油基鉆井液用有機土標準現(xiàn)狀與探討

駱小虎

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

隨著常規(guī)油氣資源的枯竭，油氣資源的短缺與國內(nèi)需求的矛盾日益突出。頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源進行開發(fā)在美國取得的巨大成功引起了全世界對頁巖氣開發(fā)的關(guān)注。我國頁巖氣資源豐富，預(yù)計到2035 年，頁巖氣產(chǎn)量達到常規(guī)天然氣產(chǎn)量的一半。由于頁巖氣地層易水化坍塌、井壁失穩(wěn)等原因，油基鉆井液的強抑制性、良好潤滑性和高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點使得其成為高效開采頁巖氣的核心技術(shù)之一[1]。

有機土作為油基鉆井液中的基本組成部分，具有增黏、提切、降濾失作用。目前，有機土有4 種制備方法：干法、濕法、預(yù)凝膠法和微波合成法[2]。按照不同的基礎(chǔ)油分為：柴油基有機土、白油基有機土、合成氣質(zhì)油基有機土。按油基鉆井液中含水的比例，分為全油基和油包水體系用有機土。按耐溫性，分為普通有機土和抗高溫有機土。有機土的制備方法的差異、使用條件的限制決定了有機土檢測標準的復(fù)雜性。值得注意的是有機土標準對控制有機土質(zhì)量至關(guān)重要。為此，筆者收集了不同企業(yè)的有機土標準，詳細介紹了檢測項目、檢測方法、技術(shù)指標等，并指出了存在的問題，為有機土標準的制定提供借鑒。

1 標準現(xiàn)狀

油基鉆井液用有機土的性能評價，涉及的檢測項目可分為兩類，一類是理化指標，包括：外觀、水分、篩余、灼燒減量等；另一類是鉆井液性能指標，包括：膠體率、電穩(wěn)定性、常溫下和高溫老化后的表觀黏度、塑性黏度、動切力、直讀式黏度計φ6和φ3讀值、濾失量等。表1 統(tǒng)計了24 個標準中所設(shè)立的檢測項目及其所占比例[3-5]。

表1 油基鉆井液用有機土標準檢測項目統(tǒng)計

1.1 外觀

大多數(shù)標準中，對油基鉆井液用有機土的外觀作了明確的要求。在所收集的24 個標準中，對有機土外觀提出要求的標準占比75%，檢測方法為自然光下目測。譬如，規(guī)定外觀為白色到淡黃色流動粉末、灰色或灰白色粉末、流動性粉末等[6-11]。

1.2 水分

從表1 可知，在24 個收集的油基鉆井液有機土標準中，設(shè)定檢測項目“水分”的標準占比85.7%。水分的檢測方法大致為在105 ℃烘干樣品，根據(jù)烘失量確定水分含量。從表2 可知，水分的技術(shù)指標設(shè)定為“≤10.0%”的標準在24 個收集的標準中占比最高，為29.2%。

表2 檢測項目“水分”指標

1.3 篩余

在24 個收集的油基鉆井液有機土標準中，70.8%的標準中設(shè)定了檢測項目“篩余”。在這些標準中，所用檢測篩余的標準篩孔徑分布為0.075 mm～0.2 mm，篩余指標見表3。其中，將篩余技術(shù)指標設(shè)定為“篩余≤10%（孔徑0.15 mm 標準篩）”的標準在24 個收集的標準中占比最高，為29.2%。

表3 檢測項目“篩余”指標

1.4 灼燒減量

標準Q/ZDSY008—2017《油基鉆井液用有機土ZD-JHA》中，要求“灼燒失重”≥25%。檢測方法是“用恒重的坩堝稱取3 g 試樣，放入高溫爐中逐漸加熱，升至900 ℃恒溫2 h，關(guān)閉電源冷卻至300 ℃時，取出坩堝放入干燥器冷卻后稱重”。在收集的24 個標準中，僅有1 個標準設(shè)定了“灼燒減量”技術(shù)指標，占比4.2%?？梢钥闯?，大多數(shù)標準有機土的灼燒減量這一指標認識并不深刻[12]。

