膨潤(rùn)土改性及其在鉆井液方面的應(yīng)用

王月超，王騰達(dá)，楊雙春，秦永航，龍文宇（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

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膨潤(rùn)土改性及其在鉆井液方面的應(yīng)用

王月超，王騰達(dá)，楊雙春，秦永航，龍文宇
（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

摘要：膨潤(rùn)土（ Bentonite ），主要成分粘土礦物-蒙脫石，以兩層 Si-O 四面體中夾一層Al-（O，OH）八面體作為構(gòu)造單元構(gòu)成的層狀硅酸鹽礦物。膨潤(rùn)土是調(diào)整鉆井液流變性和濾失性的重要天然礦物材料。通過(guò)改善天然膨潤(rùn)土水化性和吸附性，使得膨潤(rùn)土濾失效果增強(qiáng)，與其他處理劑的協(xié)同能力得到提高，從而顯著改善鉆井液性能。主要介紹了膨潤(rùn)土的有機(jī)改性工藝在鉆井液方面的應(yīng)用，并探究了改性后的膨潤(rùn)土在超深井的高溫高壓條件下的作用效果，以期為相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：膨潤(rùn)土；有機(jī)改性；鉆井液；高溫；高壓

膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主的層狀硅酸鹽礦物，膨潤(rùn)土的有機(jī)改性在膨潤(rùn)土應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛重視，改性后的膨潤(rùn)土的性能優(yōu)良，應(yīng)用前景廣闊，其在鉆井液方面的用量占膨潤(rùn)土總用量的第二位［1］。改性后的膨潤(rùn)土可調(diào)整鉆井液流變性和濾失性能，大大提高鉆井液性能。關(guān)于膨潤(rùn)土改性以及應(yīng)用的研究報(bào)道已有很多，但關(guān)于有機(jī)改性膨潤(rùn)土應(yīng)用于鉆井液的報(bào)道十分稀少［2］。本文介紹了膨潤(rùn)土改性及其在鉆井液方面的應(yīng)用，并探究了高溫高壓對(duì)膨潤(rùn)土性能的影響以及在深井和超深井鉆井液工藝技術(shù)方面對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行進(jìn)一步改性。

1　膨潤(rùn)土改性及增效

膨潤(rùn)土的有機(jī)改性在膨潤(rùn)土應(yīng)用研究領(lǐng)域占有重要地位，改性后的膨潤(rùn)土因其優(yōu)良的性能而具有十分廣闊的應(yīng)用前景，受到眾多學(xué)者的關(guān)注。

目前，已有研究者對(duì)膨潤(rùn)土增效機(jī)理和改性工藝進(jìn)行了深入的研究。何世鳴等［3］分別對(duì)火堿以及純堿與鹽復(fù)合的作用機(jī)理、氧化鎂以及氧化鎂與碳酸鈉共同作用的機(jī)理、有機(jī)高分子聚合物作用的機(jī)理和木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)處理劑的作用機(jī)理四種膨潤(rùn)土改性與增效的方法進(jìn)行了研究，從而為進(jìn)一步研究膨潤(rùn)土改性與增效提供了較好的理論指導(dǎo)。王鴿等人［4］也在膨潤(rùn)土改性在鉆井液方面的應(yīng)用進(jìn)行了探究，他們通過(guò)鈉化改性和加入某種或多種增效劑兩種路徑來(lái)提高膨潤(rùn)土鉆井液指標(biāo)。結(jié)果表明湖北鄂州膨潤(rùn)土用于生產(chǎn)鉆井液的最佳工藝為：鈉化劑NaCO3加入量為 4.0%，水分為 24%，差速對(duì)輥擠壓3次，制得改性成品后加入增效劑苛性鈉1.2%，高分子聚合物1.0%，可得到優(yōu)質(zhì)鉆井液用膨潤(rùn)土?？偟膩?lái)說(shuō)，在一定濃度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出良好的觸變性，在鉆井液中發(fā)揮著重要作用。但有學(xué)者提出改性膨潤(rùn)土添加增效劑時(shí)，對(duì)于層電荷不同的膨潤(rùn)土添加時(shí)間有明顯不同，該問(wèn)題將值得開(kāi)展進(jìn)一步研究。胡繼良等［5］也對(duì)膨潤(rùn)土改性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)用于水基鉆井液的鈉基膨潤(rùn)土開(kāi)展了有機(jī)改性研究，按一定比例將丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AC）倒入NaOH水溶液中，加入一定量過(guò)硫酸鉀作為引發(fā)劑，并攪拌加熱得到聚合物A，取鈉基膨潤(rùn)土和6%的聚合物A混合均勻，進(jìn)過(guò)混煉擠壓，得到有機(jī)改性膨潤(rùn)土。將實(shí)驗(yàn)得到的有機(jī)改性膨潤(rùn)土進(jìn)行鉆井液性能檢測(cè)，結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)改性膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其漿液粘度為5.5 mPa·s，潤(rùn)滑系數(shù)0.13，濾失量為13 mL，性能優(yōu)良，前景可觀。王貴和等人［6］開(kāi)展了磁化膨潤(rùn)土漿流變性實(shí)驗(yàn)的研究，實(shí)驗(yàn)中磁感應(yīng)強(qiáng)度是通過(guò)電磁鐵產(chǎn)生，通過(guò)滑線變阻器調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度達(dá)到改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的，循環(huán)速度由節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)，采用秒表計(jì)時(shí)，以探究不同磁化條件（磁感應(yīng)強(qiáng)度、循環(huán)速度、磁化時(shí)間）對(duì)膨潤(rùn)土漿流變性能的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用單一變量法探究了磁化時(shí)間、磁化強(qiáng)度、循環(huán)速度對(duì)膨潤(rùn)土流變性的影響，最佳降粘切磁化條件∶磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.16 T，磁化時(shí)間為1 h。針對(duì) k 井鉆井液在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)井漏嚴(yán)重、處理井漏復(fù)雜周期長(zhǎng)等問(wèn)題，魏武等人［7］提出了膨潤(rùn)土漿霧化鉆井治漏方案優(yōu)選氣液比，有效地控制了鉆井液的漏失量。霧化鉆進(jìn)期間，出口有氣體返出，液體間斷返出。由于霧化鉆進(jìn)所用鉆井液排量較小，鉆井液每天漏失260 m3左右，相比黏土鉆井漏失量而言，漏失量減少8倍多，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液供應(yīng)要求得以滿足.本井膨潤(rùn)土漿基液霧化鉆井技術(shù)的成功為高效安全鉆采砂質(zhì)黃土層的油井探索出了一條有利途徑。

