幾種常用鉆井液材料標準探討

楊新

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）

0 引言

美國石油協會2019年發布了新的鉆井液材料標準APISPECIFICATION 13A：2019。按照慣例，鉆井液材料的國際標準版本ISO 13500：2008(E)也會跟隨API標準進行重新修訂，國家標準GB/T 5005—2010跟隨ISO標準進行修訂[1-3]。通過對APISPECIFICATION 13A：2019的研究發現，幾種常用的鉆井液處理劑標準難以滿足國內實際的需要，比如重晶石粉標準，APISPECIFICATION 13A：2019中仍然沒有對其進行分級，顯然國內不同地區的需求是不同的，高密度鉆井液施工區域需要密度4.30 g/cm3的重晶石粉，由于沒有相應的標準，給物資采購和質量檢驗帶來困擾。此外，一些常用鉆井液材料的檢測項目設置不能確保其質量，比如鉆井級膨潤土。國內由于鈉膨潤土礦的資源枯竭，大多數鉆井級膨潤土采用鈣基膨潤土鈉化工藝進行處理，為了滿足標準要求，甚至需要加入大分子聚合物。由于加入的大分子聚合物性能差別較大，質量參差不齊，按照目前的鉆井級膨潤土標準檢驗合格的產品，在現場施工過程中，部分產品由于抗溫性能差而導致鉆井液流變性能變差的現象時有發生。另外，聚陰離子纖維素的檢測項目中缺少純度和取代度，難以滿足不同客戶的需求。抗高溫淀粉的推出，淀粉檢測項目中缺少抗高溫指標，不利于產品的推廣應用，制約了新技術的應用。

因此，本文從目前的國家標準、ISO標準以及新發布的API標準出發，對常用的幾種鉆井液材料的標準進行比對，對存在的問題進行分析討論，并提出標準的修訂意見，為今后的標準修訂提供參考。

1 標準比對

1.1 發布時間

API SPECIFICATION 13A：2019發布時間是2019年，GB/T 5005—2010發布時間是2010年，ISO 13500：2008發布時間是2008年。

1.2 材料種類

與GB/T 5005—2010和ISO 13500：2008(E)中包含13個鉆井液處理劑標準不同的是，APISPECIFICATION 13A：2019中只有12個鉆井液處理劑的標準，刪除了OCMA級膨潤土。

1.3 檢測指標及方法

1.3.1 黏度效應和6μm以下（質量分數）

在重晶石粉、赤鐵礦粉標準中，國家標準GB/T 5005—2010采取了黏度效應檢測項目，代替API SPECIFICATION 13A和ISO 13500中6μm以下（質量分數）。在GB/T 5005—2010附錄B中闡述的原因是：用黏度效應代替“沉降法測定等效球徑小于6 μm顆粒”。標準中對等效球徑小于6μm顆粒的控制目的就是確保重晶石粉不增稠，因此，相比于沉降法的重復性差、操作復雜，直接用黏度效應評價重晶石粉對流變性的影響更直觀[1]。實際上，小于6 μm顆粒只是重晶石有無增稠效應的因素之一，還有其他因素如黏土礦物雜質的影響等，“黏度效應”指標對這些影響的控制效果更明顯。而小于6μm顆粒物除了能夠引起鉆井液增稠外，還增加了低密度固相的清除難度，影響了鉆井液的凈化，不利于重晶石的回收利用。因此，6μm顆粒還是單獨加以控制較好，目前激光粒度儀已經具備了一定的普及程度，用其代替“沉降法”測試微細顆粒的技術已經比較成熟，如中國石化一級企業標準Q/SHCG 90—2016《鉆井液用加重材料技術要求》[4]已經成熟應用。

1.3.2 淀粉或淀粉衍生物

關于低黏聚陰離子纖維素中是否含有多糖類物質，GB/T 5005—2010和APISPECIFICATION 13A中，設置的檢測項目為淀粉或淀粉衍生物，而ISO 13500中設置的檢測項目為淀粉或CMC。然而，3個標準中此項目的檢驗方法都一樣，沒有本質的區別。

