钙质膨润土基浆流变特性试验研究

温文富，曹丽文，唐文颖，王 勇

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

在工程钻进中，一般采用泥浆作为最常用的冲洗液，而泥浆则一般都以膨润土作为基浆材料［1］。膨润土基浆的阳离子交换性、膨胀性、吸附性、分散性、流变性、可塑性、黏结性、胶体性、触变性、耐火性、润滑性等［2-3］一系列重要性质是研究和配制泥浆的重要性能指标，基浆性能的优劣和可调配性直接影响和控制着泥浆的性能。但是，目前人们较热衷于研究加入处理剂的泥浆的性能，比如，有学者在钙(钠)基膨润土基浆中加入苏打和 MgO，探讨它们对膨润土的激活作用，结果只得出“苏打和MgO的确能产生显著的协同作用［4］”的结果;而有学者把钠羧甲基纤维素加入膨润土含量不同的基浆中，基于相对触变面积与总的相对触变性分析了基浆的流变性，得出一个只适用于局部区域的剪切速率与剪切应力经验公式［5］;还有学者从矿物学的角度出发，采用X射线衍射、差热分析等物理和化学分析方法研究了膨润土颗粒在水中的粒径、比表面积、膨胀指数、阳离子交换容量和交换性盐基，得出有必要从矿物学角度研究膨润土基浆流变性的结论［6］。也有学者通过膨润土的有机改性研究来为其利用提供一定的技术指标［7］，这造价较高。但是，对于膨润土基浆本身的流变特性，却很少有人进行较为深入的试验研究，导致在实际的施工钻进过程中经常出现盲目配浆、替浆的现象，并由此引发钻孔事故，不但造成较大的经济损失，而且还产生了环境污染。针对以上情况，有必要对膨润土基浆的流变特性进行试验研究，掌握基浆的流变特性和流变参数与膨润土加量的关系，为后续的配浆和调浆工作提供更有利的科学保障。

1 膨润土基浆配制与试验方法

1.1 膨润土的选择

膨润土是指比普通可塑性黏土吸收更多的水量(按质量计算约5倍)，且体积膨胀显著(比干燥状态约膨胀15倍)，并呈凝胶状态的黄绿色黏土［8］。R.E.Grim将膨润土定义为:膨润土是以蒙脱石类矿物为主要组分的岩石，是蒙脱石矿物达到可利用含量的黏土和黏土岩［8-9］。

膨润土被广泛用于造浆，因此，本论文选择膨润土为研究对象，研究其基浆的流变特性。本试验采用山东潍坊明辉膨润土有限公司生产的钙基膨润土作为基浆材料，该产品的主要化学成分和技术指标分别见表1、表 2。

表1 钙质膨润土各化学成分及其含量

表2 钙质膨润土各项技术指标

1.2 基浆的配制

1.2.1 最优加碱量的确定

配制20 g膨润土加500 mL蒸馏水的基浆6杯，分别加入膨润土质量2%，3%，4%，5%，6%，7%的无水Na2CO3，搅拌均匀，静置24 h后，测定基浆的泥浆胶体率分别为 51%，60%，73%，90%，81%，65%，59%，即基浆中无水 Na2CO3的加量为1.0 g时，其胶体率最大，此时对应的基浆表观黏度也最大，失水量较低，因此，可确定最优加碱量为土重的5%。

1.2.2 钙质膨润土基浆的配制

分别取 20 g，30 g，40 g，50 g，60 g，70 g 的钙质膨润土加入 6个量杯中，取编号分别为 P1，P2，P3，P4，P5，P6;按照最优加碱量，分别在各烧杯中加入1.0 g，1.5 g，2.0 g，2.5 g，3.0 g，3.5 g 的无水 Na2CO3;将各量杯加蒸馏水至1 000 g(除去量杯的质量)。采用搅拌机充分搅拌后，静置24 h。

1.3 试验设备与试验方法

试验所使用的设备主要有DQJ型低速强力搅拌机、1002型泥浆比重计、ZLN型标准漏斗黏度计、ZNN-D6型旋转黏度计等。

将静置24 h的各杯基浆，先利用DQJ型低速强力搅拌机进行充分搅拌，然后采用1002型泥浆比重计分别测定6杯基浆的密度;采用ZLN型标准漏斗黏度计分别测出基浆的漏斗黏度;采用ZNN-D6型旋转黏度计分别测出基浆在 Φ600，Φ300，Φ200，Φ100，Φ6，Φ3转速下的读数，并计算各种黏度和切力。

2 膨润土基浆流变性研究

2.1 试验结果

基浆的密度、漏斗黏度、6种转速下的读数等试验实测数据结果见表3。

表3 各种配制下钙质膨润土基浆的密度、漏斗黏度、六速旋转黏度计读数

2.2 膨润土基浆流变性分析

2.2.1 膨润土基浆流变曲线的确定

流变性是指在外力作用下，液体发生流动和变形的特征，通常用流变曲线和表观黏度、塑性黏度、动切力、静切力等参数进行描述［10］。流变曲线是以剪切应力为纵坐标、以相应的剪切速率为横坐标作图所得的曲线。流体一般分为牛顿流体、假塑性流体、塑性流体和膨胀性流体等四种基本流型，不同的流体在相同条件下具有不同的流变特征，因此可以用流变曲线对某一种流体进行描述。

