《钻井液胶体化学》PPT课件

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1、钻井液中的基本胶体化学问题钻井液中的基本胶体化学问题 孙德军孙德军水基钻井液胶体水基钻井液胶体主要组成主要组成 粘土、油滴、水溶性聚合物、粘土、油滴、水溶性聚合物、表面活性剂、电解质等表面活性剂、电解质等主要功能主要功能 悬浮、携带钻屑悬浮、携带钻屑 稳定井壁、控制地层压力稳定井壁、控制地层压力 冷却和润滑钻头、钻具冷却和润滑钻头、钻具 传递水动力传递水动力 获取地下信息获取地下信息“海洋石油981”：第六代深水半潜式钻井平台，总造价近60亿元 该平台长114米，宽79米，面积比一个标准足球场还大；从船底到钻井架顶高度为136米，相当于45层高楼。据测算，世界石油产量中约30%来自于海洋石油，

2、深水油气资源开发正在成为世界石油工业的主要增长点和科技创新的前沿。我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，石油地质储量约为230亿-300亿吨，占我国油气总资源量的1/3，属于世界四大海洋油气聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称，其中70%蕴藏于深海区域。4 山东大学的胶体与界面化学山东大学的胶体与界面化学 钻井液技术的发展钻井液技术的发展 水基钻井液的共性水基钻井液的共性1957年年 国内第二个胶体化学研究室国内第二个胶体化学研究室1983年年 与原石油部共建与原石油部共建“油田胶体化学应用研究室油田胶体化学应用研究室”1999年年 胶体与界面化学教育部重点实验室胶体与界面化学教育部重

3、点实验室山东大学的胶体与界面化学山东大学的胶体与界面化学 建立与发建立与发展展“大庆油田发现不久，他就提出大庆油田发现不久，他就提出钻井泥浆钻井泥浆的表面化学问题，他总是不遗余力的表面化学问题，他总是不遗余力的以自己敏锐的洞察力为祖国建设服务。的以自己敏锐的洞察力为祖国建设服务。”（张存浩院士，化学通报，（张存浩院士，化学通报，2002）傅鹰院士傅鹰院士1.SY/T 5233-91 “钻井液用絮凝剂评价程序钻井液用絮凝剂评价程序”2.聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆,地质出版杜，地质出版杜，19803.聚丙烯酰胺泥浆成分与性能的研究聚丙烯酰胺泥浆成分与性能的研究,地质出版社

4、地质出版社,19814.微乳液理论及其应用，石油工业出版社，19955.表面活性剂及其在油气田中的应用，石油工业出版社，19956.应用胶体化学，科学出版社，1998 7.正电胶钻井液,石油工业出版社,19998.表面活性剂在水泥和沥青混凝土中应用，轻工出版社，20019.表面活性剂在能源和选矿工业中的应用，轻工业出版社，200210.胶体与表面化学（第三版），化学工业出版社，200411.胶体化学，化学工业出版社，2005年12.石油开采中的胶体化学，化学工业出版社，2008年制订的行业标准及相关专著制订的行业标准及相关专著钻井液技术的发展钻井液技术的发展 水基钻井液水基钻井液抑制剂大幅攀升

5、抑制剂大幅攀升大、小阳离子及两性离子聚合物、正电胶、铝化合物胺类甲基葡萄糖苷、聚醚甲酸盐 在持续关注在持续关注正电性处理剂正电性处理剂的同时，的同时，电中性电中性（非（非离子型）处理剂进一步发展。离子型）处理剂进一步发展。clay-freeACCOLADE SystemENCORE SystemINNOVERT SystemINTEGRADE System2.less organophilic clay 油基钻井液油基钻井液中不再使用有机土或用量大幅减少中不再使用有机土或用量大幅减少2006年国外钻井液体系和处理剂分类年国外钻井液体系和处理剂分类-张克勤“水基钻井液：不分散钻井液、分散钻井液、

