膨潤土粒徑及濃度對鉆井液流變性能的影響研究

馬 旭

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

在鉆井液性能的調(diào)控是鉆井施工的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，鉆井液體系中固相顆粒的粒度分布和濃度等參數(shù)對降低濾失量和穩(wěn)定井壁具有重要的指導(dǎo)意義。鉆井液中固相顆粒的尺寸應(yīng)該控制在一個合理范圍內(nèi)，尺寸適中的顆粒可以進入地層孔隙幫助形成濾餅從而阻止其他鉆井液組份（如聚合物）等進入地層，在降低濾失量避免鉆井液損失的同時有助于穩(wěn)定地層；但固相顆粒的尺寸也不能過小，過小的顆粒會進入地層深部，導(dǎo)致地層損壞，從而影響油氣產(chǎn)量[1-3]。因此，很多學(xué)者的研究致力于如何使鉆井泥漿的粒度與所鉆巖石的類型相匹配，在保證鉆井施工順利的同時，還要防止固體侵入地層導(dǎo)致滲透率降低。

1977 年Abrams 等提出架橋封堵劑的粒徑中值應(yīng)等于或略大于地層巖石孔徑中值的三分之一，以防止孔隙堵塞。1988 年Hands 等人提出，為了限制鉆井液滲透到地層孔隙結(jié)構(gòu)中，90%的固相顆粒粒徑應(yīng)大于或等于地層孔徑；儲層損害的主要原因是鉆井液中的聚合物以及固相顆粒侵入地層造成。

鉆井液體系包含許多組分，例如用于控制鉆井液流變性的膨潤土、用于做加重劑的礦物、封堵劑、降濾失劑、增粘劑和其他添加劑（淀粉和聚合物等），鉆井液體系中的鹽和其他外加劑會對其固相顆粒粒徑產(chǎn)生很大影響。膨潤土是水基鉆井液的重要組成部分之一，其粒徑和濃度的變化對鉆井液體系的流變性和濾失性也起重要的作用。本文重點研究了膨潤土的粒徑和濃度對鉆井液體系的相關(guān)影響，以為后續(xù)的鉆井液體系研究提供技術(shù)支持。

1 實驗方法

在鉆井作業(yè)過程中，鉆井液的綜合性能是至關(guān)重要的。其中最為重要的兩個參數(shù)是粘度和凝膠強度。本研究中的鉆井液樣品的性能指數(shù)主要包括表觀粘度(AV)、塑性粘度(PV)、動切力(YP)、凝膠強度(GEL)、觸變性和濾失量。主要研究膨潤土的粒徑及其濃度對鉆井液流變性的影響。

使用不同尺寸的篩網(wǎng)制備不同粒徑的樣品：400目（38μm）、300 目（63μm）、200 目（75μm）和100 目（106μm）。粒徑小于200目的樣品為細顆粒樣品，粒徑大于200目的樣品為粗顆粒樣品。膨潤土樣品從400、300、200 和100 目的篩分中收集，并分別配制成4%、5%、6%和7%的濃度。

膨潤土漿的具體制備方法為：將不同粒徑大小的膨潤土分別按照4%、5%、6%和7%的濃度加入到500mL淡水中，在高速攪拌（8000±100r/min）條件下攪拌20min，然后在20℃±3℃條件下養(yǎng)護24h，從而使膨潤土顆粒充分水化；在開始進行性能測量前，每份樣品必須在高速攪拌（8000±100r/min）條件下再次攪拌20min從而使其恢復(fù)流動性。

2 結(jié)果和討論

2.1 膨潤土粒度和濃度對流變性能的影響

將不同粒徑的膨潤土配制成4%、5%、6%和7%濃度的膨潤土漿，其常規(guī)流變性的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 膨潤土粒徑及濃度對鉆井液流變性的影響

在4%的膨潤土濃度下。粒徑為75μm和106μm的膨潤土漿表觀粘度較高，粒徑為38μm 和63μm 的膨潤土漿的表觀粘度較低；塑性粘度方面，粒徑為63μm 的膨潤土漿最高；動切力方面，63μm、75μm 和106μm 的膨潤土漿相等，但高于粒徑38μm的膨潤土漿。

