Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia đến quá trình sản xuất dung dịch khoan từ nguồn sét bentonite cổ định

NGUYỄN THỊ THANH HUYỀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ THANH HUYỀN

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ PHỤ GIA ĐẾN QUÁ
TRÌNH SẢN XUẤT DUNG DỊCH KHOAN TỪ NGUỒN SÉT
BENTONITE CỔ ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

KHÓA 2012B

Hà Nội – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ PHỤ GIA ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN
XUẤT DUNG DỊCH KHOAN TỪ NGUỒN SÉT BENTONITE CỔ ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. PHẠM THANH HUYỀN

Hà Nội – 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng
dẫn là PGS.TS. Phạm Thanh Huyền. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có
nguồn gốc rõ ràng, đã công bố. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm
hiểu, phân tích trung thực khách quan. Các kết quả này chưa từng được công bố trong
bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Học viên

Nguyễn Thị Thanh Huyền


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... 1 
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 4 
DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT ........................................................................... 5 
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 6 
U

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ......................................................................................... 7 
1.1. TỔNG QUAN VỀ DUNG DỊCH KHOAN ........................................................ 7 
1.1.1. Giới thiệu về dung dịch khoan ............................................................................... 7 

1.1.2 Thành phần dung dịch khoan .................................................................................. 9 
1.1.2.1 Nước..................................................................................................................... 9 
1.1.2.2. Khoáng sét ........................................................................................................ 10 
1.1.2.3. Các polyme tăng độ nhớt, phụ gia sử dụng trong dung dịch khoan ............. 11 
1.1.2.4. Vật liệu làm tăng tỷ trọng ................................................................................ 13 
1.1.2.5. Muối vô cơ hoà tan........................................................................................... 15 
1.2. SÉT VÀ VAI TRÒ SÉT TRONG DUNG DỊCH KHOAN ............................. 15 
1.2.1. Sét bentonite ......................................................................................................... 15 
1.2.1.1. Phân loại bentonite .......................................................................................... 16 
1.2.1.2. Cấu trúc của bentonite .................................................................................... 16 
1.2.1.3. Tính chất của bentonite ................................................................................... 18 
1.2.2. Hệ sét – nước [9] ................................................................................................. 24 
1.3. YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA DUNG DỊCH KHOAN ................................... 28 
1.3.1. Trọng lượng riêng ............................................................................................... 28 
1.3.2. Độ nhớt ................................................................................................................ 29 
1.3.3. Độ thải nước (cm3) .............................................................................................. 29 
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 31 
U

2.1. HÓA CHẤT,DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ .......................................................... 31 
2.1.1. Hoá chất, dụng cụ ................................................................................................ 31 

1


2.1.2. Mẫu bentonite sử dụng trong nghiên cứu ......................................................... 31 
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DUNG DỊCH KHOAN
VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU ................................................................................ 32 
U

2.3. ĐIỀU CHẾ HÓA PHẨM KHOAN .................................................................. 35 
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 36 
3.1. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MONMORILONIT TRONG THÀNH PHẦN
SÉT BENTONITE CỔ ĐỊNH: ............................................................................... 36 
3.1.1. Xác định thành phần khoáng vật sét theo giản đồ nhiễu xạ tia X.................... 36 
3.2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DUNG DỊCH KHOAN TỪ BENTONITE CỔ
ĐỊNH SỬ DỤNG TÁC NHÂN TẠO ĐỘ NHỚT PVA, CMC (CARBOXYL METHYL
XENLULOZO), XANTHAN GUM. ........................................................................... 43 

3.2.1. Sử dụng chất tăng độ nhớt PVA......................................................................... 43 
3.2.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PVA ....................................................................... 43 
3.2.2. Sử dụng chất tăng độ nhớt CMC........................................................................ 44 
3.2.2.1. Ảnh hưởng hàm lượng Na 2 CO 3 . ....................................................................... 44 
3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng tác nhân tăng độ nhớt CMC .................................. 46 
3.2.2.3.Ảnh hưởng của hàm lượng Na 2 CO 3 .................................................................. 49 
3.2.3. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý sét : ........................................................... 51 
3.2.4. Sử dụng chất tăng độ nhớt xanthan gum .......................................................... 52 
3.2.4.1. Ảnh hưởng hàm lượng xanthan gum ................................................................. 52 
3.2.4.2. Ảnh hưởng hàm lượng Na 2 CO 3 ........................................................................ 55 
3.2.5. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC, xanthan gum, PVA kết hợp ....................... 56 
KẾT LUẬN.................................................................................................................. 58 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 59 

2


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit.[1] .............................................. 17
Hình 1.2. Cấu trúc 2 :1 của MMT.[1] ........................................................................... 18

