鈣質(zhì)膨潤土基漿流變特性試驗研究

溫文富，曹麗文，唐文穎，王 勇

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

在工程鉆進(jìn)中，一般采用泥漿作為最常用的沖洗液，而泥漿則一般都以膨潤土作為基漿材料［1］。膨潤土基漿的陽離子交換性、膨脹性、吸附性、分散性、流變性、可塑性、黏結(jié)性、膠體性、觸變性、耐火性、潤滑性等［2-3］一系列重要性質(zhì)是研究和配制泥漿的重要性能指標(biāo)，基漿性能的優(yōu)劣和可調(diào)配性直接影響和控制著泥漿的性能。但是，目前人們較熱衷于研究加入處理劑的泥漿的性能，比如，有學(xué)者在鈣(鈉)基膨潤土基漿中加入蘇打和 MgO，探討它們對膨潤土的激活作用，結(jié)果只得出“蘇打和MgO的確能產(chǎn)生顯著的協(xié)同作用［4］”的結(jié)果;而有學(xué)者把鈉羧甲基纖維素加入膨潤土含量不同的基漿中，基于相對觸變面積與總的相對觸變性分析了基漿的流變性，得出一個只適用于局部區(qū)域的剪切速率與剪切應(yīng)力經(jīng)驗公式［5］;還有學(xué)者從礦物學(xué)的角度出發(fā)，采用X射線衍射、差熱分析等物理和化學(xué)分析方法研究了膨潤土顆粒在水中的粒徑、比表面積、膨脹指數(shù)、陽離子交換容量和交換性鹽基，得出有必要從礦物學(xué)角度研究膨潤土基漿流變性的結(jié)論［6］。也有學(xué)者通過膨潤土的有機(jī)改性研究來為其利用提供一定的技術(shù)指標(biāo)［7］，這造價較高。但是，對于膨潤土基漿本身的流變特性，卻很少有人進(jìn)行較為深入的試驗研究，導(dǎo)致在實際的施工鉆進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)盲目配漿、替漿的現(xiàn)象，并由此引發(fā)鉆孔事故，不但造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還產(chǎn)生了環(huán)境污染。針對以上情況，有必要對膨潤土基漿的流變特性進(jìn)行試驗研究，掌握基漿的流變特性和流變參數(shù)與膨潤土加量的關(guān)系，為后續(xù)的配漿和調(diào)漿工作提供更有利的科學(xué)保障。

1 膨潤土基漿配制與試驗方法

1.1 膨潤土的選擇

膨潤土是指比普通可塑性黏土吸收更多的水量(按質(zhì)量計算約5倍)，且體積膨脹顯著(比干燥狀態(tài)約膨脹15倍)，并呈凝膠狀態(tài)的黃綠色黏土［8］。R.E.Grim將膨潤土定義為:膨潤土是以蒙脫石類礦物為主要組分的巖石，是蒙脫石礦物達(dá)到可利用含量的黏土和黏土巖［8-9］。

膨潤土被廣泛用于造漿，因此，本論文選擇膨潤土為研究對象，研究其基漿的流變特性。本試驗采用山東濰坊明輝膨潤土有限公司生產(chǎn)的鈣基膨潤土作為基漿材料，該產(chǎn)品的主要化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)分別見表1、表 2。

表1 鈣質(zhì)膨潤土各化學(xué)成分及其含量

表2 鈣質(zhì)膨潤土各項技術(shù)指標(biāo)

1.2 基漿的配制

1.2.1 最優(yōu)加堿量的確定

配制20 g膨潤土加500 mL蒸餾水的基漿6杯，分別加入膨潤土質(zhì)量2%，3%，4%，5%，6%，7%的無水Na2CO3，攪拌均勻，靜置24 h后，測定基漿的泥漿膠體率分別為 51%，60%，73%，90%，81%，65%，59%，即基漿中無水 Na2CO3的加量為1.0 g時，其膠體率最大，此時對應(yīng)的基漿表觀黏度也最大，失水量較低，因此，可確定最優(yōu)加堿量為土重的5%。