1.3.3 重晶石粉的密度

在GB/T 5005—2010中，重晶石粉按密度分為大于等于4.20 g/cm3和4.05～4.20 g/cm3兩類。在ISO 13500中重晶石粉只有密度大于等于4.20 g/cm3這一類。在APISPECIFICATION 13A中，重晶石粉密度分為大于等于4.20 g/cm3和大于等于4.10 g/cm3兩類。

根據上述方法將不同版本常見鉆井液材料（API、國家標準、ISO）對比，見表1。

2 存在的問題

2.1 重晶石粉標準

關于重晶石粉標準，由表1和表2可知，都是依據重晶石粉的密度對產品進行分級。國內標準最低級別的重晶石粉密度要求大于等于4.05 g/cm3，最高級別的重晶石粉密度要求大于等于4.30 g/cm3。國外標準最低級別的重晶石粉密度要求大于等于4.10 g/cm3，最高級別的重晶石粉密度要求大于等于4.20 g/cm3。

表1 不同版本常見鉆井液材料（API標準、國家標準、ISO標準）對比詳情

表2 Q/SY 17008—2019重晶石粉標準

隨著石油資源的枯竭和鉆井技術的進步，深井、超深井要求更高的鉆井液密度，因此，高密度的重晶石粉需求量越來越大。此外，對于一些淺井，密度較低，但物資采購仍然按照密度大于等于4.20 g/cm3的重晶石粉采購，導致密度4.05～4.20 g/cm3低密度的重晶石粉利用率低，造成重晶石礦資源浪費。中國石化Q/SHCG 90—2016《鉆井液用加重材料技術要求》和中國石油Q/SY 17008—2019《鉆井液用加重劑重晶石粉》[5]中，對重晶石粉分了3個級別，分別是“特級：大于等于4.30 g/cm3；一級：大于等于4.20 g/cm3；二級：大于等于4.05 g/cm3”。因此，建議盡快推行中石油或中石化企業標準中的重晶石粉密度分級方式，行業主管部門督促使用單位按照實際需求采購不同級別的重晶石粉，合理利用重晶石礦資源。此外，建議修訂GB/T 5005—2010重晶石粉標準，對重晶石粉按密度進行分級，明確不同密度的重晶石粉適用鉆井液的密度范圍。

在石油鉆探過程中，經常用到磁性定向工具進行井底定向。鉆井液加重劑重晶石粉中如果含有磁性物質，將會對磁性測量儀器參數產生影響，進而影響工程施工[6]。從現場抽查重晶石粉，稱取一定量放置塑料托盤中，用磁力800～1 000的磁鐵吸附其中的磁性物質，將吸附的磁性物質質量除以重晶石粉質量，計算得磁性物質含量。按照Q/SY 17008—2019中酸溶物含量測試方法，測試重晶石粉中酸溶物含量，實驗結果見表3。實驗發現，部分重晶石粉中磁性物質含量較高，個別重晶石粉樣品中磁性物質含量超過30%，相應的酸溶物含量最高達到40.7%。磁性物質含量高，相應的酸溶物含量也高。因此，重晶石粉中磁性物質含量的控制應該在GB/T 5005—2010重晶石粉標準制修訂時加以考慮。

表3 重晶石粉密度、酸溶物及磁性物質含量

此外，隨鉆伽馬測井技術應用于地質導向和儲層評價，對提高水平井儲層鉆遇率具有重要的意義[7]。鉆井液作為測井工具的工作介質，其加重材料重晶石粉的伽馬值對測井的影響引起了測井工程師的關注，伽馬值超過一定限度，將會影響到測井數據的準確性。因此，建議修訂GB/T 5005—2010中重晶石粉標準，增加伽馬值的檢測方法和指標。

2.2 鉆井級膨潤土標準

關于鉆井級膨潤土標準由表1和表4可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008（E）、API SPECIFICATION 13A：2019這3個標準中鉆井級膨潤土的檢測項目和指標完全相同。

