水基鉆井液用膨潤土加工與應用技術進展

張建國(中國石化集團國際石油勘探開發公司，北京 100029)

水基鉆井液用膨潤土加工與應用技術進展

張建國
(中國石化集團國際石油勘探開發公司，北京 100029)

【摘 要】膨潤土是鉆井液的主要原料，本文對比分析了API標準和國家標準對鉆井液用膨潤土分類標準，概述了鉆井液用膨潤土的最新加工技術，提出了今后鉆井泥漿用膨潤土的發展建議。

【關鍵詞】鉆井液；膨潤土；鈉化；進展；趨勢

1　前言

膨潤土(Bentonite)是一種以蒙脫石為主要礦物的粘土，其次含有伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石、水鋁英石等。蒙脫石是由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體為構造單元組成的2∶1型層狀硅酸鹽礦物，由于其層間發生類質同象取代作用而具有負電性，可以吸附周圍介質中的陽離子(堿金屬離子或堿土金屬離子、有機陽離子、氫離子等)，晶層間被吸附的陽離子可以被其他離子交換。蒙脫石由于層間吸附的陽離子的種類、比例以及水分子數量等的不同使其晶層間的高度有所差異，一般在1.2～1.6nm之間。

蒙脫石在水介質中能分散成膠體狀態，呈單一晶胞方式存在，但大多呈現多層晶胞的聚合狀態(疊層片狀)，由于蒙脫石晶體層面和端面的電性相反，因此在分散體系中晶體薄片一般形成面端型“卡房式”空間結構，從而表現出優良的分散性、懸浮性及粘結性，在一定濃度范圍內，表現出優良的觸變性。在有外加攪拌時，懸濁液表現為流動性很好的溶膠液，停止攪拌后會自行排列成立體網狀結構的凝膠，而不發生沉降和水析離，這種特性特別適于配制鉆井液。

鉆井液是以膨潤土為主要原料，根據膨潤土原礦性質對其進行改性加工并添加增效劑而制得的。鉆井泥漿被公認為油田鉆井的血液，在鉆探過程中可以起到清潔井底并攜帶巖屑、冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱、封閉和穩定井壁、平衡地層壓力、懸浮巖屑和加重劑的作用，在鉆井作業中非常重要。隨著我國石油工業的發展對鉆井液用膨潤土需求量逐年增加，目前國內高品位鉆井液用膨潤土產量遠遠供不應求，膨潤土在石油鉆井方面應用前景廣闊。

因此，膨潤土原礦的質量及其加工技術的好壞直接決定了鉆井泥漿質量的好壞，更影響鉆井進度及鉆井安全。國內外對鉆井泥漿用膨潤土給予了極大地重視，美國石油學會(API)制定的API規范13A第18版[1]和國家標準GB/T5005-2010[2]中對膨潤土的要求給出了明確定義。本文對不同標準進行對比介紹，并分析國內外最新的鉆井泥漿用膨潤土的改性及加工方法。

2　鉆井液用膨潤土分類

2.1 國際通用API標準對鉆井液用膨潤土的分類

目前國際上最為權威的鉆井材料規范是由美國石油協會制定的(API標準)。最新的API標準是在2010年發布的API規范13A第18版，該標準將鉆井液用膨潤土分為3類：Drilling-grade bentonite(鉆井級膨潤土)、Drilling-grade non-treated bentonite clay(鉆井級未處理膨潤土)、OCMA-grade bentonite (OCMA級膨潤土)。API標準中不同產品的質量要求如表1所示。

2.2 國家標準對鉆井液用膨潤土的分類

早在1985年我國就發布了鉆井液用膨潤土行業標準，之后隨著國際上通用標準API標準和OCMA標準的變化我國的鉆井液材料規范幾經修訂，目前國內通用的鉆井液材料規范為國家標準GB/T5005-2010。此標準中，將鉆井液用膨潤土分為3種，即：鉆井級膨潤土、OCMA級膨潤土、未處理膨潤土。國家標準中不同產品的質量要求如表2所示。

表1　API標準中不同產品的質量要求

表2　國家標準中不同產品的質量要求

2.3 不同標準的比較

對兩個標準進行對比可以看出：

(1) 國標在對鉆井泥漿用膨潤土的分類上與API標準完全一致，均分為鉆井級膨潤土、未處理膨潤土和OCMA膨潤土。

(2) 不同產品的指標要求看似稍有差異，實則相同。主要體現在API標準中采用的一項評價指標為屈服值/塑性粘度，國標中對應的指標為動塑比，前者為后者的2倍。這種差異是由計算方法的差異所引起的，在計算動塑比時采用的是動切力/塑性粘度，而動切力的值為屈服值的一半，因此產品的指標要求相同。

