[科普中国]-膨胀粘土

概念

各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同，粘土矿物是油藏岩石的主要充填物。在与不配伍的外界流体接触时，粘土矿物会发生水化膨胀、分散运移或者产生沉淀，堵塞甚至堵死油气流动通道，大大降低油藏的渗透率及原油采收率。

在制砖中产生的灾难性膨胀作用能被转化发展为膨胀粘土的生产，它可混合在混凝土中作为一种轻质集料。生产过程是粘土的球粒被填入温度大约在1200℃的熔炼内，这样在产生的内部气体逸出之前球粒的外层迅速地玻璃化。这样球粒可以膨胀到它原来大小的许多倍，并且这种海绵状内部结构致使它的比重特别低（0.3）。

性质来自于黄铁矿的氧化硫和来自于碳酸盐的二氧化碳，它们的产生在这个过程中是较不重要的，因为这些反应发生在相对较低的温度中。这个过程的重要反应是结合在碳酸盐中的铁被还原，它产生二氧化碳和氧气。

重要的是迅速玻璃化，这样在粘土中必不可少地要有20%~30%的助熔剂，超过3%的有机碳和超过2%的黄铁矿会抑制这个过程。

虽然作为集料它性质脆弱，但它的轻质使它能与水泥粘合成巨大的块体，这种块体适合作内墙和楼板。

用于这种目的最大的膨胀粘土生产可能实在比利时，那里使用第三系博姆粘土。它是中渐新世的，是一个发育不全或英国和巴黎盆地再度砂化的阶段，但这时海相沉积从比利时北部通过德国西北部一直延伸进入丹麦。这一建造的粘土成分几乎完全由蒙皂石和伊利石组成，仅有极少量的高岭石，这样它的熔化温度是相当低的。粘土含4.5%的有机碳，4.3%的方解石及2.5%的黄铁矿。气体在相当低的温度下从这些矿物中逸出，为球粒膨胀提供了机制，由于球粒内部空气减少，所以球粒总是黑色的。有时富铁冶金废料被加入来促进铁/碳的还原反应。1

粘土膨胀对钻井钻井作业的影响粘土具有吸水特性，甚至会与水发生水合作用，产生膨胀。地层中常含有一定数量的粘土。主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石。这些粘土在注水、酸化、永力压裂、砾石充填过程中碰到水或水基物质就会产生膨胀，然后进一步分散(如蒙脱石、绿泥石) 或直接分数(如高岭石伊利石) 形成直径小于10 m的细小微粒粘土膨胀和微粒的移动会降低地层的渗透率或堵塞井服的通路，这都会减少油井的产量，严重损害油管线和油泵。

粘土彭胀的原因是粘土中可交换的阳离子如钠离子在水中解离形成扩散双电层，使片状结构表面带负电，由于静电斥力，带负电的片状结构自行分开而引起粘土膨胀。

粘土膨胀会引起井壁垮塌，在最小水平主应力的作用下会发生井壁崩落，造成井壁质量下降，不利于后续的起下钻和下套管以及其他井筒作业。再就是，粘土膨胀后，就会产生井眼（不是井筒）缩径，严重的话有可能会使泥质成分紧紧箍住钻具或套管等工具，极大提高摩阻，发生卡钻或下不去工具的情况。还有，若在近钻头附近发生，那么有可能会引起钻头泥包，就是钻头被一大堆泥巴紧紧包住，堵塞水眼，无法传递水功率和给钻头降温，造成钻速下降和钻头过热，这是PDC 和TSP 钻头最怕的，因为金刚石是不耐热的；此外，钻头泥包如果发生在牙轮钻头上，会造成钻头自洁能力下降，重复切削岩石，严重磨损钻头，降低钻速，提高钻头成本，频繁起下钻换钻头，这样的话会过多地抽汲、激动井筒，易引发井涌（或喷）井漏的事故。

缩径的主要原因是钻遇粘土层中含有大量的蒙脱石等易膨胀粘土矿物, 土工实验结果表明, 部分粘土层中含量高达40%。该类粘土膨胀性强, 主要原因是这类粘土晶层上下 面皆为氧原子, 各晶层之间以分子间力连接, 连接力弱, 水分子易进入晶层之间, 引起晶格膨 胀。

采用钻井法施工通过膨胀性粘土层时, 由于这些地层遇水后体积膨胀, 易使井筒直径缩小, 造成钻头在钻进过程中提升困难和卡钻现象。在膨胀性粘土层中钻进易出现泥包钻头现象:钻进过程中刀具刮下来的土屑不能被钻头的吸收口及时排除, 粘糊在钻头的刀具上, 堵塞吸收口及钻头的内腔, 甚至包裹刀盘, 使钻头无法继续正常钻进。采取有效防范措施, 解决好井筒缩径和泥包钻头现象,不仅缩短了工程建设工期,还为企业带来效益。2

抑制粘土膨胀粘土防膨剂聚合物聚合物抑制粘土膨胀机理：粘土遇水后,水分子进入晶胞层间,使晶胞层间距增大,体积膨胀,称为粘土的水化膨胀过程。经聚合物处理过的泥浆,当粘土颗粒与聚合物接触时,聚合物靠氢键或静电吸力吸附到粘土颗粒上,将多个粘土颗粒“桥联”在一起,聚合物长链缠绕于粘土表面形成阻止粘土水化的保护层,降低了粘土的水化膨胀能力。粘土浸泡在不同介质中的体积膨胀率决定于粘土的自身性质、浸泡时间。

无机阳离子聚合物这种防膨剂是永久性的防膨剂，是三价和三价以上的金属离子在一定条件下组成多核羟桥络离子，带有很高的正电价能紧密地吸附在粘土表面上，有效地控制粘土膨胀和微粒的移动。最好的无机阳离子聚台物是羟基铝和羟基锆。

阳离子活性剂由于阳离子活性剂中的阳离子有憎水基团，因而它与粘土表面的结合程度远大千盐的阳离予结合程度，所以防膨效果较好。但阳离子活性剂作粘土防膨剂肘易与几种阴离予化学药剂反应产生沉淀，如石油磺酸盐或为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。

有机聚阳离子聚合物有机聚阳离子聚合物是含氮、磷和硫的聚合物它在永中解离产生高正电价的高分子阳离子，有效地中和粘士表面的负电性。它少量存在就有很好的防膨效果，并有耐酸、耐盐的优点。3