活化一些土耳其膨潤土去改善鉆井液性能.doc

活化一些土耳其膨潤土去改善鉆井液性能摘要：這項研究中選取了土耳其三個地方(samas, canbensan 和 ceylan)的膨潤土，來檢測他們所配制的鉆井液的性能。取自于canbensan 和ceylan的膨潤土，在添加了一些添加劑如無機鹽(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，但無機鹽的效果沒有聚合材料有效。1引言膨潤土是全球范圍內(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)的膨潤土應(yīng)主要包含蒙脫石。在實踐中，膨潤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石。由于蒙脫石粘土具有很強的膨脹能力（它主要是為增大粘度和形成低滲濾餅），而其它物質(zhì)的存在對膨潤土的質(zhì)量則有不利影響。不同的可交換離子對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土其增粘效果不佳，可通過添加各種添加劑。該添加劑可以是鹽類或聚合物，通過輕微凝聚來增強膨潤土懸浮液的粘度（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土懸浮液。wayland（1971）發(fā)現(xiàn)na/ ca比會影響膨潤土的物理性質(zhì)， bleyfuss（1973）表明，通過加入少量的氫氧化鈣可提高膨潤土溶脹率。在實踐中，氧化鎂常被用于提高凝膠強度。williams等人（1953）更是強調(diào)了na/ ca比的重要性，發(fā)現(xiàn)粘度和凝膠強度最大時鈉/鈣比以60/40為最優(yōu)。而alther（1986）建議，膨潤土中鈉/鈣/鎂以60/20/20為最優(yōu)。對高嶺土和膨潤土的分散體流動原理作了廣泛調(diào)查（lagaly，1989），發(fā)現(xiàn)高嶺土和膨潤土分散體的流動性在酸性介質(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與粘土礦物作用時的流動性，比如氧化鐵的影響。有機化合物，特別是聚合物，是比無機鹽更為有效的添加劑（bol，1986）。在土耳其開采膨潤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土（那些來自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)時代為中新世。2 實驗方案對土耳其的三種商業(yè)膨潤土（圖1）進行了研究，其產(chǎn)地與生產(chǎn)廠家如表1所示。根據(jù)土耳其ts977采樣標準進行取樣研究（tse，1971）。膨潤土的礦物組合物是通過x-射線衍射（xrd）、差熱分析（dta）和熱重分析實驗（tg）來確定的。用ni過濾cu-k輻射jeol jdx-80衍射儀測得樣品粉末的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得膨潤土的dta譜圖。圖1：所研究膨潤土的地理位置分布表1：膨潤土產(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x-射線熒光光譜儀（xrf）測定，由采用四硼酸鋰為光源的philips pv1480光譜儀顯示。流變測試試驗根據(jù)api（美國石油協(xié)會）規(guī)格在ankara的tse實驗室進行（api，1983年）。使用范式35 sa型粘度計測定其粘度。22.5g膨潤土和350ml水制備的漿液在600轉(zhuǎn)下混合20min后備用。重復(fù)混合多次并通過高攪的懸浮液陳化16h，陳化后攪拌混合約5分鐘后測定粘度。 api濾失量測試是將放置24h后的泥漿倒入底部開孔的不銹鋼室內(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（ocma1983）、api和土耳其標準協(xié)會（tse），15 cp的表觀粘度被認為是可以接受的值，就相當于每噸土造漿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。膨脹實驗是指噴灑1.4g的膨潤土于盛有蒸餾8h水的100ml量筒中放置72h后測量膨脹的膨潤土體積。用膨脹后的體積除以原來的總體積得膨脹率。原體積對應(yīng)于1.4g膨潤土放置在量筒中的體積（自由體積）。三種土耳其膨潤土的膨脹、濾失、表觀粘度和造漿率等性質(zhì)如表2所示。表2：土耳其膨潤土的物化性質(zhì)項目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處的峰值對應(yīng)于蒙脫石中作為層間陽離子的主要成分為鈉。飽和乙二醇趨向171810-10處的峰值被認為對應(yīng)于蒙脫石。這些膨潤土的主要雜質(zhì)被認定為方解石、長石、石英、白石-ct、沸石和石膏。如圖3所示，所有三個樣品中均含有長石，但canbensan膨潤土中不存在方解石。石英和石膏只存在于canbensan樣品中（圖3c）而沸石僅出現(xiàn)在samas膨潤土中（圖3a）。x射線熒光分析中得到的值表明膨潤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膨潤土所含的na2o(2.44%)比含有canbensan粘土的ceylan膨潤土( 1.90%)中na2o的含量高2.24%。ceylan膨潤土中cao的含量明顯高于其他，而canbensan膨潤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膨潤土中含3.78%的fe2o3，ceylan膨潤土中fe2o3的含量高達9.32%，而canbensan膨潤土中含5.38%fe2o3。 dta和tga曲線如圖2所示，在約700時出現(xiàn)一個小的吸熱峰，在約850-950c處有一個來自于蒙脫石的小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膨潤土（圖2b）dta曲線的550-570區(qū)間。流變試驗的結(jié)果（表2）顯示，samas膨潤土有一個鉆井泥漿的產(chǎn)率（y）為每噸95桶,超過可接受值每噸90桶，但canbensan和ceylan膨潤土需要經(jīng)過活化處理。圖2.土耳其膨潤土差熱分析和熱重分析曲線對比(a) samas,(b) ceylan,(c) canbensan, m =蒙脫石，c =方解石，q=石英 圖3 三種土耳其膨潤土的x射線圖譜(a) samas,(b) ceylan,(c) canbensan,（f=長石,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 無機鹽濃度對鉆井液粘度的影響(a) na2co3, (b) a12( so4 ) 3.通過添加無機鹽或者聚合物材料活化干燥的膨潤土粉末（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增大百分比來完成，每次添加活化劑后粘度和濾失量都對活化過程有一定的影響。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。添加無機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0.4%食鹽濃度的情況下，粘度隨無機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催化劑成分并相互聯(lián)系形成一個固體晶格（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），其中土耳其膨潤土在這項研究中只有canbensan膨潤土中有少量石膏。圖5 無聚合物濃度對鉆井液粘度的影響(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膨潤土的線性斜率比ceylan的小，canbensan膨潤土中添加3.5% na-cmc 和在ceylan 膨潤土中添加2.7%na-cmc得到的粘度都為15cp。添加約0.6%的添加劑后canbensan膨潤土的粘度達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，但加2.0%聚丙烯后ceylan膨潤土粘度急劇增至約35 cp。在canbensan膨潤土和ceylan 膨潤土中添加0.2%和0.4%的聚丙烯，得到一個可接受的值（15cp）。添加劑的比例對粘度的影響成線性變化，在canbensan膨潤土中添加1.0%聚丙烯酰胺和在ceylan膨潤土中添加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）。這種添加劑對兩種膨潤土作用的差異可能與他們的礦物組合單體和無定形單體有關(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，無機添加劑在可接受的粘度條件下，泥產(chǎn)率增加到85桶/噸，這明顯小于標準值（90桶/噸）。此外，濾失量值也相當高（1525 ml）。添加劑了聚合物濾失量也遠遠低于917ml。4 結(jié)論在這項研究中對三種土耳其的膨潤土作為鉆井液增粘劑進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，而其他兩個則不是。因此，ceylan和canbensan的膨潤土需要添加一些碳酸鈉、