水基钻井液用膨润土加工与应用技术进展

张建国(中国石化集团国际石油勘探开发公司，北京 100029)

水基钻井液用膨润土加工与应用技术进展

张建国
(中国石化集团国际石油勘探开发公司，北京 100029)

【摘 要】膨润土是钻井液的主要原料，本文对比分析了API标准和国家标准对钻井液用膨润土分类标准，概述了钻井液用膨润土的最新加工技术，提出了今后钻井泥浆用膨润土的发展建议。

【关键词】钻井液；膨润土；钠化；进展；趋势

1　前言

膨润土(Bentonite)是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土，其次含有伊利石、高岭石、埃洛石、绿泥石、水铝英石等。蒙脱石是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体为构造单元组成的2∶1型层状硅酸盐矿物，由于其层间发生类质同象取代作用而具有负电性，可以吸附周围介质中的阳离子(碱金属离子或碱土金属离子、有机阳离子、氢离子等)，晶层间被吸附的阳离子可以被其他离子交换。蒙脱石由于层间吸附的阳离子的种类、比例以及水分子数量等的不同使其晶层间的高度有所差异，一般在1.2～1.6nm之间。

蒙脱石在水介质中能分散成胶体状态，呈单一晶胞方式存在，但大多呈现多层晶胞的聚合状态(叠层片状)，由于蒙脱石晶体层面和端面的电性相反，因此在分散体系中晶体薄片一般形成面端型“卡房式”空间结构，从而表现出优良的分散性、悬浮性及粘结性，在一定浓度范围内，表现出优良的触变性。在有外加搅拌时，悬浊液表现为流动性很好的溶胶液，停止搅拌后会自行排列成立体网状结构的凝胶，而不发生沉降和水析离，这种特性特别适于配制钻井液。

钻井液是以膨润土为主要原料，根据膨润土原矿性质对其进行改性加工并添加增效剂而制得的。钻井泥浆被公认为油田钻井的血液，在钻探过程中可以起到清洁井底并携带岩屑、冷却和润滑钻头及钻柱、封闭和稳定井壁、平衡地层压力、悬浮岩屑和加重剂的作用，在钻井作业中非常重要。随着我国石油工业的发展对钻井液用膨润土需求量逐年增加，目前国内高品位钻井液用膨润土产量远远供不应求，膨润土在石油钻井方面应用前景广阔。

因此，膨润土原矿的质量及其加工技术的好坏直接决定了钻井泥浆质量的好坏，更影响钻井进度及钻井安全。国内外对钻井泥浆用膨润土给予了极大地重视，美国石油学会(API)制定的API规范13A第18版[1]和国家标准GB/T5005-2010[2]中对膨润土的要求给出了明确定义。本文对不同标准进行对比介绍，并分析国内外最新的钻井泥浆用膨润土的改性及加工方法。

2　钻井液用膨润土分类

2.1 国际通用API标准对钻井液用膨润土的分类

目前国际上最为权威的钻井材料规范是由美国石油协会制定的(API标准)。最新的API标准是在2010年发布的API规范13A第18版，该标准将钻井液用膨润土分为3类：Drilling-grade bentonite(钻井级膨润土)、Drilling-grade non-treated bentonite clay(钻井级未处理膨润土)、OCMA-grade bentonite (OCMA级膨润土)。API标准中不同产品的质量要求如表1所示。

2.2 国家标准对钻井液用膨润土的分类

早在1985年我国就发布了钻井液用膨润土行业标准，之后随着国际上通用标准API标准和OCMA标准的变化我国的钻井液材料规范几经修订，目前国内通用的钻井液材料规范为国家标准GB/T5005-2010。此标准中，将钻井液用膨润土分为3种，即：钻井级膨润土、OCMA级膨润土、未处理膨润土。国家标准中不同产品的质量要求如表2所示。

表1　API标准中不同产品的质量要求

表2　国家标准中不同产品的质量要求

2.3 不同标准的比较

对两个标准进行对比可以看出：

(1) 国标在对钻井泥浆用膨润土的分类上与API标准完全一致，均分为钻井级膨润土、未处理膨润土和OCMA膨润土。

(2) 不同产品的指标要求看似稍有差异，实则相同。主要体现在API标准中采用的一项评价指标为屈服值/塑性粘度，国标中对应的指标为动塑比，前者为后者的2倍。这种差异是由计算方法的差异所引起的，在计算动塑比时采用的是动切力/塑性粘度，而动切力的值为屈服值的一半，因此产品的指标要求相同。

