浏阳永和海泡石在海洋钻井泥浆中的应用.doc

浏阳永和海泡石在海洋钻井泥浆中的应用Appl icat ion of Yonghe Sepiol ite in L iuyang to Marine Drill Mud杨 光 华Y ang Gu an gh u a桂林工学院建工系 桂林 541004Architect ural Engineer Depart ment of Guiling Indust rial College摘 要该文介绍浏阳县永和镇海泡石的物化基本分析结果及海泡石粘土加工方法试验 、机械分散试验 、分散介质试验 、造浆性能评价方法以及在南海油田进行实钻试验的情况 , 认为用永和海泡石开发钻井泥浆材料在技术上是可行的 ,有着很大的远景市场开发潜力 。关键词Abstract海泡石 膨润土 盐水泥浆 粘度 剪力 海洋钻井 裸眼 稠泥浆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 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浏阳县永和镇出产的海泡石属镁型粘土矿物 ,晶体纤维呈网状结构 ( 图 1) ,具有较大的比表面 ,吸附能力强 ,在多种盐 、碱的水溶液中均能高度分散和水化 ,建立起稳定性很好的悬浮体 系 ,无疑是一种优良的抗盐粘土原料 。用该海泡石在南海油田进行实钻试验 , 试 验 的 目 的 是进一 步 研 究 和 论 证 用 海 泡 石 开 发 符 合 A P I (美国石油协会) 标 准 的 抗 盐 粘 土 产 品 的 可 行 性 。永和海泡石可分无为未风化 、半风化及完 全风化三类 ,其中只有完全风化类 (被称为海泡石粘土) 可用作泥浆材料 。用于南海油田实钻 试验的海泡石工业试验大样采自永和海泡石矿 区 矿段 ,均为深度风化的粘土型海泡石 ,共约210 t 。有关的室内及现场试验情况介绍如下 :1室内试验样品的采集及测试为确保工业试验大样的质量和掌握必要的图 1 海泡石样品的电镜照片试验数据 ,我们从大样提取一部分样品 ,做了一系列的室内试验 。为使室内试验样品具有可信该试验是湖南省地矿局主管和组织进行的湖南海泡石工业利用研究课题的一个组成部分 ,由湖南省地矿局 402 队 、湖南省海泡石股份有限公司和南海油田泥浆站三方共同完成 。 收稿日期 :1996 - 12 - 24 改回日期 :1997 - 05 - 09作者简介 :杨光华 ,男 ,1957 年出生 ,1982 年毕业于武汉地质学院探工系 ,工程师 ,曾在湖南地矿局 402 队任实验室副主的代表性 ,是分 8 次从大样中取的样 ,共采集了 600 kg ,经晒干 、混匀后 ,用四分法取出 150 kg样品用于做加工粒度试验 ,其余全部用雷蒙机加工成通过 0 . 16 mm 方孔筛的土粉 ,对其余土 粉再次用四分法取出其中约 100 kg ,用于做各项基本物化测试 、机械分散试验 、离子吸附试验 及 A P I 造浆试验 。该样品呈浅灰色 ,其电镜分析的照片见图 1 。经测试 ,样品的比重为 2 . 04 , 阳离子交换容量为 23 meq/ 100 g 土 ,胶质价为 98 % ,在 4 %NaCl 水溶液中的造浆率为 13 . 1 m3 / t ,在饱和 NaCl 水溶液中的造浆率为 12 . 4 m3 / t ;用 NaCl 水溶液配制的海泡石悬浮液 ,若不 加任何降失水剂 (例如低粘钠羧甲基纤维素) ,则做失水量试验均会完全失水 。由湖南省地矿局中心实验室做的 X 光衍射分析和 402 队实验室做的硅酸盐化学分析及光谱分析的结果见 表 1 和表 2 。表 1 永和海泡石粘土 X 衍射分析和硅酸盐化学分析结果X 衍射分析 ( %)硅酸盐化学分析 ( %)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 . 550 . 15 10 . 88 8 . 28 0 . 