低蒙脫石含量膨潤(rùn)土的造漿性能開(kāi)發(fā)研究

鐵麗云，魯義軍，陳濟(jì)美，孫圣煙

(1.武漢理工大學(xué)材料研究與測(cè)試中心，湖北 武漢 430070；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430022;3.湖南臨澧縣眾幫化工有限公司，湖南 臨澧 415200)

湖南臨澧有一種低蒙脫石含量的黏土——“膨潤(rùn)土”，其蒙脫石含量一般在40%左右。按“膨潤(rùn)土是一以含蒙脫石類礦物為主的黏土巖”[1]的定義講，把這類黏土礦稱為膨潤(rùn)土并不十分確切。本文試驗(yàn)探討了該種黏土的理化性能，認(rèn)為該黏土礦除含蒙脫石外，還含有高嶺石、伊利石、石英和方解石等伴生礦物與雜質(zhì)。因蒙脫石含量低，過(guò)去用傳統(tǒng)的鈉化處理方法，無(wú)法使其達(dá)到鉆井泥漿用土的要求，因此，被認(rèn)為它是不適合作鉆井級(jí)泥漿材料的。針對(duì)該類黏土的特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)找到了一種由純堿、活性氧化鎂、天然有機(jī)高分子化合物與合成有機(jī)高分子聚合物組成的復(fù)合添加劑，對(duì)該黏土進(jìn)行改性處理，大大提高與改善了黏土的分散性與流變學(xué)性能，使它變成了一種優(yōu)質(zhì)的鉆井級(jí)泥漿用土，它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13500∶2008[2]的規(guī)定。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，改性效果好，易于推廣。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與儀器設(shè)備

低蒙脫石含量黏土(膨潤(rùn)土)采自湖南臨澧，含蒙脫石35%～40%；純堿(Na2CO3)；活性氧化鎂；天然高分子化合物(纖維素CMC,HEC,HPMC)；合成高分子聚合物(酰胺與鹽類)。泥漿高速攪拌機(jī)：11000r/min；ZNN-D6旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，ZNS-2型中壓濾失儀。

1.2 黏土礦床地質(zhì)特征與礦石物質(zhì)組成

礦床地質(zhì)特征：該黏土礦床產(chǎn)于臨澧盆地內(nèi)，黏土礦賦存于第四系下更新統(tǒng)湖積夾沖積層。

礦物成分：該黏土礦物質(zhì)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)，經(jīng)偏光顯微鏡檢測(cè)與X-射線衍射分析為由蒙脫石、高嶺石、伊利石、石英、方解石、長(zhǎng)石和鐵質(zhì)等組成，其中蒙脫石35～50，高嶺石3～15，伊利石3～10，石英5～8，方解石3～8，長(zhǎng)石1～3，鐵質(zhì)0.5～3等。

化學(xué)成分：化學(xué)分析結(jié)果表明，該黏土化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)：SiO2，68.01；Al2O3，14.10；Fe2O3，4.83；TiO2，0.22；CaO，2.57；MgO，1.25；K2O，1.14；Na2O，0.21；燒失量，6.82。

1.3 礦石物化性能

該黏土礦的物化性能按《巖石與礦石分析規(guī)程》[3]測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表1與表2。

表1 低蒙脫石含量膨潤(rùn)土的物化性能

表2 低蒙脫石含量膨潤(rùn)土的陽(yáng)離子交換量(mmoL/100g)

試驗(yàn)結(jié)果表明，該膨潤(rùn)土的吸藍(lán)量為57.5mmoL/100g，蒙脫石含量為38.3%，低。陽(yáng)離子容量CEC40.70mmoL/100g，低，交換性陽(yáng)離子E(1/2Ca2+)+E(1/2Mg2+)之和38.11mmoL/100g，為陽(yáng)離子交換容量CEC內(nèi)93.6%。該黏土中的蒙脫石為鈣基蒙脫石，膨潤(rùn)土為鈣基膨潤(rùn)土。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