(3) 三种产品的定义不同，其要求之间差异较大。钻井级膨润土是一种含有粘土矿物蒙脱石的天然粘土矿物，也可含有石英、云母、长石和方解石等。钻井级未处理膨润土[3]是一种经干燥和粉碎、但未经化学处理的产品，主要含有粘土矿物蒙脱石，以及石英、云母、长石和方解石等。OCMA级膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土，天然产出者无法满足钻井级膨润土的全部指标，需经过纯碱、聚合物或者其他化学剂处理，以改善其悬浮液性能。从定义中可知：钻井级膨润土既可以是改性的，又可以是原生的；OCMA级膨润土完全是经过改性的；而未处理膨润土则是未经过任何化学处理的。钻井级膨润土没有排除使用包括有机高分子在内的化学剂增效的可能性，而OCMA级膨润土则明确表明允许使用化学剂进行增效。

3　钻井液用膨润土加工应用技术进展

由于我国天然膨润土资源以钙基膨润土为主，钠基膨润土资源有限。钙基膨润土和钠基膨润土由于其层间离子的不同，在性能表现上存在极大的差异，钙基膨润土在吸水性能、膨胀性能、造浆性能、触变性等方面均远远差于钠基膨润土。因此，钙基膨润土原矿基本无法满足钻井液用膨润土的要求，必须经过改性加工。部分天然钠基膨润土原矿可以满足钻井液用膨润土要求，但为达到更高级别产品有时也需要进行改性和再加工。钠化改性和添加无机、有机增效剂是我国钻井液用膨润土常用的加工方法，而改性剂种类、改性剂用量、增效剂种类、增效剂用量以及改性设备及工艺直接决定了改性效果的好坏。

钻井液用膨润土钠化改型方法主要有：

(1) 干法改性。干法改性适用于原矿性能优良的膨润土改性，如新疆夏子街天然钠基膨润土、吉林刘房子天然钠基膨润土。该方法是将改性剂、增效剂在原矿晾晒的过程中预先混入原矿中，再采用雷蒙磨磨粉得出产品，从而制备出钻井液用膨润土。该方法优点是产量大。

(2) 半干法改性。半干法改性方法又可以分为堆场钠化法、轮碾钠化法、双螺旋钠化法、阻流挤压钠化法等，适用于钙基膨润土的改性。堆场钠化法是控制原矿含水量在30%左右，同时将改性剂、增效剂均匀撒到膨润土原矿中，通过不断翻动搅拌，陈化10d后干燥磨粉制成成品，该方法存在钠化不均匀的问题。挤压法通过机械提供强烈的挤压力、剪切力等作用，同时温度升高也加速了钠化反应，钠化反应较为充分。生产钠基土也可挤压法和陈化法结合。原矿破碎后经两次挤压，陈化10d再挤压一次，其产品性能较单独采用对辊挤压法和陈化法都要高。

(3) 湿法改性。湿法改性一般不用于插层、助撑等高档钻井液用膨润土的改性，该方法适用于对产品钠化程度和指标要求较高的产品生产。

(4) 改性剂和增效剂的选择。目前，常用的改性剂有碳酸钠、氢氧化钠、焦磷酸钠、六偏磷酸钠、氟化钠等，其中碳酸钠因价格低、容易得到而受到亲睐。常用的无机增效剂包括氧化镁、氧化钙、氧化钾等，有机增效剂包括：聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素(CMC)、丙烯酰胺(AM)。

陈廷臻等[4]对河南信阳上天梯膨润土进行改性生产钻井液用膨润土，通过试验研究发现，将矿石加工到-80目，加碱量为6%～7%，挤压5次，钠化效果最佳，产品指标达到API级膨润土要求，并指出4个影响钠化性能的重要因素：①必须选择蒙脱石含量高、层电荷较低的优质矿石；②钠化过程中膨润土受到足够的挤压应力；③必须确保钠化中加碱量的优化与稳定；④必须保证钠化时水质良好(硬度低)。

戴长华[5]采用5%的碳酸钠加0.05%的有机增效剂(RH)的条件下，采用干法工艺生产的泥浆土，具有优良的分散性和膨胀性、高造浆率、低失水量及优良的胶体性能和剪切稀释能力。各项指标完全达到或优于国际通用的美国API标准。该方法改进了目前人工钠基土生产要求原料含水量高、陈化时间长或需挤压的缺点，具有工时短、操作简单、投资少、低成本、生产量大、产品性能优良等特点。

曹耀华等[7]以河南某钙基膨润土矿为原料，以碳酸钠为改性剂，采用半干法对辊挤压的钠化改性方法制备了钠基膨润土。结果表明：在碳酸钠用量为3%、挤压3次、加水量为17.5%、原料粒度20目时可制备出膨胀倍和胶质价均较高的产品,产品泥浆性能符合GB /T5005-2001钻井液用膨润土的指标要求。

蒋莉等[8]针对目前油田现场所用天然膨润土的缺点，利用丙烯酰胺(AM)及其衍生物对天然膨润土进行插层，制成了纳米膨润土复合体，深入研究了其在钻井液中的性能。研究结果表明，不同种类的膨润土、丙烯酰胺及其衍生物对膨润土进行插层制备的纳米膨润土复合体的结构、性能是不同的，与普通膨润土相比，纳米膨润土复合体不仅具有良好的热稳定性能和抗污染能力，还具有比表面积大、吸附能力强、凝聚作用大和特定的表面反应能力等独特的性质。

