活化一些土耳其膨潤(rùn)土去改善鉆井液性能.doc

活化一些土耳其膨潤(rùn)土去改善鉆井液性能摘要：這項(xiàng)研究中選取了土耳其三個(gè)地方(samas, canbensan 和 ceylan)的膨潤(rùn)土，來(lái)檢測(cè)他們所配制的鉆井液的性能。取自于canbensan 和ceylan的膨潤(rùn)土，在添加了一些添加劑如無(wú)機(jī)鹽(碳酸鈉、硫酸鈉、硫酸鋁)、石膏、高分子聚合物、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和羧甲基纖維素鈉后其鉆井液泥漿的質(zhì)量顯著提高，但無(wú)機(jī)鹽的效果沒(méi)有聚合材料有效。1引言膨潤(rùn)土是全球范圍內(nèi)使用的鉆井液添加物。他們的主要作用是增加泥漿粘度，降低其濾失量（bol，1986）。一種優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土應(yīng)主要包含蒙脫石。在實(shí)踐中，膨潤(rùn)土通常包含其他的粘土礦物，如伊利石、高嶺石、綠泥石和非粘土成分，例如少量的石英和長(zhǎng)石。由于蒙脫石粘土具有很強(qiáng)的膨脹能力（它主要是為增大粘度和形成低滲濾餅），而其它物質(zhì)的存在對(duì)膨潤(rùn)土的質(zhì)量則有不利影響。不同的可交換離子對(duì)蒙脫石的溶脹能力有很大的影響。到目前為止，以鈉作為可交換離子的鈉基蒙脫石的性能最佳。含有這些礦物組成的膨潤(rùn)土其增粘效果不佳，可通過(guò)添加各種添加劑。該添加劑可以是鹽類或聚合物，通過(guò)輕微凝聚來(lái)增強(qiáng)膨潤(rùn)土懸浮液的粘度（van olphen，1977）。rollins（1968）已經(jīng)表明，需要有足夠的鈉才能得到良好分散性的膨潤(rùn)土懸浮液。wayland（1971）發(fā)現(xiàn)na/ ca比會(huì)影響膨潤(rùn)土的物理性質(zhì)， bleyfuss（1973）表明，通過(guò)加入少量的氫氧化鈣可提高膨潤(rùn)土溶脹率。在實(shí)踐中，氧化鎂常被用于提高凝膠強(qiáng)度。williams等人（1953）更是強(qiáng)調(diào)了na/ ca比的重要性，發(fā)現(xiàn)粘度和凝膠強(qiáng)度最大時(shí)鈉/鈣比以60/40為最優(yōu)。而alther（1986）建議，膨潤(rùn)土中鈉/鈣/鎂以60/20/20為最優(yōu)。對(duì)高嶺土和膨潤(rùn)土的分散體流動(dòng)原理作了廣泛調(diào)查（lagaly，1989），發(fā)現(xiàn)高嶺土和膨潤(rùn)土分散體的流動(dòng)性在酸性介質(zhì)界面和堿性介質(zhì)表面很容易區(qū)分。不同的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成依賴于ph值和鈣/鈉比。鈣離子促進(jìn)界面接觸并形成穩(wěn)定的帶狀結(jié)構(gòu)（brandenburg和lagaly，1988年）?；炀Щ蚍蔷Р牧嫌绊懻惩练稚Ⅲw與粘土礦物作用時(shí)的流動(dòng)性，比如氧化鐵的影響。有機(jī)化合物，特別是聚合物，是比無(wú)機(jī)鹽更為有效的添加劑（bol，1986）。在土耳其開(kāi)采膨潤(rùn)土主要依賴于它們的泥漿質(zhì)量。鈉含量低，主要是鈣、鎂等陽(yáng)離子交換需要激活，以滿足鉆井泥漿和土木工程的規(guī)格（lebedenko和plee，1988）。本研究旨在探討一些重要的土耳其膨潤(rùn)土（那些來(lái)自samas，canbensan and ceylan）將他們潛在的活化作用用于鉆井液。