活化一些土耳其膨润土去改善钻井液性能-gai

活化一些土耳其膨润土去改善钻井液性能BaldErdogana,SahindeDemircib,.摘要：这项研究中选取了土耳其三个地方(Samas,Canbensan和Ceylan)的膨润土，来检测他们所配制钻井液的性能。取自于Canbensan和Ceylan的膨润土，在添加了一些添加剂如无机盐(碳酸钠、硫酸钠、硫酸铝)、石膏、高分子聚合物、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和羧甲基纤维素钠后其钻井液泥浆的质量显著提高，但无机盐的效果没有聚合材料有效。1引言膨润土是全球范围内使用的钻井液添加物。他们的主要作用是增加泥浆粘度，降低地层滤失量（Bol，1986）。一种优质的膨润土应该主要含有蒙脱石。在实践中，膨润土通常包含其它的粘土矿物（如伊利石、高岭石和绿泥石）和非粘土成分（如数量可观的石英和长石）。由于蒙脱石粘土具有最强的水化膨胀能力（它是粘度增大和地层形成低渗滤饼的原因），而其它物质的存在对膨润土的品质则有不利影响。可交换离子类型对蒙脱石的水化膨胀能力有很大的影响。迄今为止，以钠作为可交换离子的钠基蒙脱石的性能最佳。如果含有这些矿物组成的膨润土没有足够的提粘能力，可以添加各种添加剂。该添加剂可以是盐类或聚合物，通过轻微絮凝来增强膨润土悬浮液的粘度（VanOlphen，1977）。Rollins（1968）已经表明，需要有足够的钠才能得到良好分散性的膨润土悬浮液。Wayland（1971）发现Na/Ca比会影响膨润土的物理性质，Bleyfuss（1973）表明，通过加入少量的氢氧化钙可改善膨润土水化膨胀。在实践中，氧化镁常被用于提高凝胶强度（也就是动切力）。Williams等人（1953）更是强调了Na/Ca比的重要性，当Na/Ca比为60/40时粘度和凝胶强度达到最大。而Alther（1986）指出，钠/钙/镁比为60/20/20的膨润土的效果优于其它。通过对高岭土和膨润土的分散体流动性原理作了广泛调查（Lagaly，1989）发现，高岭土和膨润土分散体的流动性在酸性介质中由端(+)/面(-)连接（片）来决定，在碱性介质由面(-)/面(-)连接（带状结构）。不同的网状结构形成依赖于pH值（pH本身就是一个数值，新课改已经改过来了）和钙/钠比。钙离子促进界面接触并形成稳定的带状结构（Brandenburg和Lagaly，1988年）。与粘土矿物相互作用时，混晶或非晶材料影响粘土分散体的流动性，比如氧化铁的影响。有机化合物，特别是聚合物，是比无机盐更为有效的添加剂（Bol，1986）。在土耳其开采膨润土在本质上决定了钻井泥浆的品质。这些钠含量低，钙、镁等可交换阳离子占主导的膨润土需要激活，以满足钻井泥浆和土木工程的规格（Lebedenko和plee，1988）。本研究旨在研究一些重要的土耳其膨润土（那些来自Samas，CanbensanandCeylan）及它们用于钻井泥浆的活化潜能。用于研究的膨润土由火山凝灰岩的水热蚀变而形成，及其相关的岩石类型为安山质凝灰岩，其地质时代为第三纪中新世。2实验方案对土耳其的三种商业膨润土（图1）进行了研究，其产地与生产厂家如表1所示。根据土耳其TS977采样标准进行取样研究（TSE，1971）。膨润土的矿物组成是通过X-射线衍射（XRD）、差热分析（DTA）和热重分析实验（TG）来检测。用Ni过滤Cu-Kα辐射JeolJDX-80衍射仪测得样品粉末的XRD谱图。用NetzchSTA429TG-DTA联立仪以10℃/分钟升温程序在空气气氛中测得膨润土的DTA谱图。图1：所研究膨润土的地理位置分布表1：膨润土产地与生产厂家信息样品名生产商家厂址SamasSamasResadiye,TokatCeylanCeylanCankiriCanbensanCanbensanKursunlu,Cankiri样品的化学组合物通过X-射线荧光光谱仪（XRF）测定，由采用四硼酸锂为光源的PhilipsPV1480光谱仪显示。