6、钙处理钻井液、聚合物不分散钻井液、分散钻井液、钙处理钻井液、聚合物钻井液、低固相钻井液、优质水基钻井液、盐水钻井液、高温高压特钻井液、低固相钻井液、优质水基钻井液、盐水钻井液、高温高压特种产品、完井液、裸眼清洁液、钻进液种产品、完井液、裸眼清洁液、钻进液；”国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识-王中华“国内在生产中结合实际情况，借鉴国外新技术，逐步形成了两性离逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等一系列新技术液、聚合醇钻井液等一系列新技

7、术 ”水基钻井液水基钻井液钻井液钻井液水（盐）或油水（盐）或油粘土颗粒粘土颗粒、油油/水滴水滴水水/油溶性聚合物、表面活性剂油溶性聚合物、表面活性剂钻井液的基本问题？钻井液的基本问题？调控调控粒子间相互作用粒子间相互作用维持适度的分散聚结维持适度的分散聚结 抑制与分散的平衡分散介质分散介质水（盐水）油粘土粘土“成也粘土败也粘土成也粘土败也粘土”（既要利用又要控制）（既要利用又要控制）指在分散介质的pH值为7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。影响因素包括粘土矿物的本性、粘土的分散度、分散介质的酸碱度。钻井液中膨润土含量的测定（钻井液中膨润土含量的测定（亚甲蓝法亚甲蓝法）钠土、钙土等钠土、钙

8、土等盐水浆中盐水浆中pH降低降低钙土的人工钠化钙土的人工钠化处理剂的吸附处理剂的吸附样品分子式钠钙钠钙摩尔比摩尔比钠蒙脱土（提纯）(Si3.79Al1.57)(Na0.934Ca0.050)(Mg0.414K0.038Ti0.018Fe0.40)O10(OH)218.68:1土耳其土（未提纯）(Si3.89Al1.15)(Na0.32Ca0.198)(Mg0.17K0.07Ti0.01Fe0.20)O10(OH)21.61:1怀俄明土（提纯）(Si4.10Al1.69)(Na0.37Ca0.13)(Mg0.29K0.033Ti0.008Fe0.27)O10(OH)22.85:1蒙脱土的钠钙比蒙

9、脱土的钠钙比水基钻井液中的油相水基钻井液中的油相主动混入或钻遇？主动混入或钻遇？原油（沥青）乳化、磺化沥青白油聚醚类18 35nm 1m 粗乳液粗乳液纳米乳液纳米乳液微乳液微乳液粒径粒径1-10 m50-500 nm10-100 nm乳化剂浓度乳化剂浓度低中中高外观外观不透明透明、半透明或透明、半透明或乳白色乳白色透明、半透明稳定性稳定性不稳定长期动力学稳定长期动力学稳定热力学稳定纳米乳液、粗乳液和微乳液的对比纳米乳液简介纳米乳液简介本质本质：热力学不稳定，体系性质依赖于组分混合方式和顺序199.69.810.010.210.410.610.811.011.2120140160180200 I

10、nitial average diameter/nmHLB number 乳液的初始粒径随着HLB值的变化最佳最佳HLB值值20乳液滴的zeta电位随着pH值的变化,S=5 wt%,O=20 wt%,T=167.07.58.08.59.09.510.010.5-70-60-50-40-30 zeta potential/mVpHZeta电位电位21正电纳米乳液的制备正电纳米乳液的制备两步法制备正电纳米乳液-1012345-40-2002040608010004080120160200240Rmean/nm /mVwt%CTAB乳液Zeta电位和平均粒径随CTAB浓度的变化 0100200300

11、40050060070080090010000.000.050.100.150.200.250.30G()Rh/nm 0%CTAB 0.04%CTAB 0.12%CTAB 0.15%CTAB 4%CTAB不同浓度CTAB乳液的粒径分布22一步法制备正电纳米乳液一步法制备正电纳米乳液0.00.10.20.30.40.5-40-30-20-100102030405050100150200250300Rmean/nmzeta potential/mV CTAB（wt%）不同CTAB加量时zeta电势和平均粒径 01002003004005006007008000.00.10.20.30.40.50.

