基于特性菱形圖的鉆井液用膨潤土優(yōu)選方法

李 雄，劉貴傳

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

膨潤土作為一種鉆井液添加劑，主要起增黏和降濾失作用。近年的鉆井實踐發(fā)現(xiàn)，膨潤土存在長期貯存后性能變差、用于鹽水鉆井液增黏作用有限、不同批次的性能差異較大和高溫下性能變差等問題，尤其用于高溫高密度鉆井液時，這一問題更加突出。高密度鉆井液自身固相含量很高，而高品質(zhì)的膨潤土在保證鉆井液性能的同時，不但對固相含量影響小，且能有效降低高溫減稠或增稠的風(fēng)險。因此優(yōu)選高品質(zhì)的膨潤土對于控制高溫高密度鉆井液的性能非常關(guān)鍵。

文獻[1]較為全面地介紹了膨潤土性能的測試評價方法，但涉及的測試評價項目較多、測試評價周期長、工作量大?，F(xiàn)行鉆井液用膨潤土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的性能評價方法很少要求其耐溫性，而且，做完測試評價后，還要再根據(jù)諸多數(shù)據(jù)進行綜合評定，評價結(jié)果可能受人為因素的影響。因此，筆者分析了膨潤土品質(zhì)與膨潤土造漿率、膨潤土漿流變性及濾失量等之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過試驗測試及計算得到膨潤土造漿率及膨潤土漿在老化前后的塑性黏度、動切力和濾失量等參數(shù)，利用曲線擬合等手段計算得出相關(guān)的比值，并繪制特性菱形圖，菱形圖的縱橫軸比反映出膨潤土的品質(zhì)特性，再通過簡單的計算可求得膨潤土品質(zhì)的量化數(shù)值，此數(shù)值越大，膨潤土的品質(zhì)越好。該方法即為基于特性菱形圖的膨潤土優(yōu)選方法(簡稱特性菱形圖優(yōu)選方法)，其區(qū)分度和可靠性較高，還可以評價溫度對膨潤土性能和品質(zhì)的影響，因此可用于優(yōu)選高溫高密度鉆井液用膨潤土。

1 膨潤土優(yōu)選方法

膨潤土的品質(zhì)主要由蒙脫石含量、蒙脫石晶片尺寸和電荷、蒙脫石晶片上陽離子類型和膨潤土中有無增效劑等因素決定[1]。通常，膨潤土中蒙脫石含量越高、蒙脫石晶片的厚度越小、表面電荷越多，就越易于水化分散和膨脹，其增黏性和膨潤土漿的濾失量就越低，膨潤土的品質(zhì)就越高。此外，蒙脫石晶片上的陽離子類型可影響其水化膨脹能力，當(dāng)陽離子為鈉離子時，蒙脫石的水化膨脹能力最好。在膨潤土加工和生產(chǎn)過程中，可以利用離子交換法和添加增效劑等方法提高其品質(zhì)(主要指增黏和/或增強降濾失性能[2])。

1.1 現(xiàn)行膨潤土優(yōu)選方法的缺陷

應(yīng)用石油公司材料協(xié)會(OCMA)評價膨潤土品質(zhì)的方法[1]，可較全面地評價膨潤土中蒙脫石含量及蒙脫石晶片的表面電荷數(shù)量、是否添加了增效劑、增黏和降濾失等性能，但是涉及的評價項目太多，工作量大、評價周期長，不利于批量優(yōu)選。根據(jù)石油鉆井液用膨潤土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]可以評價膨潤土的品質(zhì)，這些標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了膨潤土的濕度、篩余量，以及特定膨潤土加量下膨潤土漿的某些性能參數(shù)值，如旋轉(zhuǎn)黏度計600轉(zhuǎn)的讀數(shù)、動塑比和API濾失量等。

