TCVN THÍ NGHIỆM BENTONITE

TCVN THÍ NGHIỆM BENTONITE

Chất lỏng khoan là một yếu tố quan trọng của quá trình khoan. Bất kỳ dung dịch khoan nào cũng phải có các đặc tính chung để tạo điều kiện hoàn thành giếng an toàn và đạt yêu cầu.

Thành phần chính của bùn gốc nước là sét (chủ yếu là bentonit). Mức tiêu thụ lớn và chi phí nhập khẩu nguyên liệu này cao dẫn đến nỗ lực tìm kiếm sản phẩm thay thế tại chỗ.

Chất kéo dài bentonite có thể là muối hoặc polyme, nó tăng cường sự tích tụ độ nhớt bằng cách keo tụ nhẹ huyền phù bentonite. Natri cacbonat là một ví dụ về một loại muối có thể được thêm vào như một chất kéo dài. Ngâm bentonit thô với dung dịch muối natri, thông qua trao đổi ion, hàm lượng natri bentonit cao hơn. Chất kéo dài hiệu quả hơn muối vô cơ là các polyme mạch thẳng có trọng lượng phân tử cao.

DUNG DỊCH KHOAN

Dung dịch khoan là yếu tố quan trọng trong việc khoan giếng thành công. Bất kỳ dung dịch khoan nào cũng phải có các đặc tính chung để tạo điều kiện cho việc hoàn thành giếng an toàn và đạt yêu cầu như:

·         Làm sạch lỗ đáy và loại bỏ các vết cắt trên bề mặt.

·         Kiểm soát vùng áp suất cao.

·         Làm mát và bôi trơn thiết bị khoan lỗ.

·         Hình thành vách lỗ khoan đỡ bánh lọc.

·         Hỗ trợ dây khoan và trọng lượng vỏ.

·         Cho phép giải thích các bản ghi điện.

Các chức năng này được kiểm soát bởi các đặc tính làm nóng và lọc của bùn. Thành phần chính của bùn gốc nước là sét (chủ yếu là bentonit). Một định nghĩa về đất sét là nó sẽ vỡ ra khi phân tán thành các hạt nhỏ hơn 2 micron khi đặt trong nước. Bentonite là một thuật ngữ địa chất để chỉ một loại đá có chứa montmorillonite là thành phần chính của nó.

Một bentonite tốt cho dung dịch khoan đòi hỏi montmorillonite với natri và canxi là các cation phụ liên kết với các vị trí trao đổi của nó. Bentonite cấp độ khoan phải dễ dàng phân tán trong nước để tạo ra chất lỏng mỏng thixotropic hoặc cắt mỏng có độ bền gel và sự mất mát chất lỏng thấp đối với sự hình thành (Mud School, 1996).

 

LẤY MẪU BENTONITE

       Bentonite thô

Các loại bentonit thương mại xuất hiện dưới dạng các lớp tro núi lửa biến đổi tương đối mỏng ở rất gần bề mặt. Do đó, bentonit hầu như chỉ được thu hồi bằng phương pháp khai thác dải. Một phần không thể thiếu trong khai thác bentonit là khoan lõi sơ bộ để xác định độ dày và mức độ của mỏ và cung cấp các mẫu để ước tính các đặc tính vật lý và cấp quặng trong mỏ.

Để đáp ứng các yêu cầu sản phẩm này, quặng bentonit được cung cấp nguyên trạng cho nhà máy chế biến. Hầu hết các sản phẩm bentonit yêu cầu rằng quặng phải được làm khô trong máy sấy quay đến độ ẩm dưới 15%. Sấy khô bổ sung xảy ra trong quá trình chế biến tiếp theo. Các sản phẩm được yêu cầu ở dạng hạt trong tự nhiên được thu hồi bằng cách sàng xả khô hơn.

Sản phẩm nghiền mịn thường được sản xuất bằng cách nghiền quặng khô thông qua máy nghiền con lăn nghiền đến kích thước nhỏ hơn 200 mesh hoặc hạt mịn hơn. Tro soda được thêm vào với nồng độ lên đến 20 pound / tấn vào quặng bentonite cấp thấp hơn có chứa dư thừa các cation hóa trị hai tại các vị trí trao đổi montmorillonite, cải thiện tính chất nhớt của sản phẩm cuối cùng.

