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1、伊拉克膨润土生产钻井泥浆土的研究,北京泰华润土科技发展有限公司 许铨先,一.项目背景：去年末今年初，本公司与中国机械对外经济技术合作总公司联手，通过国际招投标，拿到了“伊拉克新建年产10万吨钻井膨润土工厂交钥匙工程”项目。该项目的业主是伊拉克工业矿产部；生产钻井膨润土的原矿指定为伊拉克本地的原矿；产品质量要求全面达到美国API-13A的标准，并且保证产品质量六个月内稳定。所谓交钥匙工程，就是从产品试制开始，直至工厂设计与建设、职工技术培训，最终将一个产品质量与产能达标，技术上具有国际先进水平的膨润土工厂交付给甲方。据我们了解，这个项目实施后，将是盛产石油的中东、北非首家比较象样的膨润土工厂，也
2、是中国膨润土技术与设备首次走出国门，走向世界。此事关系到我们中国人的信用与声誉。因此，只能成功，不能失败。,二.伊拉克膨润土矿的特点：众所周知，膨润土工业就是对天然膨润土矿进行不同程度的加工。而天然生成的膨润土矿由于地质成因不同，矿与矿之间，不同矿层之间，性能是千差万别的。因此，要生产出合格产品，首要工作就是对拟使用的原矿进行深入分析与了解，为今后的工艺设计提供依据。伊拉克方面先后二次空运当地的膨润土原矿样品给我方，合计200多公斤，供我方研究测试。我方组织了国内数家机构与专家，经过反复测试，才认识到伊拉克膨润土矿与大多数中国膨润土矿相比，具有十分显著的特点：1.伊拉克膨润土矿物组成中不仅含有
3、膨润土的主要成分蒙脱石，而且还含有凹凸棒石的主要成分坡缕石。是二种粘土矿物的混合体。这种类型的膨润土矿，中国国内尚未发现，估计世界上也比较少见。2.伊拉克原矿各矿块（层）之间，有时以蒙脱石为主，有时以坡缕石为主，二种矿物的相对含量，波动与变化很大。但总粘土（蒙脱石坡缕石）含量都是大于70。,3.伊拉克原矿中的蒙脱石，有时候以天然钙基为主，有时候以天然钠基为主。矿块（层）之间也波动变化很大。4.伊拉克膨润土矿是明显的沉积型矿床。外观为大块片（层）状，矿质细腻密实，类似南方人打制的糯米年糕。矿体坚韧，保水能力强，不易破碎与自然风化。三.伊拉克膨润土矿生产钻井泥浆土的关键技术：一般来说，国内钻井膨润
4、土的生产，并非高难技术。但由于伊拉克膨润土矿的特殊性，反复小试后证明：如果简单套用国内常见的工艺与方法，那么，伊拉克膨润土矿就无法生产出达到国际公认的API标准的钻井泥浆土。为了说明这一问题，需要先从钻井泥浆的作用与机理说起：1.钻井泥浆的作用：钻井液的流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑；（3）提高机械钻速；（4）保持井眼的规则和保证井下安全。2.钻井泥浆膨润土质量标准：,3.我们对泥浆土三个重要指标的认识与理解：（1）粘度：粘度反映的是在水溶液中，膨润土小颗粒之间的内摩擦力。即颗粒分散与颗粒聚结之间的相
5、对运动。该运动的内在动力是土颗粒端面之间的化学电位差。泥浆土标准中粘度指的是表观粘度（视粘度、有效粘度）。表观粘度由塑性粘度与结构粘度构成，即：表观粘度=塑性粘度+结构粘度。虽然粘度指标标示的数值符号是，但实际上并不是数值越高越好。简而言之：如果粘度数值很高的原因不是因为塑性粘度高，而是因为结构粘度高的话，那么，说明该泥浆体系中的粘土颗粒之间的聚结能力大于分散能力，此时，钻井泥浆失去了流变性，同时也就失去了在钻井工程中的作用与意义。（2）屈服值/塑性粘度：该指标反映的是使流体开始流动所需的最小切应力，本质上反映的就是泥浆的结构粘度。这个指标所用的数值符号是，表示越小越好。也就是说，钻井泥浆的结
6、构粘度其实是越小越好。与其对应的塑性粘度才是越大越好。,（3）滤失量：该指标反映的是在一定的时间内与压力下，钻井泥浆溢出水分的数量。泥浆失去的水分越多，井壁形成的泥饼就越厚越松散。厚而松散的泥饼对钻井工程是极为不利的，会造成卡钻，井径不规则，甚至井壁垮塌等严重问题。因此，这个指标所用的数值也是，表示越小越好。滤失量越小，钻井时产生泥饼就越薄而致密，护壁效果越好。4.用伊拉克膨润土矿生产钻井泥浆土的工艺与技术特点：原矿的特点决定了生产的工艺特点。简单地说，用伊拉克膨润土原矿生产达到API-13A标准的钻井泥浆土，工艺上至少有二个特点。（1）钠化前的原矿破碎：一般钙基膨润土矿在钠化处理前并不必须经