11表 2 永和海泡石粘土光谱分析结果 ( %)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机械加工方法试验海泡石在运送油田进行井下试验前 ,需要按 A P I 标准加工成粉状并包装成袋 。根据课题组已对海泡石做过的大量试验 ,不同的加工方法对海泡石的造浆性能是有较明显的影响的 ,例如 ,对潮湿的原矿分别用风干 、晒干及烘干三种方法干燥 ; 对干燥好的原矿分别用研钵 、球磨 机 、叶片式粉碎机及雷蒙机粉碎至同一粒度 ; 以及使用同一粉碎机械将样品粉碎成不同的粒 度 ,分别用这些不同的方法制备出样品 ,流变性能都会表现出一定的差异 。对本次用于井下试 验的大样 ,根据加工条件和试验的需要 ,采取的是晒干和雷蒙机粉碎 。不同粒度的样品在饱和 盐水中的造浆试验结果见表 3 。表 3永和海泡石粘土造浆率试验结果从表 3 可 见 , 永 和 海 泡 石 以 < 0 . 9 mm 粒 度规格的造浆率最高 ,这一特性与江西海泡石一致 。 在 A P I 标准中 ,并未对海泡石和其他抗盐粘土的 成品作出干筛分析的具体规定 ,是允许加工成 <0 . 9 mm 的 , 昆山抗盐粘土和江苏凹凸棒石就是粒度( mm)< 0 . 08 < 0 . 12 < 0 . 16 < 0 . 20< 0 . 315 < 0 . 9造浆率( 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须较低 ,以保证湿筛分析的筛余率不大于 8 % ,而永和海泡石原矿的含砂量一般都在 25 %以上 ,若不经过选矿 ,直 接加工成 < 0 . 9 mm 将无法满足湿筛分析的要求 ,另外 ,油田方面也要求加工得细些 ,以便在 海上用吹送的方法装卸 ,故这批大样是全部加工成 < 0 . 16 mm 的粒度 。3海泡石在饱和盐水中的剪切分散试验与江苏凹凸棒石及江西海泡石类似 ,用永和海泡石配制的悬浮液 ,其表现粘度也与配浆时第 3 期杨光华 :浏阳永和海泡石在海洋钻井泥浆中的应用207所做的试验 ,规律基本上是 :搅拌轴的叶片所产生的剪切力越大 ,搅拌轴的转速越高 ,搅拌的时间越长 ,样品悬浮液的表现粘度就越高 ;若搅拌的转速过低 ( 例如用人力搅拌) ,则即使搅拌时 间很长 ,也不能有效建立起粘度 。而目前市售的膨润土这一现象就不太明显 ,膨润土粉通常只 要在水中浸泡片刻 ,再加入适量分散剂并稍加搅拌 ,即可高度分散和水化 。分析其原因 ,是由 于海泡石晶胞具有层链式结构 ,其晶胞参数较大 ,纤维又较长 ,并形成较牢固的纤维束状交织 网架 ,因而在较小的剪力下一般不易将其充分分散 。对本次实钻试验用的样品 ,我们也专门做 了悬浮液的表现粘度与搅拌轴转速及搅拌时间的关系的试验 ,方法是称取 30 g 的海泡石粉若干份 ,分别加入盛有 350 ml 饱和盐水的容器中 ,用不同的转速和搅拌时间搅拌 ,陈化 1 d 后 ,再 分别搅拌 5 min ,立即用范氏粘度计测定转速为 600 n/ min 时间的读数 <600 ,结果见表 4 。表 4 永和海泡石粘土的 <600 读数从表 4 可见 ,搅拌轴的转速愈高 ,表观粘度就愈高 ,而若转速过低 ,则即使搅拌时间很长 ,也不能有效建立起 粘 度 。由 于 A P I 中 规 定 了 测试海泡石造浆性能搅拌轴的转速为 11000 ±300 r/ min ,搅拌时间为 20 min ,显然 ,在这一规范下 ,测出的数值并不能充分反映海泡石的真 实造浆能力 ;而另一方面 ,未配备剪切能力较强 的搅拌设备 ,A P I 规范测出的数值似乎又高估转速 r/ min搅拌时间 ( min)200080001100014000510203040121618202118232728 . 529212731 . 53334 . 52430343638了海泡石的造浆能力 ,因为现场上的搅拌设备并不能提供如此之强的剪力 。有些试用海泡石泥浆的钻井单位 ,由于不够重视海泡石在过小的剪力下不易充分分散的这一特性 ,在使用中未 配备有效的搅拌设备 ,实际上是在把海泡石当成劣质粘土使用 。