       Xử lý bentonit thô

Nếu thành phần khoáng chất của bentonit đến mức độ nhớt của nó không đủ, thì có thể thêm chất kéo dài. Chất kéo dài có thể là muối hoặc polyme, và nó tăng cường sự tích tụ độ nhớt bằng cách keo tụ nhẹ huyền phù bentonit.Chỉ có hai phương pháp đơn giản có sẵn để tăng chất lượng bentonite:

1 Trao đổi ion

2 Bổ sung bộ mở rộng.

Phương pháp đầu tiên không có nhược điểm nếu bentonite được rửa đúng cách sau khi xử lý. Tuy nhiên, việc bổ sung một chất mở rộng có thể làm tăng hiệu suất không mong muốn của bentonite, đặc biệt là khi chất kéo dài polyme đã được thêm vào.

Xu hướng hydrat hóa ở một số loại đất sét lớn hơn so với các loại đất sét khác, xác định liệu có cần xử lý hóa học để đạt được các đặc tính mong muốn cho một tình huống khoan cụ thể hay không.

Natri cacbonat là một ví dụ về một loại muối có thể được thêm vào như một chất kéo dài. Trong một số trường hợp, nó đã có trong bentonit vì nó cũng có thể được sử dụng để xử lý trước. Ngâm bentonite thô với dung dịch muối natri, thông qua trao đổi ion, hàm lượng natri montmorillonite cao hơn.

Các polyme anion, chẳng hạn như Polyacrylate (Cypan), được sử dụng để tăng năng suất trên mỗi tấn hỗn hợp bentonit. Ở nồng độ thấp tới 0,1 pound / tấn bentonite, các polyme này có thể làm tăng độ nhớt của 6% độ phân tán của bentonite để tạo ra năng suất trên 90 thùng / tấn sản phẩm. Các thông số kỹ thuật API hiện tại đảm bảo rằng bentonite không được xử lý quá mức với polymer.

Các hạt không phân tán có kích thước 75 micromet hoặc lớn hơn phải được duy trì dưới 4,0% trọng lượng. Các hạt không phân tán này là từ thạch anh, fenspat, mica và các khoáng chất khác trong trầm tích tự nhiên. Kích thước hạt của chúng được kiểm soát trong quá trình chế biến bằng cách nghiền nhỏ hơn 200 mesh (75 micron).

 

QUY TRÌNH KIỂM TRA BENTONITE

Chất lượng bentonite

Chất lượng bentonite chủ yếu được xác định bởi bốn thông số:

1 Nội dung của vật liệu khác ngoài montmorillonite.

2 Loại phản ion xuất hiện trên tiểu cầu montmorillonite.

3 Sự có mặt hoặc không có một lượng nhỏ polyme kéo dài.

4 Kích thước và điện tích của tiểu cầu montmorillonite.

Bentonite tinh khiết chỉ nên chứa montmorillonite. Trong thực tế, do trữ lượng bentonit chất lượng cao ngày càng giảm, các vật liệu khác như đá mùn, kaolinit, clorit (tất cả là đất sét), thạch anh và fenspat thường có mặt. Bởi vì đất sét montmorillonitic có khả năng trương nở cao nhất (chịu trách nhiệm cho sự tích tụ độ nhớt và hình thành bánh lọc có độ thẩm thấu thấp) sự hiện diện của các vật liệu khác sẽ có ảnh hưởng xấu đến chất lượng bentonite.

      Sự hydrat hóa bentonit

Khi tiếp xúc với nước, bentonit sẽ hấp phụ nước và trương nở. Mức độ trương nở được kiểm soát bởi cation liên kết với cấu trúc đất sét. Đối với bentonit natri, độ trương của lớp đất sét có thể gấp đôi độ trương của bentonit canxi. Trong dung dịch khoan, mức độ trương nở của đất sét hoặc độ nhớt của đất sét ngậm nước là thước đo chất lượng của nó. Mức độ hiện diện của canxi trong đất sét được phản ánh trên độ nhớt của nó.

       Đánh giá chất lượng bentonite

Bol đã thực hiện một số thử nghiệm để chứng minh rằng bentonit thương mại được mở rộng bằng cách sử dụng polyme để nó có thể thực hiện các đặc tính tốt hơn khi được sử dụng trong việc chuẩn bị dung dịch khoan và đáp ứng các tiêu chuẩn API và OCMA (Koninkijka, 1986).

