活化一些土耳其膨润土去改善钻井液性能.doc

活化一些土耳其膨润土去改善钻井液性能摘要：这项研究中选取了土耳其三个地方(samas, canbensan 和 ceylan)的膨润土，来检测他们所配制的钻井液的性能。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，降低其滤失量（bol，1986）。一种优质的膨润土应主要包含蒙脱石。在实践中，膨润土通常包含其他的粘土矿物，如伊利石、高岭石、绿泥石和非粘土成分，例如少量的石英和长石。由于蒙脱石粘土具有很强的膨胀能力（它主要是为增大粘度和形成低渗滤饼），而其它物质的存在对膨润土的质量则有不利影响。不同的可交换离子对蒙脱石的溶胀能力有很大的影响。到目前为止，以钠作为可交换离子的钠基蒙脱石的性能最佳。含有这些矿物组成的膨润土其增粘效果不佳，可通过添加各种添加剂。该添加剂可以是盐类或聚合物，通过轻微凝聚来增强膨润土悬浮液的粘度（van olphen，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提高膨润土溶胀率。在实践中，氧化镁常被用于提高凝胶强度。williams等人（1953）更是强调了na/ ca比的重要性，发现粘度和凝胶强度最大时钠/钙比以60/40为最优。而alther（1986）建议，膨润土中钠/钙/镁以60/20/20为最优。对高岭土和膨润土的分散体流动原理作了广泛调查（lagaly，1989），发现高岭土和膨润土分散体的流动性在酸性介质界面和碱性介质表面很容易区分。不同的网状结构形成依赖于ph值和钙/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）。混晶或非晶材料影响粘土分散体与粘土矿物作用时的流动性，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主要依赖于它们的泥浆质量。钠含量低，主要是钙、镁等阳离子交换需要激活，以满足钻井泥浆和土木工程的规格（lebedenko和plee，1988）。本研究旨在探讨一些重要的土耳其膨润土（那些来自samas，canbensan and ceylan）将他们潜在的活化作用用于钻井液。研究发现膨润土热液蚀变形成的火山凝灰岩，及其相关的岩石类型为安山质凝灰岩，其地质时代为中新世。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）。膨润土的矿物组合物是通过x-射线衍射（xrd）、差热分析（dta）和热重分析实验（tg）来确定的。用ni过滤cu-k辐射jeol jdx-80衍射仪测得样品粉末的xrd谱图。用netzch sta429 tg-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philips pv1480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）。使用范式35 sa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20min后备用。重复混合多次并通过高搅的悬浮液陈化16h，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。淤浆在80 psi的压力下滤失30分钟，读出滤失水的量。一种好的膨润土（用于钻井目的），范式表观粘度至少为15cp（即范式刻度盘在600 转速下的读数除以2）且滤失量应大于等于15ml。据石油公司材料协会（ocma1983）、api和土耳其标准协会（tse），15 cp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）：其中y=塑性值，c=350ml水中粘土的浓度。膨胀实验是指喷洒1.4g的膨润土于盛有蒸馏8h水的100ml量筒中放置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、滤失、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是蒙脱石。风干的样品的x射线衍射图在1310-10处的峰值对应于蒙脱石中作为层间阳离子的主要成分为钠。饱和乙二醇趋向171810-10处的峰值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与sio2的比为1/31/4（表3）。xrf数据表明，samas膨润土所含的na2o(2.44%)比含有canbensan粘土的ceylan膨润土( 1.90%)中na2o的含量高2.24%。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膨润土中含3.78%的fe2o3，ceylan膨润土中fe2o3的含量高达9.32%，而canbensan膨润土中含5.38%fe2o3。 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850-950c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出有吸热峰，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0.20.4%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na2 so4、a12(so4)3和石膏，见图4a和4b所示。在添加na2so 4、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）。硫酸盐离子在多核配合物的形成中充当催化剂成分并相互联系形成一个固体晶格（vermeulen等人，1975；stol的等人，1976；de hek等人，1978）。硫酸根离子在粘土悬浮液中作为絮凝诱导剂，特别是石膏（alther 1986年），其中土耳其膨润土在这项研究中只有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）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 对于聚合物除了增加粘度还可提高聚合物浓度（图5a、b和c）。钠羧甲基纤维素（na-cmc）的效果随浓度成线性变化，但canbensan膨润土的线性斜率比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。添加约0.6%的添加剂后canbensan膨润土的粘度达到一个稳定的状态，但加2.0%聚丙烯后ceylan膨润土粘度急剧增至约35 cp。在canbensan膨润土和ceylan 膨润土中添加0.2%和0.4%的聚丙烯，得到一个可接受的值（15cp）。添加剂的比例对粘度的影响成线性变化，在canbensan膨润土中添加1.0%聚丙烯酰胺和在ceylan膨润土中添加3.0%聚丙烯酰胺其粘度值均为15mpa.s。在水性体系中作为絮凝剂的聚合物主要由桥接构成（ueath todars，1983）。这种添加剂对两种膨润土作用的差异可能与他们的矿物组合单体和无定形单体有关，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）似乎比非离子型聚合物、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的效率较低，（非离子的聚合物被认为是带电不足1%的单体）。非离子聚合物，尤其是聚丙烯效率的高低可能与粘土颗粒表面吸附的聚合物分子的多少和熵效应的大小有关（van olphen, 1977）。所有类型添加剂的最佳粘度条件、塑性值和滤失量如表4所示。从结果中可以看出，无机添加剂在可接受的粘度条件下，泥产率增加到85桶/吨，这明显小于标准值（90桶/吨）。此外，滤失量值也相当高（1525 ml）。添加剂了聚合物滤失量也远远低于917ml。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激活使用。样本的xrd、xrf、dta和tga图谱分析表明，这些膨润土的其中之一钻井泥浆质量（samas 样本）主要成分是钠蒙脱石，而其他两个则不是。因此，ceylan和canbensan的膨润土需要添加一些碳酸钠、