低蒙脱石含量膨润土的造浆性能开发研究

铁丽云，鲁义军，陈济美，孙圣烟

(1.武汉理工大学材料研究与测试中心，湖北 武汉 430070；2.湖北省地质实验研究所，湖北 武汉 430022;3.湖南临澧县众帮化工有限公司，湖南 临澧 415200)

湖南临澧有一种低蒙脱石含量的黏土——“膨润土”，其蒙脱石含量一般在40%左右。按“膨润土是一以含蒙脱石类矿物为主的黏土岩”[1]的定义讲，把这类黏土矿称为膨润土并不十分确切。本文试验探讨了该种黏土的理化性能，认为该黏土矿除含蒙脱石外，还含有高岭石、伊利石、石英和方解石等伴生矿物与杂质。因蒙脱石含量低，过去用传统的钠化处理方法，无法使其达到钻井泥浆用土的要求，因此，被认为它是不适合作钻井级泥浆材料的。针对该类黏土的特点，经试验找到了一种由纯碱、活性氧化镁、天然有机高分子化合物与合成有机高分子聚合物组成的复合添加剂，对该黏土进行改性处理，大大提高与改善了黏土的分散性与流变学性能，使它变成了一种优质的钻井级泥浆用土，它的各项技术指标均达到了国际标准ISO13500∶2008[2]的规定。该技术工艺简单，设备投资少，改性效果好，易于推广。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器设备

低蒙脱石含量黏土(膨润土)采自湖南临澧，含蒙脱石35%～40%；纯碱(Na2CO3)；活性氧化镁；天然高分子化合物(纤维素CMC,HEC,HPMC)；合成高分子聚合物(酰胺与盐类)。泥浆高速搅拌机：11000r/min；ZNN-D6旋转粘度计，ZNS-2型中压滤失仪。

1.2 黏土矿床地质特征与矿石物质组成

矿床地质特征：该黏土矿床产于临澧盆地内，黏土矿赋存于第四系下更新统湖积夹冲积层。

矿物成分：该黏土矿物质组成(质量分数%)，经偏光显微镜检测与X-射线衍射分析为由蒙脱石、高岭石、伊利石、石英、方解石、长石和铁质等组成，其中蒙脱石35～50，高岭石3～15，伊利石3～10，石英5～8，方解石3～8，长石1～3，铁质0.5～3等。

化学成分：化学分析结果表明，该黏土化学组成(质量分数%)：SiO2，68.01；Al2O3，14.10；Fe2O3，4.83；TiO2，0.22；CaO，2.57；MgO，1.25；K2O，1.14；Na2O，0.21；烧失量，6.82。

1.3 矿石物化性能

该黏土矿的物化性能按《岩石与矿石分析规程》[3]测试分析结果见表1与表2。

表1 低蒙脱石含量膨润土的物化性能

表2 低蒙脱石含量膨润土的阳离子交换量(mmoL/100g)

试验结果表明，该膨润土的吸蓝量为57.5mmoL/100g，蒙脱石含量为38.3%，低。阳离子容量CEC40.70mmoL/100g，低，交换性阳离子E(1/2Ca2+)+E(1/2Mg2+)之和38.11mmoL/100g，为阳离子交换容量CEC内93.6%。该黏土中的蒙脱石为钙基蒙脱石，膨润土为钙基膨润土。

1.4 实验方法

泥浆试验：称取定量的黏土试样(200目)，分别按不同配比加入纯碱或活性氧化镁，天然高分子化合物与合成高分子聚合物，经混匀，改性处理后，制成试验样用于泥浆性能测试。

按GB/T 5005-2010《钻井液材料规范》测试钻井泥浆试样的黏度、滤失量与动塑比。

称取22.50g黏土试样，于盛有350mL水的搅拌杯中，在高速搅拌机上搅拌20min，取下。陈化，放置16h再搅拌5min取下，在六速黏度计上测试600r/min该数(Φ600)与300r/min读数(Φ300)。按下列公式计算塑性黏度PV、动切力YP与动塑比YP/PV。

将上述测试过的泥浆悬浮液重新併入泥浆杯中，再搅拌1min后，将悬浮液移入滤失量样杯中，主液面距杯顶端13mm以内，放入9cm滤纸，加盖，安装于滤失仪上。在0.69MPa的压力下，用20mL量筒承接滤失液，将前7.5min期间承接滤液的量筒移开，再换另一干净的量筒，再承接7.5～30min期间的滤液V(mL)。按式(4)计算滤失量FL(mL)。

