作者：周小玲,孟祥江
出版社：石油工业出版社
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油田化学试读：
前言
油田化学是用化学的手段与方法，研究解决油气勘探、开发、储运包括钻井、完井、采油、增产、改造、集输、管输各工程环节相关问题过程中，所形成的化学工程应用技术与化学产品技术的总称。油田化学技术是石油工程技术中的关键技术之一。油田化学品包括钻井液化学品、固井化学品、井下采油化学品、提高采收率化学品、集输化学品、水处理化学品、防腐化学品等化学助剂，它作为保障石油开发目标实现和石油生产安全的重要战略物资，不仅具有高新技术特点，而且具有不可替代的作用。
本书共分为九章。第一、第二章介绍了与油田化学密切相关的表面现象和胶体化学基础知识以及表面活性剂与高分子的基础知识；第三、第四、第五章着重介绍和讨论了钻井化学，包括钻井液化学、水泥浆化学（固井液化学）、完井液化学的基础知识，应用中的常见问题与工艺性能控制方法，相关化学品的性能与应用；第六、第七章着重介绍和讨论了采油化学，包括油水井化学改造、化学驱油理论概念及方案、应用中的常见问题与工艺技术解决方法、相关化学品的性能与应用；第八章着重介绍和讨论了集输化学，包括油气管输化学处理、油气水分离及其化学处理、集输设备防腐化学处理等领域的理论概念及方案，应用中的常见问题与工艺技术解决方法，相关化学品的性能与应用；第九章是为提高对关键问题的理解及知识的掌握编写的相应实验。
本书是作者依据自己历年针对高职技术学院相关专业授课讲义，参考国内已出版的有关专著，并结合现场应用实践，吸纳国内外有关研究最新进展编著而成的。由于作者水平所限，书中难免存在疏漏和不当之处，敬请读者批评指正并提出宝贵意见。编 者2010年5月绪论一、概念与基本内容
使用化学的手段研究和解决各应用领域化学问题的科学统称为应用化学。在油气开发、使用等应用领域，使用化学的手段研究和解决该领域化学问题的科学称为油气应用化学，其包括三个子学科：研究油气勘探开发相应各环节，钻井、采出和集输过程中化学问题的油田化学；研究以石油为原料进行炼制深加工过程中化学问题的石油化学；研究以天然气为原料进行深加工过程中化学问题的天然气化学。20世纪60年代，在国际石油界首先出现了“油田化学”（oil field chemistry）这一名词。目前已广泛应用到石油地质、钻井工程、油藏工程、采油工程、油气集输工程以及微生物工程等各个领域，是油气应用化学领域的一支新兴边缘学科。
油田化学是用化学的手段与方法，研究、解决油气勘探、开发、储运包括钻井、完井、采油、增产、改造、集输、管输各工程环节相关问题过程中，所形成的化学工程应用技术与化学产品技术的总称。油田化学技术是石油工程技术中的关键技术之一。油田化学品包括钻井液化学品、固井化学品、井下采油化学品、提高采收率化学品、集输化学品、水处理化学品、防腐化学品等化学助剂，它作为保障石油开发目标实现和石油生产安全的重要战略物资，不仅具有高新技术特点，而且具有不可替代的作用。
油田化学包括钻井化学（研究钻井液、固井液与完井液中的化学问题）、采油化学（研究提高原油采收率中的化学问题）、集输化学（研究地层采出液中油、气、水分离及处理过程，油气输送过程与埋地管道腐蚀中的化学问题）三部分。