Hình 3.1.Giản đồ XRD của các mẫu A,B,C ................................................................... 37
Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu A, B, C ............................................... 40
Hình 3.3. Ảnh hưởng hàm lượng PVA tới V600 ............................................................ 44
Hình 3.4. Ảnh hưởng của muối vô cơ đến độ nhớt V600 ............................................... 45
Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC lên ứng suất trượt tĩnh và tỉ số YP/PV...... 47
Hình 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC đến V600 ................................................... 49
Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng Na 2 CO 3 .............................................................. 50
Hình 3.8. Ảnh hưởng phương pháp xử lý sét ................................................................. 51
Hình 3.9. Ảnh hưởng hàm lượng xanthan gum tới V600 ............................................... 53
Hình 3.10. Ảnh hưởng hàm lượng xanthan gum tới YP và YP/PV ................................ 54
Hình 3.11. Ảnh hưởng của hàm lượng Na 2 CO 3 ............................................................ 56

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần khoáng vật của bentonite Cổ Định - Thanh Hoá [3] ............... 23
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của bentonite cổ Định Thanh Hoá [3] ........................ 24
Bảng 3.1: Thành phần khoáng vật và khoảng hàm lượng (%) của các mẫu nghiên cứu
theo phương pháp XRD. ................................................................................................. 38
Bảng 3.2: Phần trăm mất khối lượng theo nhiệt độ....................................................... 41
Bảng 3.3: Thành phần khoáng vật (~%) của các mẫu nghiên cứu theo phương pháp
phân tích nhiệt ................................................................................................................ 42
Bảng 3.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng PVA với nồng độ Na 2 CO 3 4,0% theo
phương pháp khô (Phun sương). .................................................................................... 43
Bảng 3.5. Khảo sát chất điện ly ..................................................................................... 45
Bảng 3.6. Khảo sát nồng độ CMC với 4% Na 2 CO 3 ...................................................... 47
Bảng 3.7. Khảo sát hàm lượng Na 2 CO 3 ........................................................................ 49
Bảng 3.8. Khảo sát ảnh hưởng phương pháp xử lý sét .................................................. 51
Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xanthan gum theo phương pháp dẻo......

............................................................................................................................... 53
Bảng 3.10. Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng Na 2 CO 3 theo phương pháp dẻo. 55
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của hàm lượng các tác nhân tăng độ nhớt ............................... 57

4


DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên gọi

Bent - Na

Bentonite kiềm

Bent - Ca

Bentonite kiềm thổ

Bent

Bentonite

MMT

Monmorillonit

Fld

Độ thải nước

PP

Phương pháp

5


LỜI MỞ ĐẦU
Bentonite là một loại khoáng sét quý, có cấu trúc lớp và tương đối xốp. Mỏ
khoáng sét bentonite ở vùng Cổ Định - Thanh Hóa có trữ lượng lớn, được khai thác
đồng thời với quá trình khai thác Cromit. Nguồn sét bentonite thải qua quá trình khai
thác Cromit từ mỏ Cổ Định - Thanh Hóa hiện được sử dụng làm dung dịch khoan (chủ
yếu là dung dịch khoan cọc nhồi), một lượng nhỏ hiện đang được nghiên cứu sử dụng
làm chất hấp phụ, xúc tác trong công nghiệp tẩy màu, tẩy dầu mỡ, công nghiệp thực
phẩm, phân bón tổng hợp...
Trong dung dịch khoan, bentonite là thành phần chính được sử dụng nhằm nâng
cao khả năng làm sạch đáy giếng khoan (tăng khả năng tải bùn khoan), tăng tốc độ
khoan và tuổi thọ của mũi khoan (do nâng cao hiệu ứng thủy lực và bôi trơn), ngăn cản
sự mất nước khi khoan qua các lớp đất đá xốp, tạo nên một lớp vỏ sét mỏng và áp lực
thủy tĩnh làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng của quá trình khoan đến các thành tạo
lỗ khoan, giảm giá thành giếng khoan. Vấn đề nâng cao các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
khi thi công các giếng khoan gắn liền với việc hoàn thiện không ngừng quy trình pha
chế dung dịch khoan có các tính chất đã định và nâng cao tính cơ động của sự điều
chỉnh các tính chất đó trong quá trình khoan.
Trên cơ sở đó, đề tài“ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia đến quá
trình sản xuất dung dịch khoan từ nguồn sét bentonite mỏ Cổ Định” đã được thực
hiện. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát phân tích thành phần hoá học, khảo sát

độ nhớt, tính lưu biến, độ thải nước, khảo sát sự ảnh hưởng của một số thành phần
chính khi pha chế hóa phẩm dung dịch khoan.... với mong muốn sự thành công của đề
tài sẽ đóng góp vào những nghiên cứu cơ bản trong công tác pha chế dung dịch khoan
gốc nước.