研究發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土熱液蝕變形成的火山凝灰?guī)r，及其相關(guān)的巖石類型為安山質(zhì)凝灰?guī)r，其地質(zhì)時(shí)代為中新世。2 實(shí)驗(yàn)方案對(duì)土耳其的三種商業(yè)膨潤(rùn)土（圖1）進(jìn)行了研究，其產(chǎn)地與生產(chǎn)廠家如表1所示。根據(jù)土耳其ts977采樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣研究（tse，1971）。膨潤(rùn)土的礦物組合物是通過(guò)x-射線衍射（xrd）、差熱分析（dta）和熱重分析實(shí)驗(yàn)（tg）來(lái)確定的。用ni過(guò)濾cu-k輻射jeol jdx-80衍射儀測(cè)得樣品粉末的xrd譜圖。用netzch sta429 tg-dta聯(lián)立儀以10/分鐘升溫程序在空氣氣氛中測(cè)得膨潤(rùn)土的dta譜圖。圖1：所研究膨潤(rùn)土的地理位置分布表1：膨潤(rùn)土產(chǎn)地與生產(chǎn)廠家信息樣品名生產(chǎn)商家廠址samassamasresadiye,tokatceylanceylancankiricanbensancanbensankursunlu,cankiri樣品的化學(xué)組合物通過(guò)x-射線熒光光譜儀（xrf）測(cè)定，由采用四硼酸鋰為光源的philips pv1480光譜儀顯示。流變測(cè)試試驗(yàn)根據(jù)api（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）規(guī)格在ankara的tse實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行（api，1983年）。使用范式35 sa型粘度計(jì)測(cè)定其粘度。22.5g膨潤(rùn)土和350ml水制備的漿液在600轉(zhuǎn)下混合20min后備用。重復(fù)混合多次并通過(guò)高攪的懸浮液陳化16h，陳化后攪拌混合約5分鐘后測(cè)定粘度。 api濾失量測(cè)試是將放置24h后的泥漿倒入底部開(kāi)孔的不銹鋼室內(nèi)完成的，濾紙放在底部。淤漿在80 psi的壓力下濾失30分鐘，讀出濾失水的量。一種好的膨潤(rùn)土（用于鉆井目的），范式表觀粘度至少為15cp（即范式刻度盤在600 轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)除以2）且濾失量應(yīng)大于等于15ml。據(jù)石油公司材料協(xié)會(huì)（ocma1983）、api和土耳其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（tse），15 cp的表觀粘度被認(rèn)為是可以接受的值，就相當(dāng)于每噸土造漿90桶。其粘土濃度和塑變值符合下面的公式（buckl和fahn，1970）：其中y=塑性值，c=350ml水中粘土的濃度。膨脹實(shí)驗(yàn)是指噴灑1.4g的膨潤(rùn)土于盛有蒸餾8h水的100ml量筒中放置72h后測(cè)量膨脹的膨潤(rùn)土體積。用膨脹后的體積除以原來(lái)的總體積得膨脹率。原體積對(duì)應(yīng)于1.4g膨潤(rùn)土放置在量筒中的體積（自由體積）。三種土耳其膨潤(rùn)土的膨脹、濾失、表觀粘度和造漿率等性質(zhì)如表2所示。表2：土耳其膨潤(rùn)土的物化性質(zhì)項(xiàng)目samasceylancanbensan膨脹率543.5濾失量(ml)9181.5造漿率957459表觀粘度(cp)(22.5g土/350ml水)16114.53 結(jié)果與討論礦物學(xué)分析表明，所有樣品正如預(yù)期的一樣是蒙脫石。