油田化学按研究与解决问题不同，其内容包括三个方面：一是研究油气田开发钻井、采油、集输过程中所涉及化学问题的本质原因及规律；二是针对存在问题，研究作用机理并设计适用的油田化学品；三是研究油田化学品的协同效应与最优使用条件及方法。二、油田化学的特点（1）油田化学是一门新兴的综合性应用科学。随着石油工业的发展和科学技术的进步，油田化学品和油田化学应用方法在石油工业中的使用日益广泛，油田化学品新品种的研制和应用技术的研究，在国际上越来越受到重视。油田化学技术的研究和开发需要多种学科的交叉和配合。由于油田化学以石油工程（如石油地质学、油藏物理、钻井工程和采油工程等）、化学（如有机合成、表面与胶体化学和高分子化学与物理学等）、化工（如流体输送、传热和传质过程、反应工程等）为基础，并涉及腐蚀工程、环境保护工程及微生物学等学科，因此油田化学是一门需要多种学科知识的新兴应用学科。（2）油田化学针对性强，为适应油田地层条件的不同和原油组成的差异性，形成的油田化学品种类繁多。若按油田化学品的用途来分类，主要有钻井液处理剂、油井水泥外加剂、酸化压裂添加剂、井下采油处理剂、集输处理剂、水处理剂、三次采油化学剂等。据不完全统计，世界各国仅钻井液处理剂就有18类，2606个品种。虽然在油井水泥中，其外加剂的加入量小于或等于5%，但其产品也有13类，216个品种。近些年来，我国油田化学品已有了迅速发展，生产厂达300余家，产品品种约有500个。仅在我国油田目前已采用的25种堵水剂和18种调剖剂的配制液中，就需要106种化工产品，在酸化压裂过程中所需的添加剂也达40多种。（3）油田化学是一个复杂的系统工程，不仅要考虑油田化学品对地层、油层的配伍性及针对性，同时必须和施工工艺技术方法结合起来。由于油田化学的多学科性，给油田化学品的研制和使用带来了复杂性，加之影响室内模拟试验和单井试验的因素较多（如油田化学品的性能和施工方法及工艺条件等），研制油田化学品与创新工艺技术的周期较长。（4）油田化学与油气层保护紧密相关。油田化学技术在油田开发、提高原油采收率和降低成本等方面发挥了显著作用，但如果对其应用不当，必将造成重大损失和影响。（5）油田化学具有高新技术特色。油田化学作为一门新兴的应用学科，越来越呈现出诸多高新技术的特点。纳米技术、生物技术与信息技术一起，被誉为21世纪的三大高新技术。纳米技术、生物技术在油田化学技术中的应用越来越广泛；化学成膜理论、表面与界面理论、智能聚合物理论、生物聚合物等理论，都是当今物理化学、表面化学、高分子化学、生物化学等领域的研究热点，体现出较多的高新技术特点。三、油田化学与其他学科的关系
油田化学本身就是关于油田化学工程应用技术与油田化学品技术的综合科学，因此与其他学科有着紧密的联系，具体如下：（1）油田化学面对地层、油气层的针对性特点，决定了它与地质学尤其是油藏地质、粘土矿物学的关系。（2）油田化学是用化学的手段认识与解决相关问题，因此无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、表面化学、胶体化学、生物化学、环境化学等学科均是本学科的基础。（3）油田化学的应用技术特点，决定了它与各工程学科，如钻井工程、采油工程、集输工程、油藏工程、防腐工程、水处理工程等工程学的关系是密切相连、互为基础的。（4）油田化学是通过油田化学品的有效使用来解决相关问题，因此高分子化学、高分子合成、化工等专业学科自然成为油田化学又一重要基础。第一章表面现象和胶体化学第一节表面张力
表面是指体系中两相接触的界面。根据两相的物理状态不同又分为气液界面、气固界面、液固界面、液液界面等。通常把两相中有一相为气相的界面称为表面，但习惯上也常将界面称为表面。表面现象是指发生在表面上的一切物理现象和化学现象，表面现象是自然界普遍存在的基本现象。
某些体系的表面积（界面积）相对于其质量是非常大的，如喷洒液体农药形成的气液界面、化工生产催化反应中催化剂与反应物之间的界面、钻井液中粘土与水的固液界面、在油气层中天然气与地层油或地层水间的气液界面、地层油与地层水之间的液液界面等，由此产生的表面现象对体系物理化学性质的影响是不能忽略的，尤其对油田中的钻井、采油和原油集输等过程有很大的影响。一、表面张力1．表面张力的概念图1-1 气液两相界面分子受力图