1.2.2 鈣質(zhì)膨潤土基漿的配制

分別取 20 g，30 g，40 g，50 g，60 g，70 g 的鈣質(zhì)膨潤土加入 6個量杯中，取編號分別為 P1，P2，P3，P4，P5，P6;按照最優(yōu)加堿量，分別在各燒杯中加入1.0 g，1.5 g，2.0 g，2.5 g，3.0 g，3.5 g 的無水 Na2CO3;將各量杯加蒸餾水至1 000 g(除去量杯的質(zhì)量)。采用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬?，靜置24 h。

1.3 試驗設(shè)備與試驗方法

試驗所使用的設(shè)備主要有DQJ型低速強(qiáng)力攪拌機(jī)、1002型泥漿比重計、ZLN型標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計、ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計等。

將靜置24 h的各杯基漿，先利用DQJ型低速強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后采?002型泥漿比重計分別測定6杯基漿的密度;采用ZLN型標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計分別測出基漿的漏斗黏度;采用ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計分別測出基漿在 Φ600，Φ300，Φ200，Φ100，Φ6，Φ3轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)，并計算各種黏度和切力。

2 膨潤土基漿流變性研究

2.1 試驗結(jié)果

基漿的密度、漏斗黏度、6種轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)等試驗實測數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 各種配制下鈣質(zhì)膨潤土基漿的密度、漏斗黏度、六速旋轉(zhuǎn)黏度計讀數(shù)

2.2 膨潤土基漿流變性分析

2.2.1 膨潤土基漿流變曲線的確定

流變性是指在外力作用下，液體發(fā)生流動和變形的特征，通常用流變曲線和表觀黏度、塑性黏度、動切力、靜切力等參數(shù)進(jìn)行描述［10］。流變曲線是以剪切應(yīng)力為縱坐標(biāo)、以相應(yīng)的剪切速率為橫坐標(biāo)作圖所得的曲線。流體一般分為牛頓流體、假塑性流體、塑性流體和膨脹性流體等四種基本流型，不同的流體在相同條件下具有不同的流變特征，因此可以用流變曲線對某一種流體進(jìn)行描述。

根據(jù)ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計的工作原理［11］，剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ的計算公式為

式中，N為旋轉(zhuǎn)黏度計各轉(zhuǎn)速(r/min);Φ為旋轉(zhuǎn)黏度計上刻度盤的讀數(shù)值。

由此可以得出膨潤土基漿在不同的剪切速率下剪切應(yīng)力的實測值。根據(jù)表3的試驗原始記錄，計算得出各剪切速率與剪切應(yīng)力的實測值，見表4。

表4 不同的剪切速率下基漿剪切應(yīng)力的實測值 Pa

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，選取配制編號為P3的膨潤土基漿為例，繪制其實測流變曲線圖，見圖1。

圖1 P3配方鈣質(zhì)膨潤土基漿實測流變曲線

由圖1可知，實測流變曲線為一直線，通過與四種基本流體的特征曲線進(jìn)行對比，可初步判斷試驗膨潤土基漿為塑性流體，且符合賓漢方程(式(3))形式。

式中，τ為剪切應(yīng)力(Pa);γ為剪切速率(Hz);ηP為塑性黏度(10-3Pa·s);τd為動切力(Pа)。

根據(jù)賓漢方程可知，剪切速率很小時，動切力很接近剪切應(yīng)力;而且在使用旋轉(zhuǎn)黏度計時低速旋轉(zhuǎn)的誤差較大，故不考慮Φ6，Φ3轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)。

通過理論計算確定不同配制下(除了P3)基漿的剪切應(yīng)力，并將實測和理論計算所得的剪切速率和剪切應(yīng)力繪制成圖，即得 P1，P2，P4，P5，P6各配制下鈣質(zhì)膨潤土基漿的實測和理論流變曲線圖(見圖2)，按式(4)求解各實測點在基漿理論流變直線上的擬合度［12］:

