了考察。XRD检测结果表明,当Ti/土=15 mmol/g,H/Ti=2.5 mol/mol,c(HCl)=5 mol/L,室温下交联,可制得层间距d_(001)值达3.59 nm的Ti-PILCs,且比表面可达409.1 m~2/g。     

川南地区龙马溪组页岩高压甲烷等温吸附特征

准确测定页岩吸附气含量对于页岩气储层的评价和开发都具有重要的意义,但目前国内外学者在页岩甲烷等温吸附实验中对模型选择、吸附模式及吸附特征参数的认识上存在着差异,并且对于高压等温甲烷吸附特性的研究较少。为此,在利用N_2/CO_2气体低压等温吸附实验对四川盆地南部地区下志留统龙马溪组页岩孔隙结构特征进行分析的基础上,采用重量法高压甲烷等温吸附实验,选取SDR、Langmuir、BET等3种不同的吸附模型对吸附态甲烷含量进行计算,并对样品甲烷吸附特征进行研究。研究结果表明:①页岩在0～50 nm孔径区间内比表面积分布具有双峰特征,孔体积分布具有三峰特征,较之于中孔,微孔比表面积发育较好,而其孔体积和非均质性均弱于中孔(D_1D_2);②3种模型中SDR和Langmuir模型的计算结果与实测值平均误差均小于6%,甲烷分子主要以单分子层与微孔充填吸附模式共存于页岩孔隙内;③在高压深埋藏情况下,温度是影响吸附态甲烷吸附量和密度值的主要因素,但热力学参数、孔隙结构、非均质性等也会对吸附态甲烷密度造成一定的影响;④低压阶段甲烷分子优先以单分子层形式吸附于吸附能较高、比表面积较大的孔径介于0.4～0.8 nm的微孔中,随后大部分甲烷分子以微孔充填与单分子层共存的形式吸附于孔径介于1.4～8.0 nm的微孔与中孔中,高压阶段极少部分甲烷以多分子层形式吸附于中孔及宏孔中。     

钻井液造壁性对固井质量的影响

为更真实地考察水基钻井液与固井质量的关系，建立了评价固井第二界面胶结强度的新方法——人造岩心法。通过测定在聚磺钻井液中浸泡24h形成吸附层的铁棒和高温高压滤失实验后形成滤饼的人造岩心经3种不同方式处理后形成的第一、第二界面胶结强度，得出了造壁性影响固井质量的一般规律。研究表明，对铁棒上的吸附层和人造岩心上的滤饼进行部分清除后，两界面的胶结强度均高于未处理的铁棒和岩心与水泥浆的胶结强度；对铁棒和岩心采用特制的冲洗液进行冲洗后，两界面的胶结强度大为改善，比清除部分吸附层和虚滤饼的铁棒和岩心与水泥浆的胶结强度还高。     

渣油亚组分及其形成的胶粒颗粒尺寸的研究

 根据球形分子模型，采用特性粘度法和密度法计算了渣油亚组分(沥青质、胶质、芳香分)分子的颗粒直径；构筑了渣油中沥青质胶粒(胶团)模型，并据此计算了沥青质胶团尺寸。结果表明，采用特性粘度法，溶剂胶党性对测定沥青质大分子直径有影响，以甲基萘和苯为溶剂测定选择性粘度，关联出的沥青质分子直径分别为3.52~4.34nm和3.93~4.96nm。采用密度法计算得到的沥青质分子颗粒直径为2.39~2.79nm。大分子缔合作用对测定分子颗粒尺寸有影响。采用两种方法计算胶质、芳香分小分子颗粒直径均不受影响，分别约为1.60nm和1.25nm。渣油亚组分构成的胶团颗粒随着加氢处理深度的增加呈变小的趋势，73.3%质量分数的沥青质大分子转化成小分子。     

气体钻井地层动态出水量预测计算模型

气体钻井地层出水容易导致井眼清洁困难、井壁失稳等井下复杂问题。为了准确预测气体钻井打开水层过程中的地层动态出水量,综合考虑了非稳定渗流对地层压力分布的影响和水层被打开的程度,建立了气体钻井地层动态出水量定量预测计算模型。采用该模型的计算结果表明:1钻开水层的厚度小于井径、钻头进入水层但未完全钻穿水层、钻头部分钻穿水层而未完全脱离水层时,出水量主要受水层打开程度的控制,水层打开程度越高出水量越大,在钻头完全钻穿水层时出水量达到峰值,该时间段较短,出水量大,应当严密监测,以便在钻井过程中及早发现水层;2完全钻穿水层后,出水量主要受到地层非稳定渗流的影响,随着地层压力的衰减,地层出水量随之衰减,最终趋于稳定,该稳定值为气体钻井适用性地层筛选和转换钻井方式时机的参考值。现场随钻监测验证结果表明,井口返出气体的湿度变化规律与计算结果相吻合。结论认为,该模型能更真实地反映地层出水量的实际变化情况,为气体钻井适用性地层筛选和转换钻井方式时机提供了理论依据。     