在两相接触面上，相内部分子和相表面分子周围的环境是不一样的，相内部分子受周围相同分子的作用力是对称的，但相表面分子受内部分子的作用力与另一相分子的作用力，因此表面层的性质与内部不同。例如气液表面（图1-1）受到液体内部分子的吸引力比从空气分子方向受到的吸引力强，因此液体表面的分子受到一个垂直向内的净拉力，在这种净拉力的影响下，处于液体表面的分子倾向于到液体内部，所以液体表面倾向于收缩。要扩大表面，就要把内部分子移到表面上来，这就需要克服净拉力做功。所做的功转变为表面分子的势能，因此表面分子的能量总比内部分子的能量高，这相差的能量叫表面能。显然，表面积越大，表面的分子越多，需做的功也越多，所以表面能US与表面积A成正比，即
若以σ作比例常数，上式可以写为
或写成表面能的增量，即
ΔA是表面积的增量。由式（1-1）和式（1-2）可以得到
式（1-3）中的比例常数σ为增加单位表面积体系所增加的表面-2能，σ称为比表面能，它的单位为J·m。从另一角度理解式（1-3），-1σ的单位也可表示为N·m，即σ为垂直于单位长度作用线上的表面紧-1缩力，因此σ又称为表面张力，单位为N·m。2．表面张力的方向
表面张力为表面上的紧缩力，因此对于平面，表面张力的方向是垂直于作用线因而在平面上；对于弯曲面，表面张力的方向是垂直于作用线并与弯曲面相切。3．影响表面张力的因素
表面张力是体系的物理性质，与体系的温度、压力及相界面的性质等有关。（1）温度。
表面张力随温度的升高而减小。这是因为温度升高体系的体积膨胀，分子间的距离增加，分子间吸引力减小，因此表面分子所受到的净拉力减小。（2）压力。
对于气液界面，表面张力随压力的增加而减小。这是由于压力增加，气体分子间的距离缩短，从而增加了气体分子对液体表面分子的吸引力，所以表面分子所受到的净拉力减小，因此表面张力下降。压力对液液界面、液固界面的表面张力影响很小。（3）相界面的性质。
表面张力与相界面的性质有关。因为不同的物质具有不同的分子间作用力，使表面分子所受的作用力不同，因而表面张力不同。相界面两相的性质相差越悬殊，表面张力越大。-1
例如25℃时，σ（HO－空气）＝72.0mN·m，σ（HO-苯）＝22-132.6mN·m。二、弯曲液面的附加压力1．弯曲液面的附加压力
在表面张力的作用下，当液面处于弯曲时，其表面所受的压力与平液面是不同的，如图1-2所示。图1-2 弯曲液面的附加压力
当液面为平面时，如图1-2（a）所示，其表面张力σ的方向是水平的，平衡时表面张力互相抵消，这时液体表面内外压力相等。当液面为弯曲时，如图1-2（b）、图1-2（c）所示，其表面张力σ指向弯曲液面的切线方向，平衡时表面张力将有一合力Δp，称为附加压力。如果液面呈凸面，附加压力Δp指向液体内部［图1-2（b）］；如果液面呈凹面，附加压力Δp指向液体外部［图1-2（c）］。这时液体表面内外压力不相等，即2．附加压力的计算——拉普拉斯公式
弯曲液面的附加压力Δp与表面张力和弯曲液面的曲率半径有关。图1-3为一液滴，其半径为r，液滴表面内外的压力分别为p、p内，若液滴体积增加dV，表面积增加dA，则外图1-3 液滴的附加压力
体系对环境做功δW：δW＝pdV11内
环境对体系做功δW：δW＝pdV22外
由于表面积的增加使液滴的表面能增加dU，故S
Δp为附加压力。据式（1-2）有322
而dV＝d（4/3πr）＝4πrdr，dA＝d（4πr）＝8πrdr，代入整理得
