| 鉆井泥漿膨潤土的實驗與研究 |
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| 發布時間：2019-04-16 點擊：-次 |
鉆井膨潤土的實驗和研究
膨潤土是一種以蒙脫石為主的粘土。蒙脫石是由兩層Si-O四面體中夾一層Al-(O，OH)八面體為構造單元組成的層狀硅酸鹽礦物。其結構有兩個特點[1] ：①晶層間靠范德華力聯結，這種作用力較弱；②四面體中部分Si4+ 可被Al3+ 取代，八面體中的Al可被Fe、Mg、Zn等離子取代，使晶層平面上帶負電。前者使水分子易于進入晶胞層間發生膨脹；后者使粘土顆粒表面能自發地吸附反電荷離子(陽離子)形成絡合物或有機、無機復合物。當膨潤土分散于水中時，由于表面吸附的陽離子在溶液主體中的濃度較低，它們有自晶層表面向外擴散的趨勢；另一方面，它們又受帶電晶層的靜電吸引。這兩個相反趨向的結果，使粘粒晶層外表面形成擴散雙電層，并呈大氣狀分布[2] ，堆疊晶層間的陽離子則限制在面對面晶層表面中間的狹窄間隔內。
由于膨潤土特定的層狀結構，使其具有較大的比表面積，因此具有較強的吸附性，同時由于有親水基團OH-的存在，在水溶液中具有優良的分散性、懸浮性及粘結性，在一定濃度范圍內，表現出優良的觸變性[3] 。即在有外加攪拌時，懸濁液表現為流動性很好的溶膠液，停止攪拌后會自行排列成立體網狀結構的凝膠，而不發生沉降和水析離。這種特性，特別適于配制鉆井泥漿。
無論石油鉆井、還是地質勘探鉆井，都大量用膨潤土為主要原料配制鉆井泥漿，用以保護井壁、上返巖屑、冷卻鉆頭等。膨潤土是鉆井泥漿的基本材料，世界上鉆井年用量約150萬t，我國為15～20萬t[5] ，由于我國石油工業的發展對鉆井液用膨潤土需求量逐年增加，目前，國內高品位鉆井液用膨潤土產量遠遠供不應求，膨潤土在石油鉆井方面應用前景廣闊[6] 。
膨潤土提供泥漿以基礎性能，因此，膨潤土質量的好壞，直接影響其他化學處理劑的性能發揮和消耗量，更影響井內安全和鉆進速度。國外對鉆井用膨潤土給予極大的重視，幾乎全部應用優質的膨潤土，并已規范化，國際通用API(美國石油學會)和OCMA(歐洲石油公司材料協會)兩個標準。符合API或OCMA標準的產品，才能進入商品市場。API標準較OCMA標準要高，滿足API標準，同時也就滿足了OCMA標準。API標準如表1所示[7] 。
2??原礦物質組成與性能
2.1?礦物組成及結構特點
試驗所用礦石樣品采自湖北鄂州某礦，該礦產于安山巖系中，是由珍珠巖蝕變而成的鈣基膨潤土，原礦通過顯微鏡觀察，同時結合XRD分析可知：蒙脫石晶層間距d?(001)為1.472?5nm，屬較典型鈣基膨潤土。原礦礦物組成(%)為：蒙脫石85，石英2，斜長石4，黑云母5，赤(褐，磁)鐵礦3，其他<1。礦石為土狀結構，松散的塊狀構造，礦石有滑感，蠟狀光澤，質地細膩，容易破碎。2.2?化學成分 礦石的化學成分分析結果(%)為：SiO262.63，Al2O316.31，TFe2O32.55，MgO3.95，CaO2.06，Na2O0.46，K2O0.73，TiO20.54，P2O50.04，MnO0.09，S0.01，燒失量10.45。可以看出，礦樣的CaO與MgO含量均高于Na2O和K2O，呈現鈣基膨潤土的特征。
2.3?原礦物化性能
通過分析原礦的吸藍量、膠質價、膨脹容等性能，可以判斷礦樣蒙脫石含量和屬型，測試原礦的粘度計讀數(600r/min)和濾失量，為確定膨潤土的加工方式提供依據。礦樣各性能指標測試結果見表2
由表2可知，無論是粘度計讀數還是濾失量，原礦都處于較低水平，為提高該礦泥漿性能，使用前必須進行鈉化改性處理。
3??試驗過程 原礦技術指標不能達到鉆井液用膨潤土標準，不能直接配制生產鉆井泥漿。我們考慮通過兩種途徑提高膨潤土鉆井液指標：①通過鈉化改性，增加膨潤土中可交換陽離子的數量，以使原土溶于水后增加親水基團數目，從而有效提高粘結性；②加入某種或多種增效劑來改變原土的品質，以達到指標要求。