1.5 膠體率

有機土膠體率的檢測方法，大多數(shù)采用0#柴油作為基礎(chǔ)油進行檢測。標準Q/SY 1817—2015《油基鉆井液用有機土技術(shù)規(guī)范》、Q/0305ZLJ 001—2018《油基鉆井液用有機土》、Q/915108246922987249—2017《油基鉆井液造漿用有機膨潤土CNL》、Q/SH 1170 053—2017《油基鉆井液用有機膨潤土》、Q/KJX 12—2019《油基鉆井液用有機土 活化蒙脫石JX-GEL》、Q/KTYC 049—2016《油基鉆井液用增黏劑有機土TYODF-601》、Q/JHK1018—2018《油基鉆井液用有機土MOGEL》中，采用0#柴油加2%有機土配成膠液，靜置90 min 后測量析出的柴油體積，然后利用總體積減去析出柴油體積之差除以總體積，計算得膠體率。企業(yè)標準Q/WNZJ-034—2018《油基鉆井液用提黏劑改性有機土HYOT》、Q/74961404-7.55—2014《油基鉆井液造漿用有機土（HFEL）》、Q/JJH 26—2015《有機土MOGEL》、Q/KOZ-013—2018《鉆井液用有機土改性膨潤土ATO》中，采用0#柴油加3%有機土配成膠液，靜置90 min 后測量析出的柴油體積，然后計算膠體率。企業(yè)標準Q/KTYC 049—2018《油基鉆井液用增黏劑有機土TYODF-601》中，采用0#柴油加3%有機土配成膠液，在150 ℃、16 h熱滾后，靜置90 min 后測量析出的柴油體積，然后計算膠體率[13-26]。

除了采用0#柴油作為基礎(chǔ)油進行有機土膠體率檢測外，也有采用5#白油作為基礎(chǔ)油進行檢測。標準Q/GWDC 0073—2019《白油基鉆井液用有機土GWOGEL（Ⅱ）》中，采用5#白油加5%有機土配成膠液，靜置90 min 后測量析出的白油體積，然后計算膠體率。在配置膠液過程中，還需加入1%激活劑無水乙醇。而王茂功等[27]采用5#白油作基礎(chǔ)油，加2%有機土配成膠液，在沒有加激活劑的條件下，測得常溫下的有機土膠體率84%～100%，150 ℃、16 h熱滾后的膠體率86%～100%。付龍等[28]采用90% 5#白油+10%水來評價加入3%～7%有機土發(fā)現(xiàn)，有機土BT838 膠體率90%以上。舒福昌等[29]采用5#白油作基礎(chǔ)油，加3%有機土配成膠液，測得HMC-4 有機土膠體率72%。王茂功等[30]研究發(fā)現(xiàn)，柴油基有機土在0#柴油中的膠體率與白油基有機土在5#白油中常溫下90 min 膠體率達到99%，120 ℃及以上溫度熱滾后的90 min膠體率100%。然而，柴油基有機土在5#白油中常溫下90 min 膠體率30%，120 ℃熱滾后膠體率73%，150 ℃熱滾后膠體率86%；而白油基有機土在0#柴油中常溫下和高溫?zé)釢L后90 min 膠體率都是100%。崔明磊[31]對比不同有機土在5#白油中的膠體率發(fā)現(xiàn)，不同有機土90 min 膠體率差異較大，在25%～99%之間。由上可知，不同類型的有機土在白油中的膠體率差異較大，大多數(shù)的有機土標準選用柴油來評價有機土的膠體率。

1.6 電穩(wěn)定性

電穩(wěn)定性通常用來評價油基鉆井液體系的乳化效果，破乳電壓值越高，電穩(wěn)定性越強，乳化效果越好。影響油基鉆井液體系乳化效果的主要因素是乳化劑，因此，評價有機土的性能時，大多數(shù)標準中不采納電穩(wěn)定性指標。這一點從表1 中電穩(wěn)定性檢測項目占比4.2%可知。

1.7 流變性

有機土作為一種增黏劑應(yīng)用于油基鉆井液中，已經(jīng)形成了共識。因此，在收集的24 個標準中，對有機土配制的鉆井液的流變性都設(shè)定了技術(shù)要求，主要包括：表觀黏度，占比66.7%；塑性黏度，占比62.5%；動切力，占比66.7%。同時設(shè)定了表觀黏度、塑性黏度和動切力的標準占比54.2%，設(shè)定三者其二的占比16.7%。此外，有一部分標準設(shè)定了技術(shù)指標直讀式黏度計φ6讀值和φ3讀值，占比分別為16.7%和4.2%。

1.8 濾失量

從表1 的統(tǒng)計來看，將中壓濾失量設(shè)定為有機土技術(shù)指標的標準占比25%。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在不添加其他處理劑的情況下，有機土在基礎(chǔ)油中形成的懸浮液的中壓濾失量較大，大部分標準設(shè)定3%樣品形成的基礎(chǔ)油懸浮液的中壓濾失量不大于45 mL[11，21，23，25]。