Ngoài ra, sự thay đổi về điện tích và kích thước của các tiểu cầu bentonite sẽ ảnh hưởng đến đặc tính trương nở của vật liệu và do đó chất lượng.

Tiêu chuẩn chất lượng chung cho bentonite được trình bày trong các thông số kỹ thuật của OCMA và API (Bảng 1). Cả hai phương pháp chỉ bao gồm các thử nghiệm ở nhiệt độ phòng trên huyền phù trong nước cất.

Bol đã thử nghiệm các loại bentonit có bán trên thị trường khác nhau về sự hiện diện của chất kéo dài polyme, bao gồm cả sản phẩm không chứa dầu mỏ là bentonit có độ tinh khiết cao. Thực tế, bentonit không chứa dầu mỏ này không được sử dụng để phát triển độ nhớt và do đó, hầu hết có thể, không chứa bất kỳ hóa chất kéo dài nào. Các thông số kỹ thuật của các hộp bentonit được thử nghiệm khác đều không đề cập đến sự hiện diện của bất kỳ hóa chất kéo dài nào (Koninkijka, 1986).

Kết quả của công việc của ông cho thấy rằng chỉ có hai sản phẩm không được mở rộng. Chúng là hai sản phẩm giống nhau không đáp ứng các yêu cầu của OCMA. Ông kết luận rằng thực tế là bentonite nguyên chất không phải mỏ dầu không đáp ứng các yêu cầu của OCMA dẫn đến kết luận rằng các tiêu chuẩn của OCMA và API là rất cao. Và, thực tế là bentonit kém tinh khiết hơn đáp ứng các thông số kỹ thuật API và OCMA nhiều hơn bentonit tinh khiết sẽ dẫn đến kết luận rằng chất kéo dài đã được thêm vào các hộp bentonit này.

Ông khuyến nghị rằng các tiêu chuẩn API và OCMA nên được hạ xuống. Điều này sẽ loại trừ việc các nhà sản xuất bổ sung chất kéo dài polyme vào bentonit vì sản phẩm của họ sẽ đáp ứng các tiêu chuẩn của API và OCMA mà không cần thêm chất kéo dài polyme (Koninkijka, 1986).

Bentonite được nhập khẩu từ Mỹ, khiến nó trở thành một nguyên liệu đắt tiền. Hoạt động khoan tiêu thụ một lượng lớn bentonit. Mức tiêu thụ lớn và chi phí cao của vật liệu này dẫn đến việc cố gắng tìm kiếm một sản phẩm thay thế tại chỗ.

Nỗ lực được tiếp tục để tìm chất thay thế cho bentonit nhập khẩu. Họ đã thu thập các mẫu đất sét từ các địa điểm khác nhau trong nước. Số lượng lớn các mẫu được lấy từ vị trí này và được kiểm tra tính phù hợp để sử dụng trong dung dịch khoan.

 

THÍ NGHIỆM DUNG DỊCH BENTONITE

      Chuẩn bị mẫu

Số lượng lớn bentonite thô được lấy từ khu vực Khulays. Bentonite thô được nghiền thành kích thước rất nhỏ, sau đó được nghiền bằng máy nghiền bi đến kích thước rất mịn. Bột thu được được sàng bằng cách sử dụng lưới có lỗ 45 micron.

      Xác định đất sét

Phương pháp nhiễu xạ tia X và SEM được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất để xác định khoáng vật sét. Chúng là những phương pháp xác định dễ dàng và nhanh chóng. Kết quả của phương pháp tia X là một đường cong dao động với một số đỉnh cao. Các đỉnh là đặc điểm nhận dạng của đất sét được thử nghiệm. Mỗi loại đất sét có thể cho một sự khác biệt nhất định và một hoặc nhiều đỉnh được dùng để phân biệt với các loại đất sét khác.

Các thử nghiệm máy đo nhiễu xạ tia X của bentonit nhập khẩu và đất sét Khulays cho thấy sự thống nhất rất tốt giữa các đỉnh thu được, xác minh rằng đất sét Khulays là bentonit.