通過分析發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)文獻和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能指標(biāo)，難以直接決定選用哪種膨潤土，尤其是膨潤土用于高溫高密度鉆井液時。其原因主要有3個：1)標(biāo)準(zhǔn)中絕大多數(shù)測試都是在室溫(25 ℃)下進行的，此時增效劑是穩(wěn)定的，有無增效劑或經(jīng)高溫老化后增效劑對其性能的影響不能從評價結(jié)果看出來。2)雖然可以使用過氧化氫對膨潤土進行預(yù)處理[1]，消除增效劑的副作用，但也消除了增效劑的增效作用。此外，使用過氧化氫進行氧化預(yù)處理需要的時間較長(1～3 d，甚至更長)。3)測試評價結(jié)果是一些相對獨立、零散的數(shù)據(jù)，如某一膨潤土樣品可能某個性能突出，而其他性能可能較差，如何綜合考慮或量化每個膨潤土樣品的整體性能，往往比較困難。因此，一個好的膨潤土優(yōu)選方法，應(yīng)具有以下特點：1)可以在測試中模擬最終應(yīng)用環(huán)境(比如高溫)，在消除增效劑副作用的同時，可以保留其增效作用；2)測試項目盡量少，且測試方法簡單、快捷；3)可以根據(jù)測試結(jié)果得到反映膨潤土樣品綜合品質(zhì)的量化評價指標(biāo)。

1.2 特性菱形圖優(yōu)選方法

1.2.1 膨潤土品質(zhì)和膨潤土漿相關(guān)性能的內(nèi)在聯(lián)系

膨潤土的品質(zhì)決定了膨潤土漿的流變性和濾失量，膨潤土漿的流變性和濾失量也能反映膨潤土的品質(zhì)。影響膨潤土漿流變性的因素主要有配制膨潤土漿液體的黏度、膨潤土加量、膨潤土粒子的粒徑和粒子間的相互作用。膨潤土粒子互相作用二次會合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動狀態(tài)下這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度可以用動切力表征。膨潤土粒子的凝聚、分散，對濾餅質(zhì)量的影響較大，粒子凝聚時會形成虛厚濾餅，粒子分散時，形成薄而致密的濾餅。但膨潤土粒子的凝聚和分散是相對的，將膨潤土粒子的凝聚和分散所表現(xiàn)出來的特性稱為膨潤土粒子的構(gòu)造形成性。構(gòu)造形成性強，膨潤土粒子趨于凝聚，其粒子間的相互作用越強，二次會合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的概率越大，凝聚強度越高，表現(xiàn)出動切力較高和濾餅較厚(濾失量較大)。相反，構(gòu)造形成性弱，膨潤土粒子趨于分散，膨潤土粒子間不易相互作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出動切力較低和濾餅薄(濾失量小)，此時，膨潤土漿的黏度較高。 因此，通過測試膨潤土漿的流變性和濾失量，就可以分析其構(gòu)造形成性，進而反推出膨潤土粒子的凝聚、分散狀態(tài)和凝聚強度等。 膨潤土漿中膨潤土粒子的分散-凝聚狀態(tài)模型如圖1所示。

膨潤土漿的流變性和膨潤土的造漿能力直接相關(guān)，而濾餅質(zhì)量直接關(guān)系到濾失量。有關(guān)鉆井液用膨潤土的各項技術(shù)指標(biāo)實際上都是造漿率和相應(yīng)膨潤土漿濾失量的量化表征[5]。雖然膨潤土造漿率與膨潤土漿濾失量之間沒有明確的相關(guān)性，但大量工程實踐表明，對于未經(jīng)人工改造的天然膨潤土，通常表現(xiàn)為隨著造漿率升高，膨潤土漿的濾失量呈現(xiàn)降低趨勢[6-9]。因此，測定膨潤土的造漿率也很有必要。