泥漿試驗(yàn)：稱取定量的黏土試樣(200目)，分別按不同配比加入純堿或活性氧化鎂，天然高分子化合物與合成高分子聚合物，經(jīng)混勻，改性處理后，制成試驗(yàn)樣用于泥漿性能測(cè)試。

按GB/T 5005-2010《鉆井液材料規(guī)范》測(cè)試鉆井泥漿試樣的黏度、濾失量與動(dòng)塑比。

稱取22.50g黏土試樣，于盛有350mL水的攪拌杯中，在高速攪拌機(jī)上攪拌20min，取下。陳化，放置16h再攪拌5min取下，在六速黏度計(jì)上測(cè)試600r/min該數(shù)(Φ600)與300r/min讀數(shù)(Φ300)。按下列公式計(jì)算塑性黏度PV、動(dòng)切力YP與動(dòng)塑比YP/PV。

將上述測(cè)試過(guò)的泥漿懸浮液重新併入泥漿杯中，再攪拌1min后，將懸浮液移入濾失量樣杯中，主液面距杯頂端13mm以內(nèi)，放入9cm濾紙，加蓋，安裝于濾失儀上。在0.69MPa的壓力下，用20mL量筒承接濾失液，將前7.5min期間承接濾液的量筒移開(kāi)，再換另一干凈的量筒，再承接7.5～30min期間的濾液V(mL)。按式(4)計(jì)算濾失量FL(mL)。

2 結(jié)果與分析

2.1 純堿對(duì)黏土造漿性能的影響

該類膨潤(rùn)土中含鈣基蒙脫石，且含量低，因此，在水中分散性與懸浮性差，懸浮液粘度低，不適合作鉆井泥漿用黏土。為了提高與改善它的泥漿性能，必須加純堿(Na2CO3)進(jìn)行鈉化改型，使鈣基蒙脫石轉(zhuǎn)變成鈉基蒙脫石。試驗(yàn)采用常規(guī)的鈉化改型方法，考查了不同純堿的加入量對(duì)膨潤(rùn)土的黏度(即黏度計(jì)600r/min的讀數(shù)，Φ600)與濾失量FL(mL)的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 純堿加入量對(duì)黏土造漿性能的影響

試驗(yàn)表明，綜合考慮加入Na2CO3對(duì)黏土的粘度Φ600與濾失量FL影響，當(dāng)Na2CO3的加入量為3.0%～5.0%時(shí)為宜，否則當(dāng)Na2CO3<3%或>5%時(shí)，泥漿的黏度與濾失量是不能同時(shí)兼顧的。

2.2 活性氧化鎂對(duì)黏土造漿性能的影響

活性氧化鎂是一種無(wú)機(jī)添加劑，它有增加黏土在水中的分散性與膨脹性的功能，有增黏、增稠的作用。試驗(yàn)時(shí)在膨潤(rùn)土中固定加入4.5% Na2CO3的情況下，分別加入0.1%～2.0%的活性氧化鎂處理試樣后，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)表明，隨著活性氧化鎂的增加，黏土試樣的粘度(Φ600)與濾失量均有所增加，但為了使濾失量FL≤16mL，活性氧化鎂一般控制在0.10%～1.0%為宜。

表4 活性氧化鎂對(duì)黏土造漿性能的影響

2.3 天然高分子化合物對(duì)黏土造漿性能的影響

試驗(yàn)在黏土中固定加入4.5%的Na2CO3的情況下，分別加入不同量的天然高分子化合物(CMC、HEC、HPMC)，對(duì)黏土改性處理，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 天然有機(jī)高分子化合物對(duì)黏土造漿性能的影響