Sự khác biệt giữa hai kết quả được chỉ ra ở các đỉnh của bentonit cục bộ d = 3,34 và d = 7,096. Hình đầu tiên chỉ ra sự hiện diện của thạch anh với nồng độ cao, trong khi hình thứ hai chỉ ra sự hiện diện của kaolinit với nồng độ nhỏ (Hình 1).

Kết quả SEM cho thấy hình ảnh rõ ràng về các hạt sét của bentonit địa phương (Hình 2), trong khi kết quả SEM của bentonit nhập khẩu cho thấy các hạt đất sét được bao phủ bởi một vật liệu mịn, được cho là polyme kéo dài (Hình 3 ). Kết quả của SEM góp phần thúc đẩy kết luận của Bol rằng bentonit nhập khẩu được mở rộng bằng cách sử dụng polyme, do đó nó có thể thực hiện các đặc tính tốt hơn khi được sử dụng trong việc chuẩn bị dung dịch khoan và đáp ứng các tiêu chuẩn API và OCMA.

Ngoài ra, các phân tích kích thước hạt cũng được thực hiện đối với bột bentonit cục bộ có kích thước nhỏ hơn 45 micron. Những phân tích này được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị Malvern Laser Sizer. Kết quả cho thấy phạm vi kích thước của các hạt bentonite là từ 0,03–20 micron với kích thước trung bình là 3,1 micron, và 90% các hạt nhỏ hơn 10 micron.
Vì các hạt đất sét có kích thước nhỏ hơn 4 micron, kết quả này phản ánh sự hiện diện của thạch anh dưới dạng các hạt phù sa, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính chất huyền phù của đất sét. Những hạt này nên được loại bỏ để có được hiệu suất tốt hơn của bentonit cục bộ.

      Kiểm tra bentonite cục bộ

Một loại bùn khoan bao gồm 5-15% trọng lượng bentonit địa phương đã được chuẩn bị và một loại bùn tương đương bao gồm bentonit nhập khẩu (Macogel hoặc Aquagel) cũng được chuẩn bị. Kết quả bùn được kiểm tra về độ nhớt, độ mất lọc và độ pH. Sau đó, một so sánh được thực hiện giữa các loại bùn này.

Hình 5 cho thấy độ nhớt biểu kiến ​​của bùn được chế biến từ bentonit nhập khẩu và địa phương. Hình này cho thấy sự khác biệt lớn về độ nhớt giữa hai loại bùn đặc biệt là ở nồng độ cao. Tuy nhiên, độ nhớt của bùn cục bộ vẫn cao hơn so với bùn đất sét khoan năng suất cao (Baroco).

Hình 6 cho thấy tổn thất lọc ở 30 phút đối với hai loại đất sét. Kết quả lọc một lần nữa cho thấy sự khác biệt lớn về tổn thất lọc giữa hai loại bùn.

Hình 7 cho thấy độ pH của bùn được chuẩn bị từ hai loại đất sét. Độ pH của bùn bentonit địa phương thấp hơn so với bùn bentonit nhập khẩu gần 0,6.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

      Ảnh hưởng của việc tăng tốc độ cắt hoặc trộn

Tăng tốc độ cắt từ 6000 đến 15000 vòng / phút gây ra sự cải thiện đáng kể về độ nhớt và sự mất mát lọc của bùn bentonit cục bộ (Hình 8 và 9). Độ nhớt tăng 200% và giảm tổn thất lọc 35%. Có vẻ như phương pháp cải thiện đặc tính bùn sét cục bộ này là một phương pháp hiệu quả, nhưng nó có một số hạn chế về kinh tế và thiết bị. Các hạn chế về kinh tế là do cần nhiều năng lượng để đạt tốc độ cắt cao. Các giới hạn về thiết bị có liên quan và được xác định bởi các thiết bị trộn tại vị trí giàn khoan. Do đó, phương pháp cải thiện tính chất bùn này có thể được sử dụng nếu các hạn chế này được đáp ứng tại vị trí giàn khoan.