風(fēng)干的樣品的x射線衍射圖在1310-10處的峰值對(duì)應(yīng)于蒙脫石中作為層間陽(yáng)離子的主要成分為鈉。飽和乙二醇趨向171810-10處的峰值被認(rèn)為對(duì)應(yīng)于蒙脫石。這些膨潤(rùn)土的主要雜質(zhì)被認(rèn)定為方解石、長(zhǎng)石、石英、白石-ct、沸石和石膏。如圖3所示，所有三個(gè)樣品中均含有長(zhǎng)石，但canbensan膨潤(rùn)土中不存在方解石。石英和石膏只存在于canbensan樣品中（圖3c）而沸石僅出現(xiàn)在samas膨潤(rùn)土中（圖3a）。x射線熒光分析中得到的值表明膨潤(rùn)土的主要成分蒙脫石中a12o3與sio2的比為1/31/4（表3）。xrf數(shù)據(jù)表明，samas膨潤(rùn)土所含的na2o(2.44%)比含有canbensan粘土的ceylan膨潤(rùn)土( 1.90%)中na2o的含量高2.24%。ceylan膨潤(rùn)土中cao的含量明顯高于其他，而canbensan膨潤(rùn)土中氧化鎂的含量最高（2.64%）。樣品中氧化鐵有顯著地差異，samas膨潤(rùn)土中含3.78%的fe2o3，ceylan膨潤(rùn)土中fe2o3的含量高達(dá)9.32%，而canbensan膨潤(rùn)土中含5.38%fe2o3。 dta和tga曲線如圖2所示，在約700時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小的吸熱峰，在約850-950c處有一個(gè)來(lái)自于蒙脫石的小s形的吸熱放熱峰系統(tǒng)（mackenzie，1970年）。samas 和ceylan的膨潤(rùn)土在約720出有吸熱峰，表明其含有方解石（圖2a和2b）。560 - 570處的峰值（圖2c）是蒙脫土的“低溫”脫羥基峰，典型的富鐵蒙脫石。類似的還有ceylan膨潤(rùn)土（圖2b）dta曲線的550-570區(qū)間。流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果（表2）顯示，samas膨潤(rùn)土有一個(gè)鉆井泥漿的產(chǎn)率（y）為每噸95桶,超過(guò)可接受值每噸90桶，但canbensan和ceylan膨潤(rùn)土需要經(jīng)過(guò)活化處理。圖2.土耳其膨潤(rùn)土差熱分析和熱重分析曲線對(duì)比(a) samas,(b) ceylan,(c) canbensan, m =蒙脫石，c =方解石，q=石英 圖3 三種土耳其膨潤(rùn)土的x射線圖譜(a) samas,(b) ceylan,(c) canbensan,（f=長(zhǎng)石,gy=石膏,z=沸石,o=蛋白石-ct，其余的在圖2中已注出）表3：xrf圖譜分析結(jié)果（%）圖4 無(wú)機(jī)鹽濃度對(duì)鉆井液粘度的影響(a) na2co3, (b) a12( so4 ) 3.通過(guò)添加無(wú)機(jī)鹽或者聚合物材料活化干燥的膨潤(rùn)土粉末（粒徑0.1mm），加350ml水在攪拌器中攪拌20min。激活劑的活化作用是通過(guò)增大百分比來(lái)完成，每次添加活化劑后粘度和濾失量都對(duì)活化過(guò)程有一定的影響。使用的鹽有na2co3、na2so4、a12(so4)3和石膏。聚合物有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和鈉羧甲基纖維素（na-cmc），所用的藥品均為分析純。添加無(wú)機(jī)鹽后的粘度顯示初始增加到0.20.4%鹽濃度，但添加了na2co3稍后略有下降，而添加其他鹽后則有明顯下降，即na2 so4、a12(so4)3和石膏，見(jiàn)圖4a和4b所示。