1.2.2 特性菱形圖的繪制

由以上分析可知，優(yōu)質(zhì)膨潤土的造漿率高，對應(yīng)膨潤土漿的濾失量和動切力低。顯然，當(dāng)表觀黏度相同時，用優(yōu)質(zhì)膨潤土配制膨潤土漿的塑性黏度較高。通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，可以采用菱形圖表示膨潤土漿的塑性黏度、動切力、濾失量和膨潤土造漿率這4個指標(biāo)，并根據(jù)其內(nèi)在聯(lián)系計算出一個量化值，即膨潤土的品質(zhì)。通過比較各個膨潤土的品質(zhì)值便可快速優(yōu)選出目標(biāo)膨潤土。菱形圖的具體繪制方法如下：

1) 配制不同膨潤土加量(一般為4%，5%，6%，7%和8%)的基漿，充分水化后備用。

2) 測試和計算各基漿的表觀黏度、塑性黏度、動切力和API濾失量。

3) 分別在直角坐標(biāo)系中繪制表觀黏度、塑性黏度、動切力和API濾失量與膨潤土加量之間的關(guān)系曲線，并擬合出表觀黏度、塑性黏度、動切力、API濾失量與膨潤土加量之間的關(guān)系式。

4) 根據(jù)表觀黏度與膨潤土加量的關(guān)系式，求得表觀黏度為15 mPa·s時的膨潤土加量，把這個加量代入其他關(guān)系式中，求出相應(yīng)的塑性黏度、動切力、API濾失量，并根據(jù)文獻[2-3，5]中的方法計算出膨潤土的造漿率。

5) 選擇一組塑性黏度、動切力、API濾失量和造漿率作為參考值。參考值的選擇可以根據(jù)經(jīng)驗虛擬一組，也可以從文獻中選出一組，還可以從被測的幾個膨潤土樣品中選擇一組，因為是作為參考的，所以不影響最終的優(yōu)選結(jié)果。建議選擇一組較為合理的參考值并固定下來，以便長期使用。筆者測試了表觀黏度為15 mPa·s的美國懷俄明膨潤土漿的塑性黏度、動切力和API濾失量，其分別為10.5 mPa·s,4.5 Pa和17.9 mL，計算出美國懷俄明膨潤土的造漿率為20.2 m3/t，以此作為參考值。

6) 用選擇的塑性黏度、動切力、API濾失量和造漿率的參考值除各膨潤土漿的塑性黏度、動切力、API濾失量和各膨潤土的造漿率，求得塑性黏度比、動切力比、API濾失量比和造漿率比，把各比值標(biāo)注在圖2上，用直線連接得出“特性菱形圖”。圖2中各軸絕對值1.0的位置對應(yīng)著塑性黏度、動切力、API濾失量和造漿率的參考值。

圖2 懷俄明膨潤土漿的特性菱形圖Fig.2 Characteristic diamond diagram of Wyoming bentonite slurry

按照上述方法繪制的特性菱形圖的橫軸反映膨潤土粒子的凝聚特性，縱軸反映膨潤土粒子的分散特性，縱軸與橫軸的比反映了膨潤土的品質(zhì)特性，品質(zhì)特性與反映經(jīng)濟因素的造漿率比的乘積就是膨潤土的品質(zhì)。

Q=RQsRa

(2)

式中：Ra為縱橫軸比；RP為塑性黏度比；RQs為造漿率比；RY為動切力比；RL為API濾失量比；Vi為分散性；Te為凝聚性；Qc為膨潤土的品質(zhì)特性；Q為膨潤土的品質(zhì)。

使用特性菱形圖法優(yōu)選膨潤土，只需要比較膨潤土的品質(zhì)Q，其值越高，膨潤土的品質(zhì)越好。顯然，該法有以下優(yōu)點：1)量化了膨潤土的品質(zhì)，直觀反映了膨潤土的品質(zhì)；2)如果優(yōu)選的膨潤土用于高溫鉆井液，只需要在優(yōu)選時將配制好的基漿預(yù)先進行對應(yīng)溫度的老化處理，消除膨潤土中增效劑在高溫老化后的影響(不僅能消除增效劑的副作用，還能保留增效劑的增效作用)。

