瀏陽永和海泡石在海洋鉆井泥漿中的應(yīng)用

1、瀏陽永和海泡石在海洋鉆井泥漿中的應(yīng)用appl icat ion of yonghe sepiol ite in l iuyang to marine drill mud楊 光 華y ang gu an gh u a桂林工學(xué)院建工系 桂林 541004architect ural engineer depart ment of guiling indust rial college摘 要該文介紹瀏陽縣永和鎮(zhèn)海泡石的物化基本分析結(jié)果及海泡石粘土加工方法試驗(yàn) 、機(jī)械分散試驗(yàn) 、分散介質(zhì)試驗(yàn) 、造漿性能評(píng)價(jià)方法以及在南海油田進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)的情況 , 認(rèn)為用永和海泡石開發(fā)鉆井泥漿材料在技術(shù)上是可行的 ,有

2、著很大的遠(yuǎn)景市場(chǎng)開發(fā)潛力 。關(guān)鍵詞abstract海泡石 膨潤土 鹽水泥漿 粘度 剪力 海洋鉆井 裸眼 稠泥漿acco rding to t he p hysical and chemidal analysis p rocessing met ho ds and machine dispessive and dis2perssive media experiment and mud - making perfo r mance evaluatio n met ho ds and marine drilling experiment at so ut h sea oil field ,t he

3、aut ho r t hinks t hat it is po ssible to use yo nghe sepilite to develop drill mud and t he mar ket p ro spect andt he develop ment potential are goo d.key wordssepiolite ,bento nite ,brine mud ,visco sit y ,shear fo rce ,marine drill ,bare hole ,chick mud瀏陽縣永和鎮(zhèn)出產(chǎn)的海泡石屬鎂型粘土礦物 ,晶體纖維呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ( 圖 1) ,具有較大

4、的比表面 ,吸附能力強(qiáng) ,在多種鹽 、堿的水溶液中均能高度分散和水化 ,建立起穩(wěn)定性很好的懸浮體 系 ,無疑是一種優(yōu)良的抗鹽粘土原料 。用該海泡石在南海油田進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn) , 試 驗(yàn) 的 目 的 是進(jìn)一 步 研 究 和 論 證 用 海 泡 石 開 發(fā) 符 合 a p i (美國石油協(xié)會(huì)) 標(biāo) 準(zhǔn) 的 抗 鹽 粘 土 產(chǎn) 品 的 可 行 性 。永和海泡石可分無為未風(fēng)化 、半風(fēng)化及完 全風(fēng)化三類 ,其中只有完全風(fēng)化類 (被稱為海泡石粘土) 可用作泥漿材料 。用于南海油田實(shí)鉆 試驗(yàn)的海泡石工業(yè)試驗(yàn)大樣采自永和海泡石礦 區(qū) 礦段 ,均為深度風(fēng)化的粘土型海泡石 ,共約210 t 。有關(guān)的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

5、介紹如下 :1室內(nèi)試驗(yàn)樣品的采集及測(cè)試為確保工業(yè)試驗(yàn)大樣的質(zhì)量和掌握必要的圖 1 海泡石樣品的電鏡照片試驗(yàn)數(shù)據(jù) ,我們從大樣提取一部分樣品 ,做了一系列的室內(nèi)試驗(yàn) 。為使室內(nèi)試驗(yàn)樣品具有可信該試驗(yàn)是湖南省地礦局主管和組織進(jìn)行的湖南海泡石工業(yè)利用研究課題的一個(gè)組成部分 ,由湖南省地礦局 402 隊(duì) 、湖南省海泡石股份有限公司和南海油田泥漿站三方共同完成 。 收稿日期 :1996 - 12 - 24 改回日期 :1997 - 05 - 09作者簡(jiǎn)介 :楊光華 ,男 ,1957 年出生 ,1982 年畢業(yè)于武漢地質(zhì)學(xué)院探工系 ,工程師 ,曾在湖南地礦局 402 隊(duì)任實(shí)驗(yàn)室副主的代表性 ,是分 8 次

