鉆井液用膨潤土評價標(biāo)準(zhǔn)研究

王金芬 ， 耿東士 ， 儀曉玲 ， 馬君涵 ， 江路明 ， 賀麗鵬

（1.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油天然氣股份有限公司油田化學(xué)劑質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100083）

0 引言

膨潤土粉是配制水基鉆井液的重要基礎(chǔ)材料，膨潤土與水可配成各種基漿，再經(jīng)過必要的化學(xué)處理，成為符合鉆井要求的鉆井液。因此膨潤土的質(zhì)量好壞不但影響所配鉆井液性能，而且關(guān)系到所配鉆井液接受化學(xué)處理劑的能力，使用不合格的膨潤土，不但用量大，而且需要用更多的藥劑進(jìn)行處理，極不經(jīng)濟(jì)[1-4]。膨潤土是天然礦物，以蒙脫石為主，有降低濾失量，增加黏度、切力的作用，因其所吸附的陽離子不同而分為鈉膨潤土和鈣膨潤土。鈉膨潤土水化能力較強(qiáng)，造漿率較高，較適合鉆井液使用，鈣膨潤土本身沒有造漿能力，經(jīng)碳酸鈉改性后的鈣膨潤土也可滿足鉆井液需要，但由于鈉膨潤土較少，多使用改性后的鈣膨潤土[5-8]。

膨潤土的產(chǎn)品質(zhì)量檢測執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 5005—2010《 鉆井液材料規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)是修改采用ISO 13500：2008標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)中將膨潤土粉分為了鉆井級膨潤土、未處理膨潤土和OCMA級膨潤土，油田常用的膨潤土為鉆井級膨潤土和OCMA級膨潤土。該標(biāo)準(zhǔn)中分別對鉆井級膨潤土和OCMA級膨潤土做了規(guī)定，即鉆井級膨潤土是含有黏土礦物蒙脫石的天然黏土礦物，可能含有諸如石英、云母、長石和方解石的附屬礦物，OCMA級膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，可通過純堿、聚合物或其他化學(xué)劑處理，以改善其懸浮液性能，也就是說鉆井級膨潤土應(yīng)該是天然的黏土礦物，無需經(jīng)過任何處理，只需通過研磨至所需細(xì)度，其各種指標(biāo)便能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠滿足這一要求的只有鈉膨潤土，而OCMA級膨潤土是經(jīng)過處理了的，已非純黏土礦物。因此可以說鉆井級膨潤土是研磨后的鈉膨潤土，OCMA級膨潤土是改性處理后的鈣膨潤土。本文收集了市場上使用的不同廠家鉆井級膨潤土與OCMA膨潤土，通過測試高溫養(yǎng)護(hù)后懸浮液性能，考察了不同養(yǎng)護(hù)條件下各鉆井級膨潤土、OCMA膨潤土與天然鈉膨潤土粉、鈉化鈣膨潤土粉（經(jīng)6%碳酸鈉鈉化的鈣膨潤土粉）的性能差異，并對鉆井液用膨潤土評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。

1 實驗部分

1.1 主要原料

主要原料與試劑：鉆井級膨潤土樣品，OCMA級膨潤土樣品，天然鈉膨潤土粉，均為工業(yè)品；鈉化鈣膨潤土粉，自制； 蒸餾水，符合GB/T 6682中三級水的規(guī)定；六偏磷酸鈉，無水碳酸鈉，化學(xué)純；鉆井液用濾紙：Whatman 50或等效產(chǎn)品。

1.2 樣品配制

1）鉆井級膨潤土、 OCMA級膨潤土、天然鈉膨潤土粉懸浮液。取2個高攪杯，分別加入350 mL蒸餾水，邊攪拌邊緩緩加入22.5 g（稱準(zhǔn)至 0.01 g）鉆井液用膨潤土，避免其結(jié)成團(tuán)塊，負(fù)載轉(zhuǎn)速11000 r/min±300 r/min 攪拌 20 min，在攪拌過程中停下2次以刮下黏附在器壁上的膨潤土。將高攪杯放入生化培養(yǎng)箱中，在25 ℃±1 ℃下密閉養(yǎng)護(hù)24 h。將其裝入老化罐，充入0.69 MPa的氮氣，放入滾子加熱爐，分別在120 ℃、150 ℃和180 ℃的溫度下熱滾16 h，停止加熱，打開滾子加熱爐門，冷卻30 min，取出室溫下放置30 min，放入冷水中冷卻至室溫。

