(咸陽非金屬礦研究設計院有限公司/陳媛媛，馬亮，王新江）1 前言
隨著我國石油、天然氣的開發和固井技術的進步，非金屬礦物在油氣鉆井中得到廣泛應用。膨潤土和凹凸棒石由于各自的特性，是制備鉆井泥漿的理想材料。
膨潤土是一種膠質粘土礦物，主要含有蒙脫石，蒙脫石是由兩層Si-O四面體中夾一層Al-(O，OH)八面體為構造單元組成的層狀硅酸鹽礦物，由于這種特定的層狀結構，膨潤土在水中有良好的分散性、懸浮性及粘結性，使其成為水基鉆井泥漿的主要組分。在油氣鉆井中，膨潤土的層狀結構提供的潤滑性，能降低對鉆桿的扭距和阻力，其粘結性使鉆液從所鉆的垂直鉆孔中帶走鉆屑，膨潤土泥漿的凝膠強度能防止鉆屑沉積在已鉆的孔段內，它還為泥漿提供強度和粘性防止井壁坍陷。
凹凸棒石是一種層狀結構的含水高鎂鋁硅酸鹽粘土礦物。由兩層硅氧四面體，一層鋁氧八面體組成。具有流動性能和觸變性能，適用于膠體泥漿、懸浮劑、觸變劑和粘結劑，還有良好的熱穩定性、抗鹽及造漿等性能，主要用作抗鹽泥漿，特別是在深海石油鉆井、地熱鉆井方面，用其制作泥漿，可在高溫下不會引起嚴重的井底膠凝，在高濃度鹽的作用下不會降低粘度和觸變性能等。
本試驗所用的原料中主要為膨潤土，其次還含有超過30%的凹凸棒石，這種以膨潤土和凹凸棒石為主要成分的粘土礦物在國內比較少見。本試驗針對該原礦的特點，采用了半干法擠壓鈉化工藝，通過添加鈉化劑、自制增效劑對膨潤土原礦進行了鈉化改型，制備了鉆井液用膨潤土材料。試驗重點考查了物料含水率、鈉化劑用量、增效劑用量以及擠壓次數等對產品的粘度計600r/min讀數、濾失量、屈服值/塑性粘度等指標的影響，獲得了符合API 13A-2010鉆井液材料規范中鉆井級膨潤土的技術要求，并確定了效果最佳的工藝參數，試驗為該膨潤土的開發利用提供了技術依據，該產品通過一定的工藝技術，還可以生產具有一定抗鹽作用的膨潤土鉆井泥漿，在海洋鉆井等特殊環境中，也具有廣闊的應用前景。
2 膨潤土原礦的物化性能
原礦外觀呈米黃色土狀，原礦經檢測：膨脹指數9.5 ml/2g，膠質價21ml/3g，2h吸水率268.3%。表1為原礦的化學成分分析檢測結果，圖1為原礦的XRD圖譜，膨潤土原礦主要的礦物組成是膨潤土46%、凹凸棒石32%、石英12%、方解石4%、赤鐵礦2%、石鹽2%、燒石膏1%和未檢出1%。通過以上XRD分析、化學分析及物理性質檢測結果，可以看出，該礦中MgO含量較高，CaO含量較Na2O含量高，其膨潤土可能是鈣基膨潤土，并伴生有凹凸棒石、石英、方解石等其他礦物。
表1 原礦化學成分檢測結果見表1
| 元素名稱 |
SiO2 |
Al2O3 |
TFe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
K2O |
TiO |
P2O5 |
SO3 |
MnO |
L.O.I |
| 含量（%） |
54.60 |
14.57 |
5.39 |
4.30 |
4.12 |
1.99 |
0.54 |
0.92 |
0.59 |
0.085 |
0.015 |
12.06 |
圖1膨潤土礦XRD圖譜
經對該膨潤土原礦取樣進行泥漿性能測試，結果為：分散后的塑性粘度為2 mPa•s，屈服值/塑性粘度為1，與API 13A-2010鉆井液材料規范中未處理膨潤土的要求(見表2)有一定差距，不能滿足石油鉆井要求，必須進行工藝處理。
表2 API 13A-2010鉆井液用膨潤土規范
| 項目 |
指標 |
| 鉆井級膨潤土 |
未處理膨潤土 |
OCMA級膨潤土 |
| 懸浮液 |
粘度計600r/min讀值 |
≥30 |
- |
≥30 |
| 屈服值/塑性粘度 |
≤3 |
≤1.5 |
≤6 |
| 濾失量 |
≤15mL |
- |
≤16 mL |
| 分散后的塑性粘度 |
- |
≥10mPa·s |
- |
| 分散后的濾失量 |
- |
≤12.5mL |
