李 雄，劉貴傳

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

膨潤(rùn)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(shí)踐發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土存在長(zhǎng)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(wèn)題，尤其用于高溫高密度鉆井液時(shí)，這一問(wèn)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(rùn)土在保證鉆井液性能的同時(shí)，不但對(duì)固相含量影響小，且能有效降低高溫減稠或增稠的風(fēng)險(xiǎn)。因此優(yōu)選高品質(zhì)的膨潤(rùn)土對(duì)于控制高溫高密度鉆井液的性能非常關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[1]較為全面地介紹了膨潤(rùn)土性能的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，但涉及的測(cè)試評(píng)價(jià)項(xiàng)目較多、測(cè)試評(píng)價(jià)周期長(zhǎng)、工作量大?，F(xiàn)行鉆井液用膨潤(rùn)土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的性能評(píng)價(jià)方法很少要求其耐溫性，而且，做完測(cè)試評(píng)價(jià)后，還要再根據(jù)諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)定，評(píng)價(jià)結(jié)果可能受人為因素的影響。因此，筆者分析了膨潤(rùn)土品質(zhì)與膨潤(rùn)土造漿率、膨潤(rùn)土漿流變性及濾失量等之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試及計(jì)算得到膨潤(rùn)土造漿率及膨潤(rùn)土漿在老化前后的塑性黏度、動(dòng)切力和濾失量等參數(shù)，利用曲線擬合等手段計(jì)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(rùn)土的品質(zhì)特性，再通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可求得膨潤(rùn)土品質(zhì)的量化數(shù)值，此數(shù)值越大，膨潤(rùn)土的品質(zhì)越好。該方法即為基于特性菱形圖的膨潤(rùn)土優(yōu)選方法(簡(jiǎn)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(píng)價(jià)溫度對(duì)膨潤(rùn)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(rùn)土。

1 膨潤(rùn)土優(yōu)選方法

膨潤(rùn)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(yáng)離子類型和膨潤(rùn)土中有無(wú)增效劑等因素決定[1]。通常，膨潤(rùn)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(rùn)土漿的濾失量就越低，膨潤(rùn)土的品質(zhì)就越高。此外，蒙脫石晶片上的陽(yáng)離子類型可影響其水化膨脹能力，當(dāng)陽(yáng)離子為鈉離子時(shí)，蒙脫石的水化膨脹能力最好。在膨潤(rùn)土加工和生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)降濾失性能[2])。

1.1 現(xiàn)行膨潤(rùn)土優(yōu)選方法的缺陷

應(yīng)用石油公司材料協(xié)會(huì)(OCMA)評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土品質(zhì)的方法[1]，可較全面地評(píng)價(jià)膨潤(rùn)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(píng)價(jià)項(xiàng)目太多，工作量大、評(píng)價(jià)周期長(zhǎng)，不利于批量?jī)?yōu)選。根據(jù)石油鉆井液用膨潤(rùn)土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]可以評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土的品質(zhì)，這些標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了膨潤(rùn)土的濕度、篩余量，以及特定膨潤(rùn)土加量下膨潤(rùn)土漿的某些性能參數(shù)值，如旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600轉(zhuǎn)的讀數(shù)、動(dòng)塑比和API濾失量等。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)文獻(xiàn)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(rùn)土，尤其是膨潤(rùn)土用于高溫高密度鉆井液時(shí)。其原因主要有3個(gè)：1)標(biāo)準(zhǔn)中絕大多數(shù)測(cè)試都是在室溫(25 ℃)下進(jìn)行的，此時(shí)增效劑是穩(wěn)定的，有無(wú)增效劑或經(jīng)高溫老化后增效劑對(duì)其性能的影響不能從評(píng)價(jià)結(jié)果看出來(lái)。2)雖然可以使用過(guò)氧化氫對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)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(guò)氧化氫進(jìn)行氧化預(yù)處理需要的時(shí)間較長(zhǎng)(1～3 d，甚至更長(zhǎng))。3)測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果是一些相對(duì)獨(dú)立、零散的數(shù)據(jù)，如某一膨潤(rùn)土樣品可能某個(gè)性能突出，而其他性能可能較差，如何綜合考慮或量化每個(gè)膨潤(rùn)土樣品的整體性能，往往比較困難。因此，一個(gè)好的膨潤(rùn)土優(yōu)選方法，應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1)可以在測(cè)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(shí)，可以保留其增效作用；2)測(cè)試項(xiàng)目盡量少，且測(cè)試方法簡(jiǎn)單、快捷；3)可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到反映膨潤(rùn)土樣品綜合品質(zhì)的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 特性菱形圖優(yōu)選方法