在5%的膨潤土濃度下。粒徑為63μm的膨潤土漿表觀粘度較高，粒徑為75μm的膨潤土漿的表觀粘度最低；塑性粘度方面，63μm 的顆粒的塑性粘度高于其他顆粒（63μm＞106μm＞38μm＞75μm）；動切力方面，38μm顆粒的動切力高于其他顆粒（38μm＞63μm=106μm＞75μm）。

在6%的膨潤土濃度下。粒徑為106μm 的膨潤土漿表觀粘度較高，粒徑為30μm的膨潤土漿的表觀粘度最低；塑性粘度方面，106μm顆粒的塑性粘度高于其他顆粒（106μm＞63μm=38μm=75μm）；動切力方面，38μm顆粒的動切力高于其他顆粒（38μm＞75μm＞63μm＞106μm）。

在7%的膨潤土濃度下。粒徑為63μm的膨潤土漿表觀粘度較高，粒徑為75μm的膨潤土漿的表觀粘度最低；塑性粘度方面，38μm 顆粒的塑性粘度高于其他顆粒（38μm＞63μm＞75μm＞106μm）；動切力方面，106μm顆粒的動切力高于其他顆粒（106μm＞63μm＞38μm＞75μm）。

2.2 對表觀粘度的影響分析

表觀粘度(AV)由鉆井液中細微顆粒的數(shù)量、大小、流體粘度、顆粒與顆粒之間、顆粒與流體之間的吸引力決定。從表1可以看出，隨著膨潤土濃度的增加，所有四種粒度的AV都會增加。

2.3 對塑性粘度的影響分析

根據(jù)定義，塑性粘度是指超過屈服點的剪切應(yīng)力，塑性粘度是由機械摩擦引起的流動阻力的一部分。這種摩擦發(fā)生在①鉆井液的固相之間；②固相和其周圍的液體之間；③液相自身的剪切。對于實際的現(xiàn)場情況而言，塑性粘度主要取決于鉆井液中的固相濃度。因此，從表1中可以看出，對于所有四種粒度，PV均隨著膨潤土濃度的增加而增加。在5.0%膨潤土濃度下，63μm 的顆粒表現(xiàn)出比所有其他粒度更高的塑性粘度。在固體含量高的泥漿樣品中，顆粒之間的摩擦力會增加。在這種情況下，塑性粘度隨著表觀粘度的增加而增加。在恒定體積下減小固體的尺寸也會增加塑性粘度。增加表面積會產(chǎn)生凈效應(yīng)，因此會產(chǎn)生摩擦。在所有鉆井液中，由于鉆頭的研磨作用，顆粒的表面積會增加。

2.4 對動切力的影響分析

動切力是鉆井液中流動阻力的第二個組成部分，是鉆井液中電化學(xué)或吸引力的測量值。這些力是位于粒子表面上或附近的負電荷和正電荷的作用結(jié)果。動切力是流動條件下這些力的量度，主要取決于①泥漿固體的表面性質(zhì)；②固體的體積濃度；③這些固體的電環(huán)境（泥漿液中離子的濃度和類型）。高粘度源于高屈服值或吸引力。從表1 中可以看出，對于所有四種粒度，YP均隨著膨潤土濃度的增加而增加。YP是可以通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理來控制的流動阻力部分。由于化學(xué)處理降低了吸引力，YP會降低，YP的降低也會降低表觀粘度。

2.5 對凝膠強度的影響分析

凝膠強度的測量值反映了鉆井液的觸變性，它是靜態(tài)或非流動條件下吸引力的量度。動切力是流動條件下吸引力的量度，不應(yīng)與凝膠強度混淆。然而，由于凝膠強度和動切力是絮凝力的量度，隨著動切力的降低，凝膠強度通常會降低。可通過抗絮凝劑來降低凝膠強度。對于所有四種粒度，凝膠強度均隨著膨潤土濃度的增加而增加。在5.0%膨潤土濃度下，38μm的顆粒表現(xiàn)出最高的凝膠強度。

2.6 對觸變性的影響分析

觸變性是指一些流體在靜置時形成凝膠結(jié)構(gòu)，然后在攪拌后再次變?yōu)榱黧w的特性。由于存在連接在一起形成剛性基質(zhì)的帶電粒子，大多數(shù)水基鉆井液都表現(xiàn)出這種特性。形成的凝膠強度是懸浮固體的數(shù)量和類型以及時間、溫度和化學(xué)處理的函數(shù)。換句話說，任何促進或阻止顆粒連接的東西都會增加或減少泥漿的凝膠化趨勢。對于所有四種粒度，觸變性隨著膨潤土濃度的增加而增加。在5.0%膨潤土濃度下，38μm的顆粒表現(xiàn)出最高的觸變性。