2 结果与分析

2.1 纯碱对黏土造浆性能的影响

该类膨润土中含钙基蒙脱石，且含量低，因此，在水中分散性与悬浮性差，悬浮液粘度低，不适合作钻井泥浆用黏土。为了提高与改善它的泥浆性能，必须加纯碱(Na2CO3)进行钠化改型，使钙基蒙脱石转变成钠基蒙脱石。试验采用常规的钠化改型方法，考查了不同纯碱的加入量对膨润土的黏度(即黏度计600r/min的读数，Φ600)与滤失量FL(mL)的影响，结果见表3。

表3 纯碱加入量对黏土造浆性能的影响

试验表明，综合考虑加入Na2CO3对黏土的粘度Φ600与滤失量FL影响，当Na2CO3的加入量为3.0%～5.0%时为宜，否则当Na2CO3<3%或>5%时，泥浆的黏度与滤失量是不能同时兼顾的。

2.2 活性氧化镁对黏土造浆性能的影响

活性氧化镁是一种无机添加剂，它有增加黏土在水中的分散性与膨胀性的功能，有增黏、增稠的作用。试验时在膨润土中固定加入4.5% Na2CO3的情况下，分别加入0.1%～2.0%的活性氧化镁处理试样后，试验结果见表4。

试验表明，随着活性氧化镁的增加，黏土试样的粘度(Φ600)与滤失量均有所增加，但为了使滤失量FL≤16mL，活性氧化镁一般控制在0.10%～1.0%为宜。

表4 活性氧化镁对黏土造浆性能的影响

2.3 天然高分子化合物对黏土造浆性能的影响

试验在黏土中固定加入4.5%的Na2CO3的情况下，分别加入不同量的天然高分子化合物(CMC、HEC、HPMC)，对黏土改性处理，试验结果见表5。

表5 天然有机高分子化合物对黏土造浆性能的影响

试验表明，随着试样中CMC的加入量的增加，它的粘度(Φ600)有所增加，滤失量FL有所降低或基本不变。CMC的加入一般控制在0.2%～0.8%为宜。

2.4 合成有机高分子聚合物对黏土造浆性能的影响

试验在黏土中固定加入4.5%的Na2CO3的情况下，分别加入不同量的合成有机高分子聚合物(酰胺或盐类)对黏土改性处理，试验结果见表6。

表6 合成有机高分子聚合物对黏土造浆性能的影响

试验表明，随着黏土中HPAM加入量的增加，黏土的粘度(Φ600)逐渐增加，但滤失量有一个由小变大的过程，当HPAM的量>1.0%时，滤失量变差。因此，一般控制在0.2%～1.0%为宜。

2.5 复合添加剂对黏土造浆性能的影响

以上试验表明，对临澧的低蒙脱石含量的黏土，采取上述任何一种添加剂对它进行改型与改性处理，很难使该类膨润土的分散性与流变学性能达到钻井泥浆用土的要求。因此，该试验在考查了各单因素对黏土造浆性能的影响后，采用包括纯碱，天然有机高分子化验合物，合成有机高分子聚合物或活性氧化镁组成的复合添加剂，对该类黏土进行改型与改性处理，试验配比与结果见表7。

表7 复合添加剂对黏土的改笥试验结果

试验结果表明，利用纯碱、活性氧化镁、天然有机高分子化合物与合成有机高分子聚合物按合适的配比组成的复合添加剂，对临澧的低蒙脱石含量的黏土进行改性处理。由于不同添加剂具有互补与协同作用，能使该类膨润土的分散性与流变学性能有很大提高与改善，使泥浆粘度(Φ600)≥30，动塑比YP/PV≤3.0，滤失量≤16.0mL。使黏土的造浆性能达到国际标准ISO13500∶2008的要求，成为一种优质钻井级泥浆用土。

3 复合添加剂改性工艺流程

针对临澧的低蒙脱石含量的黏土(膨润土)的特点，试验拟定如下的钠化改性工艺流程：黏土原矿—破碎—复合添加剂—钠化改性处理—烘干—磨细—产品。

4 结语

该低蒙脱石含量的黏土(膨润土)钠化改性方法具有如下特点。

1) 采用纯碱、活性氧化镁，天然有机高分子化含物与合成有机高分子聚合物组成的复合添加剂，具有互补与协同效应，工艺上有所突破，大大提高与改善了黏土的钠化改性效果，使一些原不能造浆的劣质黏土，变成了一种符合国际标准要求的优质钻井组级泥浆用土。

2) 该法工艺流程简单，设备投资少，能耗低，有利于推广应用。

3) 该法已用于生产钻井级泥浆用土，产品已进入国内与国际市场，在石油钻井与深井钻连续墙中效果极好，得到用户好评。

[1] 全国矿产储量委员会办公室.矿产工业要求参考手册[M].北京：地质出版社，1987.

[2] International standard ISO13500∶2008.Petroleum and natural gas industries—Drilling fluid materials—Specification and tests[S].2008.

[3] 中华人民共和国地质矿产部.岩石和矿石分析规程[M].西安:陕西科学出版社，1993.