孫孟瑩，張傳盈，郭明哲，WAKAM FOGAING MARCELLIN，楊雙春，徐明磊，李東勝

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，北京 100000；3.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

膨潤(rùn)土(Bentonite)是以蒙脫石為主的粘土性礦物[1-2]。其中鈉基膨潤(rùn)土的吸水率與膨脹容大，離子交換性強(qiáng)，觸變性、膠結(jié)性與熱穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)異的鉆井液配制原料[3-4]。所以各地學(xué)者嘗試諸多方法對(duì)鈣基膨潤(rùn)土進(jìn)行鈉化改性，從而提高其應(yīng)用價(jià)值[5-7]。本文針對(duì)縫洞型地層研制SDBS/Na2CO3鈉化改性膨潤(rùn)土鉆井液，用微波加熱法對(duì)鈣基膨潤(rùn)土進(jìn)行鈉化處理，考察溫度、微波條件及改性劑用量等影響因素，優(yōu)選出最佳制備條件。將其用于鉆井液，對(duì)黏度、流變性、抑制性、抗污染等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。優(yōu)化其性能，使其適用于洞縫性地層。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

天然鈣基膨潤(rùn)土(200目)；十二烷基苯磺酸鈉、碳酸鈉、濃鹽酸、無水乙醇、PAC、FLA、聚乙二醇、硅酸鉀、硫酸鋇均為化學(xué)純；蒸餾水(自制)。

BSA223S型電子天平；78-1型磁力加熱攪拌器；GZX-9023型數(shù)顯干燥箱；MAS-II常壓微波型萃取/合成反應(yīng)裝置；ZNN-D6B型數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)粘度儀；GGS42-2A型高溫高壓濾失儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微波法改性鈣基膨潤(rùn)土 取膨潤(rùn)土適量，用50%無水乙醇、蒸餾水，配制膨潤(rùn)土懸濁液，添加不同比例的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和碳酸鈉(Na2CO3)，采用磁力攪拌器將溶液攪拌均勻(不加熱)，對(duì)其進(jìn)行微波改性研究。實(shí)驗(yàn)過程中探討磁力攪拌時(shí)間、微波時(shí)間、微波功率、溫度、無水乙醇、改性劑(SDBS/Na2CO3)用量、溫度等因素對(duì)膨潤(rùn)土改性的影響。

1.2.2 結(jié)構(gòu)表征 取適量樣品利用傅里葉紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行紅外分析。

1.2.3 水基鉆井液的優(yōu)選 洞縫型地層對(duì)鉆井液的黏性要求更高，目前常用的配方為：4%膨潤(rùn)土+5%碳酸鈉+0.2%PAC(增粘劑)+0.7%FLA(降濾失劑)+2%聚乙二醇(分散劑)+3%硅酸鉀(膠凝劑)+0.8%硫酸鋇(加重劑)。將實(shí)驗(yàn)室自制復(fù)合改性膨潤(rùn)土作為主要成分(不添加增粘劑)，將改性膨潤(rùn)土鉆井液與上述含PAC未改性膨潤(rùn)土鉆井液配方進(jìn)行性能對(duì)比，從而對(duì)改性膨潤(rùn)土鉆井液體系進(jìn)行考察。

將自制改性鉆井液體系放入老化罐中，設(shè)置老化溫度為80 ℃，時(shí)間為16 h，測(cè)定其表觀粘度；采用高溫高壓濾失儀對(duì)鉆井液濾失性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；將鉆井液倒入膨脹儀測(cè)試杯中，測(cè)其膨脹量，進(jìn)而對(duì)鉆井抑制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；在所制鉆井液中分別加入濃度為3%，5%，7%的疏松砂巖地層土，并通過100目篩網(wǎng)的疏松砂巖巖心，測(cè)量(高速環(huán)境下)體系的粘度(mPa·s)、濾失量(mL)，進(jìn)而對(duì)其抗污染能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SDBS/Na2CO3改性膨潤(rùn)土

2.1.1 攪拌時(shí)間 取8 g膨潤(rùn)土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，8 mL 50%無水乙醇，加入蒸餾水至60 mL。磁力攪拌不加熱，溫度為30 ℃。磁力攪拌時(shí)間分別定為1，2，3，4，5 min，微波時(shí)間分別為1，2，3，4，5 min，即每一個(gè)梯度磁力攪拌時(shí)間下對(duì)應(yīng)微波時(shí)間的膨脹容測(cè)定5次(實(shí)驗(yàn)共計(jì)25次)，將梯度磁力攪拌時(shí)間所對(duì)應(yīng)微波時(shí)間的最優(yōu)膨脹容數(shù)據(jù)整合，結(jié)果見表1。

