膨脹粘土

在制磚中產生的災難性膨脹作用能被轉化發展為膨脹粘土的生產，它可混合在混凝土中作為一種輕質集料。生產過程是粘土的球粒被填入溫度大約在1200℃的熔煉內，這樣在產生的內部氣體逸出之前球粒的外層迅速地玻璃化。這樣球粒可以膨脹到它原來大小的許多倍，並且這種海綿狀內部結構致使它的比重特別低（0.3）。

基本介紹

• 中文名：膨脹粘土
• 外文名：bloating clay
• 定義：具有膨脹性質的粘土
• 套用學科：土木工程術語
• 範疇：工程技術
• 涉及：混凝土

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，粘土礦物是油藏岩石的主要充填物。在與不配伍的外界流體接觸時，粘土礦物會發生水化膨脹、分散運移或者產生沉澱，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採收率。

在制磚中產生的災難性膨脹作用能被轉化發展為膨脹粘土的生產，它可混合在混凝土中作為一種輕質集料。生產過程是粘土的球粒被填入溫度大約在1200℃的熔煉內，這樣在產生的內部氣體逸出之前球粒的外層迅速地玻璃化。這樣球粒可以膨脹到它原來大小的許多倍，並且這種海綿狀內部結構致使它的比重特別低（0.3）。

性質

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

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脆弱，但它的輕質使它能與水泥粘合成巨大的塊體，這種塊體適合作內牆和樓板。

用於這種目的最大的膨脹粘土生產可能實在比利時，那裡使用第三系博姆粘土。它是中漸新世的，是一個發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低的。粘土含4.5%的有機碳，4.3%的方解石及2.5%的黃鐵礦。氣體在相當低的溫度下從這些礦物中逸出，為球粒膨脹提供了機制，由於球粒內部空氣減少，所以球粒總是黑色的。有時富鐵冶金廢料被加入來促進鐵/碳的還原反應。

粘土膨脹對鑽井鑽井作業的影響

粘土具有吸水特性，甚至會與水發生水合作用，產生膨脹。地層中常含有一定數量的粘土。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就會產生膨脹，然後進一步分散(如蒙脫石、綠泥石) 或直接分數(如高嶺石伊利石) 形成直徑小於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，使片狀結構表面帶負電，由於靜電斥力，帶負電的片狀結構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生井壁崩落，造成井壁質量下降，不利於後續的起下鑽和下套管以及其他井筒作業。再就是，粘土膨脹後，就會產生井眼（不是井筒）縮徑，嚴重的話有可能會使泥質成分緊緊箍住鑽具或套管等工具，極大提高摩阻，發生卡鑽或下不去工具的情況。還有，若在近鑽頭附近發生，那么有可能會引起鑽頭泥包，就是鑽頭被一大堆泥巴緊緊包住，堵塞水眼，無法傳遞水功率和給鑽頭降溫，造成鑽速下降和鑽頭過熱，這是PDC 和TSP 鑽頭最怕的，因為金剛石是不耐熱的；此外，鑽頭泥包如果發生在牙輪鑽頭上，會造成鑽頭自潔能力下降，重複切削岩石，嚴重磨損鑽頭，降低鑽速，提高鑽頭成本，頻繁起下鑽換鑽頭，這樣的話會過多地抽汲、激動井筒，易引發井涌（或噴）井漏的事故。

縮徑的主要原因是鑽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線, 連線力弱, 水分子易進入晶層之間, 引起晶格膨 脹。

採用鑽井法施工通過膨脹性粘土層時, 由於這些地層遇水後體積膨脹, 易使井筒直徑縮小, 造成鑽頭在鑽進過程中提升困難和卡鑽現象。在膨脹性粘土層中鑽進易出現泥包鑽頭現象:鑽進過程中刀具刮下來的土屑不能被鑽頭的吸收口及時排除, 粘糊在鑽頭的刀具上, 堵塞吸收口及鑽頭的內腔, 甚至包裹刀盤, 使鑽頭無法繼續正常鑽進。採取有效防範措施, 解決好井筒縮徑和泥包鑽頭現象,不僅縮短了工程建設工期,還為企業帶來效益。

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：粘土遇水後,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,將多個粘土顆粒“橋聯”在一起,聚合物長鏈纏繞於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中的體積膨脹率決定於粘土的自身性質、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台物是羥基鋁和羥基鋯。

陽離子活性劑

由於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合程度遠大千鹽的陽離予結合程度，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生沉澱，如石油磺酸鹽或為提高採收率使用的部分水解聚丙烯醯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，並有耐酸、耐鹽的優點。