Procédé d'amélioration de la viscosité d'argiles
Les qualités déterminantes que l'on demande à une argile pour répondre à diverses applications industrielles sont essentiellement la viscosité et la rigidité des gels qu'elle permet d'obtenir.
Il en est ainsi en particulier pour la préparation des boues de forage pour la recherche d'hydrocarbures, de gaz naturel, pour la réalisation d'étanchéité, l'agglomération des sables de fonderie. Accessoirement interviennent aussi les propriétés liantes, émulsifiantes, absorbantes, adhésives et gonflantes des argiles utilisées.
En pratique, il n'existe que fort peu de gisements naturels d'argiles possédant les qualités requises. Les plus appropriées sont celles dénommées bentonites sodiques , dont les gisements sont peu nombreux et souvent très éloignés des lieux d'utilisation. On doit donc faire appel à d'autres argiles naturelles à base de bentonites alcalino-terreuses que l'on traite pour les rendre propres aux usages envisagés, les transformant en bentonites sodiques artificielles, par action de sels alcalins comme le carbonate de soude.
Cette transformation, que l'on peut dénommer bentonification, doit être attribuée à l'échange des cations calcium échangeables de l'argile brute par des cations sodium, comme dans la bentonite natu relle. Cette permutation Ca+ : t : Na+ permet de faire passer la viscosité de l'argile de la valeur 60 de l'échelle Stormer à la valeur 130 et même davantage, pouvant atteindre très rarement 200 et 300 (mesurés sur des gels à 5 o/o).
Il est rappelé que la valeur de la viscosité Stormer est une mesure empirique et comparative fournie par le viscosimètre Stormer. Cet appareil se compose d'une petite cuve recevant le gel d'argile à mesurer et dans laquelle tourne un rotor entraîné par des poids variables. La viscosité Stormer est exprimée en grammes par le poids nécessaire pour obtenir 100 tours du rotor en 10 secondes. Elle peut être exprimée en centipoises après étalonnage de l'appareil.
Par gel à 5 o/o sur lequel on procède aux mesures, on entend la suspension de 5 O/o d'argile dans de l'eau, préparée au mixer.
L'amélioration des qualités de l'argile, par bentonification, si elle est appréciable, demeure insuffisante pour répondre aux besoins de la pratique, lesquels exigent parfois des viscosités beaucoup plus élevées, pouvant dépasser la valeur 250 de l'échelle
Stormer, ce qui correspond à environ 80 centipoises.
D'autre part, on a déjà proposé, pour améliorer les qualités des argiles naturelles de les additionner d'oxydes ou hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux et en particulier de magnésie. Mais cette addition, effectuée sur l'argile brute, non bentonifiée, ne donne pas de résultats appréciables et ne fournit pas l'augmentation de la viscosité suffisante pour répondre aux valeurs nécessaires susindiquées.
La présente invention a pour objet un procédé permettant de résoudre ce problème et de fournir, partant de bentonite ou d'argiles naturelles déjà traitées et bentonifiées , d'augmenter encore leur viscosité jusqu'à la valeur désirée et d'améliorer simultanément les autres qualités d'usage industriel.
Ce procédé d'amélioration de la viscosité de bentonites alcalino-terreuses par échange de cations est caractérisé en ce que l'on associe à cet échange de cations, une addition d'oxyde de magnésium en poudre dans la proportion de 0,25 à 3 /o.
L'expérience révèle que l'addition de ces composés à l'argile, dans une proportion de 0,25 à 3 % en poids de celle-ci, de préférence de 0,25 à 1 /o, lui confère une augmentation importante de la viscosité, celle-ci étant facilement portée à 300 g Stormer et pouvant même atteindre les valeurs de 500 et 1000 g Stormer (mesurées sur gels à 5 /o). Le traitement selon l'invention constitue donc une super bentonification de l'argile.
Il est à remarquer que ce traitement avec augmentation de la viscosité améliore d'autres propriétés des argiles comme le gonflement. Par contre, il est sans influence sur le filtrat A.P.I. (boues de forages).
Ces propriétés donnent à l'argile ainsi traitée, en quelque sorte superbentonifiée , des qualités précieuses pour ses utilisations industrielles, pour les boues de forage, l'étanchéité et comme agglomérant de sables de fonderie.
En particulier, la progressivité de l'augmentation de viscosité rend possible le pompage de la suspension au moment où elle vient d'être préparée. Une fois en place, la viscosité augmente jusqu'à présenter l'apparence d'un phénomène de prise. Cette faculté est mise à profit pour les besoins d'étanchéité, entre autres pour le colmatage des trous de forage.
Un mode de mise en oeuvre du procédé consiste à humidifier le mélange d'argile et de ses additions, tant de sels assurant l'échange d'ions que de magnésie, puis à effectuer le boudinage de ce mélange et à le sécher. Cette mise en oeuvre sera illustrée par les exemples ci-après.