式（1-4）称为拉普拉斯（Laplace）公式。可见，表面张力越大，曲率半径越小，附加压力越大；反之，附加压力越小。从式（1-4）可得到以下几点：（1）若液面为凸面，则r＞0，Δp＞0，p＞p；若液面为凹面，内外则r＜0，Δp＜0，p＜p；若液面为平面，则r＝∞，Δp＝0，p＝p内外内。外（2）若为气泡，存在两个气液界面，式（1-4）变为。3．微小液滴的饱和蒸气压——开尔文公式
在一定温度T时，某液体与其饱和蒸气呈平衡
其中p是液体所受的压力，p是饱和蒸气的压力。如果把液体分ls散成半径为r的小液滴，由于附加压力小液滴所受到的压力与平液面所受到的压力不同，为（p+Δp），因此小液滴的饱和蒸气的压力也l会发生改变，小液滴与其饱和蒸气呈平衡
若液体到小液滴过程的吉布斯自由能改变值为ΔG，液体饱和蒸l气到小液滴饱和蒸气过程的吉布斯自由能改变值为ΔG，则g
吉布斯自由能改变值为ΔG
对于液体，忽略压力对体积的影响
对于蒸气，视为理想气体
根据拉普拉斯公式，附加压力，液体的摩尔体积（M是物质的摩尔质量，ρ是物质的密度），所以
式（1-5）称为开尔文（Kelvin）公式。该式说明液滴半径越小，蒸气压力p越大。r第二节表面现象一、润湿
润湿是一种表面现象，发生在液体与固体两相界面之间。当把液体滴在固体表面上时，若液体在固体表面自动展开，则称为润湿；若液体在固体表面不能展开而呈球形状态，则称为不润湿。从体系能量的变化方面来看，由于体系从气固表面变成液固表面，引起体系表面能量的改变：若体系的表面能降低，则称为润湿；若体系的表面能增加，则称为不润湿。在油田开采中润湿是一种很普遍的表面现象，例如油在地层表面是否易于铺开就是一种与润湿有关的现象，这种现象直接与原油的采收率相关；钻井液的配制、驱油剂的选择和各种处理剂的使用都要考虑液体与固体之间的润湿情况。
若将液体滴入固体表面上（图1-4），固体与液体的接触面积为A，液体与固体及气体与固体之间的表面张力分别为σ、σ，则变化过l-sg-s程表面能的增量为
据式（1-1），得：U＝σA，U＝σA，代入上式S始g-sS终l-s图1-4 液滴在固体表面上的状态
若（σ－σ）＜0，ΔU＜0，表面能降低，表示体系中液固表l-sg-sS面能替代气固表面，这个变化过程为润湿。若（σ－σ）＞0，l-sg-sΔU＞0，表面能增加，表示体系中液固表面不能替代气固表面，这S个变化过程为不润湿。衡量液体与固体的润湿程度常用接触角和粘附功。1．接触角（润湿角）
若表面上有一液滴，则接触角（润湿角）是指通过气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。接触角常用θ表示。如图1-5表示的是水和汞与玻璃表面的接触角。图1-5 液体的润湿性与接触角
由于水和汞与玻璃板的润湿性不同，其形状是不相同的。水能润湿玻璃，水在玻璃板上展开；而汞不能润湿玻璃，汞在玻璃板上呈球形状，所以接触角不同。
接触角θ可以根据杨氏（Young）方程计算。图1-6中O点为气液固三相交点，在O点存在三种表面张力：σ、σ、σ，其方向如g-sg-ll-s图1-6所示。当这三种力达到平衡时存在下列关系
式（1-6）称为杨氏（Young）方程。当θ＜90°时，液体对固体能润湿；θ＝0°时，液体对固体完全润湿；当θ＞90°时，液体对固体不能润湿；θ＝180°时，液体对固体完全不润湿。图1-6 接触角的计算2．粘附功
粘附功是指将单位固液界面在第三相中拉开，环境对系统所做的2功，用W表示。若液固接触面积为1m，气液固三相之间的表面张粘力为σ、σ、σ，在气相中液固界面拉开的过程中（图1-7），表g-sg-ll-s面能变化为
而表面能的增量就等于粘附功
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