海泡石的这一特性无疑给它的推广应用造成了一定的障碍 ,因为这一技术要求似乎使海泡石显得在使用上没有普通膨润土那么简便 ,但对于对这种优质粘土真正感兴趣的用户 ,要解决这一问题并不难 。4海泡石在钠盐水溶液中的造浆性能及评价方法我们测试了样品在 NaCl 及 Na2 CO3 水溶液中的造浆性能 ,方法是称取每份 30 g 的样品若干份 ,以不同浓度的 NaCl 及 Na2 CO3 水溶液 (均为 350 ml) 为分散介质 ,按 A P I 程序制备成悬浮液 ,再用六速范氏粘度计分别测定转速为 600 r/ min 时的读数 <600 。测试的结果见表 5 。表 5 永和海泡石粘土在不同分散介质中的造浆性能的测试结果NaCl 加量 ( g)Na2CO3 加量 ( %)0624681216饱和012345<600 读数p H 值8724634635633632632631686137 . 5237 . 8288348 . 2368 . 5试验结果显示 ,永和海泡石在淡水中基本不造浆 ,这一点与目前我国出产的钙型膨润土很相似 ,但在 NaCl 、Na2 CO3 等无机盐的水溶液中却能明显改善分散和水化状况 ,建立起很高的 粘度 。海泡石颗粒在吸附钠离子后其分散和水化状况会得到改善的机理与钙型膨润土改性处 理大体类似 ,即颗粒表面的高价阳离子被低价的钠离子大量置换 ,使颗粒的电位升高 ,水化 膜增厚 ,颗粒间的斥力增强 ,所不同的是 ,海泡石中钙的含量甚少 ,被置换的主要是镁离子 ,而钙型膨润土被置换的主要是钙离子 。此外 ,海泡石对分散剂的选择性也没有膨润土那么强 ,几适的 ,因为 NaCl 正是它最有效的分散剂之一 。与江西海泡石类似 ,在永和海泡石的盐水悬浮液中加入 CaO 及 MgO 等絮凝剂 ,也会使分散体系高度絮凝 ,表观粘度大幅提高 ,表明该海泡 石接受化学处理的能力很强 。表 6 是在样品的饱和盐水悬浮液中加入NaO H 后 <600 读数的变化 情 况 。滤 液 分 析 及电泳试验的结果证实 ,随着 p H 值的调高 ,海泡石对钠离子的吸附量 会 有 所 增 加 , 电 位会有所升高 ,说明 p H 值的适度调高 ,有助 于强化海泡石颗粒对钠离子的吸附 ,从而进表 6 永和海泡石粘土饱和盐水泥浆加入NaO H 后的性能测定结果NaO H 加量 ( 克)00 . 20 . 40 . 81 . 2<600 读数p H 值313743464867 . 58 . 510 . 511 . 2一步改善粘土颗粒的分散和水化状况 。根据永和海泡石的上述分散特性 ,并借鉴 70 年代以来国内评价钙型膨润土造浆性能的一般做法 ,在对永和海泡石进行地质详查期间 ,我们对上百个样品 作了反复的试验 ,从中选出有代表性的 13 组数据 ,得出在剔除含砂量的影响和加入适 NaOH 后 ,海泡石实际饱和盐水造浆率 Q 与原土不加碱饱和盐水造浆率 Q 之间的回归关系式为Q = 3 . 013 Q - 3 . 834 m3 / t(1)上式的剩余标准差为 1 . 29 m3 / t ,相关系数为 0 . 9914 ,若取显著性水平= 0 . 01 ,则相关检验值为 0 . 684 。根据 (1) 式 ,拟出海泡石粘土矿原土造浆率 Q 的工业指标为 4 . 01 m3 / t 。该项 指标请参阅全国储委办公室 1986 年主编的矿产工业要求参考手册。5海泡石泥浆在南海油田的实钻试验情况南海油田的这次试验在 N H - 1 号钻井平台上进行 ,钻井的编号是涠 11 - 4N - 1 ,位于北海市西南约 88 km 的北部湾海上 ,所在水域的水深约 40 m 左右 ;设计井深 3150 m ,在打穿第三系进入古生界 55 m 后完钻 。这次海泡石泥浆试验的主要目的 ,是尝试在 02720 米井段 , 用适宜海水造浆的海泡石代替只能用淡水造浆的膨润土配制稠泥浆 。油田泥浆站为做好这次 试验做了大量的准备工作 ,他们根据该井所处地区的岩性及坍塌现象 ,结合海泡石试验 ,共设 计了三组泥浆方案 ,各方案如下 :第一组 :用海水加海泡石 、膨润土配成基浆 ,再加阳离子处理剂和其他处理剂 ;第二组 :用海水加海泡石 、膨润土配成基浆 ,再加阳离子处理剂 、高温高压滤失剂及其他处理剂 ;第三组 :用海水 、膨润土配成基浆 ,再加入阳离子处理剂和其他处理剂 。