Dans ceux-ci sont fournies les valeurs de la rigidité des gels de bentonite (gel 0 et gel 10) de la viscosité Stormer, du gonflement et du filtrat.
La viscosité Stormer a été définie ci-dessus. Le gel 0 est celui que l'on constate immédiatement après une forte agitation. Le gel 10 est celui que l'on observe après un repos de 10 minutes. Les valeurs rapportées ci-après, exprimant la rigidité des gels 0 et 10 sont celles fournies par le viscosimètre Stormer.
La différence entre les valeurs trouvées entre le gel 10 et le gel 0 représente la thixotropie.
Le gonflement représente l'aptitude de l'argile à absorber de l'eau. Il est mesuré par le rapport du volume apparent de l'argile après gonflement dans l'eau au volume initial de l'argile sèche.
Le filtrat, exprimant le pouvoir colmatant d'une argile, se mesure avec un filtre-presse, par exemple du type Baroid. Cet appareil est rempli avec un gel d'argile à 5 o/o par exemple et l'on mesure le volume du filtrat en 30 minutes sous une pression de 7 kg/ cm2.
L'ensemble des mesures rapportées est fait sur des gels à 5 %.
Exemple I
Une bentonite calcique A est traitée simultanément par le CO3Na2 et la magnésie calcinée caustique. Pour cela, l'argile concassée est additionnée de 4 O/o de CO3Na2 + de 0,25 à 1 o/o de MgO en poudre. Le mélange des trois constituants est ensuite humecté avec 10 à 20 % d'eau et passé dans une boudineuse dans laquelle ont lieu simultanément la bentonification et la superbentonification.
Après séchage dans un four-tunnel, le produit est broye au tamis 200.
Dans ce mode opératoire, on constate une augmentation importante de la viscosité et de la rigidité, d'autant plus grande que la quantité de magnésie est plus grande.
Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau suivant.
EMI2.1
<tb>
<SEP> Mesures <SEP> initiales <SEP> I <SEP> Mesures <SEP> après <SEP> 24 <SEP> h
<tb> Gonfle
<SEP> Traitement <SEP> de <SEP> l'argile <SEP> Viscosité <SEP> Filtrat
<tb> ment
<tb> <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> en <SEP> g <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosité
<tb> <SEP> Stormer
<tb> <SEP> Bentonification <SEP> classique <SEP> avec <SEP> 35 <SEP> 130 <SEP> 95 <SEP> 50 <SEP> 130 <SEP> 155 <SEP> 22 <SEP> 14 <SEP> cc
<tb> <SEP> 4 <SEP> /o <SEP> de <SEP> CO3Na2 <SEP>
<tb> <SEP> Mode <SEP> opératoire <SEP> selon <SEP> l'in- <SEP>
<tb> <SEP> vention
<tb> <SEP> Traitement <SEP> simultané <SEP> de <SEP> 1'ar- <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> gile <SEP> par <SEP> le <SEP> CO3Na <SEP> et <SEP> le <SEP> MgO <SEP> I <SEP> i
<tb>
<SEP> 4% <SEP> CO3Na2 <SEP> + <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP> MgO <SEP> 70 <SEP> 190 <SEP> 185 <SEP> 100 <SEP> 190 <SEP> 210
<tb> <SEP> 4% <SEP> d <SEP> + <SEP> 0,75% <SEP> <SEP> 180 <SEP> 220 <SEP> 360 <SEP> 190 <SEP> 210 <SEP> 300
<tb> <SEP> 4% <SEP> d <SEP> + <SEP> 1 <SEP> % <SEP> <SEP> 340 <SEP> 340 <SEP> 500 <SEP> 340 <SEP> 300 <SEP> 500
<tb>
Exemple II
Une bentonite alcalino-terreuse B (cations échangeables Ca-Mg) traitée suivant l'exemple 1 a donné les résultats suivants :
EMI3.1
Mesures <SEP> initiales <SEP> Mesures <SEP> après <SEP> 24 <SEP> h
<tb> Gonfle
<tb> <SEP> Traitement <SEP> de <SEP> l'argile <SEP> Filtrat
<tb> ment
<tb> <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosité <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosité
<tb> <SEP> Bentonification <SEP> classique <SEP> avec
<tb> <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 70 <SEP> 15 <SEP> 40 <SEP> 90 <SEP> 13 <SEP> 16 <SEP> cc
<tb> 4% <SEP> de <SEP> CO3Na2
<tb> <SEP> Mode <SEP> opératoire <SEP> selon <SEP> l'in
<tb> <SEP> vention
<tb> <SEP> 0,25% <SEP> MgO <SEP> 30 <SEP> 50 <SEP> 90 <SEP> 45 <SEP> 60 <SEP> 110 <SEP> 14,5 <SEP> 16 <SEP> cc
<tb> <SEP> 0,35% <SEP> MgO <SEP> 45 <SEP> 80 <SEP> 110 <SEP> 50 <SEP> 90 <SEP> 125 <SEP> 15 <SEP> 16cc
<tb> <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP> MgO <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 135 <SEP> 85 <SEP> 80 <SEP> 180 <SEP> 11,4 <SEP> 17 <SEP> cc
<tb> <SEP> 0,
75% <SEP> MgO <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> 130 <SEP> 80 <SEP> 95 <SEP> 170 <SEP> 10
<tb>
Process for improving the viscosity of clays
The determining qualities that are required of a clay to meet various industrial applications are essentially the viscosity and the rigidity of the gels which it makes it possible to obtain.