6、從大樣中取的樣 ,共采集了 600 kg ,經(jīng)曬干 、混勻后 ,用四分法取出 150 kg樣品用于做加工粒度試驗(yàn) ,其余全部用雷蒙機(jī)加工成通過 0 . 16 mm 方孔篩的土粉 ,對(duì)其余土 粉再次用四分法取出其中約 100 kg ,用于做各項(xiàng)基本物化測(cè)試 、機(jī)械分散試驗(yàn) 、離子吸附試驗(yàn) 及 a p i 造漿試驗(yàn) 。該樣品呈淺灰色 ,其電鏡分析的照片見圖 1 。經(jīng)測(cè)試 ,樣品的比重為 2 . 04 , 陽離子交換容量為 23 meq/ 100 g 土 ,膠質(zhì)價(jià)為 98 % ,在 4 %nacl 水溶液中的造漿率為 13 . 1 m3 / t ,在飽和 nacl 水溶液中的造漿率為 12 . 4

7、m3 / t ;用 nacl 水溶液配制的海泡石懸浮液 ,若不 加任何降失水劑 (例如低粘鈉羧甲基纖維素) ,則做失水量試驗(yàn)均會(huì)完全失水 。由湖南省地礦局中心實(shí)驗(yàn)室做的 x 光衍射分析和 402 隊(duì)實(shí)驗(yàn)室做的硅酸鹽化學(xué)分析及光譜分析的結(jié)果見 表 1 和表 2 。表 1 永和海泡石粘土 x 衍射分析和硅酸鹽化學(xué)分析結(jié)果x 衍射分析 ( %)硅酸鹽化學(xué)分析 ( %)fe2o3 k2o na2o sio2 al2o3h2o + h2o + feo海泡石方解石石英滑石其他 cao mgotio2532291511 . 09 17 . 80 1 . 49 0 . 20 0 . 04 62 . 90 3

8、. 550 . 15 10 . 88 8 . 28 0 . 11表 2 永和海泡石粘土光譜分析結(jié)果 ( %)bezrbcrga tipb sn mn ni vcu zn co0 . 00050 . 0070 . 0010 . 0050 . 0007 0 . 30 . 01 0 . 005 0 . 07 0 . 0075 0 . 01 0 . 003 0 . 015 0 . 00052機(jī)械加工方法試驗(yàn)海泡石在運(yùn)送油田進(jìn)行井下試驗(yàn)前 ,需要按 a p i 標(biāo)準(zhǔn)加工成粉狀并包裝成袋 。根據(jù)課題組已對(duì)海泡石做過的大量試驗(yàn) ,不同的加工方法對(duì)海泡石的造漿性能是有較明顯的影響的 ,例如 ,對(duì)潮濕的原礦分別

9、用風(fēng)干 、曬干及烘干三種方法干燥 ; 對(duì)干燥好的原礦分別用研缽 、球磨 機(jī) 、葉片式粉碎機(jī)及雷蒙機(jī)粉碎至同一粒度 ; 以及使用同一粉碎機(jī)械將樣品粉碎成不同的粒 度 ,分別用這些不同的方法制備出樣品 ,流變性能都會(huì)表現(xiàn)出一定的差異 。對(duì)本次用于井下試 驗(yàn)的大樣 ,根據(jù)加工條件和試驗(yàn)的需要 ,采取的是曬干和雷蒙機(jī)粉碎 。不同粒度的樣品在飽和 鹽水中的造漿試驗(yàn)結(jié)果見表 3 。表 3永和海泡石粘土造漿率試驗(yàn)結(jié)果從表 3 可 見 , 永 和 海 泡 石 以 0 . 9 mm 粒 度規(guī)格的造漿率最高 ,這一特性與江西海泡石一致 。 在 a p i 標(biāo)準(zhǔn)中 ,并未對(duì)海泡石和其他抗鹽粘土的 成品作出干篩分析的

10、具體規(guī)定 ,是允許加工成 0 . 9 mm 的 , 昆山抗鹽粘土和江蘇凹凸棒石就是粒度( mm) 0 . 08 0 . 12 0 . 16 0 . 20 0 . 315 0 . 9造漿率( m3/ t )12 . 4 12 . 5 12 . 8 12 . 9 13 . 2 13 . 6加工成 0 . 9 mm 的粒度 。但加工成 0 . 9 mm 的前提是原土的含砂量必須較低 ,以保證濕篩分析的篩余率不大于 8 % ,而永和海泡石原礦的含砂量一般都在 25 %以上 ,若不經(jīng)過選礦 ,直 接加工成 0 . 9 mm 將無法滿足濕篩分析的要求 ,另外 ,油田方面也要求加工得細(xì)些 ,以便在 海上用吹