流变测试试验根据API（美国石油协会）规格在Ankara的TSE实验室进行（API，1983年）。使用Fann35SA型粘度计测定其粘度。22.5g膨润土和350mL水制备的浆液在600转下混合20分钟后备用。重复混合多次并通过高搅的悬浮液陈化16小时，陈化后搅拌混合约5分钟后测定粘度。API滤失量测试是将放置24h后的泥浆倒入底部开孔的不锈钢室内完成的，滤纸放在底部。泥浆在80psi的压力下滤失30分钟，读出滤出水的体积。一种好的膨润土（以钻井为目的），范式表观粘度至少为15厘泊（即范式刻度盘在600转速下的读数除以2）且滤失量应小于等于15mL。据石油公司材料协会（OCMA1983）、API和土耳其标准协会（TSE），15cp的表观粘度被认为是可以接受的值，就相当于每吨土造浆90桶。其粘土浓度和塑变值符合下面的公式（Buckl和Fahn，1970）：barrel5.3/5.5703.2CY其中Y=塑性值，C=350mL水中粘土的浓度。膨胀实验是指向盛有蒸馏8h的蒸馏水的100mL量筒中撒1.4g的膨润土放置72h后测量膨胀的膨润土体积。用膨胀后的体积除以原来的总体积得膨胀率。原体积对应于1.4g膨润土放置在量筒中的体积（自由体积）。三种土耳其膨润土的膨胀率、滤失量、表观粘度和造浆率等性质如表2所示。表2：土耳其膨润土的物化性质项目SamasCeylanCanbensan膨胀率543.5滤失量(mL)9181.5造浆率957459表观粘度(cp)(22.5g土/350mL水)16114.53结果与讨论矿物学分析表明，所有样品正如预期的一样在本质上是蒙脱石。风干的样品的X射线衍射图在13×10-10m处的峰值对应于蒙脱石中层间阳离子主要为钠。样品在饱和乙二醇中这个峰值趋向17~18×10-10m处被认为对应于蒙脱石。这些膨润土的主要杂质被认定为方解石、长石、石英、白石-CT、沸石和石膏。如图3所示，所有三个样品中均含有长石，但Canbensan膨润土中不存在方解石。石英和石膏只存在于Canbensan样品中（图3c）而沸石仅出现在Samas膨润土中（图3a）。X射线荧光分析中得到的值表明膨润土的主要成分蒙脱石中A12O3/SiO2比为1/3~1/4（表3）。XRF数据表明，Samas膨润土所含的Na2O(2.44%)比Ceylan膨润土中Na2O(1.90%)和Canbensan粘土中Na2O（2.24%）的含量略高。Ceylan膨润土中CaO的含量明显高于其他，而Canbensan膨润土中氧化镁的含量最高（2.64%）。样品中氧化铁有显著地差异，Samas膨润土中Fe2O3含量为3.78%，Ceylan膨润土中Fe2O3的含量高达9.32%，而Canbensan膨润土中Fe2O3含量为5.38%。DTA和TGA曲线如图2所示，在约700℃时出现一个小的吸热峰，在约850-950°C处有一个来自于蒙脱石的小S形的吸热放热峰系统（Mackenzie，1970年）。Samas和Ceylan的膨润土在约720℃处有吸热峰，表明其含有方解石（图2a和2b）。560-570℃处的峰值（图2c）是蒙脱土的“低温”脱羟基峰，典型的富铁蒙脱石。类似的还有Ceylan膨润土（图2b）DTA曲线的550-570℃区间。流变试验的结果（表2）显示，Samas膨润土有一个钻井泥浆的产率（Y）为每吨95桶,超过可接受值每吨90桶，但Canbensan和Ceylan膨润土需要经过活化处理。图2.土耳其膨润土差热分析和热重分析曲线对比(a)Samas,(b)Ceylan,(c)Canbensan,M=蒙脱石，C=方解石，Q=石英图3三种土耳其膨润土的X射线图谱(a)Samas,(b)Ceylan,(c)Canbensan,（F=长石,Gy=石膏,Z=沸石,O=蛋白石-CT，其余的在图2中已注出）表3：XRF图谱分析结果（%）图4无机盐浓度对钻井液粘度的影响(a)Na2CO3,(b)A12(SO4)3.通过添加无机盐或者聚合物材料活化干燥的膨润土粉末（粒径0.1mm），加350mL水在搅拌器中搅拌20min。