6


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ DUNG DỊCH KHOAN
1.1.1. Giới thiệu về dung dịch khoan
1.1.1.1 Định nghĩa
Dung dịch khoan là hỗn hợp được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vào cần khoan,
choòng khoan và quay lại bề mặt khoảng không vành xuyến trong công tác khoan.
Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí. Có các loại dung dịch khoan sau đây:
™ dung dịch khoan dạng bọt
™ dung dịch khoan gốc nước
™ dung dịch khoan gốc dầu
™ dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin và este)
1.1.1.2. Chức năng dung dịch khoan [9, 10]
Trong khi thi công quá trình khoan vào lòng đất thực hiện những chức năng quan
trọng sau:
™ Rửa sạch đáy lỗ khoan và tải mùn khoan lên mặt đất
™ Giữ mùn khoan ở trạng thái lơ lửng trong trường hợp hệ tuần hoàn dung dịch
khoan bị gián đoạn
™ Tách mùn khoan trên bề mặt giếng khoan ..
™ Bôi trơn và làm nguội cần ống khoan, choòng khoan.
™ Tạo ra một áp suất thuỷ tĩnh thích hợp nhằm mục đích: ngăn chặn sự xâm nhập
của nước vỉa, dầu và khí vào giếng khoan; giữ thành giếng khoan khỏi bị sập lở nhất là
khi gặp vỉa đất đá không ổn định; tạo vỏ bùn làm hạn chế sự thấm lọc của dung dịch

7


™ Đảm bảo mỏ vỉa sản phẩm có chất lượng
™ Góp phần tăng tốc độ cơ học khoan (phần lọc của dung dịch khoan thấm vào
đất đá có tác dụng làm giảm độ cứng của đất tạo điều kiện cho choong khoan phá vỡ
đất đá dễ dàng hơn
™ Truyền đạt thông tin từ mặt đất
Ngoài ra dung dịch khoan còn có chức năng là trung gian truyền lực tới choong
khoan (trong kỹ thuật khoan tuốc bin), là môi trường cho các phép đo carota trong lỗ
khoan.
Những chức năng trên của dung dịch khoan cũng chính là yêu cầu đặt ra đối với
quá trình rửa giếng khoan.
1.1.1.2 Phân loại
Dung dịch khoan thường được chia thành 3 loại chính sau đây
™ Hệ dung dịch khoan gốc nước
Trong đó nước ngọt, nước muối, hoặc nước biển cùng pha với nhau, hầu hết được sử
dụng (90 - 95%). Dung dịch khoan gốc nước chứa chủ yếu bao gồm dung dịch nước
của polyme và đất sét trong nước hoặc nước mặn, với các loại phụ gia khác nhau kết
hợp với nước.
™ Hệ dung dịch khoan gốc dầu
Hệ dung dịch khoan gốc dầu thường ít được sử dụng hơn so với hệ dung dịch khoan
gốc nước (chỉ chiếm 5-10%). Sau khi hấp phụ các phân tử hữu cơ, khoảng cách bề mặt
hai phiến sét tăng lên, đồng thời bề mặt trở nên ưa dầu. Sét hữu cơ không phân tán
trong nước nhưng phân tán, trương nở và tạo gel trong các dung môi hữu cơ ... Ngoài
ra, các chất phụ gia khác còn được thêm vào pha hữu cơ, làm thay đổi khả năng ưa chất

8

™ Dung dịch khoan là bùn nhiễm khí
(bùn nhiễm khí Nito, hoặc nhiễm bọt nước)
Là dung dịch khoan hình thành do bơm không khí hoặc khí vào trong bùn, bùn
nhiễm khí được dùng để làm giảm áp suất thủy tĩnh trong giếng và để khoan vào các
thành hệ áp suất thấp.
Kiểm tra tốc độ khoan trong các loại đá khác nhau cho thấy dung dịch khoan
nhiễm khí cho tốc độ khoan nhanh hơn dung dịch khoan gốc dầu và dung dịch khoan
gốc nước. Nước trở thành chất lỏng khoan nhanh nhất, tuy nhiên trong trường hợp này,
kiểm tra khoan cho thấy các chất phụ gia thường sử dụng gây tác động bất lợi đến tốc
độ khoan. Việc lựa chọn một loại dung dịch khoan nào phải dựa và bản chất và cấu
trúc tự nhiên của đá, tính thân thiện môi trường và kinh tế, chất phụ gia dùng cho dung
dịch khoan cũng phải phù hợp và chi phí của phụ gia phải đảm bảo tính kinh tế.
1.1.2 Thành phần dung dịch khoan
Trong năm mươi năm kể từ khi ra đời của ngành công nghiệp dung dịch khoan, số
lượng sản phẩm từ năm 1988 đã tăng từ một vài cho tới gần 1.400 chất phụ gia [28].
Dung dịch khoan gồm những thành phần sau:
1.1.2.1 Nước
Nước là một chất rất quan trọng trong dung dịch khoan. Nước có sức căng bề
mặt, nhiệt nóng chảy, nhiệt bay hơi lớn và khả năng hòa tan mạnh một số chất. Một

9


tính chất quan trọng của nước (không giống với các chất khác) đó là nở ra khi đóng
băng ở áp suất thường.
Công thức đơn giản H 2 O, không đối xứng phân tử, được coi là một tứ diện với
nguyên tử oxy ở trung tâm và các góc là hai hạt nhân hydro và hai cặp electron. Nước
có xu hướng tạo liên kết hydro bền. Sự phân ly của muối, axit, bazơ đều xảy ra trong
môi trường nước, lớp ngoài hydrat giảm lực liên kết các ion trái dấu.

