钻井液用膨润土评价标准研究

王金芬 ， 耿东士 ， 仪晓玲 ， 马君涵 ， 江路明 ， 贺丽鹏

（1.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油天然气股份有限公司油田化学剂质量监督检验中心，北京 100083）

0 引言

膨润土粉是配制水基钻井液的重要基础材料，膨润土与水可配成各种基浆，再经过必要的化学处理，成为符合钻井要求的钻井液。因此膨润土的质量好坏不但影响所配钻井液性能，而且关系到所配钻井液接受化学处理剂的能力，使用不合格的膨润土，不但用量大，而且需要用更多的药剂进行处理，极不经济[1-4]。膨润土是天然矿物，以蒙脱石为主，有降低滤失量，增加黏度、切力的作用，因其所吸附的阳离子不同而分为钠膨润土和钙膨润土。钠膨润土水化能力较强，造浆率较高，较适合钻井液使用，钙膨润土本身没有造浆能力，经碳酸钠改性后的钙膨润土也可满足钻井液需要，但由于钠膨润土较少，多使用改性后的钙膨润土[5-8]。

膨润土的产品质量检测执行国家标准：GB/T 5005—2010《 钻井液材料规范》，该标准是修改采用ISO 13500：2008标准体系。标准中将膨润土粉分为了钻井级膨润土、未处理膨润土和OCMA级膨润土，油田常用的膨润土为钻井级膨润土和OCMA级膨润土。该标准中分别对钻井级膨润土和OCMA级膨润土做了规定，即钻井级膨润土是含有黏土矿物蒙脱石的天然黏土矿物，可能含有诸如石英、云母、长石和方解石的附属矿物，OCMA级膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，可通过纯碱、聚合物或其他化学剂处理，以改善其悬浮液性能，也就是说钻井级膨润土应该是天然的黏土矿物，无需经过任何处理，只需通过研磨至所需细度，其各种指标便能满足标准的要求，能够满足这一要求的只有钠膨润土，而OCMA级膨润土是经过处理了的，已非纯黏土矿物。因此可以说钻井级膨润土是研磨后的钠膨润土，OCMA级膨润土是改性处理后的钙膨润土。本文收集了市场上使用的不同厂家钻井级膨润土与OCMA膨润土，通过测试高温养护后悬浮液性能，考察了不同养护条件下各钻井级膨润土、OCMA膨润土与天然钠膨润土粉、钠化钙膨润土粉（经6%碳酸钠钠化的钙膨润土粉）的性能差异，并对钻井液用膨润土评价标准进行了探讨。

1 实验部分

1.1 主要原料

主要原料与试剂：钻井级膨润土样品，OCMA级膨润土样品，天然钠膨润土粉，均为工业品；钠化钙膨润土粉，自制； 蒸馏水，符合GB/T 6682中三级水的规定；六偏磷酸钠，无水碳酸钠，化学纯；钻井液用滤纸：Whatman 50或等效产品。

1.2 样品配制

1）钻井级膨润土、 OCMA级膨润土、天然钠膨润土粉悬浮液。取2个高搅杯，分别加入350 mL蒸馏水，边搅拌边缓缓加入22.5 g（称准至 0.01 g）钻井液用膨润土，避免其结成团块，负载转速11000 r/min±300 r/min 搅拌 20 min，在搅拌过程中停下2次以刮下黏附在器壁上的膨润土。将高搅杯放入生化培养箱中，在25 ℃±1 ℃下密闭养护24 h。将其装入老化罐，充入0.69 MPa的氮气，放入滚子加热炉，分别在120 ℃、150 ℃和180 ℃的温度下热滚16 h，停止加热，打开滚子加热炉门，冷却30 min，取出室温下放置30 min，放入冷水中冷却至室温。

2）钠化钙膨润土粉悬浮液。取2个高搅杯，分别加入350 mL蒸馏水，边搅拌边缓缓加入21.23 g（ 称准至0.01 g）钙膨润土和1.27 g（称准至 0.01 g）无水碳酸钠，后面的步骤同1）节。

3） 按标准 GB/T 5005—2010 的要求测定各悬浮液的φ600读值和滤失量。

1.3 样品测试

将悬浮液转入高搅杯中，负载转速11000 r/min±300 r/min搅拌 5 min，倒入样品杯中，测定黏度计φ600的读值，应在每档转速下达到稳定值后读数。测试过的悬浮液，在搅拌杯中高速搅拌1 min，按GB/T 16783.1规定的测试程序，测试并记录 0.69 MPa下 7.5～30 min 之间的滤液量。

2 室内实验

为了考察标称为钻井级膨润土或OCMA级膨润土的抗高温能力，选取了由10个厂家生产的9个钻井级膨润土样品和6个OCMA级膨润土样品，同时选取了天然钠膨润土粉及钠化钙膨润土粉进行测试。测试方法按标准GB/T 29170—2012要求对膨润土的悬浮液进行动态养护（通称为热滚），冷却后按标准 GB/T 16783.1—2014 要求对 φ600、φ300的读值及API滤失量进行测试。热滚温度选择120、150 和 180 ℃ 3 个点，热滚时间为 16 h。同时按标准GB/T 5005—2010 的要求测定出称为钻井级膨润土或OCMA级膨润土的指标结果，见表1与表2。