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

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

膨潤(rùn)土漿的流變性和膨潤(rùn)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(rùn)土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)實(shí)際上都是造漿率和相應(yīng)膨潤(rùn)土漿濾失量的量化表征[5]。雖然膨潤(rùn)土造漿率與膨潤(rùn)土漿濾失量之間沒(méi)有明確的相關(guān)性，但大量工程實(shí)踐表明，對(duì)于未經(jīng)人工改造的天然膨潤(rùn)土，通常表現(xiàn)為隨著造漿率升高，膨潤(rùn)土漿的濾失量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)[6-9]。因此，測(cè)定膨潤(rùn)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(rùn)土的造漿率高，對(duì)應(yīng)膨潤(rùn)土漿的濾失量和動(dòng)切力低。顯然，當(dāng)表觀黏度相同時(shí)，用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土配制膨潤(rùn)土漿的塑性黏度較高。通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以采用菱形圖表示膨潤(rùn)土漿的塑性黏度、動(dòng)切力、濾失量和膨潤(rùn)土造漿率這4個(gè)指標(biāo)，并根據(jù)其內(nèi)在聯(lián)系計(jì)算出一個(gè)量化值，即膨潤(rùn)土的品質(zhì)。通過(guò)比較各個(gè)膨潤(rùn)土的品質(zhì)值便可快速優(yōu)選出目標(biāo)膨潤(rùn)土。菱形圖的具體繪制方法如下：

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

2) 測(cè)試和計(jì)算各基漿的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)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(dòng)切力和API濾失量與膨潤(rùn)土加量之間的關(guān)系曲線，并擬合出表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、API濾失量與膨潤(rùn)土加量之間的關(guān)系式。

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

5) 選擇一組塑性黏度、動(dòng)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(yàn)虛擬一組，也可以從文獻(xiàn)中選出一組，還可以從被測(cè)的幾個(gè)膨潤(rùn)土樣品中選擇一組，因?yàn)槭亲鳛閰⒖嫉?，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(lái)，以便長(zhǎng)期使用。筆者測(cè)試了表觀黏度為15 mPa·s的美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)土漿的塑性黏度、動(dòng)切力和API濾失量，其分別為10.5 mPa·s,4.5 Pa和17.9 mL，計(jì)算出美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)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(dòng)切力、API濾失量和造漿率的參考值除各膨潤(rùn)土漿的塑性黏度、動(dòng)切力、API濾失量和各膨潤(rùn)土的造漿率，求得塑性黏度比、動(dòng)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(duì)值1.0的位置對(duì)應(yīng)著塑性黏度、動(dòng)切力、API濾失量和造漿率的參考值。

圖2 懷俄明膨潤(rùn)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(rùn)土粒子的凝聚特性，縱軸反映膨潤(rùn)土粒子的分散特性，縱軸與橫軸的比反映了膨潤(rùn)土的品質(zhì)特性，品質(zhì)特性與反映經(jīng)濟(jì)因素的造漿率比的乘積就是膨潤(rùn)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(dòng)切力比；RL為API濾失量比；Vi為分散性；Te為凝聚性；Qc為膨潤(rùn)土的品質(zhì)特性；Q為膨潤(rùn)土的品質(zhì)。

使用特性菱形圖法優(yōu)選膨潤(rùn)土，只需要比較膨潤(rùn)土的品質(zhì)Q，其值越高，膨潤(rùn)土的品質(zhì)越好。顯然，該法有以下優(yōu)點(diǎn)：1)量化了膨潤(rùn)土的品質(zhì)，直觀反映了膨潤(rùn)土的品質(zhì)；2)如果優(yōu)選的膨潤(rùn)土用于高溫鉆井液，只需要在優(yōu)選時(shí)將配制好的基漿預(yù)先進(jìn)行對(duì)應(yīng)溫度的老化處理，消除膨潤(rùn)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(yàn)結(jié)果與分析

