鉆井級膨潤土質量評價方法探討

楊新，楊小芳，孟洪文，胡亞楠，張茉楚，李勝男

中國石油集團長城鉆探工程有限公司 鉆井液質量檢驗中心（遼寧 盤錦 124010）

膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，作為配置鉆井液的基礎材料廣泛應用于石油鉆井行業，具有增黏、降濾失、提切等作用。據報道，鉆井液用膨潤土占膨潤土總用量的第二位[1-2]。按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規范》規定，膨潤土分為未處理膨潤土、OCMA 膨潤土和鉆井級膨潤土[3]。其中，鉆井級膨潤土描述如下，“鉆井級膨潤土是一種含有蒙脫石的天然黏土礦物。它也可能會含有諸如石英、云母、長石和方解石這樣的附屬礦物”。王金芬等[4]認為，鉆井級膨潤土應該是天然的、研磨后的鈉膨潤土，無需經過任何處理，其各項指標均能滿足GB/T 5005—2010《鉆井液材料規范》的要求。張建國[5]、曹治中[6]認為，鉆井級膨潤土既可以是改性的，也可以是原生的，不排除使用包括有機高分子在內的化學劑增效的可能性。由于鉆井級膨潤土的規定存在不同的理解，導致目前鉆井級膨潤土的質量評價指標及方法存在問題。經檢驗檢測機構按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規范》檢驗合格的鉆井級膨潤土，在鉆井施工過程中被投訴質量存在問題，具體表現為鉆井液黏度降低特別快，需要補充大量的膨潤土，導致膨潤土使用量大，鉆井液有害固相增加，使用處理劑量增加，鉆井液成本增加[7-10]。

在石油行業深入開展開源節流、降本增效的背景下，鉆井過程中如何降低鉆井液成本成為關注的焦點。收集不同生產廠家的鉆井級膨潤土，通過實驗研究摸索一套鉆井級膨潤土的內控指標及方法，對加強鉆井級膨潤土的質量控制具有一定的參考價值。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

實驗所用材料與試劑有：1#膨潤土、2#膨潤土、3#膨潤土、4#膨潤土、六偏磷酸鈉、亞甲基藍、硫酸、雙氧水、蒸餾水。

1.2 儀器設備

實驗所用的儀器設備有：六速旋轉黏度計、中壓失水儀、電子天平、高速攪拌器、滾子加熱爐、生化培養箱、烘箱、電磁爐、溫度計、秒表、量筒、濾紙。

1.3 樣品配制及測試

膨潤土懸浮液按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規范》中的要求進行配制，各項性能測試按GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》[11]的規定進行測試。

2 實驗與分析

常見的有機增效劑為高分子有機聚合物，在高溫下易發生分子鏈斷裂而失效。為了確定鉆井級膨潤土是否通過加入有機增效劑（如聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素等）進行改性，分別測試了常溫和180 ℃熱滾16 h后的膨潤土懸浮液的流變性、API濾失量以及亞甲基藍容量，實驗數據見表1、表2。

表1 鉆井級膨潤土性能指標檢測結果（常溫）

表2 鉆井級膨潤土性能指標檢測結果（180 ℃/16 h）

在表1 中，常溫下1#、2#、3#樣品懸浮液的六速旋轉黏度計讀值R600、R300、塑性黏度、動切力、API 失水均高于天然鈉膨潤土。4#樣品懸浮液的六速旋轉黏度計讀值R600接近天然鈉膨潤土，R300、動切力、動塑比低于天然鈉膨潤土，塑性黏度、API失水高于天然鈉膨潤土。

在表2中，經過180 ℃、16 h老化后，1#、2#、3#樣品懸浮液的六速旋轉黏度計讀值R600、R300、動切力、動塑比均低于天然鈉膨潤土，而API 失水遠高于天然鈉膨潤土。4#樣品懸浮液的六速旋轉黏度計讀值R600接近天然鈉膨潤土，R300、動切力、動塑比低于天然鈉膨潤土，塑性黏度、API失水高于天然鈉膨潤土，與常溫下的情況基本保持一致。

2.1 外觀

通過現場調研得知，部分現場鉆井液工人通過膨潤土的顏色判斷膨潤土的質量好壞。在自然光下，通過肉眼觀察樣品1#、2#、3#、4#顏色各不相同。膨潤土一般為白色、淺黃色，因含鐵量變化又呈淺灰、淺綠、粉紅、褐紅、磚紅、灰黑色等。因此，從外觀上無法判斷膨潤土的優劣。在實際鉆井施工過程中，憑外觀判斷膨潤土質量的優劣沒有科學依據。