表1 钻井级膨润土（1#～9#）的各性能指标测定结果

表2 OCMA级膨润土（1#～6#）的各性能指标测定结果

2.1 未处理钠膨润土粉与钻井级膨润土样品性能比较

天然钠膨润土粉和9个钻井级膨润土样品结果见表1。从表1可以看出：①室温条件下，天然钠膨润土粉与钻井级膨润土样品φ600读值和滤失量指标均满足标准GB/T 5005—2010；②经过120、150、180 ℃高温热滚后，未经处理的钠膨润土粉黏度计φ600读值有较大提高，数值在50～80之间，滤失量提高的幅度较小，最大升高值为2.4 mL；③经过三个高温热滚后，钻井级膨润土样品黏度计φ600读值变化不一，有的有较大提高，有的却出现明显降低，约66.6%样品的φ600读值小于相同条件下天然钠膨润土粉读值；经过3个高温热滚后，滤失量都有所升高，且滤失量提高的幅度随热滚温度的提高而提高。

2.2 钠化钙膨润土粉与OCMA膨润土样品性能比较

由于钠膨润土矿的资源非常贫乏，多使用改性后的钙膨润土，即用碳酸钠对钙膨润土进行钠化改性，使钙膨润土有了较高的造浆率，满足现场的施工要求。钙膨润土粉经碳酸钠处理后的测试结果和6个OCMA膨润土样品的测试结果见表2。从表2可以看出：①在室温条件下，钠化钙膨润土粉与OCMA膨润土样品的各项指标都满足标准GB/T 5005—2010；②经过3个不同温度的高温热滚后，钙膨润土粉黏度计φ600读值都有较大提高，数值在40以上，滤失量有所提高，180 ℃升高最大值5.5 mL；③经过3个高温热滚后，OCMA膨润土样品的黏度计φ600读值变化不一，有的提高，有的出现明显降低，其中：120 ℃热滚后，6个样品的黏度计φ600读值全部小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值；150 ℃热滚后，约33.3%样品φ600读值小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值；180℃热滚后，约83.3%样品φ600读值小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值。经过3个高温热滚后，滤失量都有所升高，且滤失量提高的幅度随热滚温度的提高而提高。

2.3 实验结果分析

从表1、表2结果来看，品质较好的天然钠膨润土粉和钠化钙膨润土粉，有很好的抗温性，经高温养护后黏度不会降低。但实际生产中，一些厂家的钻井级膨润土与OCMA膨润土样品相比钠膨润土粉和钙膨润土粉抗温性明显降低，这可能是一些生产商使用造浆率低、水化性能差的劣质膨润土矿来加工膨润土粉，为达到国标GB/T 5005—2010 的要求，在这些劣质膨润土矿中掺入大量不抗温的聚合物等材料。他们通过调整聚合物及其他外掺料的加量，生产出钻井级膨润土和OCMA级膨润土，虽然检测结果符合钻井级膨润土或OCMA级膨润土的技术要求，但在其他条件如高温条件下性能发生了很大变化[9-14]，具体表现为抗温能力差，经高温养护后，其黏度出现下降，当遇地层温度较高时高温钝化，造成钻井液的高温稳定性、滤失量等性能难以控制。同时由于外掺料的加入，在现场使用过程中还会出现以下各种问题：①配制钻井液时，膨润土粉的用量明显增加，钻井液中劣质固相增加，严重影响钻井液流变性能、润滑性能；②抗污染能力差，钻井液受盐、膏污染时，钻井液性能会急剧恶化，引发井下复杂事故发生；③钻井液中加入的各种处理剂无法通过与膨润土发生作用，使钻井液长时间保持良好性能，会大幅度提高钻井各种钻井液处理剂用量。

2.4 评价标准探讨

综上所述，当前用于现场施工的钻井液膨润土有了很大变化，采用标准GB/T 5005—2010技术指标来判定膨润土的质量已不适应膨润土质量的现状。还应增加其它指标如抗高温性能，通过膨润土高温养护后性能的稳定性来甄别膨润土，以保证现场配制钻井液使用的膨润土为性能优良的钙膨润土。鉴于现有的钻井液膨润土都是经过改性的，因此悬浮液常温性能和筛余量可继续延用GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》中OCMA级膨润土的指标要求，另外增加高温养护后性能用于甄别是否掺有造浆率低、水化性能差的膨润土矿和不抗温的聚合物等材料。综合上文实验结果，建议将满足180 ℃热滚16 h后的黏度计φ600读值不小于30.0样品设为Ⅰ级，满足150 ℃热滚16 h后的黏度计φ600读值不小于30.0样品设为Ⅱ级。考虑到经过高温热滚后，样品滤失量都有所提高，建议滤失量都不大于25 mL，见表3。

表3 膨润土热滚前后技术指标

3 结论

1.采用国标GB/T 5005—2010 《钻井液材料规范》 评价不同厂家钻井级膨润土、OCMA膨润土，各项指标，虽然满足现有标准技术要求，但高温热滚后性能差异很大，热滚温度越高差异越明显。

2.天然膨润土经过高温热滚后，仍保持较好的性能，但有些厂家的膨润土高温热滚后，性能出现了大幅度降低。

3.现有技术标准已不适应判定膨润土质量，还应增加其它指标如高温性能，通过膨润土高温养护后性能的稳定性，甄别膨润土。