- |
| 75μm篩余(質量分數) |
≤4% |
- |
≤2.5% |
3 試驗部分：
3.1 試劑與儀器
主要儀器
表3 主要儀器表
| 序號 |
儀器設備規格及名稱 |
用途 |
| 1 |
擠壓機 |
擠壓 |
| 2 |
WG136干燥箱 |
干燥 |
| 3 |
GJ-2S數顯高速攪拌機 |
攪拌 |
| 4 |
MOD.ZNN-D6六速旋轉粘度計 |
樣品粘度測定 |
| 5 |
MOD.ZNS-2中壓濾失儀 |
樣品濾失量測定 |
| 6 |
萬能粉碎機 |
粉磨 |
3.2 制備鉆井液材料
由于原礦的技術指標達不到AIP標準中未處理膨潤土的要求，不能直接用于鉆井工業。為了滿足鉆井泥漿用膨潤土的要求，需對其采用多種改性劑進行試驗。本試驗采用的試驗方法為半干法擠壓鈉化，該方法較濕法鈉化含水率小、成本低，較其他堆場鈉化等方法鈉化充分、均勻，產品性能穩定。具體的工藝流程如下：
 圖2 工藝流程圖
3.2.1物料含水率的確定
擠壓鈉化時，物料的含水率是影響產品性能及生產成本的重要因素之一。含水率過低，物料過干，出料不暢，容易將擠壓機卡死；含水率過高，擠出的物料不成條狀，起不到擠壓改型的效果。通過物料含水率條件試驗，考察不同的含水率下擠壓效果，確定了最佳物料含水率，在確保擠壓效果的情況下，使含水率達到最低，最大程度降低后續干燥成本。
本試驗在其他試驗條件一定的情況下，對物料在不同含水率條件下擠壓，結果表明，在物料含水率為30%、35%時，都會出現不同程度的擠壓機卡死，當含水率增加到40%時，能夠連續順暢地擠出物料，后續系列試驗也表明該含水率可以保證擠壓鈉化改型的效果，將物料含水率確定為40%。
3.2.2增效劑對產品性能的影響
由于原礦的主要礦物是膨潤土，且伴生一定量的凹凸棒石，無論是膨潤土還是凹凸棒石在作為鉆井液材料時，在懸浮液系統中添加增效劑都是控制其流變性的一種有效方法。本試驗中采用了實驗室自行配制的增效劑A。
試驗條件：鈉化劑為3%，物料含水率為40%，擠壓次數為2次，考察添加增效劑A對產品粘度計600r/min讀數、濾失量及屈服值/塑性粘度的影響，試驗的結果見表4。
表4 添加增效劑對鈉化產品性能的影響
增效劑量(%)
指標 |
0 |
1 |
| 粘度計600r/min |
49 |
48 |
| 濾失量(mL) |
4.5 |
4 |
| 屈服值/塑性粘度 |
6.64 |
2.8 |
通過表4中的實驗結果可以看出，是否添加的增效劑A，懸浮液的粘度計600r/min讀數只有微小波動，且均能達到API標準鉆井膨潤土要求。但是添加增效劑A后，屈服值/塑性粘度大大降低，說明該自制增效劑A增強了懸浮液的剪切稀釋特性，使得兩切變速率下的粘度差明顯加大，屈服值/塑性粘度降低至到2.8，達到API標準鉆井級膨潤土的要求，大大提升了產品附加值。
3.2.3增效劑添加工藝的影響
增效劑的添加工藝對產品成本具有較大影響，通過本實驗考查兩種添加工藝的產品最終性能，確定最佳的添加工藝。
試驗條件：鈉化劑3%，擠壓兩次，物料含水率為40%，增效劑1%，考察鈉化階段加增效劑與改性后成品中加增效劑對產品粘度計600r/min讀數、濾失量及屈服值/塑性粘度的影響，試驗的結果見表5。
表5 鈉化階段加增效劑與改性后成品中加增效劑的產品性能
指標
條件 |
粘度計600r/min |
濾失量(mL) |
屈服值/塑性粘度 |
| 鈉化階段加增效劑 |
48 |
5 |
4.8 |
| 改性后成品中加增效劑 |
43 |
9 |
14.76 |
由表5中的結果可以看到，與鈉化階段加增效劑的樣品性能相比，改性后成品中加增效劑的樣品屈服值/塑性粘度過大。這可能是由于在鈉化階段加入增效劑時，擠壓過程中產生的擠壓力以及高溫作用下，才能使鈉化劑和增效劑充分發揮其應有的效果。
3.2.4鈉化劑的用量對產品性能的影響