(3) 三種產品的定義不同，其要求之間差異較大。鉆井級膨潤土是一種含有粘土礦物蒙脫石的天然粘土礦物，也可含有石英、云母、長石和方解石等。鉆井級未處理膨潤土[3]是一種經干燥和粉碎、但未經化學處理的產品，主要含有粘土礦物蒙脫石，以及石英、云母、長石和方解石等。OCMA級膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土，天然產出者無法滿足鉆井級膨潤土的全部指標，需經過純堿、聚合物或者其他化學劑處理，以改善其懸浮液性能。從定義中可知：鉆井級膨潤土既可以是改性的，又可以是原生的；OCMA級膨潤土完全是經過改性的；而未處理膨潤土則是未經過任何化學處理的。鉆井級膨潤土沒有排除使用包括有機高分子在內的化學劑增效的可能性，而OCMA級膨潤土則明確表明允許使用化學劑進行增效。

3　鉆井液用膨潤土加工應用技術進展

由于我國天然膨潤土資源以鈣基膨潤土為主，鈉基膨潤土資源有限。鈣基膨潤土和鈉基膨潤土由于其層間離子的不同，在性能表現上存在極大的差異，鈣基膨潤土在吸水性能、膨脹性能、造漿性能、觸變性等方面均遠遠差于鈉基膨潤土。因此，鈣基膨潤土原礦基本無法滿足鉆井液用膨潤土的要求，必須經過改性加工。部分天然鈉基膨潤土原礦可以滿足鉆井液用膨潤土要求，但為達到更高級別產品有時也需要進行改性和再加工。鈉化改性和添加無機、有機增效劑是我國鉆井液用膨潤土常用的加工方法，而改性劑種類、改性劑用量、增效劑種類、增效劑用量以及改性設備及工藝直接決定了改性效果的好壞。

鉆井液用膨潤土鈉化改型方法主要有：

(1) 干法改性。干法改性適用于原礦性能優良的膨潤土改性，如新疆夏子街天然鈉基膨潤土、吉林劉房子天然鈉基膨潤土。該方法是將改性劑、增效劑在原礦晾曬的過程中預先混入原礦中，再采用雷蒙磨磨粉得出產品，從而制備出鉆井液用膨潤土。該方法優點是產量大。

(2) 半干法改性。半干法改性方法又可以分為堆場鈉化法、輪碾鈉化法、雙螺旋鈉化法、阻流擠壓鈉化法等，適用于鈣基膨潤土的改性。堆場鈉化法是控制原礦含水量在30%左右，同時將改性劑、增效劑均勻撒到膨潤土原礦中，通過不斷翻動攪拌，陳化10d后干燥磨粉制成成品，該方法存在鈉化不均勻的問題。擠壓法通過機械提供強烈的擠壓力、剪切力等作用，同時溫度升高也加速了鈉化反應，鈉化反應較為充分。生產鈉基土也可擠壓法和陳化法結合。原礦破碎后經兩次擠壓，陳化10d再擠壓一次，其產品性能較單獨采用對輥擠壓法和陳化法都要高。

(3) 濕法改性。濕法改性一般不用于插層、助撐等高檔鉆井液用膨潤土的改性，該方法適用于對產品鈉化程度和指標要求較高的產品生產。

(4) 改性劑和增效劑的選擇。目前，常用的改性劑有碳酸鈉、氫氧化鈉、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、氟化鈉等，其中碳酸鈉因價格低、容易得到而受到親睞。常用的無機增效劑包括氧化鎂、氧化鈣、氧化鉀等，有機增效劑包括：聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纖維素(CMC)、丙烯酰胺(AM)。

陳廷臻等[4]對河南信陽上天梯膨潤土進行改性生產鉆井液用膨潤土，通過試驗研究發現，將礦石加工到-80目，加堿量為6%～7%，擠壓5次，鈉化效果最佳，產品指標達到API級膨潤土要求，并指出4個影響鈉化性能的重要因素：①必須選擇蒙脫石含量高、層電荷較低的優質礦石；②鈉化過程中膨潤土受到足夠的擠壓應力；③必須確保鈉化中加堿量的優化與穩定；④必須保證鈉化時水質良好(硬度低)。

戴長華[5]采用5%的碳酸鈉加0.05%的有機增效劑(RH)的條件下，采用干法工藝生產的泥漿土，具有優良的分散性和膨脹性、高造漿率、低失水量及優良的膠體性能和剪切稀釋能力。各項指標完全達到或優于國際通用的美國API標準。該方法改進了目前人工鈉基土生產要求原料含水量高、陳化時間長或需擠壓的缺點，具有工時短、操作簡單、投資少、低成本、生產量大、產品性能優良等特點。