激活剂的活化作用是通过增大百分比来完成，每次添加活化剂后粘度和滤失量都对活化过程有一定的影响。使用的盐有Na2CO3、Na2SO4、A12(SO4)3和石膏。聚合物有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和钠羧甲基纤维素（Na-CMC），所用的药品均为分析纯。添加无机盐后的粘度显示初始增加到0.2~0.4%盐浓度，但添加了Na2CO3稍后略有下降，而添加其他盐后则有明显下降，即Na2SO4、A12(SO4)3和石膏，见图4a和4b所示。在添加Na2SO4、A12(SO4)3等硫酸盐和石膏后初始增加高达0.4%食盐浓度的情况下，粘度随无机盐浓度的增加而明显减少（图4b）。硫酸盐离子似乎在多核配合物的形成过程中作为催化剂，并且它们联接起来形成一个固体晶格（Vermeulen等人，1975；Stol的等人，1976；DeHek等人，1978）。硫酸根离子在粘土悬浮液中引起絮凝，尤其是石膏最明显（Alther1986年），其中在所研究的土耳其膨润土中只有Canbensan膨润土中有少量石膏。图5无聚合物浓度对钻井液粘度的影响(a)Na-CMC(b)聚丙烯酰胺(c)聚丙烯酸表4：被活化膨润土的造浆率和滤失量参数添加剂CanbensanCeylanY滤失量（mL/30min）Y滤失量（mL/30min）NaCO38415.07314.0Na2SO48620.06519.0AL2(SO4)37525.05622.0石膏8521.56219.0聚丙烯酰胺9613.5959.5聚丙烯酸9717.09713.0Na-CMC909.09111.0在加入聚合物情况下，粘度随着聚合物浓度的增大而持续增大（图5a、b和c）。钠羧甲基纤维素（Na-CMC）的增粘效果与浓度成线性关系，但Canbensan膨润土的直线斜率比Ceylan的小，Canbensan膨润土中添加3.5%Na-CMC和在Ceylan膨润土中添加2.7%Na-CMC得到的粘度都为15cp。在聚丙烯酸活化中，当加量为0.6%时Canbensan膨润土的粘度基本趋于稳定，在Ceylan膨润土中加2.0%聚丙烯酸后粘度骤增至约35cp。在Canbensan膨润土和Ceylan膨润土中分别添加0.2%和0.4%的聚丙烯酸，粘度达到可接受的值（15cp）。当在两种膨润土中加入聚丙烯酰胺时，粘度随着添加剂百分比几乎呈线性和平行变化，在Canbensan膨润土中添加1.0%和在Ceylan膨润土中添加3.0%其粘度值均为15cp。在水体系中聚合物通过桥连机理发挥主要絮凝作用（UeathTodars，1983）。添加剂对两种膨润土作用的差异可能与它们的非粘土矿物组成和无定形性有关，氧化铁和石膏的影响也应考虑。在所研究的聚合物中阴离子聚合物羧甲基纤维素钠（Na-CMC）似乎低于非离子型聚合物如聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的效率（被认单体单元带电不足1%聚合物可认为是非离子型的）。非离子聚合物较高的效率，尤其是聚丙烯酸可能与聚合物分子在粘土颗粒表面较多的吸附和较高熵效应有关（VanOlphen,1977）。所有类型添加剂的最佳粘度条件、塑性值和滤失量计算结果如表4所示。从结果中可以看出，就无机添加剂来说，可接受的粘度条件下，造浆率增加到85桶/吨，这明显小于标准值（90桶/吨）。此外，滤失量也相当高（15~25mL）。就聚合物添加剂来说，造浆率超过标准值。在两种膨润土中，即Canbensan膨润土和在Ceylan膨润土几乎有较高的90-97桶/吨的造浆率。滤失量也非常低处于9~17mL范围内。4结论在这项研究中对三种土耳其的膨润土作为钻井液增粘剂进行了分析和活化。样品的XRD、XRF、DTA和TGA图谱分析表明，这些膨润土的主要组成为钠蒙脱土，其中之一（Samas样品）能够满足钻井泥浆质量要求，而其他两个不能满足要求。因此，Ceylan和Canbensan的膨润土需要添加一些无机盐如碳酸钠、硫酸钠、A12(SO4)3和石