上述每组方案都包含 24 种详细配方 ,各配方均预先做过室内试验 ,供平台在钻进过程中根据具体地层情况选用 。其海泡石基浆的配制方法是 ,先在一定量的海水中加入适量的烧 碱 、纯碱 ,再加入海泡石粉 ,然后用高压喷枪冲刺两个小时以上 ,在使用前 ,还要根据粘度情况 再加入 12 kg/ m3 的石灰 。以 6971105 m 井段为例 ,该段井眼口径为 444 . 5 mm ,地层为第 三系忘楼角 角屋组 ,泥浆护壁的重点是防漏防塌 ,采用的是第一组方案中的第四组配方 ,其 详细配方见表 7 ,在钻进中 ,由平台上的泥浆检测室测得的泥浆实际性能参数见表 8 。该井从开钻就开始使用海泡石泥浆 ,顺利钻穿了隔水套管 ; 下完技术套管后 ,又顺利地裸 眼钻穿易漏易塌地层 ,直至预定的 2730 m ,才改用膨润土 阳离子水泥浆 。完井后 ,参与试验 的湖南省 402 队 、湖南海泡石公司和南海油田三方均确认了这次海泡石泥浆试验是成功的 。204湖 南 地 质第 16 卷全州矿业产值可新增 1015 亿元左右 ,对本州长期的单一“烟酒”财政 ,将有所改善 ,增加财源 ,增加抗风险能力 ; 另一方面 ,将促进全州产业结构发生重大变化 ,还可带动一大批企业发 展 ,繁荣城市经济 。3 . 3建议及对策(1) 抓住主要目标 。湘西矿产资源丰富 ,必须采取优选法 ,好中选优 ,据矿业发展的自身规 律 ,论证立项 。首先 ,选取有国家储委审批的工业储量作开发依据 ;第二 ,有较好的开采技术条件 ;第三 ,建 、扩 、改必须遵循国家的产业政策 ;第四 ,坚持以规模求效益的原则 ;第五 ,产品科技含量高 ,在市场有竞争力 ,发展名牌 。(2) 以先进技术为依托 ,加快新产品的开发 。矿业是重要的基础产业 ,其发展离不开科技 ,离不开人才 ,离不开先进设备 ,只有这样 ,产品才能质优 、换代快 ,适应市场能力强 。(3) 坚持以规模求效益 ,加强矿产资源的开发与保护 。前述“1 、2 、3”工程 ,就是分门别类 ,分期分批的组建矿业集团 ,笔者认为大有好处 :一是增强了实力和后劲 ;二是节约了资金 ,减少 前期费用 ,避免重复建厂 ;三是加强了管理 ,增强了技术实力 ,达到合理配置资源和利用资源 ,向效益型发展 。(上接第 208 页)表 7 南海油田涠 11 - 4N - 1 号井海泡石泥浆试验配方CMC( HV)CMC(L V)材料名称永和海泡石粘土膨润土铁铬盐石灰小阳离子KPAM用量 ( %)6310 . 20 . 20 . 050 . 30 . 1表 8南海油田涠 11 - 4N - 1 号井现场泥浆测试结果屈服值(ib/ 100fl2)粘度( 秒)A P I 失水( ml)泥饼厚度( mm)表观粘度(cp)塑性粘度(cp)测试项目比重p H 值测试结果1 . 174416 . 4115113 . 596讨论上述试验再次证实 ,永和海泡石是一种完全适用于石油钻井的优良抗盐粘土 ,这一点人们已毫无疑问 。近几年来 ,我国海洋石油钻井发展很快 ,目前海上石油产量已达 2000 多万吨 ,对 抗盐粘土的需求不断增长 ,而且陆地石油钻井对抗盐粘土也有相当大的需求 ,用永和海泡石开发抗盐粘土 ,显然有着广阔的发展空间 。但开发抗盐粘土 ,其产品质量应全面与国际上公认的 A P I 标准接轨 ,只有这样 ,才能真正打入市场 。值得注意的是 ,永和海泡石原矿非造浆成分的 含量 (即含砂量) 偏高 ,一般为 25 %40 % ,对粘土造浆率的影响比较大 ,若直接用原矿加工 成土粉 ,将只有少量极优良的海泡石粘土才能达到 A P I 标准 ,而若能经过有效的选矿 ,并选择 适宜的土粉加工设备 ,则只要中等以上品质的海泡石粘土就能加工出造浆性能极佳的抗盐粘 土产品 。此外 ,永和海泡石也完全可以用作其他钻探的泥浆材料 ,只要施工现场上配备有有效的泥浆搅拌设备 ,并在泥浆中加入适量的 Na2 O3 和低粘 CMC 作为分散剂和降失水剂即可 。