收集了國(guó)內(nèi)遼寧、山東、天津和新疆等地的5種鉆井液常用的膨潤(rùn)土樣品，利用特性菱形圖法進(jìn)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(rùn)土的過(guò)程中，對(duì)各膨潤(rùn)土漿進(jìn)行了220 ℃高溫老化16h的處理。各膨潤(rùn)土漿老化前后表觀黏度為15mPa·s時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性黏度、動(dòng)切力、API濾失量，各膨潤(rùn)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(rùn)土漿老化前后表觀黏度為15 mPa·s時(shí)對(duì)應(yīng)的膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)土加量關(guān)系式計(jì)算出的，膨潤(rùn)土漿的表觀黏度都為15 mPa·s。根據(jù)表1繪制各膨潤(rùn)土樣品的特性菱形圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 各膨潤(rùn)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(gè)膨潤(rùn)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(rùn)土樣品中可能添加了增效劑，增效劑經(jīng)過(guò)高溫老化后不同程度降解(或失效)。這說(shuō)明，優(yōu)選用于高溫鉆井液用膨潤(rùn)土?xí)r，有必要進(jìn)行高溫老化以消除增效劑的副作用。同時(shí)，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(qiáng)，品質(zhì)相對(duì)較差。

2 特性菱形圖優(yōu)選方法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證特性菱形圖優(yōu)選方法的可靠性，使用上文收集的膨潤(rùn)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(dòng)老化16 h后，對(duì)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(rùn)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(rùn)土加量。通過(guò)大量試驗(yàn)得知，對(duì)于密度為2.30 kg/L的鉆井液，其膨潤(rùn)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(jì)了2組試驗(yàn)。鉆井液配方為膨潤(rùn)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(rùn)土加量相同

測(cè)試加入1.50%膨潤(rùn)土樣品鉆井液的流變性和濾失量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各膨潤(rùn)土樣品加量相同時(shí)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(cè)試和計(jì)算得到的；高溫高壓濾失量是在180 ℃下測(cè)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(rùn)土樣品的品質(zhì)由好到壞的順序?yàn)闃悠?、樣品2、樣品5、樣品3和樣品4，按1.50%加入膨潤(rùn)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(píng)價(jià)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(méi)有出現(xiàn)重晶石沉降；加入其他幾個(gè)樣品鉆井液的性能測(cè)試結(jié)果表明，隨著膨潤(rùn)土品質(zhì)降低，其構(gòu)造形成性變強(qiáng)，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(rùn)土加量不同

由表1可知，雖然老化后各膨潤(rùn)土漿的表觀黏度均為15 mPa·s，但各膨潤(rùn)土樣品的加量都不同，表明各膨潤(rùn)土樣品的品質(zhì)存在差異。將表1中老化后的各膨潤(rùn)土漿對(duì)應(yīng)的膨潤(rùn)土加量列于表3中，以樣品1的加量為參考，可計(jì)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(rùn)土樣品1的加量1.50%，可計(jì)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(jiàn)表3。這樣做的目的在于，可以保證配制的鉆井液經(jīng)過(guò)高溫老化后，膨潤(rùn)土耐受高溫的含量是相同的。

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

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

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

表4 膨潤(rùn)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(rùn)土加量調(diào)整后，鉆井液老化的性能與膨潤(rùn)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(rùn)土樣品的鉆井液隨著調(diào)整后膨潤(rùn)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(rùn)土加量增加越大，改變的幅度越大。此外，沒(méi)有發(fā)生重晶石沉降現(xiàn)象，但膨潤(rùn)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(shí)也不能將濾失量控制在合理水平。這說(shuō)明，采用調(diào)整膨潤(rùn)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(rùn)土。

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

3 結(jié) 論

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

2) 提出了基于特性菱形圖的膨潤(rùn)土優(yōu)選方法，該方法通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，僅使用一個(gè)量化值就能反映膨潤(rùn)土的品質(zhì)。

3) 使用高溫高密度鉆井液驗(yàn)證了特性菱形圖優(yōu)選方法的可靠性，膨潤(rùn)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(rùn)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。