表4 鉆井級膨潤土標準比對

盡管APISPECIFICATION 13A：2019重新修訂并于2019年發布，仍然沒有對鉆井級膨潤土的標準進行修訂。然而，中石油集團公司2019年發布了新制定的鉆井級膨潤土標準Q/SY 17009—2019《鉆井液用膨潤土》[8]與前面3個標準差異較大，根據不同的抗高溫性能將鉆井級膨潤土分為兩類，I類是抗溫180℃的膨潤土，II類是抗溫150℃的膨潤土。

研究表明[9-10]，從鉆井現場抽查的鉆井級膨潤土，滿足GB/T 5005—2010的要求，但高溫老化后的性能較差，表現為黏度大幅度降低，濾失量增加。隨著深井、超深井的開發，對鉆井液的抗溫性能提出嚴峻的考驗。作為基礎材料在鉆井液中使用的鉆井級膨潤土，在質量檢驗過程中，應該考察其抗溫性能。因此，建議在整個石油行業推行Q/SY 17009—2019標準，修訂GB/T 5005—2010，根據現場實際需要采購不同抗溫性能的鉆井級膨潤土，減少井下復雜事故，提升井筒質量。

2.3 聚陰離子纖維素標準

從表1中可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008(E)、APISPECIFICATION 13A：2019這3個標準中低/高黏聚陰離子纖維素，都沒有純度、取代度檢測項目。但在實際采購、驗收、使用環節，大多數使用的企業標準、內控標準中包含純度、取代度等項目，確保產品質量滿足施工要求[11-12]。按照內控標準對聚陰離子纖維素產品進行產品質量檢測，結果見表5。從表5可知，聚陰離子纖維素具有不同的純度和取代度。建議通過調研，針對不同的需求，制定不同的指標。

表5 聚陰離子纖維素部分性能指標檢測結果

此外，從保護油氣層的角度考慮，如果灼燒殘渣高，堵塞油氣通道，將影響到油氣產出率。因此，建議修訂聚陰離子纖維素標準時，新增純度、取代度、灼燒殘渣檢測項目的指標和檢測方法。

2.4 淀粉

淀粉作為一種環境友好型的降失水劑廣泛應用于鉆井液中。由于抗高溫性能差，淀粉的使用只能在淺井低溫段，應用受限。因此，在表1中，淀粉的檢測項目沒有涉及到高溫性能評價。然而，隨著技術的進步，目前已經有抗高溫淀粉應用于各大油田的鉆井施工過程中。收集了施工現場不同的淀粉樣品，按照GB/T 5005—2010中淀粉濾失量性能的測試方法，進行了不同老化溫度后的性能測試，數據見表6、表7、表8。海鹽水配置方法為42 g海鹽溶解在1 L去離子水中。其他實驗步驟與飽和鹽水相同。從表6、表7、表8可知，1#樣品在4%鹽水體系中，抗溫可達150℃，但在飽和鹽水和海鹽水體系中，抗溫能力減弱。2#、4#樣品在4%鹽水體系和飽和鹽水體系中，抗溫可達120℃，150℃失效。

表6 4%鹽水懸浮液中淀粉濾失量

表7 飽和鹽水懸浮液中淀粉性能測試數據

表8 海鹽水懸浮液中淀粉性能測試數據

隨著環保鉆井液的推出，抗高溫淀粉作為一種環境友好型的降濾失劑將會得到應用。因此，為了推廣淀粉在鉆井液體系中的應用，建議對GB/T 5005—2010中淀粉的標準進行修訂，增加抗溫性能指標及檢測方法，滿足生產需要。

3 結論及建議

通過對3個不同版本的常用鉆井液材料標準進行比對分析，提出了4種常用處理劑現行標準中存在的問題，并針對GB/T 5005—2010提出如下修訂建議。

1）重晶石粉標準，按密度進行分級，明確不同密度的重晶石粉適用鉆井液的密度范圍，同時增加“小于6μm顆粒、磁性物質含量和伽馬值”的檢測方法和指標。

2）鉆井級膨潤土標準，按照Q/SY 17009—2019修訂。

3）聚陰離子纖維素標準，增加純度、取代度、灼燒殘渣檢測項目的指標和檢測方法。

4）淀粉標準，增加抗溫性能指標及檢測方法。