2）鈉化鈣膨潤土粉懸浮液。取2個高攪杯，分別加入350 mL蒸餾水，邊攪拌邊緩緩加入21.23 g（ 稱準(zhǔn)至0.01 g）鈣膨潤土和1.27 g（稱準(zhǔn)至 0.01 g）無水碳酸鈉，后面的步驟同1）節(jié)。

3） 按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5005—2010 的要求測定各懸浮液的φ600讀值和濾失量。

1.3 樣品測試

將懸浮液轉(zhuǎn)入高攪杯中，負(fù)載轉(zhuǎn)速11000 r/min±300 r/min攪拌 5 min，倒入樣品杯中，測定黏度計φ600的讀值，應(yīng)在每檔轉(zhuǎn)速下達(dá)到穩(wěn)定值后讀數(shù)。測試過的懸浮液，在攪拌杯中高速攪拌1 min，按GB/T 16783.1規(guī)定的測試程序，測試并記錄 0.69 MPa下 7.5～30 min 之間的濾液量。

2 室內(nèi)實驗

為了考察標(biāo)稱為鉆井級膨潤土或OCMA級膨潤土的抗高溫能力，選取了由10個廠家生產(chǎn)的9個鉆井級膨潤土樣品和6個OCMA級膨潤土樣品，同時選取了天然鈉膨潤土粉及鈉化鈣膨潤土粉進(jìn)行測試。測試方法按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29170—2012要求對膨潤土的懸浮液進(jìn)行動態(tài)養(yǎng)護(hù)（通稱為熱滾），冷卻后按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16783.1—2014 要求對 φ600、φ300的讀值及API濾失量進(jìn)行測試。熱滾溫度選擇120、150 和 180 ℃ 3 個點，熱滾時間為 16 h。同時按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010 的要求測定出稱為鉆井級膨潤土或OCMA級膨潤土的指標(biāo)結(jié)果，見表1與表2。

表1 鉆井級膨潤土（1#～9#）的各性能指標(biāo)測定結(jié)果

表2 OCMA級膨潤土（1#～6#）的各性能指標(biāo)測定結(jié)果

2.1 未處理鈉膨潤土粉與鉆井級膨潤土樣品性能比較

天然鈉膨潤土粉和9個鉆井級膨潤土樣品結(jié)果見表1。從表1可以看出：①室溫條件下，天然鈉膨潤土粉與鉆井級膨潤土樣品φ600讀值和濾失量指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010；②經(jīng)過120、150、180 ℃高溫?zé)釢L后，未經(jīng)處理的鈉膨潤土粉黏度計φ600讀值有較大提高，數(shù)值在50～80之間，濾失量提高的幅度較小，最大升高值為2.4 mL；③經(jīng)過三個高溫?zé)釢L后，鉆井級膨潤土樣品黏度計φ600讀值變化不一，有的有較大提高，有的卻出現(xiàn)明顯降低，約66.6%樣品的φ600讀值小于相同條件下天然鈉膨潤土粉讀值；經(jīng)過3個高溫?zé)釢L后，濾失量都有所升高，且濾失量提高的幅度隨熱滾溫度的提高而提高。

2.2 鈉化鈣膨潤土粉與OCMA膨潤土樣品性能比較

由于鈉膨潤土礦的資源非常貧乏，多使用改性后的鈣膨潤土，即用碳酸鈉對鈣膨潤土進(jìn)行鈉化改性，使鈣膨潤土有了較高的造漿率，滿足現(xiàn)場的施工要求。鈣膨潤土粉經(jīng)碳酸鈉處理后的測試結(jié)果和6個OCMA膨潤土樣品的測試結(jié)果見表2。從表2可以看出：①在室溫條件下，鈉化鈣膨潤土粉與OCMA膨潤土樣品的各項指標(biāo)都滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010；②經(jīng)過3個不同溫度的高溫?zé)釢L后，鈣膨潤土粉黏度計φ600讀值都有較大提高，數(shù)值在40以上，濾失量有所提高，180 ℃升高最大值5.5 mL；③經(jīng)過3個高溫?zé)釢L后，OCMA膨潤土樣品的黏度計φ600讀值變化不一，有的提高，有的出現(xiàn)明顯降低，其中：120 ℃熱滾后，6個樣品的黏度計φ600讀值全部小于相同條件下鈉化鈣膨潤土粉的讀值；150 ℃熱滾后，約33.3%樣品φ600讀值小于相同條件下鈉化鈣膨潤土粉的讀值；180℃熱滾后，約83.3%樣品φ600讀值小于相同條件下鈉化鈣膨潤土粉的讀值。經(jīng)過3個高溫?zé)釢L后，濾失量都有所升高，且濾失量提高的幅度隨熱滾溫度的提高而提高。