由于原礦中膨潤土為鈣基膨潤土，必須要進行人工鈉化改型為鈉基膨潤土，以提升產品各方面性能，達到API標準要求。在原礦中加入鈉鹽作為鈉化劑。
試驗條件：增效劑1%，物料含水率為40%，擠壓次數為2次，考察不同鈉化劑添加量，對產品粘度計600r/min讀數、濾失量及屈服值/塑性粘度的影響。
表6 不同鈉化劑用量對產品性能的影響
鈉化劑量(%)
指標 |
2 |
3 |
4 |
6 |
| 粘度計600r/min |
23 |
48 |
74 |
131 |
| 濾失量(mL) |
19 |
4 |
0 |
0 |
| 屈服值/塑性粘度 |
5.68 |
2.8 |
22.7 |
24.2 |
由表6中試驗結果可以看出，鈉化后產品各性能指標較原礦有較大幅度提升，說明鈉化效果較好。產品符合隨鈉化劑用量增加，粘度增大的普遍規律。這主要是該原礦鈣基膨潤土，則其可交換性陽離子主要為Ca 2+。Ca 2+ 離子取代能力遠大于Na + 離子，但當Na +離子達到一定濃度時，就可進入晶層間進行取代。這種取代是以等當量進行的，即兩Na +個離子取代一個Ca 2+ 離子，一個Ca 2+ 離子吸附水分子數是5，而每兩個Na +離子吸附水分子數為16.8，這樣就增厚了晶層表面的雙電層，從而使粘土層間距增大，從而使膨潤土分散加劇， 表現為粘度上升，失水量也有所下降。
但還可以看到屈服值/塑性粘度隨鈉化劑添加量的增加呈先增大后減小的規律，添加量為2%，4%及6%時未能達到API標準要求，可能是由于電解質量的變化導致的動切力上升或粘度的增大導致的泥漿分散度有所降低；當鈉化劑用量達到3%以上時，濾失量均能達到API標準要求；綜合以上試驗結果，當鈉化劑加入量為3%時各項指標均能符合API標準中鉆井級膨潤土技術要求，因此確定鈉化劑最佳加入量為3%。
3.2.5擠壓次數對產品性能的影響
鈉化劑及增效劑與礦樣的反應需要在一定溫度條件下進行，必須進行擠壓，擠壓次數的多少直接影響反應效果的好壞，次數少，產品性能無法保證；擠壓次數多，產品的成本增加，本試驗通過對擠壓效果的對比試驗，在確保產品質量的情況下，確定最低擠壓次數，最大限度降低生產成本。
試驗條件：鈉化劑3%（以干礦樣計），增效劑1%（以干礦樣計），物料含水率為40%，考察不同的擠壓次數下對產品粘度計600r/min讀數、濾失量及屈服值/塑性粘度的影響，試驗的結果見表7。
表7 不同的擠壓次數下鈉化產品的指標
擠壓次數(次)
指標 |
1 |
2 |
| 粘度計600r/min |
38.5 |
48 |
| 濾失量(mL) |
16 |
4 |
| 屈服值/塑性粘度 |
6.36 |
2.8 |
由表7的結果可以看出，擠壓2次較擠壓1次，粘度增大，屈服值/塑性粘度明顯降低，這主要是由于工藝中鈉化劑和增效劑都以溶液的形式與原料混合，分散均勻，而本試驗所用擠壓機的擠出壓力在2MPa左右，擠出物料溫度45~55℃之間，一定的壓力、溫度和時間有利于Na+從蒙脫石層狀結構中置換出高價陽離子Ca2+，使得鈉化劑和增效劑充分發揮其應有的效果。綜合考慮到生產工藝及成本因素，擠壓兩次各項指標已經達到了要求，本次試驗確定擠壓次數為兩次。
4 結論
(1)采用半干法擠壓鈉化改性效果顯著，簡單可行，大大改善了該原礦的泥漿性能。
(2)增效劑A增強了懸浮液的剪切稀釋特性，加大兩切變速率下的粘度差，降低屈服值/塑性粘度。
(3)經優化試驗，最終工藝路線為，鈉化劑添加量3%，增效劑添加量1%，擠壓物料含水率40%，擠壓兩次。
(4)經工藝處理后產品，粘度計600r/min讀數為48，屈服值/塑性粘度為2.8，濾失量為4mL，得到了符合API標準的鉆井級膨潤土要求，，產品附加值得到大幅度提升。
(廈門非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志）
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