1.2.3 試驗結(jié)果與分析

收集了國內(nèi)遼寧、山東、天津和新疆等地的5種鉆井液常用的膨潤土樣品，利用特性菱形圖法進行了優(yōu)選。由于密度為2.30kg/L鉆井液要滿足耐溫220 ℃的要求，因此在優(yōu)選膨潤土的過程中，對各膨潤土漿進行了220 ℃高溫老化16h的處理。各膨潤土漿老化前后表觀黏度為15mPa·s時對應(yīng)的塑性黏度、動切力、API濾失量，各膨潤土樣品的加量及造漿率、特性和品質(zhì)如表1所示。

表1 各膨潤土漿老化前后表觀黏度為15 mPa·s時對應(yīng)的膨潤土樣品特性及品質(zhì)Table 1 Properties and quality of bentonite sample before and after aging of bentonite slurry under the apparent viscosity of 15 mPa·s

表1中膨潤土樣品的加量是根據(jù)上文所述的方法擬合出的表觀黏度與膨潤土加量關(guān)系式計算出的，膨潤土漿的表觀黏度都為15 mPa·s。根據(jù)表1繪制各膨潤土樣品的特性菱形圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 各膨潤土樣品的特性菱形圖Fig.3 Characteristic diamond diagram of all bentonite samples

從圖3可看出，5個膨潤土樣品在老化前的RY值均較大，老化后這一現(xiàn)象消失，表明收集的膨潤土樣品中可能添加了增效劑，增效劑經(jīng)過高溫老化后不同程度降解(或失效)。這說明，優(yōu)選用于高溫鉆井液用膨潤土?xí)r，有必要進行高溫老化以消除增效劑的副作用。同時，樣品1和樣品2老化后構(gòu)造形成性弱，品質(zhì)較好，而樣品3、樣品4和樣品5的構(gòu)造形成性都偏強，品質(zhì)相對較差。

2 特性菱形圖優(yōu)選方法的驗證

為驗證特性菱形圖優(yōu)選方法的可靠性，使用上文收集的膨潤土樣品，分別配制密度為2.30 kg/L的鉆井液，在220 ℃高溫下滾動老化16 h后，對比流變性、高溫高壓濾失量和沉降穩(wěn)定性。

由于高密度鉆井液的固相含量很高，而膨潤土含量又是影響其流變性的主要因素，因此要嚴(yán)格控制膨潤土加量。通過大量試驗得知，對于密度為2.30 kg/L的鉆井液，其膨潤土有效含量控制在1.0%～2.0%較為合理。根據(jù)這一范圍，設(shè)計了2組試驗。鉆井液配方為膨潤土+0.5%SMPFL-L+3.0%SMC+3.0%SMP-3+2.0%SPNH+1.0%SMJH-1+3.0%SMNA-1+1.0%SMS-H+1.0%SMGWW+0.5%NaOH+重晶石粉。

2.1 膨潤土加量相同

測試加入1.50%膨潤土樣品鉆井液的流變性和濾失量，結(jié)果見表2。

表2 各膨潤土樣品加量相同時的鉆井液性能Table 2 Property of drilling fluid by adding all bentonite samples under the same dosage

注：第2列至第6列數(shù)據(jù)是密度為2.30 kg/L的鉆井液在220 ℃下老化16 h后，在50 ℃下測試和計算得到的；高溫高壓濾失量是在180 ℃下測得的；最后一列為鉆井液老化16 h后，老化罐罐底重晶石沉降情況。下同。

結(jié)合表1和表2可看出：各膨潤土樣品的品質(zhì)由好到壞的順序為樣品1、樣品2、樣品5、樣品3和樣品4，按1.50%加入膨潤土樣品配制鉆井液老化后的性能與特性菱形圖法得到的品質(zhì)評價值有較好的相關(guān)性；加入1.50%樣品1鉆井液的流變性較好,濾失量較低，沒有出現(xiàn)重晶石沉降；加入其他幾個樣品鉆井液的性能測試結(jié)果表明，隨著膨潤土品質(zhì)降低，其構(gòu)造形成性變強，高溫高壓濾失量顯著增大，黏度和切力大幅降低，導(dǎo)致鉆井液黏切不足，出現(xiàn)重晶石沉降現(xiàn)象。

