鉆井級(jí)膨潤(rùn)土質(zhì)量評(píng)價(jià)方法探討

楊新，楊小芳，孟洪文，胡亞楠，張茉楚，李勝男

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 鉆井液質(zhì)量檢驗(yàn)中心（遼寧 盤錦 124010）

膨潤(rùn)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(chǔ)材料廣泛應(yīng)用于石油鉆井行業(yè)，具有增黏、降濾失、提切等作用。據(jù)報(bào)道，鉆井液用膨潤(rùn)土占膨潤(rùn)土總用量的第二位[1-2]。按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》規(guī)定，膨潤(rùn)土分為未處理膨潤(rùn)土、OCMA 膨潤(rùn)土和鉆井級(jí)膨潤(rùn)土[3]。其中，鉆井級(jí)膨潤(rùn)土描述如下，“鉆井級(jí)膨潤(rùn)土是一種含有蒙脫石的天然黏土礦物。它也可能會(huì)含有諸如石英、云母、長(zhǎng)石和方解石這樣的附屬礦物”。王金芬等[4]認(rèn)為，鉆井級(jí)膨潤(rùn)土應(yīng)該是天然的、研磨后的鈉膨潤(rùn)土，無需經(jīng)過任何處理，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》的要求。張建國(guó)[5]、曹治中[6]認(rèn)為，鉆井級(jí)膨潤(rùn)土既可以是改性的，也可以是原生的，不排除使用包括有機(jī)高分子在內(nèi)的化學(xué)劑增效的可能性。由于鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的規(guī)定存在不同的理解，導(dǎo)致目前鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法存在問題。經(jīng)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》檢驗(yàn)合格的鉆井級(jí)膨潤(rùn)土，在鉆井施工過程中被投訴質(zhì)量存在問題，具體表現(xiàn)為鉆井液黏度降低特別快，需要補(bǔ)充大量的膨潤(rùn)土，導(dǎo)致膨潤(rùn)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(yè)深入開展開源節(jié)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(guān)注的焦點(diǎn)。收集不同生產(chǎn)廠家的鉆井級(jí)膨潤(rùn)土，通過實(shí)驗(yàn)研究摸索一套鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的內(nèi)控指標(biāo)及方法，對(duì)加強(qiáng)鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的質(zhì)量控制具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)所用材料與試劑有：1#膨潤(rùn)土、2#膨潤(rùn)土、3#膨潤(rùn)土、4#膨潤(rùn)土、六偏磷酸鈉、亞甲基藍(lán)、硫酸、雙氧水、蒸餾水。

1.2 儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備有：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、中壓失水儀、電子天平、高速攪拌器、滾子加熱爐、生化培養(yǎng)箱、烘箱、電磁爐、溫度計(jì)、秒表、量筒、濾紙。

1.3 樣品配制及測(cè)試

膨潤(rùn)土懸浮液按照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》中的要求進(jìn)行配制，各項(xiàng)性能測(cè)試按GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1部分：水基鉆井液》[11]的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

常見的有機(jī)增效劑為高分子有機(jī)聚合物，在高溫下易發(fā)生分子鏈斷裂而失效。為了確定鉆井級(jí)膨潤(rùn)土是否通過加入有機(jī)增效劑（如聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素等）進(jìn)行改性，分別測(cè)試了常溫和180 ℃熱滾16 h后的膨潤(rùn)土懸浮液的流變性、API濾失量以及亞甲基藍(lán)容量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 鉆井級(jí)膨潤(rùn)土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果（常溫）

表2 鉆井級(jí)膨潤(rùn)土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果（180 ℃/16 h）

在表1 中，常溫下1#、2#、3#樣品懸浮液的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀值R600、R300、塑性黏度、動(dòng)切力、API 失水均高于天然鈉膨潤(rùn)土。4#樣品懸浮液的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀值R600接近天然鈉膨潤(rùn)土，R300、動(dòng)切力、動(dòng)塑比低于天然鈉膨潤(rùn)土，塑性黏度、API失水高于天然鈉膨潤(rùn)土。

在表2中，經(jīng)過180 ℃、16 h老化后，1#、2#、3#樣品懸浮液的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀值R600、R300、動(dòng)切力、動(dòng)塑比均低于天然鈉膨潤(rùn)土，而API 失水遠(yuǎn)高于天然鈉膨潤(rùn)土。4#樣品懸浮液的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀值R600接近天然鈉膨潤(rùn)土，R300、動(dòng)切力、動(dòng)塑比低于天然鈉膨潤(rùn)土，塑性黏度、API失水高于天然鈉膨潤(rùn)土，與常溫下的情況基本保持一致。