2.2 篩余

按照GB/T 5005—2010 中5.7—5.9 測量鉆井級膨潤土75 μm篩余的方法，“稱量105 ℃下烘干的膨潤土10 g，邊攪拌邊加入到含有0.2 g六偏磷酸鈉的350 mL水中，11 000 r/min攪拌速度下攪拌30 min后全部轉移到75 μm 標準篩中，調整濕篩儀壓力表至69 kPa，使噴嘴位于篩子頂部的平面上，對準樣品反復移動水流沖洗2 min，收集篩面上的殘留物，在105 ℃烘干至恒重”。測量了4 個樣品的濕篩篩余，結果均小于4.0%，符合標準的要求。在實驗中發現1#、2#、3#樣品過篩后，在篩面上均粘有黏稠的膠狀物；4#樣品沒有。收集1#、4#樣品篩余物，并在105 ℃下烘干發現，1#樣品篩余物烘干后，有一層白色的膜，而4#樣品烘干后得到的是固體顆粒。初步推斷，1#樣品經過有機增效劑改性，黏稠物為有機高分子。為了進一步確定1#樣品篩余物中是否含有有機增效劑，將1#樣品過75 μm 干篩，得到篩余物，除了細小的淡黃色粉末外，還摻有白色的顆粒。結合前面的分析，推斷白色的顆粒可能為有機增效劑。在鉆井施工現場，隨著固控設備升級，振動篩的篩網目數達到200 目以上（粒徑小于0.074 mm），用有機增效劑改性后的鉆井級膨潤土配制鉆井液，初始階段鉆井液黏度或許能達到施工要求，但經過幾輪循環，固控設備必然要清除一部分膨潤土中加入的有機增效劑而致使鉆井液的黏度降低。因此，質檢機構對膨潤土做質量檢驗時，如果發現濕篩篩余物中有明顯的膠狀網膜或顆粒物，則可判定膨潤土的質量不合格。

2.3 流變性

按照GB/T 5005—2010 中5.2—5.4 測量鉆井級膨潤土懸浮液流變性的方法，邊攪拌邊在350 mL去離子水中加入22.5 g 膨潤土，11 000 r/min 攪拌速度下攪拌20 min 后，一份在25 ℃下養護16 h；另一份在滾子加熱爐中180 ℃熱滾16 h。在11 000 r/min攪拌5 min，在懸浮液溫度25 ℃時，用六速旋轉黏度計測量600、300、200、100、6、3 r/min 的讀值。各流變性參數按GB/T 5005—2010中5.4的公式計算即可。

從表1、表2 可以看出，天然鈉膨潤土和1#、2#、3#、4#樣品，常溫下六速旋轉黏度計600 r/min 讀值R600都大于30 mPa.s，滿足GB/T 5005—2010的要求，且1#、2#、3#樣品600 r/min 讀值遠大于4#樣品和天然鈉膨潤土的讀值；經過180 ℃、16 h 熱滾后，1#、2#、3#樣品600 r/min 讀值大幅度降低，分別降低了69%、25%和43%，4#樣品和天然鈉膨潤土讀值大幅度增加，分別增加了78%和100%。

出現這種現象的原因可能是1#、2#、3#樣品中添加了有機增效劑。在常溫下，有機增效劑是穩定有效的，能夠起到增黏效果，表現為600 r/min 讀值較大；在經過180 ℃高溫熱滾后，有機增效劑改性的膨潤土中，有機增效劑降解（或失效）導致讀值大幅度降低，而天然鈉膨潤土因為高溫老化后黏度增加。因此，對鉆井級膨潤土做質量評價時，當高溫老化后的懸浮液600 r/min 讀值低于常溫下測量值時，則可判定鉆井級膨潤土的質量不合格。

與天然鈉膨潤土和4#樣品相比，常溫下1#、2#、3#樣品3、6 r/min讀值偏大，動切力較高；180 ℃高溫熱滾后顯著降低。主要是由于1#、2#、3#樣品不同程度地經過有機增效劑改性，有機增效劑在常溫下能夠發揮作用而高溫下失效造成的。因此，對鉆井級膨潤土做質量評價時，當高溫老化后的懸浮液3、6 r/min 讀值和動切力低于常溫下測量值時，則可判定其質量不合格。