2 存在的問題

2.1 膠體率評價

王茂功等[30]研究柴油基有機土和白油基有機土在不同基礎(chǔ)油中的性能發(fā)現(xiàn)，白油基有機土在柴油中和白油中都具有良好的成膠率和流變性能，但柴油基有機土在柴油中性能良好，在白油中膠體率較低，流變性差。主要原因是，柴油含有芳烴比例較高（約10%～40%），極性強，而白油中芳烴比例較低（小于0.1%），極性弱。柴油基有機土的插層劑屬季銨鹽類型，容易溶解在極性較強的柴油中，而難溶于極性較弱的白油中，所以表現(xiàn)出不同的結(jié)果。因此，對于不同基礎(chǔ)油，應(yīng)該選用配伍的有機土。

筆者收集了6 種不同生產(chǎn)廠家的有機土，進行了膠體率實驗。實驗方法：在基礎(chǔ)油中邊攪拌邊加入有機土、無水乙醇（部分實驗加），在11 000 r/min高速攪拌10 min，量筒量取100 mL，記錄靜置90 min 后量筒上部析出油的體積，計算膠體率。從表4 可知，有機土在0#柴油中的膠體率明顯高于5#白油中的膠體率。不同的有機土在0#柴油和5#白油中的膠體率的變化基本一致，W2 樣品在0#柴油中的膠體率最高，在5#白油中的膠體率也是最高；W4樣品在0#柴油中的膠體率最低，在5#白油中的膠體率也是最低。然而，當加入極性溶劑無水乙醇后，6 個有機土樣品在5#白油中的膠體率都達到100%。

由此可知，在制定有機土標準的時候，應(yīng)該將有機土按照不同的適用基礎(chǔ)油進行分類。在制定檢測方法時，使用相對應(yīng)的基礎(chǔ)油配制膠液進行測試評價。而目前大多數(shù)有機土標準，不區(qū)分柴油基有機土和白油基有機土，都采用0#柴油評價有機土性能，而實際上由于柴油的生物毒性較白油大，有機土用于白油體系中的情況比較常見，因而導(dǎo)致評價的結(jié)果與現(xiàn)場使用的效果無法統(tǒng)一，標準沒有發(fā)揮監(jiān)測、控制質(zhì)量的作用。甚至有的標準中，在白油中評價有機土?xí)r，要求加入激活劑（極性溶劑甲醇、乙醇等）來評價膠體率，顯然不能區(qū)分有機土質(zhì)量的優(yōu)劣。

表4 有機土膠體率實驗數(shù)據(jù)

2.2 水分的檢測溫度

在有機土的生產(chǎn)過程中，有兩道主要工序。一是鈉土提純鈉化。這是由于大多數(shù)原材料并非鈉基土，而需要通過鈣基土鈉化得到鈉基土。二是有機土插層改性。通過引入插層劑與鈉土進行反應(yīng)。由于以上兩道工序的存在，有機土中必然含有一定的水分，包括層間結(jié)合水、吸附水。其中，吸附水對產(chǎn)品質(zhì)量而言是需要控制的。因此，制定油基鉆井液有機土標準時，應(yīng)該設(shè)定檢測項目水分。從收集的標準來看，大多數(shù)標準設(shè)定水分檢測實驗溫度為105 ℃。然而，在105 ℃下，有機土中的吸附水是不能完全脫除的。從崔明磊[31]的報道可知，170 ℃時有機土中的吸附水基本去除。因此，為了更好地控制有機土質(zhì)量，有機土水分的檢測方法需要修改。

2.3 篩余技術(shù)指標

有機土的篩余體現(xiàn)了有機土的細度，影響其成膠率、利用率和配漿效率。有機土顆粒越細，越容易在油相中分散成膠，配漿效率降低，利用率高；反之，配漿難度大，成膠率低，沉積罐底或從振動篩篩出。從表2 調(diào)查來看，大部分標準中有機土篩余控制不嚴格，“篩余≤5%（孔徑0.075 mm 標準篩）”在24 個收集的標準中僅占比12.5%，將近30%標準沒有設(shè)定篩余檢測項目。相對于水基鉆井液中使用的膨潤土標準（Q/SY 17009-2019）,要求膨潤土“篩余≤2.5%（孔徑0.075 mm標準篩）”[32]，目前有機土的篩余標準有待提高。