2.7 膨潤土粒度和濃度對失水性能的影響

待測鉆井液的降失水能力和泥餅性質(zhì)由API中壓失水儀測定。按照標(biāo)準(zhǔn)在100psi壓力、30min后以濾液的毫升數(shù)為單位進行計量。在此失水結(jié)束后測量濾紙上泥餅的厚度，通常認為泥餅厚度在0.8mm 左右則證明該鉆井液形成的泥餅質(zhì)量較好。

表2 為不同粒徑和不同濃度的膨潤土漿的濾失量。從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)膨潤土粒徑為38μm時，隨著膨潤土濃度從4%增加到7%，濾失量從21mL降低到了13mL，為線性遞減關(guān)系；當(dāng)膨潤土粒徑為63μm 時，隨著膨潤土濃度從4%增加到7%，濾失量從22mL降低到了13mL，為線性遞減關(guān)系；當(dāng)膨潤土粒徑為75μm 時，隨著膨潤土濃度從4%增加到7%，濾失量從22mL降低到了13.5mL，為線性遞減關(guān)系；當(dāng)膨潤土粒徑為106μm時，隨著膨潤土濃度從4%增加到7%，濾失量從24mL 降低到了12.5mL，為線性遞減關(guān)系。但在相同濃度下，粒徑為38μm 的膨潤土漿的濾失量最低，說明粒徑小有助于膨潤土在水中的水化分散，有助于降低濾失量。但在6%和7%的膨潤土濃度下，粒徑最大（106μm）的膨潤土顆粒也獲得了較低的失水，這可能是因為，隨著膨潤土濃度的增加，其水化分散程度已經(jīng)不是最主要的參考指標(biāo)，即使是較大的粒徑，也能形成較好的濾餅來幫助降低失水。

表2 膨潤土粒徑及濃度對鉆井液濾失性的影響

2.8 溫度對膨潤土表觀粘度的影響

將鉆井液樣品通過高速攪拌器（10000±300r/min）中徹底攪拌20min 來使其完全混合。使用范式粘度計和加熱套測量不同溫度下基漿的表觀粘度，數(shù)據(jù)見表3。

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，表觀粘度隨著溫度的升高而有升高的趨勢。但升高曲線不是線性的，也沒有遵循任何明確的趨勢或模式。在20℃條件下，粒徑為63μm 的膨潤土漿表觀粘度最高；在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃條件下，粒徑為106μm 的膨潤土漿表觀粘度均最高；在各階段溫度條件下，粒徑為75μm的膨潤土漿的表觀粘度均最低。

表3 5%膨潤土漿在不同溫度下的表觀粘度變化

3 結(jié)論及建議

（1）鉆井液中固相顆粒的尺寸應(yīng)該控制在一個合理范圍內(nèi)，尺寸適中的顆?？梢赃M入地層孔隙幫助形成濾餅從而阻止其他鉆井液組份（如聚合物）等進入地層，在降低濾失量避免鉆井液損失的同時有助于穩(wěn)定地層。

（2）在相同的膨潤土濃度下，粒徑為38μm和63μm的膨潤土細顆粒比較粗粒度（75μm 和106μm）表現(xiàn)出更高的表觀粘度、塑性粘度和動切力。

（3）但在相同膨潤土濃度下，粒徑為38μm 的膨潤土漿的濾失量最低，說明粒徑小有助于膨潤土在水中的水化分散，有助于降低濾失量。

（4）在所實驗的濃度范圍內(nèi)，膨潤土漿的表觀粘度均隨著濃度的增加而相對增加；在所實驗的濃度范圍內(nèi)，膨潤土漿的塑性粘度均隨著濃度增加而相對增加；在所實驗的粒徑范圍內(nèi)，膨潤土漿的濾失量均隨著濃度的增加而相對減少；在所實驗的粒徑范圍內(nèi)，所有粒徑膨潤土的表觀粘度都隨著溫度的升高而略有增加。

（5）推薦使用粒度為38μm 和63μm 的膨潤土進行配漿，在5.0%膨潤土濃度下可以滿足API 和OCMA(1975)中對性能的要求。