11、送的方法裝卸 ,故這批大樣是全部加工成 0 . 16 mm 的粒度 。3海泡石在飽和鹽水中的剪切分散試驗(yàn)與江蘇凹凸棒石及江西海泡石類似 ,用永和海泡石配制的懸浮液 ,其表現(xiàn)粘度也與配漿時(shí)第 3 期楊光華 :瀏陽永和海泡石在海洋鉆井泥漿中的應(yīng)用207所做的試驗(yàn) ,規(guī)律基本上是 :攪拌軸的葉片所產(chǎn)生的剪切力越大 ,攪拌軸的轉(zhuǎn)速越高 ,攪拌的時(shí)間越長 ,樣品懸浮液的表現(xiàn)粘度就越高 ;若攪拌的轉(zhuǎn)速過低 ( 例如用人力攪拌) ,則即使攪拌時(shí) 間很長 ,也不能有效建立起粘度 。而目前市售的膨潤土這一現(xiàn)象就不太明顯 ,膨潤土粉通常只 要在水中浸泡片刻 ,再加入適量分散劑并稍加攪拌 ,即可高度分散和水化 。分

12、析其原因 ,是由 于海泡石晶胞具有層鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) ,其晶胞參數(shù)較大 ,纖維又較長 ,并形成較牢固的纖維束狀交織 網(wǎng)架 ,因而在較小的剪力下一般不易將其充分分散 。對(duì)本次實(shí)鉆試驗(yàn)用的樣品 ,我們也專門做 了懸浮液的表現(xiàn)粘度與攪拌軸轉(zhuǎn)速及攪拌時(shí)間的關(guān)系的試驗(yàn) ,方法是稱取 30 g 的海泡石粉若干份 ,分別加入盛有 350 ml 飽和鹽水的容器中 ,用不同的轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間攪拌 ,陳化 1 d 后 ,再 分別攪拌 5 min ,立即用范氏粘度計(jì)測(cè)定轉(zhuǎn)速為 600 n/ min 時(shí)間的讀數(shù) 600 ,結(jié)果見表 4 。表 4 永和海泡石粘土的 600 讀數(shù)從表 4 可見 ,攪拌軸的轉(zhuǎn)速愈高 ,表觀粘度就愈高

13、 ,而若轉(zhuǎn)速過低 ,則即使攪拌時(shí)間很長 ,也不能有效建立起 粘 度 。由 于 a p i 中 規(guī) 定 了 測(cè)試海泡石造漿性能攪拌軸的轉(zhuǎn)速為 11000 300 r/ min ,攪拌時(shí)間為 20 min ,顯然 ,在這一規(guī)范下 ,測(cè)出的數(shù)值并不能充分反映海泡石的真 實(shí)造漿能力 ;而另一方面 ,未配備剪切能力較強(qiáng) 的攪拌設(shè)備 ,a p i 規(guī)范測(cè)出的數(shù)值似乎又高估轉(zhuǎn)速 r/ min攪拌時(shí)間 ( min)200080001100014000510203040121618202118232728 . 529212731 . 53334 . 52430343638了海泡石的造漿能力 ,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)上的攪拌設(shè)

14、備并不能提供如此之強(qiáng)的剪力 。有些試用海泡石泥漿的鉆井單位 ,由于不夠重視海泡石在過小的剪力下不易充分分散的這一特性 ,在使用中未 配備有效的攪拌設(shè)備 ,實(shí)際上是在把海泡石當(dāng)成劣質(zhì)粘土使用 。海泡石的這一特性無疑給它的推廣應(yīng)用造成了一定的障礙 ,因?yàn)檫@一技術(shù)要求似乎使海泡石顯得在使用上沒有普通膨潤土那么簡(jiǎn)便 ,但對(duì)于對(duì)這種優(yōu)質(zhì)粘土真正感興趣的用戶 ,要解決這一問題并不難 。4海泡石在鈉鹽水溶液中的造漿性能及評(píng)價(jià)方法我們測(cè)試了樣品在 nacl 及 na2 co3 水溶液中的造漿性能 ,方法是稱取每份 30 g 的樣品若干份 ,以不同濃度的 nacl 及 na2 co3 水溶液 (均為 350 m