Phản ứng giữa nước và bề mặt khoáng sét, hiệu ứng điện phân trong nước trên
trung tâm nước–khoáng...ảnh hưởng đếnkhả năng làm việc dung dịch khoan.
Nước thường có sẵn và chi phí thấp.Tuy nhiên, đôi khi chất lượng của các cấu tử
trong bùn sẽ biến đổi hoặc nước phải được xử lý để trung hòa một số chất hòa tan.
Trong những trường hợp như vậy, phải xem xét chi phí và các phương án khác. Loại
bỏ bùn dư thừa từ địa điểm khai thác tạo chi phí không đáng có. Nếu vậy, sẽ phải giảm
tối thiểu thể tích bùn mà không làm giảm khả năng làm việc.
1.1.2.2. Khoáng sét
a. Bentonite
Bentonite là khoáng sét có thành phần chính là montmorilonit với công thức hoá
học tổng quát (OH) 4 Al 4 Si 8 O 20 .nH 2 O. Ngoài thành phần montmorilonit còn có các
thành phần khác như kaonilit, clorit, mica, canxit, thạch anh , …
Trong thực tế có hai loại bentonite: Bentonite trương nở có thành phần chính là
montmorilonit Na, còn gọi là bentonite Na. Khi bão hoà nước thì thể tích của bentonite
– Na có thể tăng 20 lần. Bentonite không trương nở có thành phần chính là bentonite Ca
Bentonite có khả năng tương tác tốt với các polyme hữu cơ và xô đa. Tương tác
hấp phụ của hạt sét với polyme làm thay đổi về bản chất đặc tính tương tác giữa các hạt
tiếp xúc với nhau. Xô đa có tác dụng chuyển bentonite kiềm thổ thành bentonite kiềm,

10


sự hấp phụ xô đa trong khoảng không gian giữa các lớp sét đã làm tăng mức độ hydrat
hoá của các phần tử sét, tăng lượng nước liên kết và nước khuếch tán định hướng, do
vậy mức độ trương nở của sét tăng lên.
b. Attapugit
Sét attapugus còn được gọi là attapugit, chiếm 80 – 90%,ngoài ra còn chứa
montmorillonite, sepiolite, và sét khác, và thạch anh, canxit, dolomit...là một vật liệu
trong dung dịch khoan. Sét attapugus được gọi là gel muối hay gel ngậm muối bởi vì
nó được sử dụng như một tác nhân lơ lửng trong dung dịch. Attapugit là 1 chất trong

một nhóm đất sét hấp phụ, được gọi là chất tẩy màu vì như đất sét được dùng để loại
bỏ dầu mỡ từ vải len [15]. Đất sét được áp dụng rộng rãi như chất làm trong và khử
màu, hỗ trợ bộ lọc, chất xúc tác, chất hấp phụ và thuốc trừ sâu.
Attapugit có một kết cấu dạng sợi. Về mặt hóa học, nó là một tinh thể magie
silicat ngậm nước, thay thế một phần magiê bằng nhôm, sắt, và các nguyên tố khác.
Hạt của nó giống như lá kim, và các tinh thể cấu trúc này là một chuỗi kép của silic và
oxy được liên kết bởi magiê và canxi.
Attapugit không trương nở trong nước như bentonite, nhưng khi khuấy mạnh để
phá vỡ các tinh thể lati, attapugit phân tán và có diện tích bề mặt lớn để hấp phụ nước.
Ngoài ra còn có các loại sét như sepiolit, sét hữu cơ …
1.1.2.3. Các polyme tăng độ nhớt, phụ gia sử dụng trong dung dịch khoan
Dung dịch khoan còn chứa thêm một hoặc nhiều tác nhân tăng độ nhớt. Chất
lượng dung dịch sẽ tốt hơn khi độ nhớt của nó cao mà chưa pha thêm tác nhân tăng độ
nhớt.. Các tác nhân tăng độ nhớt khác có thể được lựa chọn từ những polyme sinh học
bao gồm: Xanthan Gum, scleroglucan, Whelan gum, guar gum, biozan, diutan, CMC,
cellulose polyanionic, tinh bột, tinh bột hoạt tính, và các tác nhân tạo nhớt polyme như:
polyacrylamide, hydrolised một phần polyacrylamide, polyvinylacetate và polyvinyl

