鉆井液試驗用標準土研制與性能評價

卜海，張玉，陳俊峰，陳雷旭，楊俊貞

1.中國石油勘探開發研究院 石油工業標準化研究所（北京 100083）2.中國石油渤海鉆探工程公司 泥漿分公司（天津 300457）

鉆井液試驗用標準土是評價水基鉆井液用化學劑性能的基準物質。其特點是確保性能穩定和基準統一，以保障化學劑質量檢測的準確性和重現性[1]。目前，國內已應用近25 年的鉆井液試驗用標準土——新疆夏子街鈉土面臨資源枯竭、性能不穩定等問題[2]，應用不同礦源不同批次的鉆井液試驗用標準土導致鉆井液性能差別大，標準執行力度低、實驗室間檢測數據重復性差等問題，嚴重影響了集中采購產品質量的有效控制。既不利于鉆井液用處理劑技術標準的規范和應用，也極大地影響了生產現場的安全施工[3]。為有效實施標準、規范鉆井液化學劑質量檢測工作，急需研制及評價新的鉆井液試驗用土，為石油行業鉆井液試驗用標準土提供替代基準物質。

1 鉆井液試驗用標準土應用現狀

有效的行業標準和中石油集團公司企業標準，共20項鉆井液用化學劑標準要求使用SY/T 5490—2016《鉆井液試驗用土》進行基漿配置[4]。19項化學劑包括：鉆井液用磺甲基酚醛樹脂、封堵劑磺化瀝青、降濾失劑水解聚丙烯腈銨鹽、固體潤滑劑、稀釋劑、褐煤樹脂、磺化楮膠、磺化褐煤、液體潤滑劑等，應用現狀見表1。

從表1 可以看出，鉆井液試驗用標準土是鉆井液化學劑評價的基礎，將直接影響化學劑評價中鉆井液的抗溫性、抗污染性、降濾失性、降黏性、流變性等關鍵性能指標。

2 鉆井液試驗用標準土的研制

2.1 礦源的優選

鉆井液試驗用標準土礦源的關鍵性能是穩定性和均質性，并兼顧其生產開發成本[5]。針對國內天然礦物土的主要產區和性能特性，先后對新疆和豐、河北張家口、河北陽原、山東安丘、山東濰坊、遼寧建平、遼寧阜新、天津拓源、天津武清、安徽信陽等地區進行了勘察取樣。對各地樣品進行實驗室性能測試，并與SY/T 5490—2016《鉆井液試驗用土》和GB/T 5005—2010《鉆井液材料規范》對比，數據詳見表2。試驗表明，滿足SY/T 5490—2016 和GB/T 5005—2010 性能要求的礦源包括陽原、武清和宣化3種礦源土。綜合考慮礦源批次流變性能的穩定性、動塑比、中壓（API）失水量、開采成本等，最終優選宣化礦源為鉆井液試驗用標準土。

2.2 生產工藝流程的優選

鉆井液試驗用標準土中試生產的最大技術難點是均質性控制[6]。為保證成品的均質性，生產過程中要嚴格控制甩砂工藝，狹縫太小甩砂不及時，成品含砂量高；狹縫太大則會將優質的膨潤土帶出，使成品率下降[7]。為保證成品的均質性，采取了初步生產加工混拌、異地二次混拌、二次包裝等工藝。

為充分驗證鉆井液試驗用標準土的均質性，在噸袋成品中任意抽取9 個標準土樣品，試驗結果見表3。結果表明，9 個標準土樣品性能穩定，均值性強。常溫時表觀黏度為16.8~19 mPa·s，中壓濾失量為10.4~12.0 mL，表明該標準土的均質性好，抗溫性能穩定，再現性較好，滿足生產要求。

9個標準土的實驗配方：400 mL蒸餾水+0.72 g堿+24 g 土，高速攪20 min，養護24 h。

表2 標準土礦源性能測試及對比分析

表3 標準土均質性實驗數據

3 鉆井液試驗用標準土的性能評價

3.1 黏土礦物組成

隨機選取標準土成品樣品，進行礦物X-射線衍射分析（其中1#為批量產品，2#為室內制樣），如圖1、表4 所示。X 射線檢測結果表明，標準土的化學成分以石英、鉀長石和鈉長石為主，不含對鉆井液性能影響較大的硫酸鈣類成分，且礦源的黏土礦物總量較高（70%以上）。由表5 可知，標準土黏土礦物相對含量蒙脫土含量達99%，純度較高，并且不含干擾成分，較為理想。因此該標準土配制的鉆井液性能穩定，抗溫性好。

圖1 標準土礦物X-射線衍射圖

3.2 流變性能評價

為充分驗證鉆井液試驗用標準土的流變性能，在各類基漿中，與原新疆夏子街標準土進行比對試驗，詳見表6。結果表明，鉆井液試驗用標準土與新疆土實驗比對數據均滿足SY/T 5490—2016，該標準土質量穩定，能夠較好地代替原新疆夏子街標準土。

表4 標準土X-射線衍射分析結果

表5 標準土黏土礦物相對含量

表6 標準土和新疆土檢測結果對比

3.3 抗溫性能評價

標準土主要用于鉆井液添加劑評價實驗的基漿配制，需對其抗溫性能進行評價[8]。將5組標準土樣品分別進行常溫性能測試和150°C 高溫熱滾后性能試驗，結果見表7。結果表明，標準土高溫后增稠效應小，150°C高溫性能穩定。

表7 標準土抗溫性能測試數據

3.4 復配性能評價

鉆井液用降濾失劑水解聚丙烯腈鹽具有良好的抑制性和降濾失性能[9]，同時還具有一定的降黏能力，能夠有效防止井壁坍塌，減少井下復雜情況，應用廣泛[10-11]。因此，以水解聚丙烯腈鹽作為復配處理劑，對鉆井液試驗用標準土適用性能進行評價。

根據Q/SY 1089—2009《鉆井液用降濾失劑水解聚丙烯腈鹽》指標要求，鉆井液試驗用標準土復配后性能數據見表8。結果表明，鉆井液試驗用標準土復配效果良好，能夠滿足水解聚丙烯腈鹽各項測試指標要求，適用性能較好。

表8 銨水解聚丙烯腈鹽復配性能

4 結束語

鉆井液試驗用標準土是有效實施標準、規范鉆井液化學劑質量檢測工作的基礎支撐。通過對國內鉆井液試驗用標準土應用現狀分析，研究了國內主要的天然礦物土礦源性能，優選宣化礦源為鉆井液試驗用標準土的礦源。采取初步生產加工混拌、異地二次混拌、二次包裝的生產工藝，研發生產了性能好、礦源廣、成本低的鉆井液試驗用標準土。

評價了鉆井液試驗用標準土的黏土礦物組成、流變性能、抗溫性能及復配性能。新研發的鉆井液試驗用標準土的黏土礦物總量高達70%以上，且黏土礦物蒙脫土相對含量達99%。具有較好的流變性能和抗溫性能，150°C熱滾后性能與熱滾前保持一致。試驗重現性強，能夠較好地替代原新疆夏子街標準土，為有效規范鉆井液用化學劑領域的產品質量檢測和性能評價提供技術支撐。