This is the case in particular for the preparation of drilling muds for the search for hydrocarbons, for natural gas, for the production of sealing, for the agglomeration of foundry sands. Incidentally, the binding, emulsifying, absorbent, adhesive and swelling properties of the clays used are also involved.
In practice, there are very few natural deposits of clays with the required qualities. The most suitable are those called sodium bentonites, the deposits of which are few in number and often very far from the places of use. We must therefore use other natural clays based on alkaline earth bentonites which are treated to make them suitable for the intended uses, transforming them into artificial sodium bentonites, by the action of alkaline salts such as sodium carbonate.
This transformation, which may be called bentonification, must be attributed to the exchange of exchangeable calcium cations of the raw clay by sodium cations, as in natural bentonite. This permutation Ca +: t: Na + makes it possible to increase the viscosity of the clay from the value 60 on the Stormer scale to the value 130 and even more, which can very rarely reach 200 and 300 (measured on gels at 5 o / o).
It is recalled that the value of the Stormer viscosity is an empirical and comparative measurement provided by the Stormer viscometer. This apparatus consists of a small tank receiving the clay gel to be measured and in which a rotor rotates driven by variable weights. Stormer viscosity is expressed in grams by the weight required to obtain 100 rotations of the rotor in 10 seconds. It can be expressed in centipoise after calibration of the device.
By 5 o / o gel on which the measurements are carried out, is meant the suspension of 5 o / o clay in water, prepared in a mixer.
The improvement of the qualities of the clay, by bentonification, if it is appreciable, remains insufficient to meet the needs of the practice, which sometimes require much higher viscosities, which can exceed the value 250 of the scale
Stormer, which is about 80 centipoise.
On the other hand, it has already been proposed, in order to improve the qualities of natural clays, to add them with alkali metal or alkaline-earth oxides or hydroxides and in particular magnesia. However, this addition, carried out on the raw clay, not bentonified, does not give appreciable results and does not provide the increase in viscosity sufficient to meet the above-mentioned necessary values.
The present invention relates to a process making it possible to solve this problem and to provide, starting with bentonite or natural clays already treated and bentonified, to further increase their viscosity to the desired value and simultaneously improve the other qualities. industrial use.
This process for improving the viscosity of alkaline earth bentonites by cation exchange is characterized in that this cation exchange is associated with an addition of powdered magnesium oxide in the proportion of 0.25 to 3 / o.
Experience shows that the addition of these compounds to clay, in a proportion of 0.25 to 3% by weight thereof, preferably 0.25 to 1 / o, gives it a significant increase in viscosity, which is easily increased to 300 g Stormer and can even reach values of 500 and 1000 g Stormer (measured on gels at 5 / o). The treatment according to the invention therefore constitutes a super bentonification of the clay.
It should be noted that this treatment with increasing viscosity improves other properties of the clays such as swelling. On the other hand, it has no influence on the A.P.I. (drilling sludge).
These properties give to the clay thus treated, in a way superbentonified, valuable qualities for its industrial uses, for drilling muds, waterproofing and as a binder of foundry sands.
In particular, the progressiveness of the increase in viscosity makes it possible to pump the suspension when it has just been prepared. Once in place, the viscosity increases until it presents the appearance of a setting phenomenon. This option is put to good use for sealing needs, among others for plugging boreholes.
One embodiment of the process consists in humidifying the mixture of clay and its additions, both with salts ensuring the exchange of ions and with magnesia, then in carrying out the extrusion of this mixture and in drying it. This implementation will be illustrated by the examples below.
In these are provided the values of the stiffness of the bentonite gels (gel 0 and gel 10), Stormer viscosity, swelling and filtrate.
Stormer viscosity has been defined above. Gel 0 is that which is seen immediately after vigorous stirring. Gel 10 is that which is observed after standing for 10 minutes. The values reported below, expressing the stiffness of gels 0 and 10, are those provided by the Stormer viscometer.