11


pyrrolidone. Nồng độ các tác nhân tạo nhớt có thể trong phạm vi 0,5 - 30 g/l. [20]. Các
polyme muốn tạo được độ nhớt phải có mạch nhánh dài, có ái lực với các phân tử nước
tự do lớn, khi hòa tan sẽ chiếm một lượng lớn nước tự do. Bên cạnh đó, chúng phải có
các gốc hóa học ví dụ như cacboxyl (trong CMC) thì mới có thể kết nối các hạt keo
Bentonite. Các phụ gia dùng cho dung dịch khoan cần được biết về độc tính, phân hủy
sinh học và tích lũy sinh học.
Do khả năng phân tán chia nhỏ và bám xung quanh các hạt sét tạo nên lớp vỏ bảo
vệ mà các chất keo bảo vệ làm cho các hạt sét không bị dính lại với nhau, dung dịch
được giữ ở trạng thái keo tốt hơn. Qua nghiên cứu, người ta thấy các chất keo bảo vệ

có tác dụng giảm độ thoát nước, độ dày vỏ sét và tăng độ ổn định, độ keo của dung
dịch.
Chất keo bảo vệ điển hình trong gia công dung dịch sét là CMC.
a. Carboxymetyl cenlullose (CMC)
CMC là sản phẩm nhân tạo, là loại dung dịch nhớt, đục hòa tan tốt trong nước.
Nó làm giảm độ thải nước và độ nhớt của dung dịch đất sét. Tùy theo thành phần
khoáng vật và muối, nó bảo vệ tốt dung dịch sét khỏi bị ngưng kết do muối gây ra. Vì
vậy CMC rất quý khi khoan qua đất đá có muối.
Người ta thường dùng CMC với nồng độ 10-50 kg/m3 dung dịch. CMC được
dùng hạn chế vì giá thành cao. Khi tăng liều lượng, CMC không làm giảm chất lượng
của dung dịch sét.
Trong thực tế đôi khi rửa lỗ khoan bằng dung dịch nước lã pha CMC.
b. Tinh bột
Tinh bột là chất cao phân tử, công thức chung (C 6 H 10 O 5 )n. Tinh bột không tan
trong nước lạnh mà tan trong môi trường nước nóng hay môi trường kiềm. Tinh bột
dùng làm chất phản ứng sau khi kết hợp với NaOH. Sau khi gia công dung dịch, tinh
bột làm giảm độ thải nước mạnh và không phụ thuộc độ khoáng hoá dung dịch. Lượng
tinh bột dùng ít hơn so với axit lignosulfit. Tuy nhiên, giá thành tinh bột đắt; dung dịch

12


thường có độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh cao; tinh bột dễ bị lên men và phân rữa ra làm
cho độ thải nước tăng, dung dịch sủi bọt vì có khí CO 2 thoát ra; tinh bột không bền
nhiệt [2].
c. Axit lignosulfonic
Axit lignosulfonic có nhiều trong chất thải của công nghiệp thủy phân (công
nghiệp chế biến giấy từ gỗ hoặc công nghiệp chế biến rượu). Nó là một chất lỏng sánh,
màu nâu tối, tỷ trọng khoảng 1,2 - 1,3 g/cm3, chứa khoảng 50% các chất khô. Có khi
người ta chế tạo chất này ở dạng đóng băng.

Axit lignosulfonic dễ dàng chuyển sang dung dịch keo là chất hoạt động bề mặt.
Khi cho chất này vào môi trường kiềm (NaOH), axit lignosulfonic tác dụng với kiềm,
tạo thành muối lignosulfonat có tác dụng làm ổn định dung dịch.
d. Xanthan gum
Xanthan gum là một polyme tự nhiên. Xanthan gum không hòa tan trong dung
môi hữu cơ (nhưng hydrate hóa trong glycerol ở 650C). hòa tan trong nước nóng và
nước lạnh, độ nhớt dung dịch cao khi nồng độ thấp, không có sự thay đổi rõ ràng về độ
nhớt khi nhiệt độ từ 0-1000C (đây là một tính chất độc đáo của xanthan gum), hòa tan
và ổn định trong môi trường axit, khả năng tương tác tốt với muối, tương tác với những
loại gum khác như locust bean gum, ổn định hệ nhũ tương và huyền phù, ổn định dung
dịch tốt khi đông lạnh và rã đông.
Xanthan gum thường được sử dụng với nồng độ 0,6 – 6kg / m3.
Ngoài ra còn có các tác nhân tạo nhớt như gur gum, tinh bột biến tính ...
1.1.2.4. Vật liệu làm tăng tỷ trọng
Một trong những chức năng quan trọng của dung dịch khoan là điều chỉnh áp suất
sao cho dầu không bị phun trào. Tỷ trọng của dung dịch khoan phải tăng lên theo thời
gian để ổn định. Một số chất đậm đặc hơn nước và không làm ảnh hưởng tới tính chất
của dung dịch khoan có thể được thêm vào để tăng tỷ trọng đến một mức độ nhất định.