2.4 理化性能指標灼燒殘渣

文獻[27-31]研究認為，有機土改性過程中，通過引入表面活性劑插入鈉土的晶層中間，這種表面活性劑也叫“插層劑”。有研究發(fā)現(xiàn)[33]，隨著插層劑用量的增加，層間距增大，能提高有機土的膠體率。原因是有機土的晶層間距越大，有機土越蓬松，易分散。但是，制備有機土?xí)r，加入的插層劑有機陽離子的量應(yīng)該不大于膨潤土的陽離子交換容量（CEC）。加入過量的插層劑，會影響有機土的穩(wěn)定性。Kinjal 等[34]認為，有機土插入季銨鹽類插層劑的數(shù)量在0.60～0.75 mmol/g 范圍內(nèi)。因此，理想條件下，有機土在高溫灼燒過程中，損失的部分除了水分外，主要為插層劑。據(jù)此可知，有機土灼燒減量也應(yīng)具有一個數(shù)值范圍，且與插層劑的分子量大小有關(guān)。因此，灼燒減量的技術(shù)指標應(yīng)該設(shè)定在一定的較小區(qū)間范圍，而不是目前標準中設(shè)定的較大區(qū)間范圍。

2.5 流變性能評價

在泵排量一定的情況下，油基鉆井液切力高有利于攜巖，巖屑床和沉砂卡鉆發(fā)生幾率低。有機土標準中關(guān)于其增黏提切這一核心功能的要求，多以設(shè)置表觀黏度、塑性黏度、動切力下限值的形式呈現(xiàn)。然而，實際情況是，有機土對表觀黏度和塑性黏度的提高程度并非越高越好，同時，現(xiàn)有標準中忽視了對動塑比以及φ6讀值和φ3讀值的要求，或?qū)ζ湟筮^于寬松，而實際上這些指標對有機土核心功能具有舉足輕重的標志性意義，直接影響其現(xiàn)場使用效果。

2.6 濾失量指標的設(shè)定

在評價有機土的性能時，通常將其作為一種增黏劑，主要評價其流變性能，很少關(guān)注其濾失量的大小。對于是否應(yīng)該在標準中設(shè)定有機土的濾失量指標，一直存在爭論。在不添加其它試劑的情況下，有機土在基礎(chǔ)油中形成的懸浮液濾失量很大（部分標準中設(shè)定中壓濾失量≤45 mL），因此失去了參考價值。通常，將有機土放在油基鉆井液體系中進行評價時，要考察濾失量的大小。然而，在制定有機土標準時，由于形成油基鉆井液體系的其它試劑，如乳化劑、潤濕劑、降濾失劑等，屬于非基準物質(zhì)，性能穩(wěn)定性不能保證，所以大部分標準中不設(shè)定濾失量作為有機土的質(zhì)量評價指標。

3 建議

1.有機土標準制修定時，應(yīng)該區(qū)分白油基有機土、柴油基有機土以及合成基有機土，并采取對應(yīng)的基礎(chǔ)油進行評價，同時，其膠體率指標評定方法需要進行改進。

2.依據(jù)文獻中的數(shù)據(jù)，建議有機土理化性能指標“水分”的檢測方法應(yīng)采取180 ℃烘干溫度，而不是105 ℃，水分的技術(shù)指標設(shè)定≤5%。

3.隨著固控設(shè)備升級換代進程的加快，現(xiàn)場振動篩篩布目數(shù)也在整體提升，有機土理化性能指標“篩余”設(shè)定應(yīng)該考慮現(xiàn)場使用情況。如四川頁巖氣三開長水平段油基鉆井液施工過程中，固控設(shè)備振動篩網(wǎng)目數(shù)達到200 目，甚至230 目。因此，參考水基鉆井液中膨潤土的篩余指標，建議將有機土篩余指標與其一致，定為“篩余量（質(zhì)量分數(shù)）≤2.5%（孔徑0.075 mm 標準篩）”，有利于有機土的利用率，同時提高配漿效率。

4.膨潤土插層改性效率可通過灼燒殘渣反映，建議設(shè)定有機土的灼燒殘渣技術(shù)指標，其區(qū)間范圍應(yīng)該通過實驗確定。同時，應(yīng)采取措施區(qū)分“有效”插層劑與“游離”插層劑。

5.在考察有機土的流變性指標時，動塑比及低剪切速率下的切力應(yīng)該引起重視，著重考察旋轉(zhuǎn)黏度計φ6讀值和φ3讀值。

6.有機土對鉆井液濾失造壁性有重要影響，但如何科學(xué)設(shè)定相關(guān)評價指標及方法還需進一步深入探討。