The difference between the values found between gel 10 and gel 0 represents thixotropy.
Swelling represents the clay's ability to absorb water. It is measured by the ratio of the apparent volume of the clay after swelling in water to the initial volume of the dry clay.
The filtrate, expressing the clogging power of a clay, is measured with a filter press, for example of the Baroid type. This apparatus is filled with a 5 o / o clay gel, for example, and the volume of the filtrate is measured in 30 minutes under a pressure of 7 kg / cm2.
All of the reported measurements are made on 5% gels.
Example I
Calcium bentonite A is treated simultaneously with CO3Na2 and calcined caustic magnesia. For this, the crushed clay is added with 4 O / o of CO3Na2 + from 0.25 to 1 o / o of powdered MgO. The mixture of the three constituents is then moistened with 10 to 20% water and passed through an extruder in which the bentonification and the superbentonification take place simultaneously.
After drying in a tunnel oven, the product is ground using a 200 sieve.
In this procedure, there is a significant increase in viscosity and rigidity, the greater the greater the quantity of magnesia.
The results obtained are shown in the following table.
EMI2.1
<tb>
<SEP> Initial <SEP> measurements <SEP> I <SEP> <SEP> measurements after <SEP> 24 <SEP> h
<tb> Inflate
<SEP> Treatment <SEP> of <SEP> clay <SEP> Viscosity <SEP> Filtrate
<tb> lying
<tb> <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> in <SEP> g <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosity
<tb> <SEP> Stormer
<tb> <SEP> Classic bentonification <SEP> <SEP> with <SEP> 35 <SEP> 130 <SEP> 95 <SEP> 50 <SEP> 130 <SEP> 155 <SEP> 22 <SEP> 14 <SEP> CC
<tb> <SEP> 4 <SEP> / o <SEP> of <SEP> CO3Na2 <SEP>
<tb> <SEP> Operating mode <SEP> <SEP> according to <SEP> in- <SEP>
<tb> <SEP> vention
<tb> <SEP> Simultaneous <SEP> processing <SEP> of <SEP> 1'ar- <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> gile <SEP> by <SEP> the <SEP> CO3Na <SEP> and <SEP> the <SEP> MgO <SEP> I <SEP> i
<tb>
<SEP> 4% <SEP> CO3Na2 <SEP> + <SEP> 0.5 <SEP>% <SEP> MgO <SEP> 70 <SEP> 190 <SEP> 185 <SEP> 100 <SEP> 190 <SEP> 210
<tb> <SEP> 4% <SEP> d <SEP> + <SEP> 0.75% <SEP> <SEP> 180 <SEP> 220 <SEP> 360 <SEP> 190 <SEP> 210 <SEP> 300
<tb> <SEP> 4% <SEP> d <SEP> + <SEP> 1 <SEP>% <SEP> <SEP> 340 <SEP> 340 <SEP> 500 <SEP> 340 <SEP> 300 <SEP> 500
<tb>
Example II
An alkaline earth bentonite B (exchangeable cations Ca-Mg) treated according to Example 1 gave the following results:
EMI3.1
Initial <SEP> measurements <SEP> <SEP> measurements after <SEP> 24 <SEP> h
<tb> Inflate
<tb> <SEP> Treatment <SEP> of <SEP> clay <SEP> Filtrate
<tb> lying
<tb> <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosity <SEP> Gel <SEP> 0 <SEP> Gel <SEP> 10 <SEP> Viscosity
<tb> <SEP> Classic <SEP> bentonification <SEP> with
<tb> <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 70 <SEP> 15 <SEP> 40 <SEP> 90 <SEP> 13 <SEP> 16 <SEP> cc
<tb> 4% <SEP> of <SEP> CO3Na2
<tb> <SEP> Operating mode <SEP> <SEP> according to <SEP> in
<tb> <SEP> vention
<tb> <SEP> 0.25% <SEP> MgO <SEP> 30 <SEP> 50 <SEP> 90 <SEP> 45 <SEP> 60 <SEP> 110 <SEP> 14.5 <SEP> 16 <SEP > cc
<tb> <SEP> 0.35% <SEP> MgO <SEP> 45 <SEP> 80 <SEP> 110 <SEP> 50 <SEP> 90 <SEP> 125 <SEP> 15 <SEP> 16cc
<tb> <SEP> 0.5 <SEP>% <SEP> MgO <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 135 <SEP> 85 <SEP> 80 <SEP> 180 <SEP> 11.4 <SEP> 17 <SEP> cc
<tb> <SEP> 0,
75% <SEP> MgO <SEP> 70 <SEP> 110 <SEP> 130 <SEP> 80 <SEP> 95 <SEP> 170 <SEP> 10
<tb>