表1 磁力和微波攪拌時(shí)間對(duì)膨脹容的影響Table 1 Influence of magnetic force and microwave stirring time on expansion capacity

由表1可知，磁力攪拌時(shí)間和微波照射時(shí)間對(duì)膨潤(rùn)土鈉化效果具有一定的影響。磁力攪拌時(shí)間增加，膨脹容增大，3 min時(shí)達(dá)到最大值，所對(duì)應(yīng)的微波時(shí)間為2 min。當(dāng)磁力攪拌時(shí)間>3 min時(shí)，膨脹容有所降低，但最低值仍大于3 min以內(nèi)數(shù)值。所以最后確定磁力攪拌時(shí)間3 min，微波時(shí)間2 min，此時(shí)的樣品吸水膨脹性最好，膨脹容為47 mL/g。

2.1.2 SDBS/Na2CO3改性劑比例 實(shí)驗(yàn)采用膨潤(rùn)土8 g，SDBS 1 g，50%無水乙醇8 mL，磁力攪拌時(shí)間為3 min，微波照射時(shí)間2 min，溫度為30 ℃，Na2CO3質(zhì)量分別為0，0.5，1，1.5，2 g時(shí)，考察SDBS/Na2CO3用量比例與膨脹容之間的關(guān)系結(jié)果見表2。

表2 改性劑對(duì)膨脹容影響Table 2 Influence of modifier on expansion capacity

由表2可知，SDBS/Na2CO3用量比例不同對(duì)膨潤(rùn)土鈉化效果具有一定的影響。當(dāng)Na2CO3含量為0.5 g時(shí)，膨脹容最低，隨著Na2CO3的增加，膨脹容逐漸增加，并在 Na2CO3質(zhì)量為1.5 g時(shí)，達(dá)到最大為53 mL/g。這是由于一方面鈣基膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)化為鈉基的實(shí)驗(yàn)本身增加了膨脹容值，另一方面SDBS提供了一種具有高表面活性的可交換陽離子，降低了溶液的表面張力，從而增加了膨脹容。所以實(shí)驗(yàn)取SDBS質(zhì)量為1 g，Na2CO3質(zhì)量為1.5 g，質(zhì)量比例為2∶3，此時(shí)實(shí)驗(yàn)效果最佳。

2.1.3 溫度 溫度是鈉化改性實(shí)驗(yàn)不可忽視的重要反應(yīng)條件[8]。采用膨潤(rùn)土8 g，SDBS 1 g，Na2CO31.5 g，50%無水乙醇8 mL，磁力攪拌時(shí)間為3 min，微波照射時(shí)間2 min。溫度分別為30，40，50，60，70 ℃時(shí)，考察溫度與膨脹容之間的關(guān)系，結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對(duì)膨脹容的影響Fig.1 Influence of temperature on expansion capacity

由圖1可知，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)膨脹容最大，為50 mL/g。當(dāng)溫度>40 ℃時(shí)，膨脹容呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于升高溫度，SDBS的表面活性增強(qiáng)，懸浮液的表面張力下降，使膨脹容變大。但溫度過高，會(huì)導(dǎo)致SDBS的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而降低鈉化效果。

2.1.4 微波功率 實(shí)驗(yàn)采用8 g膨潤(rùn)土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，8 mL的50%無水乙醇，磁力攪拌時(shí)間為3 min，微波照射時(shí)間2 min，反應(yīng)溫度40 ℃，微波功率分別為100，200，300，400，500，600，700 W時(shí)，考察微波功率與膨脹容之間的變化關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 膨脹容隨微波功率變化關(guān)系Fig.2 Relation between expansion capacity and microwave power

由圖2可知，微波功率的不同會(huì)影響微波的照射強(qiáng)度，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。當(dāng)微波功率為200 W時(shí)，鈉化改性膨潤(rùn)土的膨脹容最大，為49 mL/g。隨著微波功率逐漸升高，膨脹容呈持續(xù)走低趨勢(shì)?？赡苁且?yàn)槿芤涸诖帕嚢钑r(shí)混合較為均勻，反應(yīng)物之間接觸性良好，但是當(dāng)微波功率>400 W時(shí)，其照射強(qiáng)度變強(qiáng)，使得SDBS的碳鏈發(fā)生斷裂，破壞了鈉化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。