12、60.7Rh/nmG/()0.0%CTAB 0.05%CTAB 0.1%CTAB 0.2%CTAB 0.25%CTAB 0.3%CTAB 0.5%CTAB不同CTAB加量时的粒径分布015304504080120160 diameter/nmtime/day微乳稀释法制备的正电纳米乳液微乳稀释法制备的正电纳米乳液 微乳液中微乳液中1.5 wt%D230对纳米乳液粒径的影响对纳米乳液粒径的影响5060708090120150180210 diameter/nmTemperature/oC稀释温度对乳液粒径和稳定性的影响稀释温度对乳液粒径和稳定性的影响 PIC法制备的正电纳米乳液法制备的正电纳米乳

13、液 012345-60-40-20020406002468101214 pH zeta petentialzeta potential/mVCTAB concentration/mM pH012345020406080100 in water in oildroplet diameter/nmCTAB concentration/mM乳液在乳液在70恒温放置恒温放置不同时间时乳液的外观变化，由左向右乳不同时间时乳液的外观变化，由左向右乳液中液中CTAB浓度分别为浓度分别为05 mM PIC法制备的正电纳米乳液法制备的正电纳米乳液(a)0 day(b)14 day失稳乳液的再利用失稳乳液的再利用

14、 冷冻前（左）后（右）乳液流动性的变化冷冻前（左）后（右）乳液流动性的变化编号编号所加失稳乳液所加失稳乳液比例比例/%失稳乳液失稳乳液含量含量/gSaa/gOil/gWax/g液固蜡液固蜡比例比例滴加的滴加的水量水量/g乳液性能乳液性能111.121.63.23.21：18与原乳液一致与原乳液一致216.731.42.82.81：171天后分层天后分层316.731.43.931.672：17乳液稳定乳液稳定42541.23.471.332：161天后分层天后分层533.31027.60.44：110乳液稳定乳液稳定633.3102713：1107天内未分层天内未分层所加失稳乳液比例对乳液再生

15、过程的影响所加失稳乳液比例对乳液再生过程的影响 失稳乳液的再利用失稳乳液的再利用 2901234567891234567 swelling height/mmswelling time/h 0.5%emulsion 1.0%emulsion 1.5%emulsion 0.5%emulsion+0.5%KCl 1.0%emulsion+0.5%KCl 7%KCl H2O0.00.51.01.52.02.53.0012345678coefficient of friction/10-2concentration(w/w%)乳液的基本应用功能乳液的基本应用功能降低摩阻降低摩阻抑制粘土膨胀抑制粘土膨胀

16、123456780204060801000.5%emulsion+0.5%KCl1%emulsion+0.5%KCl1%emulsion+0.5%NaCl0.5%emulsion+0.5%NaCl1%emulsion7%KCl0.5%emulsionH2O shale recovery ratio提高钻屑回收率提高钻屑回收率0.00.20.40.60.81.00123456 YP/mPaConcentration/wt%对泥浆结构强度影响小对泥浆结构强度影响小现场应用大约现场应用大约300口井口井 区块：胜利、新疆、中原、江苏、四川区块：胜利、新疆、中原、江苏、四川 等地试验井的类型涵盖了探井

17、、开发井和水平井、定向井、侧钻井、分枝井、大位移井等多类特殊工艺井。为江苏水乡油田等环境敏感区水平井探索出一条新途径。表面活性剂表面活性剂胺（铵）类胺（铵）类聚醚聚醚磺化聚合物的起泡磺化聚合物的起泡聚醚浓度为1时钻井液粘附系数与温度的关系。（CPT82，M1900，EO%50%）40608010012005101520coefficient of friction/10-2temperature已二已二胺胺 NH2(CH2)6NH2 聚聚胺胺乙二醇类乙二醇类 (RO)2NCH2CH2N(OR)2聚聚胺胺类类NH2 CH2CHO xCH2CHNH2R RHOCH2CH2OxyCHCH2OCH3H

18、NH2R+H2ONH3+R+OH-质子化反应：页岩抑制剂页岩抑制剂 胺胺铝盐铝盐 包被剂包被剂 encapsulator 高分子量的部分水解聚丙烯酰胺高分子量的部分水解聚丙烯酰胺 防泥包剂防泥包剂 anti-accretion agent 降滤失剂降滤失剂高性能水基钻井液高性能水基钻井液HPWBM High performance water based drilling mud02468104050607080(mN m-1)Amine-1 浓度(wt%)有机胺水溶液的表面张力012343040506070(mN m-1)聚胺MI浓度(wt%）024681012141618202202040

