[科普中國]-膨脹粘土

概念

各種粘土都會吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨脹的程度不同，粘土礦物是油藏巖石的主要充填物。在與不配伍的外界流體接觸時，粘土礦物會發(fā)生水化膨脹、分散運移或者產(chǎn)生沉淀，堵塞甚至堵死油氣流動通道，大大降低油藏的滲透率及原油采收率。

在制磚中產(chǎn)生的災難性膨脹作用能被轉(zhuǎn)化發(fā)展為膨脹粘土的生產(chǎn)，它可混合在混凝土中作為一種輕質(zhì)集料。生產(chǎn)過程是粘土的球粒被填入溫度大約在1200℃的熔煉內(nèi)，這樣在產(chǎn)生的內(nèi)部氣體逸出之前球粒的外層迅速地玻璃化。這樣球?？梢耘蛎浀剿瓉泶笮〉脑S多倍，并且這種海綿狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)致使它的比重特別低（0.3）。

性質(zhì)來自于黃鐵礦的氧化硫和來自于碳酸鹽的二氧化碳，它們的產(chǎn)生在這個過程中是較不重要的，因為這些反應發(fā)生在相對較低的溫度中。這個過程的重要反應是結(jié)合在碳酸鹽中的鐵被還原，它產(chǎn)生二氧化碳和氧氣。

重要的是迅速玻璃化，這樣在粘土中必不可少地要有20%~30%的助熔劑，超過3%的有機碳和超過2%的黃鐵礦會抑制這個過程。

雖然作為集料它性質(zhì)脆弱，但它的輕質(zhì)使它能與水泥粘合成巨大的塊體，這種塊體適合作內(nèi)墻和樓板。

用于這種目的最大的膨脹粘土生產(chǎn)可能實在比利時，那里使用第三系博姆粘土。它是中漸新世的，是一個發(fā)育不全或英國和巴黎盆地再度砂化的階段，但這時海相沉積從比利時北部通過德國西北部一直延伸進入丹麥。這一建造的粘土成分幾乎完全由蒙皂石和伊利石組成，僅有極少量的高嶺石，這樣它的熔化溫度是相當?shù)偷?。粘土?.5%的有機碳，4.3%的方解石及2.5%的黃鐵礦。氣體在相當?shù)偷臏囟认聫倪@些礦物中逸出，為球粒膨脹提供了機制，由于球粒內(nèi)部空氣減少，所以球?？偸呛谏?。有時富鐵冶金廢料被加入來促進鐵/碳的還原反應。1

粘土膨脹對鉆井鉆井作業(yè)的影響粘土具有吸水特性，甚至會與水發(fā)生水合作用，產(chǎn)生膨脹。地層中常含有一定數(shù)量的粘土。主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石。這些粘土在注水、酸化、永力壓裂、礫石充填過程中碰到水或水基物質(zhì)就會產(chǎn)生膨脹，然后進一步分散(如蒙脫石、綠泥石) 或直接分數(shù)(如高嶺石伊利石) 形成直徑小于10 m的細小微粒粘土膨脹和微粒的移動會降低地層的滲透率或堵塞井服的通路，這都會減少油井的產(chǎn)量，嚴重損害油管線和油泵。

粘土彭脹的原因是粘土中可交換的陽離子如鈉離子在水中解離形成擴散雙電層，使片狀結(jié)構(gòu)表面帶負電，由于靜電斥力，帶負電的片狀結(jié)構(gòu)自行分開而引起粘土膨脹。

粘土膨脹會引起井壁垮塌，在最小水平主應力的作用下會發(fā)生井壁崩落，造成井壁質(zhì)量下降，不利于后續(xù)的起下鉆和下套管以及其他井筒作業(yè)。再就是，粘土膨脹后，就會產(chǎn)生井眼（不是井筒）縮徑，嚴重的話有可能會使泥質(zhì)成分緊緊箍住鉆具或套管等工具，極大提高摩阻，發(fā)生卡鉆或下不去工具的情況。還有，若在近鉆頭附近發(fā)生，那么有可能會引起鉆頭泥包，就是鉆頭被一大堆泥巴緊緊包住，堵塞水眼，無法傳遞水功率和給鉆頭降溫，造成鉆速下降和鉆頭過熱，這是PDC 和TSP 鉆頭最怕的，因為金剛石是不耐熱的；此外，鉆頭泥包如果發(fā)生在牙輪鉆頭上，會造成鉆頭自潔能力下降，重復切削巖石，嚴重磨損鉆頭，降低鉆速，提高鉆頭成本，頻繁起下鉆換鉆頭，這樣的話會過多地抽汲、激動井筒，易引發(fā)井涌（或噴）井漏的事故。

縮徑的主要原因是鉆遇粘土層中含有大量的蒙脫石等易膨脹粘土礦物, 土工實驗結(jié)果表明, 部分粘土層中含量高達40%。該類粘土膨脹性強, 主要原因是這類粘土晶層上下 面皆為氧原子, 各晶層之間以分子間力連接, 連接力弱, 水分子易進入晶層之間, 引起晶格膨 脹。

采用鉆井法施工通過膨脹性粘土層時, 由于這些地層遇水后體積膨脹, 易使井筒直徑縮小, 造成鉆頭在鉆進過程中提升困難和卡鉆現(xiàn)象。在膨脹性粘土層中鉆進易出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象:鉆進過程中刀具刮下來的土屑不能被鉆頭的吸收口及時排除, 粘糊在鉆頭的刀具上, 堵塞吸收口及鉆頭的內(nèi)腔, 甚至包裹刀盤, 使鉆頭無法繼續(xù)正常鉆進。采取有效防范措施, 解決好井筒縮徑和泥包鉆頭現(xiàn)象,不僅縮短了工程建設工期,還為企業(yè)帶來效益。2

抑制粘土膨脹粘土防膨劑聚合物聚合物抑制粘土膨脹機理：粘土遇水后,水分子進入晶胞層間,使晶胞層間距增大,體積膨脹,稱為粘土的水化膨脹過程。經(jīng)聚合物處理過的泥漿,當粘土顆粒與聚合物接觸時,聚合物靠氫鍵或靜電吸力吸附到粘土顆粒上,將多個粘土顆?！皹蚵?lián)”在一起,聚合物長鏈纏繞于粘土表面形成阻止粘土水化的保護層,降低了粘土的水化膨脹能力。粘土浸泡在不同介質(zhì)中的體積膨脹率決定于粘土的自身性質(zhì)、浸泡時間。

無機陽離子聚合物這種防膨劑是永久性的防膨劑，是三價和三價以上的金屬離子在一定條件下組成多核羥橋絡離子，帶有很高的正電價能緊密地吸附在粘土表面上，有效地控制粘土膨脹和微粒的移動。最好的無機陽離子聚臺物是羥基鋁和羥基鋯。

陽離子活性劑由于陽離子活性劑中的陽離子有憎水基團，因而它與粘土表面的結(jié)合程度遠大千鹽的陽離予結(jié)合程度，所以防膨效果較好。但陽離子活性劑作粘土防膨劑肘易與幾種陰離予化學藥劑反應產(chǎn)生沉淀，如石油磺酸鹽或為提高采收率使用的部分水解聚丙烯酰胺及一些生物聚合物。

有機聚陽離子聚合物有機聚陽離子聚合物是含氮、磷和硫的聚合物它在永中解離產(chǎn)生高正電價的高分子陽離子，有效地中和粘士表面的負電性。它少量存在就有很好的防膨效果，并有耐酸、耐鹽的優(yōu)點。3