造漿粘土的選用與質(zhì)量評(píng)價(jià)

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粘土在工業(yè)和民用上有許多用途，如鑄造中的造砂型、冶金中的團(tuán)礦等都需要一定質(zhì)量的粘土。鉆井泥漿是粘土在水中的分散體系，從鉆井工程的工藝要求出發(fā)，需要采用較為優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土造漿，即需要選用以含蒙脫石為主的鈉膨潤(rùn)土為造漿材料。

國(guó)內(nèi)外富含蒙脫石的大型優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土礦有不少，如我國(guó)的新疆夏子街、山東高陽(yáng)、遼寧黑山、浙江余杭，美國(guó)的懷俄明以及南澳大利亞等地都有高純度的大型膨潤(rùn)土礦床。泥漿公司和粘土粉生產(chǎn)廠家從這些地方采取粘土礦原料，做適當(dāng)?shù)募庸ぃ纬稍鞚{粘土的正規(guī)產(chǎn)品。

自然界中的粘土廣泛存在。許多情況下，鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)及其附近就有或多或少含蒙脫石的粘土。如果鉆井對(duì)泥漿性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥漿，并通過(guò)添加處理劑來(lái)改善泥漿性能。當(dāng)然，一些蒙脫石含量很少或雜質(zhì)很多的劣質(zhì)土是不可取的，因?yàn)檫@些土難以造漿。

如果鉆井通過(guò)的地層本身就富含造漿粘土，那么就可以利用地層造漿，即先用一定量的清水作為鉆井液，清水在井內(nèi)自動(dòng)水化分散被鉆頭破碎下來(lái)的粘土形成泥漿，直接循環(huán)使用。

無(wú)論是就地取土、地層造漿還是購(gòu)買(mǎi)正規(guī)粘土粉產(chǎn)品，都存在判別粘土是否適于造漿或檢驗(yàn)粘土造漿質(zhì)量的問(wèn)題。對(duì)此，應(yīng)該采用科學(xué)的鑒定和評(píng)價(jià)。

（一）粘土礦物的鑒定

粘土礦物的鑒定是確定粘土礦物的種類(lèi)，檢查其是否屬于以蒙脫石為主的膨潤(rùn)土。由于粘土礦物的粒級(jí)一般在幾微米以下，因此鑒定的方法主要有兩大類(lèi)型：

（1）礦物鑒定方法：差熱分析和失重分析法、X衍射法、紅外光譜法、化學(xué)分析法、電子掃描顯微鏡法；

（2）物化性能測(cè)定法：吸蘭量試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)、膠質(zhì)價(jià)試驗(yàn)、pH值試驗(yàn)、陽(yáng)離子交換容量測(cè)定。

這些方法屬于化學(xué)分析和儀器分析范圍，它們的工作原理和操作規(guī)范可參閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)書(shū)籍。以差熱分析方法為例。粘土礦物在加熱時(shí)會(huì)失去水分，質(zhì)量減輕。一般粘土礦物中含有三種水：自由水、吸附水和晶格水(粘土礦物結(jié)晶構(gòu)造中的一部分水，一般溫度升高到300℃以上才能失去)。通過(guò)對(duì)粘土礦物加熱時(shí)所發(fā)生變化的分析，不僅能夠說(shuō)明因脫水和結(jié)晶構(gòu)造所引起的吸熱反應(yīng)的特征，還能指示溫度升高時(shí)因形成新的物象所引起的放熱反應(yīng)。差熱分析的結(jié)果以熱效應(yīng)對(duì)爐溫的連續(xù)曲線的形式繪出。曲線中的波谷表示吸熱反應(yīng)，波峰則表是放熱反應(yīng)。曲線離基線的偏差反映試樣溫度與爐溫之差，是熱效應(yīng)強(qiáng)度的量度。幾種粘土礦物的差熱曲線如圖11－5所示。

圖11-5 三種粘土礦物的差熱曲線

高嶺石在400～500℃開(kāi)始失去結(jié)晶水，表現(xiàn)強(qiáng)烈、尖銳的吸熱谷，這時(shí)，高嶺石結(jié)構(gòu)破壞形成非結(jié)晶質(zhì)的偏高嶺石。950～1050℃時(shí)有一放熱峰，這是由于偏高嶺石重結(jié)晶所產(chǎn)生的。

伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈寬緩的吸熱谷。550～650℃排出結(jié)晶水呈現(xiàn)較寬的吸熱谷。850～950℃繼續(xù)排出結(jié)晶水，晶格破壞，有一較弱的吸熱線。900～1000℃有一明顯的放熱峰。

蒙脫石友三個(gè)特征吸熱谷和一個(gè)放熱峰；第一吸熱谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反應(yīng)，因相對(duì)濕度和層間可交換性陽(yáng)離子不同，可表現(xiàn)為單股、雙谷或三谷。550～750℃為第二吸熱谷，是排出結(jié)晶水的反應(yīng)，平緩且寬。900～1000℃出現(xiàn)第三吸熱谷，晶體結(jié)構(gòu)破壞，緊接者出現(xiàn)一個(gè)放熱峰，表是礦物重結(jié)晶形成尖晶石和石英等。

（二）造漿粘土的評(píng)價(jià)

綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)膨潤(rùn)土的研究成果，評(píng)價(jià)造漿膨潤(rùn)土優(yōu)劣的測(cè)試項(xiàng)目包括：（1）蒙脫石含量；（2）膠質(zhì)價(jià)和膨脹倍數(shù)；（3）陽(yáng)離子交換容量、鹽基總量和鹽基分量；（4）可溶性鹽含量；（5）造漿率；（6）流變特性和失水特性。

對(duì)造漿粘土的評(píng)價(jià)方法之一是按照造漿性能要求確定粘土的造漿率。所謂造漿率是指：配得表觀粘度為15×10-3Pa?s的泥漿時(shí)，每噸粘土造漿的立方數(shù)，計(jì)量單位為m3/t。它直接表示泥漿造漿效率的高低，

以此評(píng)價(jià)泥漿的宏觀性能。造漿率的具體測(cè)定規(guī)范是：在定量的蒸餾水中加入定量的膨潤(rùn)土粉，經(jīng)攪拌后密封靜止24小時(shí)，使之充分預(yù)水化，然后攪拌，用直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)600轉(zhuǎn)時(shí)的讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)為30即對(duì)應(yīng)表觀粘度15w10-3Pa?s時(shí)，依加土量計(jì)算造漿率： (11-1)

式中： B --造漿率，m3/t；Vw --水的體積，ml；Ws --土的重量，g；Ms --土的比重，g/cm3。

顯然，一次性定量配出的被測(cè)泥漿不可能正好為ηA=15w10-3Pa?s，因此應(yīng)該預(yù)估水、土加量范圍，配制2～3種不同水、土比的泥漿，分別測(cè)定它們的ηA值，然后用兩點(diǎn)或三點(diǎn)連線法插值或順延出造漿率值。

測(cè)定造漿率之前，對(duì)被測(cè)粘土的加工處理應(yīng)該按照統(tǒng)一要求進(jìn)行，使粘土的細(xì)度、水分含量、含砂量等指標(biāo)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍，以保證造漿率測(cè)定的準(zhǔn)確性。

應(yīng)該指出，表觀粘度雖然比較重要地反映了泥漿的性能，但是并不能唯一表明泥漿性能，更嚴(yán)格的造漿率指標(biāo)還應(yīng)該結(jié)合泥漿的失水量、屈服值、塑性粘度等指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。 國(guó)外造漿用商品膨潤(rùn)土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，主要是API標(biāo)準(zhǔn)即美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，此外，還有原來(lái)的OCMA（石油公司材料協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)、日本的JBAS標(biāo)準(zhǔn)和前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)等（見(jiàn)表11-3）。我國(guó)目前采用國(guó)際上通用的API標(biāo)準(zhǔn)作為商品膨潤(rùn)土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。若將表觀粘度與失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等結(jié)合起來(lái)衡量，能更加符合鉆井實(shí)際來(lái)準(zhǔn)確地反映膨潤(rùn)土的本質(zhì)特征。 訂制者 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

對(duì)被測(cè)土的技術(shù)要求 泥漿達(dá)到的性能指標(biāo) 造漿率(m3/t)

水分含量(%) 200目篩余量(%) API失水(%) 屈服值(0.478Pa) 漏斗粘度(s)

API標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)簽：粘土什么樣適用