曹耀華等[7]以河南某鈣基膨潤土礦為原料，以碳酸鈉為改性劑，采用半干法對輥擠壓的鈉化改性方法制備了鈉基膨潤土。結果表明：在碳酸鈉用量為3%、擠壓3次、加水量為17.5%、原料粒度20目時可制備出膨脹倍和膠質價均較高的產品,產品泥漿性能符合GB /T5005-2001鉆井液用膨潤土的指標要求。

蔣莉等[8]針對目前油田現場所用天然膨潤土的缺點，利用丙烯酰胺(AM)及其衍生物對天然膨潤土進行插層，制成了納米膨潤土復合體，深入研究了其在鉆井液中的性能。研究結果表明，不同種類的膨潤土、丙烯酰胺及其衍生物對膨潤土進行插層制備的納米膨潤土復合體的結構、性能是不同的，與普通膨潤土相比，納米膨潤土復合體不僅具有良好的熱穩定性能和抗污染能力，還具有比表面積大、吸附能力強、凝聚作用大和特定的表面反應能力等獨特的性質。

胡繼良等[9]以過硫酸鉀為引發劑，通過水溶液聚合法制得了丙烯酸和丙烯酰胺的聚合物A。用聚合物A作為有機改性劑，采用混煉擠壓法制備得到樣品。用X-射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)等方法對其結構形貌進行研究，研究表明，其晶面間距由原來的1.269nm增大到1.322nm，有機基團進入層間，并且仍保持層狀結構，成功制備出有機改性膨潤土，有機基團進入膨潤土的層間結構或與膨潤土產生了鍵合接枝作用。用有機改性膨潤土配制鉆井液，當其質量分數為4%時，漿液的粘度為5.5mPa·s、濾失量為13mL、潤滑系數為0.13。與普通鈉基膨潤土鉆井液相比，有機改性膨潤土鉆井液的濾失量和潤滑系數均有較大幅度降低，并且改善了鉆井液的流變性。

鐵麗云等[10]采用湖南臨澧低蒙脫石含量(約40%)的膨潤土，通過采用如下鈉化改性工藝流程：粘土原礦→破碎→復合添加劑→鈉化改性處理→烘干→磨細→產品。試驗結果表明，利用純堿、活性氧化鎂、天然有機高分子化合物與合成有機高分子聚合物按合適的配比組成的復合添加劑，對臨澧的低蒙脫石含量的膨潤土進行改性處理。由于不同添加劑具有互補與協同作用，能使該類膨潤土的分散性與流變學性能有很大提高與改善，使泥漿粘度Φ600≥30，動塑比YP/PV ≤3.0，濾失量≤16.0mL。使粘土的造漿性能達到國際標準ISO13500∶2008的要求，成為一種優質鉆井級泥漿用土。

4　結語

我國膨潤土資源豐富，由于其出色的性能在鉆井泥漿領域得到了廣泛的應用。但目前我國市場上供應的水基鉆井液用膨潤土基本上以OCMA級膨潤土為主，未處理膨潤土幾乎沒有，能夠達到鉆井級膨潤土的產品不多，大量的鉆井級膨潤土還需要依賴進口，其生產加工技術遠遠落后于發達國家。因此，筆者對水基鉆井液用膨潤土的發展提出幾點建議：①膨潤土生產企業應加強科研投入，不斷提升產品質量，以滿足我國不斷發展的鉆探行業對優質材料的需求；②尋求優質資源，不斷增加對鉆井泥漿級和未處理膨潤土的研究和生產，替代進口產品，填補國內產品空白。隨著技術的不斷發展，我國豐富的膨潤土資源應用領域和市場占有率將不斷提高，具有廣闊的發展前景。

【參考文獻】

[1]American Petroleum Institute. ANSI/API SPECIFICATION 13A specification for drilling fluids materials[S]. API Publications, 2010.

[2]中國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T5005-2010 鉆井液材料規范[S].北京:中國標準出版社,2010.

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[11]邵殿信.膨潤土礦作API鉆井液的試驗研究[J].礦產保護與利用,1995(5):21-22.

【開發利用】

Technical Progress on Bentonite Process and Application for Water-base Drilling Mud

ZHANG Jian-guo
(SINOPEC International Petroleum Exploration & Production Corporation, Beijing 100029, China)

Abstract:In this paper, the API and Chinese national classification standards of bentonite for drilling mud have been compared and analyzed, the newest technology on bentonite progress for water-base drilling have been generalized. At the same time, suggestions for transformation and escalation of Chinese bentonite industry have been outlined.

Key words:drilling mud; bentonite; sodium treatment; achievement; trend

【收稿日期】2014-09-25

【文章編號】1007-9386(2015)01-0003-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】P619.252；TE254