13


Cần chọn vật liệu phù hợp để có thể giảm giá thành sản phẩm và khả năng hòa tan của
các muối trong giới hạn nào đó [19].
a. Barit
Barit tinh khiết (bari sulfat) chứa 58,8% bari và có tỷ trọng 4,5. Barit thương
phẩm, gọi là khoáng tinh thể nặng có tỷ trọng thấp bởi vì một số khoáng (như thạch
anh, đá silic, canxi, anhyrit, các dạng silicat) có trong nó. Ngoài ra, nó chứa các khoáng
kim loại, một vài trong số đó làm tăng tỷ trọng riêng của sản phẩm.
Vật liệu làm tăng tỷ trọng phải là chất trơ về mặt hóa học dễ kiếm, dễ nghiền tới

kích thước hạt xác định và không bị mài mòn. Ngoài ra, vật liệu có giá thành rẻ, không
độc đối với người sử dụng và môi trường. Do vậy, tại Mỹ, khoáng barit được sử dụng
với hàm lượng lớn để làm tăng tỷ trọng dung dịch khoan [14].
b. Khoáng sét sắt [ 22, 25, 26, 28 ]
Sắt oxit: sắt oxit tự nhiên (chủ yếu là hematit, Fe 2 O 3 ) là chất đầu tiên được sử
dụng để tăng tỷ trọng. Sắt oxit dùng từ năm 1943 bởi vì nó thay thế được cho barit và
chi phí sản xuất thấp hơn.
c. Khoáng ilmenit [13]
d. Canxi cabonat
Calcium carbonate có sẵn trong đá vôi hoặc vỏ hàu [24].Calcium cacbonate
được phân tán trong dung dịch khoan dễ dàng hơn so barit. Lớp bột hoặc đá vôi thường
được sử dụng trong bảo dưỡng dung dịch khoan.
e. Khoáng chất galen:
Galen, PbS, với tỷ trọng là 7,4 -7,7, và chỉ được dùng để sản xuất một loại dung dịch
khoan đặc biệt nặng, đôi khi cần thiết để kiểm soát áp suất cao bất thường. Khoáng
galen rất đắt, do đó, barit được sử dụng với nó để sản xuất dung dịch khoan với trọng

14


lượng riêng khoảng 30 Ib/gal (3,6 g/cm3). Dung dịch khoan có trọng lượng riêng 32
Ib/gal (3,8 g/cm3) có thể được điều chếkhi thêm khoáng galen vào dung dịch.
1.1.2.5. Muối vô cơ hoà tan
Ngoài các thành phần kể trên, dung dịch khoan thường chứa một hoặc nhiều muối
vô cơ hòa tan. Ví dụ, các muối vô cơ có thể sử dụng là Na 2 CO 3 , NaOH, KCl, NaCl,
KNO 3 , NaNO 3 , CaSO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 ,.. Muối khi hoà tan sẽ phân ly ra các ion
dương và ion âm. Các ion dương trong muối sẽ thay thế các cation liên kết trong sét
khiến mức độ phân tán dung dịch sét tăng. Với một nồng độ nhất định, các cation của
muối còn có khả năng tạo một lớp vỏ bảo vệ dày và bền xung quanh mỗi hạt keo, làm
cho tính chất keo của dung dịch tốt hơn. Các anion của muối sẽ kết hợp cation khoáng

vật sét vừa được giải phóng, sự kết hợp này thường gây kết tủa và sẽ tránh được những
ảnh hưởng xấu do các ion mới được giải phóng gây ra. Khi dung dịch giữ được ở trạng
thái keo thì hàng loạt thông số được cải thiện [3]
1.2. SÉT VÀ VAI TRÒ SÉT TRONG DUNG DỊCH KHOAN
1.2.1. Sét bentonite
Bentonite là một loại kháng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonite
(MMT). Công thức đơn giản nhất của MMT là Al 2 O 3 .4SiO 2 .nH 2 O ứng với nửa tế bào
cấu trúc. Trong trường hợp lý tưởng công thức của MMT là Si 8 Al 4 O 20 (OH) 4 ứng với
một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên, trong thực tế thành phần hóa học của MMT còn có sự
xuất hiện của các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, Ca, K,… trong đó tỷ lệ Al 2 O 3 :
SiO 3 thay đổi từ 1:2 đến 3:4 .
Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonite còn chứa một số khoáng sét
khác như hectorit, saponit, beidelit, nontronit,… và một số khoáng phi sét như canxit,
pirit, manhetit, một số muối kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ…