胡继良等[9]以过硫酸钾为引发剂，通过水溶液聚合法制得了丙烯酸和丙烯酰胺的聚合物A。用聚合物A作为有机改性剂，采用混炼挤压法制备得到样品。用X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对其结构形貌进行研究，研究表明，其晶面间距由原来的1.269nm增大到1.322nm，有机基团进入层间，并且仍保持层状结构，成功制备出有机改性膨润土，有机基团进入膨润土的层间结构或与膨润土产生了键合接枝作用。用有机改性膨润土配制钻井液，当其质量分数为4%时，浆液的粘度为5.5mPa·s、滤失量为13mL、润滑系数为0.13。与普通钠基膨润土钻井液相比，有机改性膨润土钻井液的滤失量和润滑系数均有较大幅度降低，并且改善了钻井液的流变性。

铁丽云等[10]采用湖南临澧低蒙脱石含量(约40%)的膨润土，通过采用如下钠化改性工艺流程：粘土原矿→破碎→复合添加剂→钠化改性处理→烘干→磨细→产品。试验结果表明，利用纯碱、活性氧化镁、天然有机高分子化合物与合成有机高分子聚合物按合适的配比组成的复合添加剂，对临澧的低蒙脱石含量的膨润土进行改性处理。由于不同添加剂具有互补与协同作用，能使该类膨润土的分散性与流变学性能有很大提高与改善，使泥浆粘度Φ600≥30，动塑比YP/PV ≤3.0，滤失量≤16.0mL。使粘土的造浆性能达到国际标准ISO13500∶2008的要求，成为一种优质钻井级泥浆用土。

4　结语

我国膨润土资源丰富，由于其出色的性能在钻井泥浆领域得到了广泛的应用。但目前我国市场上供应的水基钻井液用膨润土基本上以OCMA级膨润土为主，未处理膨润土几乎没有，能够达到钻井级膨润土的产品不多，大量的钻井级膨润土还需要依赖进口，其生产加工技术远远落后于发达国家。因此，笔者对水基钻井液用膨润土的发展提出几点建议：①膨润土生产企业应加强科研投入，不断提升产品质量，以满足我国不断发展的钻探行业对优质材料的需求；②寻求优质资源，不断增加对钻井泥浆级和未处理膨润土的研究和生产，替代进口产品，填补国内产品空白。随着技术的不断发展，我国丰富的膨润土资源应用领域和市场占有率将不断提高，具有广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]American Petroleum Institute. ANSI/API SPECIFICATION 13A specification for drilling fluids materials[S]. API Publications, 2010.

[2]中国国家质量监督检验检疫总局.GB/T5005-2010 钻井液材料规范[S].北京:中国标准出版社,2010.

[3]曹治中.关于我国钻井液用膨润土技术标准转换中的几个问题[J].石油工业技术监督,2003,19(7):19-21.

[4]陈廷臻,涂涣生,郭辉,等.上天梯膨润土在钻井泥浆中的应用研究[J].河南地质,1996,14(1):67-73.

[5]戴长华.临澧白土坡钙基膨润土超干转型钻井泥浆用钠土工艺研究[J].非金属矿,2000,23(6):27-28.

[6]殷锡鹏.对辊挤压在生产人工钠基膨润土中的应用[J].非金属矿,1992(4):13-15.

[7]曹耀华,杨绍文,高照国,等.某钙基膨润土改性为钻井膨润土的研究[J].矿产保护与利用,2007(1):20-22.

[8]蒋莉,袁丽,郑清国.纳米膨润土复合体的研究与应用[J].石油钻探技术,2009,37(3):57-60.

[9]胡继良,陶士先,付帆,等.膨润土的有机改性及其钻井液性能[J].现代地质,2011,25(6):1219-1222.

[10]铁丽云,鲁义军,陈济美.低蒙脱石含量膨润土的造浆性能开发研究[J].中国矿业,2013,22(7):101-102.

[11]邵殿信.膨润土矿作API钻井液的试验研究[J].矿产保护与利用,1995(5):21-22.

【开发利用】

Technical Progress on Bentonite Process and Application for Water-base Drilling Mud

ZHANG Jian-guo
(SINOPEC International Petroleum Exploration & Production Corporation, Beijing 100029, China)

Abstract:In this paper, the API and Chinese national classification standards of bentonite for drilling mud have been compared and analyzed, the newest technology on bentonite progress for water-base drilling have been generalized. At the same time, suggestions for transformation and escalation of Chinese bentonite industry have been outlined.

Key words:drilling mud; bentonite; sodium treatment; achievement; trend

【收稿日期】2014-09-25

【文章编号】1007-9386(2015)01-0003-03

【文献标识码】A

【中图分类号】P619.252；TE254