19、6080100120 吸附量 mg/g平衡浓度g/L no salt 1%NaCl 0.2%CaCl2 1%KClAmine-1在粘土上的吸附曲线 024681012141618050100150200250 吸附量 mg/g平衡浓度 g/L no salt 1%NaCl 0.2%CaCl2 1%KClMI聚胺在粘土上的吸附曲线 电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响 温度和电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响温度和电解质对胺在蒙脱土上吸附的影响 0246810121416050100150200 吸附量 mg/g平衡浓度 g/L 25OC MI 25OC MI（NaCl）15

20、0OC MI 150OC MI（NaCl）02468101214161820220102030405060708090100110吸附量 mg/g平衡浓度g/L 25OC Amine-1 25OC Amine-1(1%NaCl)150OC Amine-1 150OC Amine-1(1%NaCl)Amine-1在粘土上的吸附曲线MI聚胺在粘土上的吸附曲线02468101214161820220102030405060708090100110 吸附量(mg/g)平衡浓度(g/L)未水化MMT 水化MMT蒙脱土水化与否对胺吸附的影响0.00.20.40.60.81.0-20-30-40-50 Am

21、ine-1 Amine-2 Zeta 电势(mV)有机胺浓度(wt%)胺及典型胺及典型阳离子活性剂阳离子活性剂对粘土颗粒对粘土颗粒Zeta电势的影响电势的影响 0.010.1110-60-40-200204060 DTAB TTAB CTABZeta Potential(mv)Concentration of surfactant(mmol/L)+胺插入粘土层间示意图胺插入粘土层间示意图 样品处理层间距胺胺-NaCl胺-KCl胺-CaCl2MI聚胺（）14.0013.6213.7514.17Amine-1（）13.8313.8313.8113.94Amine-3（）17.8217.8516.4

22、216.00NH2R+H2ONH3+R+OH-NH2NH3+NH3+NH3+NH3+NH3+NH2NH3+02468101214167.58.08.59.09.510.0平衡浓度 g/LpH 25oC MI 25oCMI(NaCl)150oC MI 150oC MI(NaCl)02468101214161820228.08.59.09.510.010.511.0 25oC Amine-1 25oCAmine-1(NaCl)150oCAmine-1 150oC Amine-1(NaCl)pH平衡浓度 g/L 温度和电解质对含胺粘土浆温度和电解质对含胺粘土浆pH值的影响值的影响NH2R+H2ONH

23、3+R+OH-条件条件回收质量回收质量(g)回收率(%)蒸馏水蒸馏水2.70井浆加胺前井浆加胺前11.6135.64井浆加胺后井浆加胺后16.9657.04实验条件实验条件:150滚动滚动 16小时小时胺提高井胺提高井浆浆回收率回收率注：注：临临111-X9，井深，井深2330米米(东二段东二段)，加量加量0.35%1.当处理剂分子结构中有较长碳链和季铵盐阳离子基团时，虽然对粘土分散造浆性有极强的抑制能力，但失水偏大，而且起泡多，不适合用作钻井液抑制剂。分子结构中不含长碳链和季铵盐阳离子基团的非离子型有机胺类，有一定降低表面张力和升高粘土浆pH值的作用，对粘土颗粒zeta电势影响不大，因此，在

24、明显抑制粘土分散造浆作用的加量时，对已水化分散泥浆有一定的降粘和降滤失作用，达到一定加量时亦无需加碱提高pH值。2.当钻井液抑制性不足固含、粘切上升急需强化抑制性时，聚合物、正电胶等多数抑制剂“加不进去”，新型的胺类或许是不多的选择之一，可望用于高固含钻井液抑制性高固含钻井液抑制性的提高和粘切调控。胺类抑制剂小结胺类抑制剂小结合成聚合物合成聚合物水基钻井液中高温高盐的影响水基钻井液中高温高盐的影响粘土粘土聚合物处理剂聚合物处理剂-降解、交联、解吸附降解、交联、解吸附高温高盐水基钻井液面临的问题高温高盐水基钻井液面临的问题公司公司名称名称组分组分温度温度CHEVRONDriscal DAM-AM