2.1 外觀

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，部分現(xiàn)場(chǎng)鉆井液工人通過膨潤(rùn)土的顏色判斷膨潤(rùn)土的質(zhì)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(rùn)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(rùn)土的優(yōu)劣。在實(shí)際鉆井施工過程中，憑外觀判斷膨潤(rùn)土質(zhì)量的優(yōu)劣沒有科學(xué)依據(jù)。

2.2 篩余

按照GB/T 5005—2010 中5.7—5.9 測(cè)量鉆井級(jí)膨潤(rùn)土75 μm篩余的方法，“稱量105 ℃下烘干的膨潤(rùn)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(zhuǎn)移到75 μm 標(biāo)準(zhǔn)篩中，調(diào)整濕篩儀壓力表至69 kPa，使噴嘴位于篩子頂部的平面上，對(duì)準(zhǔn)樣品反復(fù)移動(dòng)水流沖洗2 min，收集篩面上的殘留物，在105 ℃烘干至恒重”。測(cè)量了4 個(gè)樣品的濕篩篩余，結(jié)果均小于4.0%，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)過有機(jī)增效劑改性，黏稠物為有機(jī)高分子。為了進(jìn)一步確定1#樣品篩余物中是否含有有機(jī)增效劑，將1#樣品過75 μm 干篩，得到篩余物，除了細(xì)小的淡黃色粉末外，還摻有白色的顆粒。結(jié)合前面的分析，推斷白色的顆粒可能為有機(jī)增效劑。在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)，隨著固控設(shè)備升級(jí)，振動(dòng)篩的篩網(wǎng)目數(shù)達(dá)到200 目以上（粒徑小于0.074 mm），用有機(jī)增效劑改性后的鉆井級(jí)膨潤(rùn)土配制鉆井液，初始階段鉆井液黏度或許能達(dá)到施工要求，但經(jīng)過幾輪循環(huán)，固控設(shè)備必然要清除一部分膨潤(rùn)土中加入的有機(jī)增效劑而致使鉆井液的黏度降低。因此，質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對(duì)膨潤(rùn)土做質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)濕篩篩余物中有明顯的膠狀網(wǎng)膜或顆粒物，則可判定膨潤(rùn)土的質(zhì)量不合格。

2.3 流變性

按照GB/T 5005—2010 中5.2—5.4 測(cè)量鉆井級(jí)膨潤(rùn)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(rùn)土，11 000 r/min 攪拌速度下攪拌20 min 后，一份在25 ℃下養(yǎng)護(hù)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(shí)，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量600、300、200、100、6、3 r/min 的讀值。各流變性參數(shù)按GB/T 5005—2010中5.4的公式計(jì)算即可。

從表1、表2 可以看出，天然鈉膨潤(rùn)土和1#、2#、3#、4#樣品，常溫下六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)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(yuǎn)大于4#樣品和天然鈉膨潤(rùn)土的讀值；經(jīng)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(rùn)土讀值大幅度增加，分別增加了78%和100%。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是1#、2#、3#樣品中添加了有機(jī)增效劑。在常溫下，有機(jī)增效劑是穩(wěn)定有效的，能夠起到增黏效果，表現(xiàn)為600 r/min 讀值較大；在經(jīng)過180 ℃高溫?zé)釢L后，有機(jī)增效劑改性的膨潤(rùn)土中，有機(jī)增效劑降解（或失效）導(dǎo)致讀值大幅度降低，而天然鈉膨潤(rùn)土因?yàn)楦邷乩匣箴ざ仍黾印Ｒ虼耍瑢?duì)鉆井級(jí)膨潤(rùn)土做質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，當(dāng)高溫老化后的懸浮液600 r/min 讀值低于常溫下測(cè)量值時(shí)，則可判定鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的質(zhì)量不合格。

與天然鈉膨潤(rùn)土和4#樣品相比，常溫下1#、2#、3#樣品3、6 r/min讀值偏大，動(dòng)切力較高；180 ℃高溫?zé)釢L后顯著降低。主要是由于1#、2#、3#樣品不同程度地經(jīng)過有機(jī)增效劑改性，有機(jī)增效劑在常溫下能夠發(fā)揮作用而高溫下失效造成的。因此，對(duì)鉆井級(jí)膨潤(rùn)土做質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，當(dāng)高溫老化后的懸浮液3、6 r/min 讀值和動(dòng)切力低于常溫下測(cè)量值時(shí)，則可判定其質(zhì)量不合格。