改性后的膨潤(rùn)土因其在鉆井液中具有較好的攜帶性和流變性，能有效地防止腐蝕，潤(rùn)滑鉆井，同時(shí)它也有可觀的提切、增黏效果，可以作為配制油包水泥漿和優(yōu)良的抗高溫解卡劑的原料，在提高鉆井速度的同時(shí)又使得事故的發(fā)生幾率減少。因此，在鉆井液方面的應(yīng)用頗受研究者關(guān)注。

2　膨潤(rùn)土在抗高溫鉆井液中的研究

隨著，油井深度的增加，對(duì)鉆井液的性能影響也不斷增大，在超深井的高溫高壓條件下，鉆井液中發(fā)生著復(fù)雜的物理以及化學(xué)變化，對(duì)此，膨潤(rùn)土在抗高溫鉆井液中的研究一直是學(xué)者研究重點(diǎn)。

高溫造成鉆井液不穩(wěn)定的根本原因之一是高溫誘發(fā)的黏土顆粒分散。合理、準(zhǔn)確控制高溫超深井水基鉆井液中的基礎(chǔ)材料—膨潤(rùn)土的含量，對(duì)鉆井液性能影響尤為重要，為此黃維安等人［8］依據(jù)GB/T16783-1997 標(biāo)準(zhǔn)，在水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)對(duì)膨潤(rùn)土在鉆井液中的有效含量進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)探究氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鉆井液 pH 值對(duì)膨潤(rùn)土有效含量影響，通過(guò)亞甲基藍(lán)容量法來(lái)測(cè)定鉆井液中膨潤(rùn)土的有效含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，測(cè)試的膨潤(rùn)土含量降低，但降低幅度不大；隨著鉆井液 pH 值升高，測(cè)試的膨潤(rùn)土含量增大，但增加幅度不大。崔明磊等人［9］進(jìn)行了抗高溫白油基鉆井液所用有機(jī)土的研究，將配制質(zhì)量濃度約為12%的膨潤(rùn)土漿，在 65 ℃的條件下，加入分散劑和鈉化劑，開(kāi)展鈉化改性，并提純烘干得到鈉土。選擇一種長(zhǎng)碳鏈的季銨鹽作為有機(jī)覆蓋劑，對(duì)鈉土進(jìn)行有機(jī)改性，得到滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡呐驖?rùn)土。同時(shí)，采用掃描電鏡（ SEM） 、X射線衍射（ XRD）、熱重（TG）分析和紅外光譜（ FTIR）對(duì)自制有機(jī)土進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該有機(jī)土凝膠和增粘提切性能好，可在240 ℃的高溫條件下使用，相對(duì)于國(guó)內(nèi)有機(jī)土性能優(yōu)良，其性能與Canada有機(jī)土相當(dāng)，是一種質(zhì)量較好的鉆井液用白油基有機(jī)土。