2.3 實驗結(jié)果分析

從表1、表2結(jié)果來看，品質(zhì)較好的天然鈉膨潤土粉和鈉化鈣膨潤土粉，有很好的抗溫性，經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后黏度不會降低。但實際生產(chǎn)中，一些廠家的鉆井級膨潤土與OCMA膨潤土樣品相比鈉膨潤土粉和鈣膨潤土粉抗溫性明顯降低，這可能是一些生產(chǎn)商使用造漿率低、水化性能差的劣質(zhì)膨潤土礦來加工膨潤土粉，為達(dá)到國標(biāo)GB/T 5005—2010 的要求，在這些劣質(zhì)膨潤土礦中摻入大量不抗溫的聚合物等材料。他們通過調(diào)整聚合物及其他外摻料的加量，生產(chǎn)出鉆井級膨潤土和OCMA級膨潤土，雖然檢測結(jié)果符合鉆井級膨潤土或OCMA級膨潤土的技術(shù)要求，但在其他條件如高溫條件下性能發(fā)生了很大變化[9-14]，具體表現(xiàn)為抗溫能力差，經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后，其黏度出現(xiàn)下降，當(dāng)遇地層溫度較高時高溫鈍化，造成鉆井液的高溫穩(wěn)定性、濾失量等性能難以控制。同時由于外摻料的加入，在現(xiàn)場使用過程中還會出現(xiàn)以下各種問題：①配制鉆井液時，膨潤土粉的用量明顯增加，鉆井液中劣質(zhì)固相增加，嚴(yán)重影響鉆井液流變性能、潤滑性能；②抗污染能力差，鉆井液受鹽、膏污染時，鉆井液性能會急劇惡化，引發(fā)井下復(fù)雜事故發(fā)生；③鉆井液中加入的各種處理劑無法通過與膨潤土發(fā)生作用，使鉆井液長時間保持良好性能，會大幅度提高鉆井各種鉆井液處理劑用量。

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)探討

綜上所述，當(dāng)前用于現(xiàn)場施工的鉆井液膨潤土有了很大變化，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010技術(shù)指標(biāo)來判定膨潤土的質(zhì)量已不適應(yīng)膨潤土質(zhì)量的現(xiàn)狀。還應(yīng)增加其它指標(biāo)如抗高溫性能，通過膨潤土高溫養(yǎng)護(hù)后性能的穩(wěn)定性來甄別膨潤土，以保證現(xiàn)場配制鉆井液使用的膨潤土為性能優(yōu)良的鈣膨潤土。鑒于現(xiàn)有的鉆井液膨潤土都是經(jīng)過改性的，因此懸浮液常溫性能和篩余量可繼續(xù)延用GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》中OCMA級膨潤土的指標(biāo)要求，另外增加高溫養(yǎng)護(hù)后性能用于甄別是否摻有造漿率低、水化性能差的膨潤土礦和不抗溫的聚合物等材料。綜合上文實驗結(jié)果，建議將滿足180 ℃熱滾16 h后的黏度計φ600讀值不小于30.0樣品設(shè)為Ⅰ級，滿足150 ℃熱滾16 h后的黏度計φ600讀值不小于30.0樣品設(shè)為Ⅱ級。考慮到經(jīng)過高溫?zé)釢L后，樣品濾失量都有所提高，建議濾失量都不大于25 mL，見表3。

表3 膨潤土熱滾前后技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)論

1.采用國標(biāo)GB/T 5005—2010 《鉆井液材料規(guī)范》 評價不同廠家鉆井級膨潤土、OCMA膨潤土，各項指標(biāo)，雖然滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，但高溫?zé)釢L后性能差異很大，熱滾溫度越高差異越明顯。

2.天然膨潤土經(jīng)過高溫?zé)釢L后，仍保持較好的性能，但有些廠家的膨潤土高溫?zé)釢L后，性能出現(xiàn)了大幅度降低。

3.現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)判定膨潤土質(zhì)量，還應(yīng)增加其它指標(biāo)如高溫性能，通過膨潤土高溫養(yǎng)護(hù)后性能的穩(wěn)定性，甄別膨潤土。