式中，μi為各實測點在基漿理論流變直線上的擬合度;τ1i為剪切應(yīng)力各理論計算值(Pa);τ2i為剪切應(yīng)力各實際計算值(Pa)。

分別求出各實測點在基漿理論流變曲線上的擬合度，然后求平均值，得出 P1，P2，P4，P5，P6 配制下鈣質(zhì)膨潤土基漿實測和理論流變曲線的擬合度分別為87.45%，99.74%，93.50%，96.75%和97.20%。除了P1配制下的曲線擬合度在90%以下，其它都很接近100%，因此，鈣質(zhì)膨潤土基漿實測與理論流變曲線基本一致，驗證了本試驗鈣質(zhì)膨潤土基漿為塑性流體的試驗結(jié)論。

圖2 鈣質(zhì)膨潤土基漿實測與理論流變曲線

2.2.2 膨潤土基漿流變參數(shù)特征分析［13-15］

1)黏度變化規(guī)律

由表3可知，隨著鈣質(zhì)膨潤土含量的增加，基漿的密度逐漸增大，漏斗黏度和六速旋轉(zhuǎn)黏度計的讀數(shù)都逐漸增大。隨著固相含量的增加，固相顆粒也增加，從而顆粒比表面積增大，導(dǎo)致各種黏度變大。

以P4配制下的鈣質(zhì)膨潤土基漿為例，采用表4中試驗所得的實測值，根據(jù)塑性流體流變參數(shù)的理論計算公式 ηp=Δτ/Δγ 和 ηA=τ/γ，計算得出其在不同的剪切速率條件下，表觀黏度和塑性黏度的實測值(見表5)。可見，隨著剪切速率的增大，塑性黏度保持不變，即在膨潤土含量一定的情況下，塑性黏度是個常量，其不會隨剪切速率的增大而變化。而表觀黏度則隨著剪切速率的增大而減小，即對于膨潤土含量一定的鈣質(zhì)膨潤土基漿具有剪切稀釋性。

表5 P4配制下基漿不同剪切速率時的表觀黏度和塑性黏度

再根據(jù)表4實測值，計算相同剪切速率下(取1 020 Hz)條件下，不同膨潤土含量時基漿的塑性黏度和表觀黏度，結(jié)果見表6。隨著膨潤土含量的增大，基漿的塑性黏度和表觀黏度均有增大的趨勢;但是塑性黏度在膨潤土含量變化較小的范圍內(nèi)有個較穩(wěn)定的值，即當(dāng)膨潤土含量 ＜5%時，ηp為3±0.5，當(dāng)膨潤土含量 ＞5%時，ηp為 5。

表6 不同膨潤土含量時的塑性黏度和表觀黏度

2)切力變化規(guī)律

由式(2)、圖2和表4可知，任何一種配制下的鈣質(zhì)膨潤土基漿，其實際剪切應(yīng)力都隨著旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，說明基漿的剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)速有關(guān)。且各配制下基漿的流變曲線都是直線，因此，基漿中膨潤土的含量，對于“隨剪切速率提高，剪切應(yīng)力呈線性增長”的規(guī)律不會產(chǎn)生根本性的影響。同時，在相同的剪切速率下，剪切應(yīng)力隨著基漿中鈣質(zhì)膨潤土含量的增加而增大。

結(jié)合圖2可知，動切力大小即為流變曲線在縱軸上的截距，膨潤土含量越大，截距也越大。所以，基漿的動切力隨著膨潤土含量的增加而增大。但在基漿中膨潤土含量不變的情況下，基漿的流變曲線為一條固定的直線，所以其在縱軸上的截距也是固定的，即動切力的大小為一固定的值，說明動切力的大小主要是由基漿中的固相顆粒的含量及其相互作用特征所決定的。因此，在膨潤土含量一定的條件下，動切力不會隨著剪切速率的增大而變化。