2.4 API失水

按照GB/T 5005-2010中5.2—5.4測(cè)量鉆井級(jí)膨潤(rùn)土懸浮液濾失量的方法，將測(cè)量流變性剩下的懸浮液，在11 000 r/min 攪拌1 min 后，調(diào)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(guān)閉減壓閥，在排液口放上25 mL量筒，啟動(dòng)電子秒表的同時(shí)，調(diào)節(jié)減壓閥至壓力690 kPa。當(dāng)時(shí)間到達(dá)7.5 min 時(shí)，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(jié)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(rùn)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(rùn)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(rùn)土技術(shù)指標(biāo)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(jié)合分析結(jié)果，建議膨潤(rùn)土懸浮液API 失水指標(biāo)采取高溫?zé)釢L后濾失量增加率小于等于50%作為判定指標(biāo)比較合適。如果按照此指標(biāo)判定，1#、2#、4#樣品判定結(jié)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(lán)容量

鉆井液的亞甲基藍(lán)容量是用亞甲基藍(lán)測(cè)定法測(cè)量膨潤(rùn)土含量指標(biāo)。按照GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1 部分：水基鉆井液》中10 亞甲基藍(lán)容量的測(cè)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(cè)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(lán)溶液逐次加入到錐形瓶中，搖動(dòng)30 s，用玻璃棒取一滴懸浮液滴在濾紙上；當(dāng)濾紙上已被染色的固體顆粒周圍出現(xiàn)藍(lán)色或綠藍(lán)色環(huán)時(shí)，繼續(xù)搖動(dòng)錐形瓶2 min，再滴一滴于濾紙上，如藍(lán)色環(huán)仍很明顯，則達(dá)到滴定終點(diǎn)，記錄消耗的亞甲基藍(lán)溶液體積。亞甲基藍(lán)容量計(jì)算參考GB/T 16783.1—2014中10.4公式（28）。

檢測(cè)了常溫及180 ℃熱滾16 h后的膨潤(rùn)土懸浮液的亞甲基藍(lán)容量，見表1、表2。數(shù)據(jù)顯示，1#、3#、4#樣品懸浮液在常溫下的亞甲基藍(lán)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(lán)容量都較低。分析可知，1#、3#、4#樣品懸浮液中膨潤(rùn)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(rùn)土質(zhì)量差別較大，4#樣品質(zhì)量較好。2#樣品懸浮液膨潤(rùn)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(zhì)以確保其常溫下的R600、動(dòng)塑比及API 失水符合GB/T 5005—2010 的要求。質(zhì)量合格的鉆井級(jí)膨潤(rùn)土懸浮液亞甲基藍(lán)容量應(yīng)該在一個(gè)合理的范圍，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定。

3 結(jié)論與建議

隨著天然鈉膨潤(rùn)土礦的枯竭，為了滿足GB/T 5005-2010《鉆井液材料規(guī)范》中鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的檢驗(yàn)指標(biāo)要求，膨潤(rùn)土改性變得越來越普遍。因此，GB/T 5005-2010《鉆井液材料規(guī)范》已經(jīng)不能全面、合理地評(píng)價(jià)鉆井級(jí)膨潤(rùn)土的質(zhì)量。提出了通過濕篩殘余物是否出現(xiàn)黏稠的網(wǎng)膜或顆粒來判斷膨潤(rùn)土質(zhì)量的優(yōu)劣。結(jié)合其他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議：①如果鉆井級(jí)膨潤(rùn)土濕篩篩余物中有明顯的黏稠網(wǎng)膜或顆粒物，則判定產(chǎn)品質(zhì)量不合格；②如果鉆井級(jí)膨潤(rùn)土懸浮液經(jīng)過高溫老化（180 ℃/16 h）后的R600、R6、R3和動(dòng)切力中的任何一項(xiàng)低于常溫下的值，則判定產(chǎn)品質(zhì)量不合格；③如果鉆井級(jí)膨潤(rùn)土懸浮液經(jīng)過高溫老化（180 ℃/16 h）后的API 失水增加率大于50%，則判定產(chǎn)品質(zhì)量不合格。