2.2 膨潤土加量不同

由表1可知，雖然老化后各膨潤土漿的表觀黏度均為15 mPa·s，但各膨潤土樣品的加量都不同，表明各膨潤土樣品的品質(zhì)存在差異。將表1中老化后的各膨潤土漿對應(yīng)的膨潤土加量列于表3中，以樣品1的加量為參考，可計算其余樣品加量的折算系數(shù)，如樣品2的加量是樣品1加量的1.28倍，即樣品2的折算系數(shù)為1.28。得到各樣品的折算系數(shù)后，再根據(jù)2.1節(jié)中鉆井液配方膨潤土樣品1的加量1.50%，可計算得到各樣品在鉆井液配方中的調(diào)整后加量，如樣品2的折算系數(shù)為1.28，則其調(diào)整后的加量為樣品1調(diào)整后加量(1.50%)的1.28倍，即1.92%，結(jié)果見表3。這樣做的目的在于，可以保證配制的鉆井液經(jīng)過高溫老化后，膨潤土耐受高溫的含量是相同的。

表3 調(diào)整后各膨潤土樣品的加量Table 3 Dosages of all bentonite samples after adjustment

注：加量是老化膨潤土漿表觀黏度為15 mPa·s時膨潤土的加量；調(diào)整后加量是配制高密度鉆井液時膨潤土的加量。

根據(jù)表3中各膨潤土樣品調(diào)整后的加量配制密度為2.30 kg/L的鉆井液，測試其流變性和濾失量，結(jié)果見表4。

表4 膨潤土加量調(diào)整后鉆井液的性能Table 4 Property of drilling fluid after adjusting the dosages of bentonite

由表4可以看出，膨潤土加量調(diào)整后，鉆井液老化的性能與膨潤土品質(zhì)的相關(guān)性較好。其中，使用樣品1鉆井液的性能最優(yōu);使用其他膨潤土樣品的鉆井液隨著調(diào)整后膨潤土加量增大，黏度和切力均有不同程度升高，高溫高壓濾失量相應(yīng)降低，膨潤土加量增加越大，改變的幅度越大。此外，沒有發(fā)生重晶石沉降現(xiàn)象，但膨潤土加量增大，鉆井液黏度大幅升高，影響了鉆井液的流變性，同時也不能將濾失量控制在合理水平。這說明，采用調(diào)整膨潤土加量的方法調(diào)整鉆井液性能的效果，不如直接選用品質(zhì)好的膨潤土。

通過2組試驗考察了膨潤土品質(zhì)對鉆井液性能的影響，驗證了特性菱形圖優(yōu)選方法的可靠性，使用該方法計算得到的膨潤土品質(zhì)值作為量化指標(biāo)，可以反應(yīng)膨潤土的品質(zhì)。

3 結(jié) 論

1) 分析了膨潤土的品質(zhì)與膨潤土造漿率及膨潤土漿的相關(guān)性能參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系。其中，膨潤土的造漿率和相應(yīng)膨潤土漿的塑性黏度反映了膨潤土的黏性，膨潤土漿的動切力和濾失量反映了膨潤土的構(gòu)造形成性。黏性和構(gòu)造形成性基本反映了膨潤土的品質(zhì)。

2) 提出了基于特性菱形圖的膨潤土優(yōu)選方法，該方法通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，僅使用一個量化值就能反映膨潤土的品質(zhì)。

3) 使用高溫高密度鉆井液驗證了特性菱形圖優(yōu)選方法的可靠性，膨潤土品質(zhì)越高，鉆井液的流變性、降濾失性和沉降穩(wěn)定性就越好，且鉆井液的性能與膨潤土品質(zhì)的吻合度高，表明特性菱形圖優(yōu)選方法具有較高的可靠性。