15、l) 為分散介質(zhì) ,按 a p i 程序制備成懸浮液 ,再用六速范氏粘度計(jì)分別測(cè)定轉(zhuǎn)速為 600 r/ min 時(shí)的讀數(shù) 600 。測(cè)試的結(jié)果見表 5 。表 5 永和海泡石粘土在不同分散介質(zhì)中的造漿性能的測(cè)試結(jié)果nacl 加量 ( g)na2co3 加量 ( %)0624681216飽和012345600 讀數(shù)p h 值8724634635633632632631686137 . 5237 . 8288348 . 2368 . 5試驗(yàn)結(jié)果顯示 ,永和海泡石在淡水中基本不造漿 ,這一點(diǎn)與目前我國出產(chǎn)的鈣型膨潤土很相似 ,但在 nacl 、na2 co3 等無機(jī)鹽的水溶液中卻能明顯改善分散和水化狀

16、況 ,建立起很高的 粘度 。海泡石顆粒在吸附鈉離子后其分散和水化狀況會(huì)得到改善的機(jī)理與鈣型膨潤土改性處 理大體類似 ,即顆粒表面的高價(jià)陽離子被低價(jià)的鈉離子大量置換 ,使顆粒的電位升高 ,水化 膜增厚 ,顆粒間的斥力增強(qiáng) ,所不同的是 ,海泡石中鈣的含量甚少 ,被置換的主要是鎂離子 ,而鈣型膨潤土被置換的主要是鈣離子 。此外 ,海泡石對(duì)分散劑的選擇性也沒有膨潤土那么強(qiáng) ,幾適的 ,因?yàn)?nacl 正是它最有效的分散劑之一 。與江西海泡石類似 ,在永和海泡石的鹽水懸浮液中加入 cao 及 mgo 等絮凝劑 ,也會(huì)使分散體系高度絮凝 ,表觀粘度大幅提高 ,表明該海泡 石接受化學(xué)處理的能力很強(qiáng) 。表

17、6 是在樣品的飽和鹽水懸浮液中加入nao h 后 600 讀數(shù)的變化 情 況 。濾 液 分 析 及電泳試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí) ,隨著 p h 值的調(diào)高 ,海泡石對(duì)鈉離子的吸附量 會(huì) 有 所 增 加 , 電 位會(huì)有所升高 ,說明 p h 值的適度調(diào)高 ,有助 于強(qiáng)化海泡石顆粒對(duì)鈉離子的吸附 ,從而進(jìn)表 6 永和海泡石粘土飽和鹽水泥漿加入nao h 后的性能測(cè)定結(jié)果nao h 加量 ( 克)00 . 20 . 40 . 81 . 2600 讀數(shù)p h 值313743464867 . 58 . 510 . 511 . 2一步改善粘土顆粒的分散和水化狀況 。根據(jù)永和海泡石的上述分散特性 ,并借鑒 70 年代以

18、來國內(nèi)評(píng)價(jià)鈣型膨潤土造漿性能的一般做法 ,在對(duì)永和海泡石進(jìn)行地質(zhì)詳查期間 ,我們對(duì)上百個(gè)樣品 作了反復(fù)的試驗(yàn) ,從中選出有代表性的 13 組數(shù)據(jù) ,得出在剔除含砂量的影響和加入適 naoh 后 ,海泡石實(shí)際飽和鹽水造漿率 q 與原土不加堿飽和鹽水造漿率 q 之間的回歸關(guān)系式為q = 3 . 013 q - 3 . 834 m3 / t(1)上式的剩余標(biāo)準(zhǔn)差為 1 . 29 m3 / t ,相關(guān)系數(shù)為 0 . 9914 ,若取顯著性水平= 0 . 01 ,則相關(guān)檢驗(yàn)值為 0 . 684 。根據(jù) (1) 式 ,擬出海泡石粘土礦原土造漿率 q 的工業(yè)指標(biāo)為 4 . 01 m3 / t 。該項(xiàng) 指標(biāo)請(qǐng)

19、參閱全國儲(chǔ)委辦公室 1986 年主編的礦產(chǎn)工業(yè)要求參考手冊(cè)。5海泡石泥漿在南海油田的實(shí)鉆試驗(yàn)情況南海油田的這次試驗(yàn)在 n h - 1 號(hào)鉆井平臺(tái)上進(jìn)行 ,鉆井的編號(hào)是潿 11 - 4n - 1 ,位于北海市西南約 88 km 的北部灣海上 ,所在水域的水深約 40 m 左右 ;設(shè)計(jì)井深 3150 m ,在打穿第三系進(jìn)入古生界 55 m 后完鉆 。這次海泡石泥漿試驗(yàn)的主要目的 ,是嘗試在 02720 米井段 , 用適宜海水造漿的海泡石代替只能用淡水造漿的膨潤土配制稠泥漿 。油田泥漿站為做好這次 試驗(yàn)做了大量的準(zhǔn)備工作 ,他們根據(jù)該井所處地區(qū)的巖性及坍塌現(xiàn)象 ,結(jié)合海泡石試驗(yàn) ,共設(shè) 計(jì)了三組泥漿