7、过破碎。原矿进厂后，经过一段时间的堆放后，大多数能够自然风化。即便来不及自然风化而存在大块矿，一般经过一次对辊机破碎，就能解决问题。但伊拉克原矿质地坚韧，保水能力强，不论堆放多少时间，都不会自然风化。矿石体形又大又扁又粘，不适用于进料入口较小，以挤压、冲击为工作原理的破碎机械。我们经过试验，自行设计了一套先以高速剪切力为工作原理,的链条式粗破，后以对辊挤压机进行均匀性细破的组合破碎机组，才解决了这一难题。使用这套设备，可以不受原矿的大小、形状、水分、粘性的限制，最终都能将原矿细破至3毫米以下的均匀小颗粒。原矿破碎对伊拉克矿生产钻井泥浆土具有特殊的意义。其一是可以用物理方法降低凹凸棒石的结构粘度
8、，提高与改善凹凸棒石粘土的流变性能；其二是原矿破碎后，矿物结构发生了变化，从不易干燥变成了容易干燥。降低了磨粉前的烘干成本。其三是增加了颗粒表面接触面积，为下一步的钠化处理创造了良好的条件。（2）化学添加剂的选用：按照API-13A标准规定的测试方法，伊拉克膨润土原矿粉的600转粘度在5至20之间（标准30），滤失量高达40至50之间（标准15）。事实证明：伊拉克原矿不用化学添加剂改性，产品质量肯定无法达标。而用什么添加剂来改善产品的泥浆性能，让产品质量全面达到API标准，自然成了该项目最关键的技术。,我们知道，国内绝大多数膨润土厂生产钻井泥浆土，都是要用添加剂的。原矿质量好，只用纯碱一种钠化
9、剂。原矿质量一般，除了用纯碱这种钠化剂外，还要用纤维素（CMC）,聚丙烯酰胺（PAM）等其他具有增粘降滤失作用的有机添加剂进行补充。伊拉克膨润土原矿中可交换钙、镁离子总含量超过钾、钠离子。因此，需要用水化分散性能更好的一价钠离子来置换水化分散性能较差的二价钙离子。即我们常说的“人工钠化”。但问题与难点是：伊拉克矿对钠化剂过于敏感，例如湿法加碱量只有1，600转粘度就能超过140（标准30），动塑比就能超过30（标准是3），滤失量就能超过25（标准15）。以上数据说明：钠化剂对伊拉克矿有增粘效果，也有降滤失效果，但增加的是结构粘度，不是我们需要的塑性粘度。其数量关系是：粘度可以一下子增加10倍，
10、而滤失量只能降低1倍。国内钻井土生产的逻辑是：粘度指标最重要，粘度达到了，动塑比与滤失量也能达到。因此，使用的添加剂的方向是先用钠化剂增粘，钠化后粘度还不够，再配以其他有机添加剂进一步增粘，直至指标达标。,伊拉克矿的特殊性就在于：要先用钠化剂增粘降滤失，再用降粘剂（也称稀释剂）降粘降滤失。要经过这么一个来回折腾，才能把握住钻井泥浆三个重要指标之间的数据变化规律，找到一个最佳平衡点（即添加剂配方），才能实现达到API-13A标准的目标。我们在长达数月的时间里，对20多种化学添加剂进行了测试，经过上百次的实验室试验，才优化出一个比较理想的生产工艺流程与添加剂方案。用这个方案做出的伊拉克钻井泥浆土，
11、600转粘度35至40左右，动塑比2以下，滤失量12以下。各种添加剂（包括纯碱）的总加入量在3以下。按照这个钠化与添加剂配比方案，在中材北京地勘研究院测试中心的大力支持下，我们先后试制了50多公斤用伊拉克原矿制作的钻井泥浆土试制样品，送交伊拉克石油部门进行认证。通过审查与认证，并经过6个月保质期的考验，最终才得到了业主方的确认与肯定。,四.中国膨润土技术与设备可以走向世界：事实已经初步证明，我们中国人的膨润土生产技术是可靠的，也是具有国际竞争力的。目前，我们做的生产工艺方案与工厂设计，经过双方代表的充分交流与论证，已经审核通过。下一步我们将按照标书的约定，进入施工图设计，设备定购、运输、与安装，技术培训等后续阶段。不出意外的话，明年下半年，一座由我们中国人设计与建设的，比较现代化的膨润土工厂将在伊拉克投产。众所周知，膨润土是一种具有广泛用途的非金属矿产。钻井膨润土，只是膨润土加工应用中的初级产品。近日，根据我们的建议，伊拉克方面已经确认要再新建一个年产2万吨食用油活性白土的工厂，并委托我们拿出该项目的详细方案。万事开头难。中国膨润土技术与设备走向世界，前景光明，任重道远！2011年11月24日,