25、PS-NVP（？）（？）246Clariant Oil Services Hostadrill 4706乙烯酰胺乙烯酰胺-乙烯磺酸共聚物乙烯磺酸共聚物230 BaroidTHERMA-CHEK乙烯酰胺乙烯酰胺-乙烯磺酸共聚物乙烯磺酸共聚物232 M-IDURALONAMPS/N-烷基丙烯酰胺烷基丙烯酰胺204 RESINEX聚合物聚合物-褐煤的混合物褐煤的混合物204 AM、磺化单体、交联单体、磺化单体、交联单体232 BASF polydrill 磺化聚合物、磺化褐煤磺化聚合物、磺化褐煤200 Baker HughesPYRO-TROLAM-AMPS260 部分国外公司的高温处理剂部分国外公

26、司的高温处理剂有无差异有无差异?聚合物水热处理（降解！）后加入泥浆聚合物水热处理（降解！）后加入泥浆聚合物（或溶液）直接加入泥浆聚合物（或溶液）直接加入泥浆实验条件实验条件AVmPasPVmPasYPPaFLFLmlmlpH聚合物降解聚合物降解混合处理混合处理200/16h(盐水基浆盐水基浆)5.52.53.095.095.07.00200/16h*7.06.01.09.0-11.09.0-11.08.44180/16h80/24h4.54.506.0-7.26.0-7.28.57200/16h80/24h2.02.007.0-9.07.0-9.08.68200/24h3.03.009.0-1

27、1.09.0-11.08.4680/24 h（盐水降解盐水降解）7.06.01.07.0-8.07.0-8.08.50200/72h室温室温/24h3.53.507.2 7.2 8.57注：（注：（*）为未）为未“预降解预降解”聚合物对比数据聚合物对比数据 4%盐水泥浆：盐水泥浆：4 wt%粘土粘土+1.5wt%聚合物聚合物聚合物聚合物“预降解预降解”对盐水泥浆性能的影对盐水泥浆性能的影响响2%SSMA 聚合物高温处理对盐水泥浆性能的影响聚合物高温处理对盐水泥浆性能的影响实验条件实验条件AV/mPasPV/mPasYP/PaFL/ml pH聚合物热处理聚合物热处理混合处理混合处理聚合物聚合物N

28、aCl盐水溶液盐水溶液常温常温室温静置室温静置24h后后120/8h4.52.02.5347.68聚合物聚合物NaCl盐水溶液盐水溶液120/8h室温静置室温静置24h后后120/8h5.52.03.5467.51聚合物聚合物CaCl2盐水溶液盐水溶液常温常温室温静置室温静置24h后后120/8h4.52.52.0267.92聚合物聚合物CaCl2盐水溶液盐水溶液120/8h室温静置室温静置24h120/8h2.52.50197.71聚合物复合盐水溶液聚合物复合盐水溶液常温常温室温静置室温静置24h后后120/8h4.52.02.5427.20聚合物复合盐水溶液聚合物复合盐水溶液120/8h室

29、温静置室温静置24h后后120/8h4.52.52.0307.18注：聚合物-粘土分散体系：4.0wt%NaCl+2.0 wt%PSSMA+4 wt%泥浆；0.5 wt%CaCl2+2.0 wt%PSSMA+4 wt%泥浆；0.5 wt%CaCl2+4wt%NaCl+2.0 wt%PSSMA+4 wt%泥浆；氯化钙加入前后聚合物水溶液水不溶聚合物有无降滤失作用？水不溶聚合物有无降滤失作用？聚合物对盐水、复合、饱和盐水基浆滤失量及流变性能的影响聚合物对盐水、复合、饱和盐水基浆滤失量及流变性能的影响 实验条件实验条件AV/mPasPV/mPasYP/PaFL/ml pH聚合物聚合物混合处理混合处理