在油井深度不斷增加的情況下，對(duì)鉆井液的性能影響也不斷增大，為此劉江華等人［10］在進(jìn)行高密度水基鉆井液的抗高溫作用機(jī)理及流變性能的研究中，分別開(kāi)展了溫度、膨潤(rùn)土含量、pH對(duì)膨潤(rùn)土性能影響的探究。通過(guò)考察老化16 h在不同溫度下進(jìn)行對(duì)膨潤(rùn)土漿的濾失性及流變性的影響，得出隨溫度的升高，膨潤(rùn)土漿的動(dòng)切力先降低后升高，在 180℃附近出現(xiàn)最低值；隨膨潤(rùn)土含量增加，膨潤(rùn)土漿的動(dòng)切力、塑性粘度及表觀粘度均增加，在膨潤(rùn)土含量超過(guò) 4%后，出現(xiàn)較大的增加幅度；膨潤(rùn)土漿老化前的動(dòng)切力和塑性粘度與 pH 值關(guān)系均不大，而膨潤(rùn)土漿老化后塑性粘度在 pH 值增大的情況下，明顯增大，其動(dòng)切力則出現(xiàn)先減少后增大的現(xiàn)象，在 pH=9 時(shí) API 濾失量與動(dòng)切力均達(dá)到最低值。趙紅香等［11］也對(duì)高溫對(duì)鉆井液中膨潤(rùn)土的作用進(jìn)行了探究。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土漿在不同溫度條件下老化16 h，測(cè)試其流變性及濾失量。隨老化溫度的升高，出現(xiàn)膨潤(rùn)土漿高溫聚結(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致塑性粘度及表觀粘度總體變化趨勢(shì)出現(xiàn)先略有減少而后增大的狀況，且濾失性能變差。川東北地區(qū)海相儲(chǔ)層地層濕度高、鹽膏侵嚴(yán)重、壓力梯度大，為此張軍等人［12］開(kāi)展了抗高溫超高密度鉆井完井液的研究，實(shí)驗(yàn)中探究了膨潤(rùn)土限量問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著膨潤(rùn)土含量的增加，鉆井液漏斗黏度、濾失量降低、切力增加，膨潤(rùn)土含量過(guò)高，鉆井液黏度，流動(dòng)性變差、切力增幅大，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)中，超高密度（2.70 g/cm3）鉆井液的膨潤(rùn)土含量為12～20 g/L最佳。

高溫作為對(duì)鉆井液中粘土的作用影響的重要因素，探究高溫對(duì)膨潤(rùn)土性能的影響并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化可有效地改善高溫對(duì)鉆井液性能的影響勢(shì)在必行。但至今為止，鉆井液的抗溫性及其在高溫條件下的流變性、濾失性的調(diào)控，特別是對(duì)于高密度鉆井液流變性的調(diào)控，在深井和超深井鉆井液工藝技術(shù)方面仍有很大的研發(fā)空間，眾多研究者正對(duì)其進(jìn)行深入的探究。

4　結(jié)束語(yǔ)

因鉆井液作為鉆井工程的血液，膨潤(rùn)土為鉆井液重要基礎(chǔ)材料，膨潤(rùn)土改性及其在鉆井液方面的應(yīng)用是目前學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文在膨潤(rùn)土的有機(jī)改性以及在鉆井液方面的重要應(yīng)用進(jìn)行了綜述，筆者建議今后對(duì)于膨潤(rùn)土的改性及在鉆井液方面的應(yīng)用應(yīng)著重于抗高溫高壓的鉆井液的研究，進(jìn)一步研究壓力、溫度對(duì)高密度鉆井液流變性的影響，更深一步探討壓力對(duì)粘度的影響的作用機(jī)理。

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Modification of Bentonite and Its Application in the Drilling Fluid

WANG Yue-chao，WANG Teng-da，YANG Shuang-chun，QIN Yong-hang，LONG Wen-yu
（Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Bentonite，main component of clay minerals - montmorillonite，is the layered silicate mineral with the structural unit of two-layer Si-O Al- （O，OH） eight surface body.Bentonite is an important natural mineral material to adjust the rheological properties and filtration of drilling fluid.By improving the adsorption and hydration of natural bentonite，the filtration effect of bentonite can be enhanced，and the synergistic effect of other treatments can be improved，and the performance of the drilling fluid can be improved significantly.In this paper，organic modification process of bentonite in the drilling fluid was introduced，and application effect of modified bentonite in ultra deep wells with high temperature and high pressure conditions was analyzed.

Key words：Bentonite；Organic modification；Drilling fluid；High temperature；High pressure

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 357

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0073-02

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：201510148015）。

收稿日期：2015-08-07

作者簡(jiǎn)介：王月超（1995-），女，遼寧省丹東市人，研究方向：鉆井液。

通訊作者：楊雙春（1977-），女，副教授，博士，研究方向：油田化學(xué)。