3 結(jié)論

1)隨著鈣質(zhì)膨潤土加量的增大，基漿的密度逐漸增大，漏斗黏度和六速旋轉(zhuǎn)黏度計的讀數(shù)都逐漸增大。

2)鈣質(zhì)膨潤土基漿的流變曲線符合賓漢方程:τ=τd+ηpγ，實測流變曲線與理論塑性流體流變曲線基本一致，擬合度均＞85%，故試驗鈣質(zhì)膨潤土基漿屬于塑性流體。

3)當(dāng)基漿中膨潤土含量不變時，塑性黏度是個常量，不會隨剪切速率的變化而變化;隨著膨潤土含量的增大，基漿的塑性黏度有變大的趨勢。當(dāng)膨潤土含量＜5% 時，ηp為 3±0.5，當(dāng)膨潤土含量 ＞5% 時，ηp為5。

4)鈣質(zhì)膨潤土基漿的表觀黏度與膨潤土含量和剪切速率有關(guān)，當(dāng)膨潤土含量一定時，其隨剪切速率增加而減小;在相同的剪切速率下，表觀黏度隨膨潤土含量的增加而增大。

5)鈣質(zhì)膨潤土的含量，不會對“隨剪切速率提高，剪切應(yīng)力呈線性增長”的規(guī)律產(chǎn)生根本性的影響;在相同的剪切速率條件下，剪切應(yīng)力隨膨潤土含量的增大而增大;當(dāng)基漿中膨潤土含量一定時，動切力是個常量。

［1］楊扶銀.粗粒土泥漿滲透特性及泥皮抗?jié)B性研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［2］崔學(xué)奇，呂憲俊，周國華.膨潤土的性能及其應(yīng)用［J］.中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2000(2):6-9.

［3］李健鷹.泥漿膠體化學(xué)［M］.山東:石油大學(xué)出版社，1988:49-69.

［4］KARAGüZEL，?ETINEL，BOYLU，et al.Activation of(Na，Ca)-bentonites with soda and MgO and their utilization as drilling mud［J］.Applied Clay Science，2010(4):398-404.

［5］DOLZ，JIMéNEZ，HERNáNDEZ，et al.Flow and thixotropy of non-contaminating oil drilling fluids formulated with bentonite and sodium carboxymethyl cellulose［J］.Journal of Petroleum Science ＆Engineering，2007(6):294-302.

［6］BESQ，MALFOY，PANTET，et al.Physicochemical characterisation and flow properties of some bentonite muds［J］.Applied Clay Science，2003(10):275.

［7］管俊芳，楊文，胡雪鋒，等.鄂州鈣基膨潤土有機(jī)改性研究［J］.非金屬礦，2009(9):12-14.

［8］格里姆.黏土礦物學(xué)［M］.許冀泉，譯.北京:地質(zhì)出版社，1960.

［9］蔡香麗.中低品位膨潤土礦的開發(fā)、性能表征及綜合利用［D］.烏魯木齊:新疆大學(xué)，2005.

［10］曾祥喜(譯).鉆井泥漿與水泥漿流變學(xué)手冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1984.

［11］吳彬.深水低溫條件下水基鉆井液的流變性研究［J］.鉆井液與完井液，2006，23(3):191.

［12］李文莉，崔俊凱.最大擬合度參數(shù)估計法［J］.陜西工學(xué)院學(xué)報，2002，18(4):46-48.

［13］答治華.京滬高速鐵路路基工程設(shè)計與施工綜述［J］.鐵道建筑，2009(7):1-4.

［14］孫紅林，李丹.京滬高速鐵路路基工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.鐵道建筑，2009(7):5-9.

［15］范英宏，洪蔚，侯世全.京滬高速鐵路廢棄泥漿化學(xué)脫穩(wěn)與分離處理的試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(11):59-61.