試驗步驟如下：先通過手選除去巖石碎屑及大顆粒的石塊，再晾曬破碎至15mm以下，含水15%左右，采用加干堿方式加堿3.0%～5.0%，加水24%左右，對輥擠壓次數為3次，對輥間距<3mm進行鈉化改性[8] ，分別在鈉化改性同時及其后加入苛性鈉、高分子聚合物進行增效，最后經過烘干、磨粉等步驟制得成品。3.1?鈉化改性 采用差速對輥擠壓設備對試樣進行鈉化改性，通過一定時間的擠壓可以使膨潤土得到良好的改性，在擠壓過程中，不但有較大的擠壓應力，而且可使層狀蒙脫石受兩個輥子較大的剪切力而剝片，大大提高鈉化效果[9]。另外，差速對輥還具有使濕膨潤土泥餅少沾輥的優點。 本次試驗條件為：水分為24%左右，擠壓次數為3次，對輥間距<3mm。本試驗只對加堿量因素進行考察，以確定鈉化改性對于鉆井泥漿土性能提高的可行性。測試結果見表3。
由表3可知，隨Na2CO3用量的增加，粘度計讀數有一定的變化，濾失量也隨著降低，但是變化幅度不大，不能達到鉆井泥漿土的標準要求。綜合上述結果，最佳堿量的選擇確定為4.0%。鑒于以上結果，考慮采用第二種方案，即加入一定量的增效劑，以提高鉆井泥漿用膨潤土性能。
3.2?增效劑對鉆井泥漿土性能的影響
膨潤土對增效劑有選擇性，增效劑對化學組成不同的膨潤土所起增粘、降濾失作用不盡相同；有的降粘，有的降濾失，有的同時增粘降濾失，有的不起作用[10] 。對于適宜的增效劑而言，隨增效劑加量增多，所起增粘降濾失的作用增強。在使用單一增效劑而泥漿性能不達標時，可考慮使用兩種及以上增效劑。
濾失量大，則石油鉆井時井壁易脫落、坍塌，井徑縮小，甚至形成阻卡等復雜的井下情況，從而提高鉆井成本。此外，還會污染地層，為采油作業留下后患。高分子降濾失劑作用有兩種形式[7] ：一是高分子物質遇水產生溶脹作用，堵塞孔隙，如預膠化淀粉在水中形成的凝膠狀物，羧甲基纖維素鈉鹽、羧甲基淀粉和其他能蜷曲的大分子水化后也能形成大分子堵塞性顆粒；二是吸附在粘土上的大分子在泥餅空隙中伸展，形成網絡，阻擋了水的通過。降濾失劑高分子本身的堵塞作用使泥餅更加密實，有效地降低了泥餅的滲透率，從而降低了鉆井泥漿用膨潤土的濾失量。
在最佳鈉化改性條件下，經過大量試驗研究，確定在膨潤土中加入兩種增效劑：苛性鈉與高分子聚合物X。 3.2.1?原礦鈉化階段增效劑影響 將增效劑加在鈉化改性階段，與堿同時對于膨潤土進行鈉化增效改性，樣品測試結果見表4。
由表4可以看出，當只添加單一增效劑高分子聚合物時，濾失量有一定的下降，但是下降幅度不明顯，同樣，粘度計讀數也不能達到鉆井泥漿用膨潤土的指標要求。可能是由于增效劑在原礦鈉化階段，由于堿及水的影響，分散不夠均勻，高分子聚合物遇水呈不分散的絮凝態，在整個對輥鈉化過程中，不能充分發揮其應有的效果。也可能由于在鈉化后涉及烘干粉磨步驟，高分子聚合物不耐溫，長時間或高溫度的操作影響了增效劑的效果。
3.2.2?改性后成品中增效劑的影響 鑒于以上試驗結果，我們改變思路，將增效劑加在改性后成品中進行試驗研究，測試結果見表5。
對表4、表5結果，可以很明顯看出，增效劑加在改性后成品中，造漿效果有明顯的改善，隨著苛性鈉添加量的增加，樣品粘度迅速上升，因為當有鈉鹽存在時，加入苛性鈉，電離出的OH- 離子吸附在粘顆粒邊緣斷面上，使得邊緣斷面電性反轉呈負電性，可以吸附更多的Na+ 離子，這樣增厚了晶層表面的雙電層，即增強了分散，因而表現為粘度上升。 表5結果顯示，濾失量也隨之下降，這是由于高分子聚合物在粘土表面吸附的結果，給粘土顆粒帶來吸附水化層，使得粘土顆粒不易相互接觸而粘結。當高分子聚合物的濃度達到一定值后，每個吸附有粘土細顆粒的大分子鏈還通過細粘土顆粒之間的橋接，形成布滿整個體系的網狀結構，起到穩定空間位置的作用。
隨著苛性鈉的增加，粘度上升，但濾失量也有一定的上升，當兩種增效劑配比達到1.2∶1.0時，粘度與濾失量均可以達到API標準的要求，滿足鉆井液用膨潤土一級土指標。同時考慮成本，我們選擇兩種增效劑的添加比例為1.2∶1.0。4??結論 (1)?湖北鄂州膨潤土用于生產鉆井泥漿土的最佳工藝為：鈉化劑Na2CO3加入量為4.0%，水分為24%，差速對輥擠壓3次，輥間距<3mm，制得改性成品后加入增效劑苛性鈉1.2%，高分子聚合物1.0%，可生產出優質鉆井泥漿用膨潤土。
(2)?湖北膨潤土層電荷較高，在原礦鈉化階段添加增效劑后，鉆井泥漿性能明顯劣于改性后添加，而且，靜置一定時間段后容易出現分層現象，說明，湖北膨潤土要想達到較好的造漿效果，增效劑宜添加在改性成品中，若加在烘干后，宜在粉磨前添加于物料。