試驗(yàn)表明，隨著試樣中CMC的加入量的增加，它的粘度(Φ600)有所增加，濾失量FL有所降低或基本不變。CMC的加入一般控制在0.2%～0.8%為宜。

2.4 合成有機(jī)高分子聚合物對(duì)黏土造漿性能的影響

試驗(yàn)在黏土中固定加入4.5%的Na2CO3的情況下，分別加入不同量的合成有機(jī)高分子聚合物(酰胺或鹽類)對(duì)黏土改性處理，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 合成有機(jī)高分子聚合物對(duì)黏土造漿性能的影響

試驗(yàn)表明，隨著黏土中HPAM加入量的增加，黏土的粘度(Φ600)逐漸增加，但濾失量有一個(gè)由小變大的過(guò)程，當(dāng)HPAM的量>1.0%時(shí)，濾失量變差。因此，一般控制在0.2%～1.0%為宜。

2.5 復(fù)合添加劑對(duì)黏土造漿性能的影響

以上試驗(yàn)表明，對(duì)臨澧的低蒙脫石含量的黏土，采取上述任何一種添加劑對(duì)它進(jìn)行改型與改性處理，很難使該類膨潤(rùn)土的分散性與流變學(xué)性能達(dá)到鉆井泥漿用土的要求。因此，該試驗(yàn)在考查了各單因素對(duì)黏土造漿性能的影響后，采用包括純堿，天然有機(jī)高分子化驗(yàn)合物，合成有機(jī)高分子聚合物或活性氧化鎂組成的復(fù)合添加劑，對(duì)該類黏土進(jìn)行改型與改性處理，試驗(yàn)配比與結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 復(fù)合添加劑對(duì)黏土的改笥試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用純堿、活性氧化鎂、天然有機(jī)高分子化合物與合成有機(jī)高分子聚合物按合適的配比組成的復(fù)合添加劑，對(duì)臨澧的低蒙脫石含量的黏土進(jìn)行改性處理。由于不同添加劑具有互補(bǔ)與協(xié)同作用，能使該類膨潤(rùn)土的分散性與流變學(xué)性能有很大提高與改善，使泥漿粘度(Φ600)≥30，動(dòng)塑比YP/PV≤3.0，濾失量≤16.0mL。使黏土的造漿性能達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13500∶2008的要求，成為一種優(yōu)質(zhì)鉆井級(jí)泥漿用土。

3 復(fù)合添加劑改性工藝流程

針對(duì)臨澧的低蒙脫石含量的黏土(膨潤(rùn)土)的特點(diǎn)，試驗(yàn)擬定如下的鈉化改性工藝流程：黏土原礦—破碎—復(fù)合添加劑—鈉化改性處理—烘干—磨細(xì)—產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

該低蒙脫石含量的黏土(膨潤(rùn)土)鈉化改性方法具有如下特點(diǎn)。

1) 采用純堿、活性氧化鎂，天然有機(jī)高分子化含物與合成有機(jī)高分子聚合物組成的復(fù)合添加劑，具有互補(bǔ)與協(xié)同效應(yīng)，工藝上有所突破，大大提高與改善了黏土的鈉化改性效果，使一些原不能造漿的劣質(zhì)黏土，變成了一種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的優(yōu)質(zhì)鉆井組級(jí)泥漿用土。

2) 該法工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，能耗低，有利于推廣應(yīng)用。

3) 該法已用于生產(chǎn)鉆井級(jí)泥漿用土，產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)，在石油鉆井與深井鉆連續(xù)墻中效果極好，得到用戶好評(píng)。

[1] 全國(guó)礦產(chǎn)儲(chǔ)量委員會(huì)辦公室.礦產(chǎn)工業(yè)要求參考手冊(cè)[M].北京：地質(zhì)出版社，1987.

[2] International standard ISO13500∶2008.Petroleum and natural gas industries—Drilling fluid materials—Specification and tests[S].2008.

[3] 中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部.巖石和礦石分析規(guī)程[M].西安:陜西科學(xué)出版社，1993.