      Ảnh hưởng của việc thêm CMC (natri cacboxymetyl xenluloza)

CMC là một chuỗi dài các phân tử, được sử dụng để giảm tổn thất lọc và tăng độ nhớt của bùn ở nhiệt độ dưới 250 ° F và nồng độ muối nhỏ hơn 50000 ppm. Việc bổ sung CMC vào bùn được chuẩn bị từ bentonit địa phương làm tăng độ nhớt lên gấp đôi ở nồng độ 6 gm / 1 bùn, nhưng nồng độ này tương đối cao. Ở nồng độ 1 gm / 1, sự mất mát qua lọc đã giảm mạnh từ 50 xuống chỉ còn 21 ml.

      Ảnh hưởng của việc thêm Drispae (polyme xenluloza polyanionic)

Drispac là một polyme mạch dài có trọng lượng phân tử cao. Một lượng nhỏ phụ gia này vừa có thể cải thiện độ nhớt vừa làm giảm sự mất nước ngay cả ở nồng độ muối cao và nhiệt độ xuống lỗ cao. Việc bổ sung Drispac vào bùn được chuẩn bị từ bentonit địa phương làm giảm tổn thất lọc rất lớn. Ở nồng độ 1 gm / 1, sự giảm này đạt đến yêu cầu API. Để đạt được các yêu cầu API liên quan đến độ nhớt, nên thêm 2 mg / 1 vào bùn bentonit cục bộ.

      Tác dụng của việc thêm NaOH

Tác dụng của việc thêm NaOH phải xem xét không chỉ ảnh hưởng của ion natri mà còn phải xét đến ảnh hưởng của ion hydroxyl. Thêm natri vào hệ thống bùn làm cho độ nhớt tăng lên có thể là kết quả của quá trình trao đổi bazơ. Điều này rõ ràng hơn trong đất sét bazơ Ca, vì một số ion natri sẽ thay thế các ion canxi, giúp cải thiện sự phân tán của đất sét và dẫn đến độ nhớt cao hơn.

Vì việc bổ sung NaOH vào bùn sẽ làm tăng độ pH, nồng độ của nó nên được giới hạn ở một giá trị nhất định sẽ giữ cho độ pH khoảng 9. Trong trường hợp hiện tại, để tăng cường tốt độ nhớt, nồng độ của NaOH phải là cao hơn 1 gm / 1. Tuy nhiên, nồng độ này sẽ dẫn đến độ pH cao hơn 11, đây là mức độ pH không thể chấp nhận được. Do đó, việc sử dụng NaOH để nâng cao hiệu suất đất sét cục bộ không được khuyến khích.

      Hiệu quả của việc thêm chất kéo dài bentonite

Chất kéo dài có thể là muối hoặc polyme, và nó tăng cường sự tích tụ độ nhớt bằng cách keo tụ nhẹ huyền phù bentonit. Natri cacbonat là một ví dụ về một loại muối có thể được thêm vào như một chất kéo dài. Ngâm bentonit thô với dung dịch muối natri, thông qua trao đổi ion, hàm lượng natri bentonit cao hơn. Chất kéo dài hiệu quả hơn muối vô cơ là các polyme mạch thẳng có trọng lượng phân tử cao.

      Thêm muối natri cacbonat (tro soda)

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến xu hướng trao đổi ion trong đất sét là nồng độ tương đối của các cation natri. Bằng cách thêm Na2CO3, dự kiến ​​sẽ tăng cường các đặc tính vì một số cation Na có thể chiếm một số vị trí trên bề mặt và làm tăng xu hướng trương nở của đất sét.

      So sánh bentonit địa phương nâng cao với bentonit nhập khẩu

Hình 18 cho thấy độ nhớt bùn của bentonit địa phương sau khi tăng cường bằng cách thêm tro soda và Drispac so với bentonit nhập khẩu. Hiệu suất của bentonite trong nước đang cạnh tranh với bentonite nhập khẩu.

Hình 19 cho thấy sự mất mát khi lọc bùn của bentonit địa phương tăng cường so với loại nhập khẩu. Hai tổn thất lọc gần giống nhau.

Năng suất tính toán đối với bentonit nhập khẩu là 95 bbl / tấn, và năng suất của bentonit địa phương nâng cao là 85 bbl / tấn. Năng suất này có thể tăng lên trên 90 bbl / tấn bằng cách bổ sung 0,5% Drispac.

 

Xem các bài viết khác >>

Xem thêm các phương pháp khoan ngầm HDD qua sông