15


1.2.1.1. Phân loại bentonite
Dựa vào thành phần các cation có trong khoáng sét người ta phân bentonite thành
3 loại chính:
™ Sodium Bentonite: Sodium Bentonite hay còn gọi là bentonite natri (Nabentonite) là một loại bentonite có khả năng hút ẩm cao, trương nở mạnh gấp
nhiều lần kích thước khô ban đầu khi tiếp xúc với nước và có thể duy trì tình
trạng này trong một thời gian dài.
™ Calcium Bentonite (Ca-Bentonite): Khác với Na-Bentonite, Ca-Bentonite không
có tính trương nở mạnh mà tính chất đặc trưng của nó là khả năng hấp thụ các ion
trong dung dịch.
™ Potassium Bentonite: Còn được biết đến với tên gọi K-Bentonite, là một loại
bentonite giàu kali. Giống như Ca-bentonite, K-Bentonite không có tính trương
nở, nó chủ yếu được ứng dụng trong việc sản xuất các vật liệu xây dựng và ngăn

chặn các chất thải phóng xạ.
1.2.1.2. Cấu trúc của bentonite
Cấu trúc tinh thể MMT được chỉ ra trong hình 1.2, mạng tinh thể của
montmorillonit gồm có lớp hai chiều trong đó lớp Al 2 O 3 (hoặc MgO) bát diện ở trung
tâm giữa hai lớp SiO 2 tứ diện nằm ở đầu nguyên tử O vì thế nguyên tử oxi của lớp tứ
diện cũng thuộc lớp bát diện. Nguyên tử Si trong lớp tứ diện thì phối trí với 4 nguyên
tử oxy định vị ở bốn góc của tứ diện. Nguyên tử Al (hoặc Mg) trong lớp bát diện thì
phối trí với 6 nguyên tử oxy hoặc nhóm hyđroxyl (OH) định vị ở 6 góc của bát diện
đều. Ba lớp này chồng lên nhau hình thành một tiểu cầu sét hoặc một đơn vị cơ sở của
nanoclay. Bề dày của tiểu cầu có kích thước khoảng 1 nm (10 Å) và chiều dài của tiểu
cầu thay đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn nm. Trong tự nhiên, những tiểu cầu sét sắp
xếp chồng lên nhau tạo thành khoảng cách giữa các lớp, khoảng cách này thường được

16


gọi là khoảng cách “Van de Waals”, là khoảng không gian giữa hai lớp sét [1]. Sự hình
thành nanoclay trong tự nhiên có sự thay thế đồng hình, nguyên tử Si hoá trị 4 trong
lớp tứ diện được thay thế một phần bởi nguyên tử Al hoá trị 3 và nguyên tử Al hoá trị 3
trong lớp bát diện thì được thay thế một phần bằng các nguyên tử có hoá trị 2 như Fe
và Mg. Sự thiếu hụt điện tích dương trong đơn vị cơ sở, dẫn đến bề mặt của các tiểu
cầu sét mang điện tích âm. Điện tích âm này được cân bằng bởi các ion kim loại kiềm
và kiềm thổ (chẳng hạn như ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+,…) chiếm giữ khoảng không gian
giữa các lớp này.
Trong hình 1.1 cho thấy sự thay thế đồng hình của một số ion Al, Fe,
Mg,…trong tứ diện và bát diện, cũng như khoảng cách của lớp sét. Khoảng cách của
một lớp MMT đã chỉ ra trong hình 1.2 là 9,6 Å, còn khoảng cách của d001 của sét khô
(làm khô ở 70oC) là 12,6 Å [1].

Hình 1.1. Đơn vị cơ bản của tinh thể montmorillonit.[1]

17


Hình 1.2. Cấu trúc 2 :1 của MMT.[1]
1.2.1.3. Tính chất của bentonite
Tính chất trao đổi ion
Đặc trưng cơ bản của bentonite là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt của các
lớp sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp phụ và trao đổi
cation. Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồng hình của các cation. Ví
dụ như khi Si4+ trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+, hoặc Al3+ trong mạng
bát diện bị thay thế bởi Mg2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+..., thì sự thay thế các ion điện tích cao
này bằng các ion điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu
trúc tứ diện và bát diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Đối với bentonite, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa
hai lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết

18


yếu và các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh
hay yếu phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số
lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi
càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán
kính ion của cation trao đổi. Cation có điện tích thấp dễ trao đổi hơn cation có điện tích
cao:
Me+> Me2+> Me3+
Đối với cation cùng điện tích, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng
lớn, có thể sắp xếp theo trật tự sau:

Li+> Na+> K+> Cu2+> Fe2+> Al3+
Tuy nhiên khả năng trao đổi của bentonite chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích
âm bề mặt và điện tích âm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonite gồm bề mặt trong và
bề mặt ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ánh kích thước hạt tinh thể, phụ
thuộc vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì khả
năng trao đổi càng lớn. Khả năng trao đổi ion bề mặt trong phản ánh lượng điện tích
âm trên mạng lưới và khả năng hấp phụ của bentonite. Nó phụ thuộc vào lượng cation
bù trừ trong mạng lưới. Số lượng cation càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung
lượng cation trao đổi dao động từ 80 đến 150 meq/100g. Dung lượng trao đổi anion
dao động từ 15 đến 40 meq/100g. [11]
Sự trao đổi ion của bentonite còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hyđro
trong các nhóm hyđroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu thì ở đỉnh của
các tứ diện SiO 2 hướng ra ngoài của lớp cấu trúc, các nguyên tử oxi được thay thế bởi
các nhóm hiđroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp
và góp phần vào sự cân bằng điện tích. Ngoài ra trong cấu trúc của bentonite còn có