在添加na2so 4、a12(so4)3等硫酸鹽和石膏后初始增加高達(dá)0.4%食鹽濃度的情況下，粘度隨無(wú)機(jī)鹽濃度的增加而明顯減少（圖4b）。硫酸鹽離子在多核配合物的形成中充當(dāng)催化劑成分并相互聯(lián)系形成一個(gè)固體晶格（vermeulen等人，1975；stol的等人，1976；de hek等人，1978）。硫酸根離子在粘土懸浮液中作為絮凝誘導(dǎo)劑，特別是石膏（alther 1986年），其中土耳其膨潤(rùn)土在這項(xiàng)研究中只有canbensan膨潤(rùn)土中有少量石膏。圖5 無(wú)聚合物濃度對(duì)鉆井液粘度的影響(a) na-cmc (b) 聚丙烯酰胺 (c) 聚丙烯酸表4：被活化膨潤(rùn)土的造漿率和濾失量參數(shù)添加劑canbensanceylany濾失量（ml/30min）y濾失量（ml/30min）naco384 15.0 73 14.0 na2so486 20.0 65 19.0 al2(so4)375 25.0 56 22.0 石膏85 21.5 62 19.0 聚丙烯酰胺96 13.5 95 9.5 聚丙烯酸97 17.0 97 13.0 na-cmc90 9.0 91 11.0 對(duì)于聚合物除了增加粘度還可提高聚合物濃度（圖5a、b和c）。鈉羧甲基纖維素（na-cmc）的效果隨濃度成線性變化，但canbensan膨潤(rùn)土的線性斜率比ceylan的小，canbensan膨潤(rùn)土中添加3.5% na-cmc 和在ceylan 膨潤(rùn)土中添加2.7%na-cmc得到的粘度都為15cp。添加約0.6%的添加劑后canbensan膨潤(rùn)土的粘度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，但加2.0%聚丙烯后ceylan膨潤(rùn)土粘度急劇增至約35 cp。在canbensan膨潤(rùn)土和ceylan 膨潤(rùn)土中添加0.2%和0.4%的聚丙烯，得到一個(gè)可接受的值（15cp）。添加劑的比例對(duì)粘度的影響成線性變化，在canbensan膨潤(rùn)土中添加1.0%聚丙烯酰胺和在ceylan膨潤(rùn)土中添加3.0%聚丙烯酰胺其粘度值均為15mpa.s。在水性體系中作為絮凝劑的聚合物主要由橋接構(gòu)成（ueath todars，1983）。這種添加劑對(duì)兩種膨潤(rùn)土作用的差異可能與他們的礦物組合單體和無(wú)定形單體有關(guān)，氧化鐵和石膏的影響也應(yīng)考慮。在所研究的聚合物中陰離子聚合物羧甲基纖維素鈉（na-cmc）似乎比非離子型聚合物、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的效率較低，（非離子的聚合物被認(rèn)為是帶電不足1%的單體）。非離子聚合物，尤其是聚丙烯效率的高低可能與粘土顆粒表面吸附的聚合物分子的多少和熵效應(yīng)的大小有關(guān)（van olphen, 1977）。所有類型添加劑的最佳粘度條件、塑性值和濾失量如表4所示。從結(jié)果中可以看出，無(wú)機(jī)添加劑在可接受的粘度條件下，泥產(chǎn)率增加到85桶/噸，這明顯小于標(biāo)準(zhǔn)值（90桶/噸）。此外，濾失量值也相當(dāng)高（1525 ml）。添加劑了聚合物濾失量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于917ml。4 結(jié)論在這項(xiàng)研究中對(duì)三種土耳其的膨潤(rùn)土作為鉆井液增粘劑進(jìn)行了分析和激活使用。樣本的xrd、xrf、dta和tga圖譜分析表明，這些膨潤(rùn)土的其中之一鉆井泥漿質(zhì)量（samas 樣本）主要成分是鈉蒙脫石，而其他兩個(gè)則不是。因此，ceylan和canbensan的膨潤(rùn)土需要添加一些碳酸鈉、