20、方案 ,各方案如下 :第一組 :用海水加海泡石 、膨潤土配成基漿 ,再加陽離子處理劑和其他處理劑 ;第二組 :用海水加海泡石 、膨潤土配成基漿 ,再加陽離子處理劑 、高溫高壓濾失劑及其他處理劑 ;第三組 :用海水 、膨潤土配成基漿 ,再加入陽離子處理劑和其他處理劑 。上述每組方案都包含 24 種詳細(xì)配方 ,各配方均預(yù)先做過室內(nèi)試驗(yàn) ,供平臺(tái)在鉆進(jìn)過程中根據(jù)具體地層情況選用 。其海泡石基漿的配制方法是 ,先在一定量的海水中加入適量的燒 堿 、純堿 ,再加入海泡石粉 ,然后用高壓噴槍沖刺兩個(gè)小時(shí)以上 ,在使用前 ,還要根據(jù)粘度情況 再加入 12 kg/ m3 的石灰 。以 6971105 m 井段

21、為例 ,該段井眼口徑為 444 . 5 mm ,地層為第 三系忘樓角 角屋組 ,泥漿護(hù)壁的重點(diǎn)是防漏防塌 ,采用的是第一組方案中的第四組配方 ,其 詳細(xì)配方見表 7 ,在鉆進(jìn)中 ,由平臺(tái)上的泥漿檢測(cè)室測(cè)得的泥漿實(shí)際性能參數(shù)見表 8 。該井從開鉆就開始使用海泡石泥漿 ,順利鉆穿了隔水套管 ; 下完技術(shù)套管后 ,又順利地裸 眼鉆穿易漏易塌地層 ,直至預(yù)定的 2730 m ,才改用膨潤土 陽離子水泥漿 。完井后 ,參與試驗(yàn) 的湖南省 402 隊(duì) 、湖南海泡石公司和南海油田三方均確認(rèn)了這次海泡石泥漿試驗(yàn)是成功的 。204湖 南 地 質(zhì)第 16 卷全州礦業(yè)產(chǎn)值可新增 1015 億元左右 ,對(duì)本州長期的單

22、一“煙酒”財(cái)政 ,將有所改善 ,增加財(cái)源 ,增加抗風(fēng)險(xiǎn)能力 ; 另一方面 ,將促進(jìn)全州產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化 ,還可帶動(dòng)一大批企業(yè)發(fā) 展 ,繁榮城市經(jīng)濟(jì) 。3 . 3建議及對(duì)策(1) 抓住主要目標(biāo) 。湘西礦產(chǎn)資源豐富 ,必須采取優(yōu)選法 ,好中選優(yōu) ,據(jù)礦業(yè)發(fā)展的自身規(guī) 律 ,論證立項(xiàng) 。首先 ,選取有國家儲(chǔ)委審批的工業(yè)儲(chǔ)量作開發(fā)依據(jù) ;第二 ,有較好的開采技術(shù)條件 ;第三 ,建 、擴(kuò) 、改必須遵循國家的產(chǎn)業(yè)政策 ;第四 ,堅(jiān)持以規(guī)模求效益的原則 ;第五 ,產(chǎn)品科技含量高 ,在市場(chǎng)有競(jìng)爭(zhēng)力 ,發(fā)展名牌 。(2) 以先進(jìn)技術(shù)為依托 ,加快新產(chǎn)品的開發(fā) 。礦業(yè)是重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) ,其發(fā)展離不開科技 ,離不開人才 ,離不開先進(jìn)設(shè)備 ,只有這樣 ,產(chǎn)品才能質(zhì)優(yōu) 、換代快 ,適應(yīng)市場(chǎng)能力強(qiáng) 。(3) 堅(jiān)持以規(guī)模求效益 ,加強(qiáng)礦產(chǎn)資源的開發(fā)與保護(hù) 。前述“1 、2 、3”工程 ,就是分門別類 ,分期分批的組建礦業(yè)集團(tuán) ,筆者認(rèn)為大有好處 :一是增強(qiáng)了實(shí)力和后勁 ;二是節(jié)約了資金 ,減少 前期費(fèi)用 ,避免重復(fù)建廠 ;三是加強(qiáng)了管理 ,增強(qiáng)