30、*聚合物水溶液聚合物水溶液 与盐水基浆混合后与盐水基浆混合后200/16h老化老化 6.05.50.511.08.99#聚合物水溶液聚合物水溶液 混入复合盐水基浆后混入复合盐水基浆后200/16h老化老化 11.256.55.758.48.73#聚合物胶乳聚合物胶乳 与盐水基浆混合后与盐水基浆混合后200/16h老化老化 12.05.07.020.08.70聚合物饱和盐水溶液聚合物饱和盐水溶液 饱和盐水基浆混合后饱和盐水基浆混合后200/16h老化老化 9.08.01.09.08.36*组成：4 wt%的泥浆+4 wt%NaCl+1.5wt%聚合物；#组成：4 wt%的泥浆+4 wt%NaCl

31、+0.5 wt%CaCl2+1.5 wt%聚合物；组成：4 wt%的泥浆+30 wt%NaCl+1.5 wt%聚合物。粘度降低能否说明聚合物降解？粘度降低能否说明聚合物降解？低分子量必然是低粘度！低分子量必然是低粘度！低粘度一定对应低分子量？低粘度一定对应低分子量？0123450.51.01.52.02.53.03.5 常温 高温120加热8h 表观粘度/mPaSCaCl2浓度/gL-1不同温度处理后PAMPS水溶液表观粘度随氯化钙浓度变化曲线0123451.351.401.451.501.551.601.65表观粘度/mPaSCaCl2浓度/gL-1 常温 高温120加热8h不同温度处理后P

32、SS水溶液表观粘度随氯化钙浓度变化曲线SSMA（x:y=1:1）PAMPSPSS高温高盐对水溶性聚合物的影响高温高盐对水溶性聚合物的影响 -降解？析出（降解？析出（浊点盐度浊点盐度）？）？注：PAMPS分子量80万PAMPS分子尺寸分子尺寸随随CaCl2浓度和温度的变化浓度和温度的变化0.10.20.30.40.5102030405060 5 4 3 2 PAMPS水动力学直径/nmCaCl2浓度/gL-1 室温20 120下加热8h，放置6h 120下加热8h，放置8h 120下加热8h，放置6d 1 PSS尺寸随尺寸随CaCl2和温度的变化和温度的变化PSSMw=7万0.10.20.30.

33、40.5510152025 PSS有效直径有效直径/nmCaCl2质量分数质量分数/%室温20 120下加热8h，放置6h 120下加热8h，放置8h 120下加热8h，放置6d564008001200160020000.20.40.60.81.01.2钙离子起始浓度C0/mgL-1钙离子在PAMPS上的结合数N 15 120温度对钙离子在PAMPS上结合数的影响温度对钙离子在聚合物上结合数的影响温度对钙离子在聚合物上结合数的影响4008001200160020000.20.40.60.81.0 钙离子在PSS上的结合数N初始钙离子浓度C0/mgL-1 15 60 80 120温度对钙离子在P

34、SS上结合数的影响盐的类型盐的类型聚合物聚合物泡沫体积增加（泡沫体积增加（%）即时测定即时测定静置静置5 min纯水纯水SS:MA=1:100SS:MA=3:15015PSS29000.5%CaCl2SS:MA=1:1275275SS:MA=3:1250250PSS225504.0%NaClSS:MA=1:1225225SS:MA=3:122550PSS29025聚合物盐水溶液的泡沫性能聚合物盐水溶液的泡沫性能注：注：水溶液中聚合物质量分数为水溶液中聚合物质量分数为0.8%PSS饱和氯化钠溶液120/8h 处理前后高温高盐导致聚合物溶解性降高温高盐导致聚合物溶解性降低低高温高盐对典型水溶性聚合物的影响高温高盐对典型水溶性聚合物的影响1.高温高盐导致分子链尺寸变化去水化、电荷屏蔽2.亲水性降低，疏水性相对增加，产生泡沫 与聚醚多元醇升温（亲水性降低）消泡矛盾？聚合物小结与思考聚合物小结与思考p 聚合物在明显析出之前发生了变化聚合物在明显析出之前发生了变化例如，聚醚多元醇例如，聚醚多元醇CMC、CMT p 没有直接测定聚合物高温高盐处理后分子量的变化没有直接测定聚合物高温高盐处理后分子量的变化p 聚合物在粘土上的吸附及温度、盐的影响聚合物在粘土上的吸附及温度、盐的影响