壬基酚聚氧丙烯醚硫酸盐-Na2CO3-桩西原油体系的油-水动态界面张力

 合成了壬基酚聚氧丙烯醚硫酸盐(NPPS)表面活性剂。以NaCl质量分数0.5%的盐水为模拟地层水， 分别配制了NPPS、Na₂CO₃及Na₂CO₃-NPPS复配物与桩西原油的混合体系，测定了体系的油-水动态界面张力。结果表明，单独使用Na₂CO₃或NPPS都无法使盐水-桩西原油体系的油-水界面张力降到0.01mN/m以下。采用NPPS与Na₂CO₃复配，协同效应明显，当体系中Na₂CO₃的质量分数大于0.35 %时，仅需质量分数0.0025 %的NPPS，体系油-水界面张力即可以降至10 ^-4 mN/m以下。     

磁化水在多孔介质中渗流的计算机模拟

建立了磁化水分子间的相互作用位势模型,用蒙特卡罗计算机模拟方法,通过计算外加磁场对水的内能的影响,从分子水平定量研究了磁处理前后水的粘度及表面张力的变化,讨论了磁化水在多孔介质中的渗流速度和磁增注效应.研究表明,水的磁效应与磁感应强度的关系是多极值函数关系;在优选的最佳磁场强度范围,磁化水内能的绝对值减小,磁化水的粘度及表面张力显着降低,磁处理具有显着的降粘效应和增注效应.计算机模拟也表明磁处理水径向分布函数的第二伴峰明显升高,即磁场处理能引起水系统微观结构的改变.计算结果与实验结果基本一致.     

振动注水对套管、水泥环及地层影响的计算研究

为了评价振动注水对套管、水泥环及地层的影响,基于所给出的套管及水泥环在地层状态的简化力学模型和弹性力学理论,给出了套管、水泥环、地层的轴对称应力分布公式。根据套管内壁面、套管与水泥环接触壁面、水泥环与地层接触壁面存在的应力关系,推导出弹性体相接触时的应力数学模型,并对该数学模型进行求解。依据材料力学理论和振动注水的注入压力随时间变化的简化曲线进行了工况分析,选取适当参数计算出不同内压作用下套管、水泥环、地层岩石中最大应力,得出了在交变注水压力作用下套管、水泥环、地层岩石中的最大应力随注水压力变化的关系曲线。最后得出结论――振动注水所产生的脉动压力不会对套管、水泥环及地层造成损坏。     

鄂尔多斯盆地中部石炭－二叠系两类三角洲沉积机理探讨

鄂尔多斯盆地中部石炭二叠系发育曲流河浅水海相三角洲和网状河浅水湖泊三角洲两种类型的三角洲.这两类三角洲与经典的三角洲模式不同的是,三角洲前缘水下分流河道砂体和三角洲平原分流河道砂体分别构成了曲流河浅水海相三角洲和网状河浅水湖泊三角洲的骨架砂体,而不是传统认为的三角洲前缘河口砂坝.控制石炭二叠系两类三角洲发育的主要是河流类型、地形坡度、水体深浅、不同水体密度差及河流沉积作用和湖泊的分散作用等.曲流河浅水海相三角洲主要发育于曲流河水系,沉积物较细,地形坡度平缓,喷流机制为似等密度流,水体密度较大,以河流、波浪和潮汐作用为主;网状河浅水湖泊三角洲主要发育于网状河水系,沉积物较粗,地形坡度较小,喷流机制属高密度流,水体密度较小,湖泊分散作用较强,沉积作用相对较弱.根据两类三角洲的特征分别建立了它们的沉积模式,并指出曲流河浅水海相三角洲前缘水下分流河道砂体及网状河浅水湖泊三角洲的平原相带呈透镜状或带状分布的分流河道砂体是有利的勘探方向和目标.