19


các nhóm hiđroxyl khác nằm ở đỉnh các bát diện. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai
đỉnh là nhóm OH còn bốn đỉnh kia là oxi, trong đó nhóm hiđroxyl của liên kết Si – OH
không có khả năng trao đổi hiđro. Nhóm hiđroxyl của liên kết Al – OH có tính axit yếu
nên khả năng trao đổi yếu. Nhóm Si – O –Al có tính trao đổi mạnh nên có tính quyết
định đến trao đổi cation H+.
Nếu biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của bentonite thì dung
lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình :
CEC ( cmol/kg ) = 105ζ/M. [11]
ζ : điện tích tổng cộng của các lớp.
Tính chất trương nở
Khi nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa các

lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trương nở. Mức độ
trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình
của các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi
trường phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả
năng hydrat hóa của các cation trao đổi.
Khi bentonite hấp phụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực
sẽ thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14÷15Å tùy
thuộc vào loại bentonite và lượng nước bị hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d 001 được giải
thích là do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp.
Độ trương nở của bentonite phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp
sét. Ví dụ, ion Na+ với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tích điện âm trên mặt
lớp sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonite Na có khả năng trương nở từ khoảng cách
ban đầu giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trường kiềm bentonite-

20


Na bị hiđrat hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi trường
kiềm, huyền phù bentonite-Na rất bền vững.
Cation Ca2+ liên kết với hai tâm tích điện âm trên hai phiến sét do vậy khi
bentonite-Ca bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ tăng từ 12,1Å đến 17Å.
Điều này hạn chế sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt của bentonite-Ca. Độ trương
nở của bentonite-Ca từ 100 đến 150%, đối với bentonite-Na độ trương nở lớn hơn.
Tính hấp thụ/ hấp phụ
Tính chất hấp thụ/hấp phụ được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc lớp
của chúng. Do bentonite có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp và
bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng lớn đến tính chất hấp phụ của các chất, đặc
trưng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường kính đủ nhỏ
so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta hoạt hóa sao cho có thể
dùng bentonite làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonite

và các chất hấp phụ khác.
Một số tính chất khác
™ Tính kết dính
Bentonite có khả năng kết dính mạnh nên người ta thường sử dụng bentonite làm chất
gắn kết trong công nghiệp và sản xuất.
™ Tính trơ
Bentonite tương đối trơ và bền về mặt hóa học. Vì vậy nó đươc ứng dụng làm
chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc và mỹ phẩm….
™ Tính nhớt và dẻo
Dung dịch sét là một hệ phân tán nhiều cấu tử, trong đó sét đóng vai trò chất phân
tán trong một môi trường phân tán (nước hoặc dầu mỏ). Tác dụng của cấu tử sét có

21


quan hệ chặt chẽ với những đặc tính lý hoá của nó, cũng như bản chất hoá lý của sự
tương tác của sét với môi trường phân tán.
1.2.1.4. Thành phần khoáng vật của bentonite Cổ Định Thanh Hoá
Mỏ sét Cổ Định nằm ở xã Tân Ninh huyện Triệu Sơn. Mỏ sét Cổ Định đã được nghiên
cứu bước đầu trong công trình của Phan Văn Tường, Lương Trọng Đảng [4] và đã
được nhiên cứu một cách hệ thống trong nhiều công trình tiếp theo [8,12]. Sét được
khai thác đồng thời với quặng cromit bằng phương pháp trọng lực, sét là phế thải được
tách ra dưới dạng hạt mịn, qua các máng thải đi vào bể chứa và lắng đọng thành bùn
nhão. Tính trung bình cứ khai thác được một tấn quặng cromit thì thải ra 10 tấn bùn
sét. Theo các công trình nghiên cứu [4,8] sét chứa trong các bể thải có thành phần đồng
nhất, chiếm chủ yếu là khoáng monmorilonit giàu sắt, thành phần hàm lượng cát thạch
anh, gotit không đáng kể.
Những số liệu được trình bày ở bảng 1.1 cho thấy thành phần khoáng vật của
bentonite Cổ Định Thanh Hóa có chlorit 10%, hydromica 10%, montmorillonit 35 44%. Tuy nhiên không chỉ khoáng sét montmorillonit; ngoài ra còn một số khoáng sét
rất có ý nghĩa khác mà trong bentonite ở Cổ Định Thanh Hóa đều chứa một hàm lượng

đáng kể như hydromica (vermiculit) 10%, chlorit 7- 10%.... Ngoài khoáng sét có cấu
trúc lưới tinh thể trong bentonite còn chứa một lượng đáng kể keo sét vô định hình
khác nhất là các hợp chất đa dạng Si, Al, Fe, Mg...
Thành phần khoáng vật của bentonite Cổ Định Thanh Hoá được xác định bằng
phương pháp nhiễu xạ tia rơnghen và nhiệt vi sai.

22