2.4 API失水

按照GB/T 5005-2010中5.2—5.4測量鉆井級膨潤土懸浮液濾失量的方法，將測量流變性剩下的懸浮液，在11 000 r/min 攪拌1 min 后，調整溫度至25 ℃倒入中壓失水儀樣品杯中刻度線處，組裝樣品杯安裝在支架上，關閉減壓閥，在排液口放上25 mL量筒，啟動電子秒表的同時，調節減壓閥至壓力690 kPa。當時間到達7.5 min 時，移走量筒并除去黏附在排液口的所有液體，換上另一只干燥潔凈的量筒收集液體至電子秒表到30 min 結束，讀取收集的液體的體積VC，懸浮液濾失量為2VC。

從表1、表2 可以看出，高溫老化后的膨潤土懸浮液的濾失量較常溫下的值有不同程度的增加，其中天然鈉膨潤土懸浮液濾失量增加了21%，1#樣品增加了57%，2#樣品增加了89%，3#樣品增加了30%，4#樣品增加了41%。如果按照王金芬等[4]制定的膨潤土技術指標中熱滾后的濾失量小于25 mL為合格，除了2#樣品外，其他樣品均合格。結合分析結果，建議膨潤土懸浮液API 失水指標采取高溫熱滾后濾失量增加率小于等于50%作為判定指標比較合適。如果按照此指標判定，1#、2#、4#樣品判定結果，與前面分析的完全一致，即1#、2#樣品不合格，4#樣品合格。

2.5 亞甲基藍容量

鉆井液的亞甲基藍容量是用亞甲基藍測定法測量膨潤土含量指標。按照GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1 部分：水基鉆井液》中10 亞甲基藍容量的測試方法，用注射器向已加有10 mL水的錐形瓶中加入2.0 mL測量流變性的懸浮液，搖晃錐形瓶；再加入15 mL 3%過氧化氫溶液和0.5 mL 2.5 mol/L稀硫酸，緩慢煮沸10 min，不要蒸干，加水稀釋至50 mL；以每次0.5 mL的量將亞甲基藍溶液逐次加入到錐形瓶中，搖動30 s，用玻璃棒取一滴懸浮液滴在濾紙上；當濾紙上已被染色的固體顆粒周圍出現藍色或綠藍色環時，繼續搖動錐形瓶2 min，再滴一滴于濾紙上，如藍色環仍很明顯，則達到滴定終點，記錄消耗的亞甲基藍溶液體積。亞甲基藍容量計算參考GB/T 16783.1—2014中10.4公式（28）。

檢測了常溫及180 ℃熱滾16 h后的膨潤土懸浮液的亞甲基藍容量，見表1、表2。數據顯示，1#、3#、4#樣品懸浮液在常溫下的亞甲基藍容量比較接近，180 ℃熱滾16 h后都略有增加；相比較，2#樣品熱滾前后的亞甲基藍容量都較低。分析可知，1#、3#、4#樣品懸浮液中膨潤土含量比較接近，但流變性（常溫及180 ℃熱滾后）差別較大，表明這3種樣品的膨潤土質量差別較大，4#樣品質量較好。2#樣品懸浮液膨潤土含量明顯低于其他樣品，推斷其中添加了較多的其他物質以確保其常溫下的R600、動塑比及API 失水符合GB/T 5005—2010 的要求。質量合格的鉆井級膨潤土懸浮液亞甲基藍容量應該在一個合理的范圍，需要通過實驗進一步確定。

3 結論與建議

隨著天然鈉膨潤土礦的枯竭，為了滿足GB/T 5005-2010《鉆井液材料規范》中鉆井級膨潤土的檢驗指標要求，膨潤土改性變得越來越普遍。因此，GB/T 5005-2010《鉆井液材料規范》已經不能全面、合理地評價鉆井級膨潤土的質量。提出了通過濕篩殘余物是否出現黏稠的網膜或顆粒來判斷膨潤土質量的優劣。結合其他的實驗結果，建議：①如果鉆井級膨潤土濕篩篩余物中有明顯的黏稠網膜或顆粒物，則判定產品質量不合格；②如果鉆井級膨潤土懸浮液經過高溫老化（180 ℃/16 h）后的R600、R6、R3和動切力中的任何一項低于常溫下的值，則判定產品質量不合格；③如果鉆井級膨潤土懸浮液經過高溫老化（180 ℃/16 h）后的API 失水增加率大于50%，則判定產品質量不合格。