钻井用聚合物改性膨润土的制备工艺研究_王桂芳

- 37 -第40卷第1期 非金属矿 Vol.40 No.12017年1月 Non-Metallic Mines January, 2017膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物。

蒙脱石是由两层Si-O 四面体中夹1层Al-(O, OH)八面体为构造单元组成的层状硅酸盐矿物。

蒙脱石层间Si-O 四面体中的部分Si 4+可被Al 3+取代，八面体中的Al 可被Fe 、Mg 、Zn 等离子取代，使晶层平面上带负电。

由于其具有特殊的结构特征和晶体化学性质，因而具备许多独特性能，如吸水性（可达自身质量的8~15倍）、膨胀性（吸水后体积膨胀几倍至20倍）、比表面积大、阳离子交换性、分散性、悬浮性、触变性、黏结性、化学性质稳定性、吸附性及无毒性等。

基于这些特性，膨润土被广泛应用于铁矿球团烧结、型砂铸造、石油钻井、土木工程、环境保护等领域[1-5]。

膨润土在泥浆方面主要应用于石油钻井、地质勘探钻井和非钻井用聚合物改性膨润土的制备工艺研究王桂芳1* 李恒军1 盘益任1 马少健1 肖慧珍1 刘 平2 （1 广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁 530004；2 桂林理工大学 南宁分校，广西 南宁 530001）摘 要 采用高分子聚合物和碳酸钠对广西钙基膨润土进行改性，系统研究了改性膨润土的制备工艺及泥浆性能。

研究表明，聚合物的添加方式、添加量和混合比例均对膨润土的泥浆性能影响显著。

采用单独添加碳酸钠、同时添加聚合物和碳酸钠、钠化后添加较少量的羧甲基纤维素或聚丙烯酰胺对提纯膨润土进行改性，其改性产品均不能达到API 标准一级土要求。

采用碳酸钠钠化后再添加单一聚合物时，改性膨润土的黏度随着聚丙烯酰胺或羧甲基纤维素的用量增加而增大，滤失量则呈现相反规律。

采用碳酸钠钠化后再添加羧甲基纤维素和聚丙烯酰胺混合物时，泥浆黏度值、滤失量和动塑比均达到了OCMA 级膨润土和API 标准要求。

当羧甲基纤维素和聚丙烯酰胺比例为10∶1时，泥浆性能最佳。

关键词 膨润土；改性；聚合物；泥浆性能中图分类号：TD985;TE254+.4 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2017)01-0037-04Study on Preparation Technology of Polymer Modified Bentonite for DrillingWang Guifang 1* Li Hengjun 1 Pan Yiren 1 Ma Shaojian 1 Xiao Huizhen 1 Liu Ping 2(1 College of Resources and Metallurgy, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004; 2 Guilin University of Technology at Nanning, Nanning,Guangxi 530001)Abstract In this paper, the preparation process of modified bentonite and its slurry properties were studied by high molecular polymer and sodium carbonate to modify Guangxi Ca-bentonite. The study showed that the adding way and amount of polymer, the mixing proportion of two polymers had significant influence on the performance of bentonite. When the modified bentonite were prepared by adding sodium carbonate only, adding sodium carbonate and polymer at the same time or adding a small amount of carboxymethyl cellulose or polyacrylamide after sodium carbonate modification, all these modified products could not meet the requirements of the standard grade 1 regulated by American Petroleum Institute (API). When carboxymethyl cellulose or polyacrylamide was used to modify bentonite after sodium carbonate modification, the viscosity of the prepared bentonite increased with the increase of the amount of polyacrylamide or carboxymethyl cellulose, while the filtration loss showed the inverse rules. The viscosity, filtration loss and dynamic plastic ratio of the bentonite modified by the mixture of carboxymethyl cellulose and polyacrylamide after sodium carbonate modification reached the requirement of European Oil Companies Materials Association (OCMA) and API bentonite standard. Moreover, when the ratio of carboxymethyl cellulose and polyacrylamide was 10∶1, the slurry performance was the best.Key words bentonite; modification; polymer; slurry properties开挖工程等施工工程中[6-7]。

传统的泥浆土组成主要是水、钙基膨润土、黏土及提黏剂等，属细分散淡水泥浆体系，但是，由于近年来我国石油钻井、地质勘探钻井和非开挖工程等的快速发展，传统钙基膨润土难以满足不断加大的施工深度、复杂的地质条件等施工要求。