根据ZNN-D6型旋转黏度计的工作原理［11］，剪切应力τ与剪切速率γ的计算公式为

式中，N为旋转黏度计各转速(r/min);Φ为旋转黏度计上刻度盘的读数值。

由此可以得出膨润土基浆在不同的剪切速率下剪切应力的实测值。根据表3的试验原始记录，计算得出各剪切速率与剪切应力的实测值，见表4。

表4 不同的剪切速率下基浆剪切应力的实测值 Pa

根据表4数据，选取配制编号为P3的膨润土基浆为例，绘制其实测流变曲线图，见图1。

图1 P3配方钙质膨润土基浆实测流变曲线

由图1可知，实测流变曲线为一直线，通过与四种基本流体的特征曲线进行对比，可初步判断试验膨润土基浆为塑性流体，且符合宾汉方程(式(3))形式。

式中，τ为剪切应力(Pa);γ为剪切速率(Hz);ηP为塑性黏度(10-3Pa·s);τd为动切力(Pа)。

根据宾汉方程可知，剪切速率很小时，动切力很接近剪切应力;而且在使用旋转黏度计时低速旋转的误差较大，故不考虑Φ6，Φ3转速下的读数。

通过理论计算确定不同配制下(除了P3)基浆的剪切应力，并将实测和理论计算所得的剪切速率和剪切应力绘制成图，即得 P1，P2，P4，P5，P6各配制下钙质膨润土基浆的实测和理论流变曲线图(见图2)，按式(4)求解各实测点在基浆理论流变直线上的拟合度［12］:

式中，μi为各实测点在基浆理论流变直线上的拟合度;τ1i为剪切应力各理论计算值(Pa);τ2i为剪切应力各实际计算值(Pa)。

分别求出各实测点在基浆理论流变曲线上的拟合度，然后求平均值，得出 P1，P2，P4，P5，P6 配制下钙质膨润土基浆实测和理论流变曲线的拟合度分别为87.45%，99.74%，93.50%，96.75%和97.20%。除了P1配制下的曲线拟合度在90%以下，其它都很接近100%，因此，钙质膨润土基浆实测与理论流变曲线基本一致，验证了本试验钙质膨润土基浆为塑性流体的试验结论。

图2 钙质膨润土基浆实测与理论流变曲线

2.2.2 膨润土基浆流变参数特征分析［13-15］

1)黏度变化规律

由表3可知，随着钙质膨润土含量的增加，基浆的密度逐渐增大，漏斗黏度和六速旋转黏度计的读数都逐渐增大。随着固相含量的增加，固相颗粒也增加，从而颗粒比表面积增大，导致各种黏度变大。

以P4配制下的钙质膨润土基浆为例，采用表4中试验所得的实测值，根据塑性流体流变参数的理论计算公式 ηp=Δτ/Δγ 和 ηA=τ/γ，计算得出其在不同的剪切速率条件下，表观黏度和塑性黏度的实测值(见表5)。可见，随着剪切速率的增大，塑性黏度保持不变，即在膨润土含量一定的情况下，塑性黏度是个常量，其不会随剪切速率的增大而变化。而表观黏度则随着剪切速率的增大而减小，即对于膨润土含量一定的钙质膨润土基浆具有剪切稀释性。

表5 P4配制下基浆不同剪切速率时的表观黏度和塑性黏度

再根据表4实测值，计算相同剪切速率下(取1 020 Hz)条件下，不同膨润土含量时基浆的塑性黏度和表观黏度，结果见表6。随着膨润土含量的增大，基浆的塑性黏度和表观黏度均有增大的趋势;但是塑性黏度在膨润土含量变化较小的范围内有个较稳定的值，即当膨润土含量 ＜5%时，ηp为3±0.5，当膨润土含量 ＞5%时，ηp为 5。

表6 不同膨润土含量时的塑性黏度和表观黏度

2)切力变化规律

由式(2)、图2和表4可知，任何一种配制下的钙质膨润土基浆，其实际剪切应力都随着旋转黏度计转速的增加而逐渐增大，说明基浆的剪切应力与转速有关。且各配制下基浆的流变曲线都是直线，因此，基浆中膨润土的含量，对于“随剪切速率提高，剪切应力呈线性增长”的规律不会产生根本性的影响。同时，在相同的剪切速率下，剪切应力随着基浆中钙质膨润土含量的增加而增大。

结合图2可知，动切力大小即为流变曲线在纵轴上的截距，膨润土含量越大，截距也越大。所以，基浆的动切力随着膨润土含量的增加而增大。但在基浆中膨润土含量不变的情况下，基浆的流变曲线为一条固定的直线，所以其在纵轴上的截距也是固定的，即动切力的大小为一固定的值，说明动切力的大小主要是由基浆中的固相颗粒的含量及其相互作用特征所决定的。因此，在膨润土含量一定的条件下，动切力不会随着剪切速率的增大而变化。

3 结论

1)随着钙质膨润土加量的增大，基浆的密度逐渐增大，漏斗黏度和六速旋转黏度计的读数都逐渐增大。

2)钙质膨润土基浆的流变曲线符合宾汉方程:τ=τd+ηpγ，实测流变曲线与理论塑性流体流变曲线基本一致，拟合度均＞85%，故试验钙质膨润土基浆属于塑性流体。

3)当基浆中膨润土含量不变时，塑性黏度是个常量，不会随剪切速率的变化而变化;随着膨润土含量的增大，基浆的塑性黏度有变大的趋势。当膨润土含量＜5% 时，ηp为 3±0.5，当膨润土含量 ＞5% 时，ηp为5。

4)钙质膨润土基浆的表观黏度与膨润土含量和剪切速率有关，当膨润土含量一定时，其随剪切速率增加而减小;在相同的剪切速率下，表观黏度随膨润土含量的增加而增大。

5)钙质膨润土的含量，不会对“随剪切速率提高，剪切应力呈线性增长”的规律产生根本性的影响;在相同的剪切速率条件下，剪切应力随膨润土含量的增大而增大;当基浆中膨润土含量一定时，动切力是个常量。

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