因而，泥浆用膨润土大多是复合钠基膨润土泥浆，其组成主要是水、复合钠基膨润土及增效剂等，属聚合物泥浆体系。

然而，我国膨润土90%为钙基膨润土，天然钠基膨润土资源很少，广西膨润土矿产基本都是钙基膨润土，且蒙脱石含量较低，质量较差，矿浆黏度、滤失量等很难达到泥浆土的要求标准。

本实验对广西某钙基膨润土进行了钠化，在钠化工艺条件下添加不同聚合物制备出聚合物改性膨润土，采用国际通用API （美国石油学会）和OCMA （欧洲石油公司材料协会）的钻井用膨润土标准要求，对制备的钠化膨润土和聚合物改性膨润土性能进行分析，研究了聚合物添加方式、添加量和混合比例等因素对产品泥浆性收稿日期：2016-12-06基金项目：国家自然科学基金（51464004）；广西科技攻关项目（桂科攻1348018-6）。

*通信作者，E-mail: lgjzlqw@ 。

第40卷第1期非金属矿2017年1月能的影响，为钙基膨润土的资源开发利用提供依据。

1 实验部分1.1 原料实验所用膨润土原料取自广西百色市田东县某膨润土矿床，原土外观颜色为青色，油脂光泽，莫氏硬度低，呈致密块状，具有泥质结构。

膨润土原矿的吸蓝量为28.25 g/100g，故其蒙脱石含量约为63.91%，阳离子交换容量为54.0 mmol/100g，膨胀容为5.4 mL，胶质价为20.5 mL。

依据斯托克斯沉降理论，采用自然沉降法对膨润土原矿进行提纯，蒙脱石提纯粒度控制在-10 μm。

膨润土原矿和提纯膨润土的600 r/min黏度值分别为2.5 mPa·s和3.0 mPa·s，300 r/min黏度值分别为1.5 mPa·s和1.7 mPa·s，动塑比分别为0.25 Pa/(mPa·s)和0.15 Pa/(mPa·s)。

可见，田东膨润土经提纯后，其泥浆性能稍高于原土，但二者远不能达到国际通用API（美国石油学会）和OCMA（欧洲石油公司材料协会）标准要求。

1.2 试剂及仪器设备碳酸钠，分析纯；聚丙烯酰胺，1800万分子量；羧甲基纤维素，动力黏度为1 Pa·s。

ZNN-D6六速旋转黏度计，ZNS-2A中压滤失仪，电子天平（ALC-0.0001），101AS-2电热恒温鼓风干燥箱，HH-S6数显恒温水浴锅，X2M-100振动磨。

1.3 泥浆性能测试方法及评价标准泥浆性能测试方法参照GB/T 5005-2010 钻井液材料规范，评价标准采用国际通用API（美国石油学会）和OCMA（欧洲石油公司材料协会）两个标准对膨润土的泥浆性能进行对比分析，API标准较OCMA标准要高，OCMA和API标准见表1 [6]。

表1 OCMA和API钻井用膨润土主要物理性能要求项目API指标OCMA 指标黏度计600 r/min读值/(mPa·s)≥30≥30动塑比/(Pa/(mPa·s))≤1.5（一级土），≤3（二级土）≤3滤失量/mL≤15.0（一级土）， ≤17.0（二级土）≤16.0 75 μm筛余（质量分数）/%≤2.5≤2.52 结果与讨论2.1 同时添加聚合物和碳酸钠对改性膨润土泥浆性能的影响在提纯膨润土矿浆质量分数为5%，钠化时间为20 min，钠化温度为常温条件下，同时加入4%碳酸钠和1%聚合物聚丙烯酰胺或羧甲基纤维素（相对于膨润土干矿质量）对提纯钙基膨润土进行改性，改性后的膨润土样品经105 ℃下恒温干燥、研磨，过74 μm筛后，按照国家膨润土测定规范配置成悬浮液，养护16 h，测定其黏度值，结果见表2。

同时添加聚丙烯酰胺和碳酸钠改性的膨润土记为改性膨润土1#，同时添加羧甲基纤维素和碳酸钠改性的膨润土记为改性膨润土2#。

此外，为对比分析聚合物对泥浆土的性能影响，在矿浆质量分数为5%，钠化时间为20 min，钠化温度为常温，碳酸钠用量为4%的条件下，对提纯膨润土进行钠化改型，所制备的钠化膨润土黏度值见表2。