2.1.5 50%無水乙醇 實(shí)驗(yàn)采用8 g膨潤(rùn)土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，磁力攪拌3 min，微波照射2 min，微波功率200 W，反應(yīng)溫度40 ℃，溶液定量60 mL。50%無水乙醇用量分別為8，20，30，40，50，60 mL時(shí)，考察乙醇用量與膨脹容影響關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 50%無水乙醇量對(duì)膨脹容的影響Fig.3 Influence of 50% anhydrous ethanol on expansion capacity

由圖3可知，當(dāng)50%無水乙醇體積為20 mL時(shí)，膨脹容最低，僅為12 mL/g，隨著50%無水乙醇體積的增加，膨脹容逐漸增加，并于40 mL時(shí)達(dá)到最大值，為44 mL/g。但當(dāng)無水乙醇體積持續(xù)增加時(shí)，膨脹容漸漸呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。可能是因?yàn)椋?0%無水乙醇使得膨潤(rùn)土的層間季胺碳?xì)滏I發(fā)生橋聯(lián)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了較好的溶劑化，從而使得層間膨脹且分散，提高了鈉化反應(yīng)效率。但是當(dāng)50%無水乙醇體積持續(xù)增大時(shí)，對(duì)樣本的流變性及膨脹性產(chǎn)生了消極作用。所以實(shí)驗(yàn)采用40 mL的無水乙醇(50%)，20 mL 的水(蒸餾水)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)效果最優(yōu)。

綜上所述，確定改性膨潤(rùn)土最佳實(shí)驗(yàn)條件為：8 g 膨潤(rùn)土，十二烷基苯磺酸鈉1 g，碳酸鈉1.5 g[m(膨潤(rùn)土)∶m(SDBS)∶m(Na2CO3)=16∶2∶3]，50%無水乙醇量為40 mL，蒸餾水20 mL，磁力攪拌3 min，微波照射2 min，溫度為40 ℃，微波功率為200 W。采用上述實(shí)驗(yàn)條件制備改性膨潤(rùn)土，并配制鉆井液體系。

2.2 結(jié)構(gòu)表征

將復(fù)合改性后的膨潤(rùn)土進(jìn)行紅外分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，紅外光譜中呈現(xiàn)出了特征吸收峰：3 650～3 500 cm-1處出現(xiàn)了寬而強(qiáng)的 —OH伸縮振動(dòng)峰，1 640 cm-1附近出現(xiàn)了 —OH伸縮振動(dòng)峰，均為膨潤(rùn)土晶格中結(jié)晶水的表征。2 950～2 830 cm-1的C—H非對(duì)稱拉伸振動(dòng)和對(duì)稱拉伸振動(dòng)峰值均出現(xiàn)在紅外光譜中，且峰值屬于Na2CO3與SDBS。在1 030 cm-1附近有Si—O的強(qiáng)吸收帶，在400～600 cm-1處有Al—O和Si—O的彎曲振動(dòng)峰。綜上所述，這些吸收峰的位置表明改性劑成功進(jìn)入膨潤(rùn)土并進(jìn)行了插層，改性成功。

圖4 改性膨潤(rùn)土紅外表征示意圖Fig.4 Infrared characterization of modified bentonite

2.3 改性膨潤(rùn)土鉆井液及性能評(píng)價(jià)

2.3.1 流變性 改性膨潤(rùn)土鉆井液體系(不含PAC)即自制鉆井液體系，未改性膨潤(rùn)土鉆井液體系(含PAC)即常規(guī)鉆井液體系，測(cè)定二者的流變性(未老化)。將制備體系放入老化容器中，在80 ℃條件下滾動(dòng)16 h，測(cè)定二者的表觀粘度、塑性粘度及動(dòng)切力(老化后)，結(jié)果見表3。

表3 老化前后兩種鉆井液的流變性能對(duì)比Table 3 Comparison of rheological properties of the two drilling fluids before and after aging

由表3可知，改性膨潤(rùn)土鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力等性能在老化前后，數(shù)值均大于未改性膨潤(rùn)土鉆井液，且本身數(shù)值變化幅度不大，受老化實(shí)驗(yàn)影響較小，具備一定的熱穩(wěn)定性。即使未加增黏劑，自制體系的流變性能與黏性均表現(xiàn)良好，所以改性膨潤(rùn)土鉆井液滿足縫洞型地層應(yīng)用條件。其原因可能在于當(dāng)兩種體系的濃度相同時(shí)，由于膨潤(rùn)土本身具有分散性，在鈉化后則更易形成結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、重組性好的凝膠狀態(tài)，所以改性體系在維持較高的表觀黏度的同時(shí)，還可保證懸浮液在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)結(jié)構(gòu)性能，從而使得改性膨潤(rùn)土鉆井液流變性更好。

2.3.2 濾失性 對(duì)改性膨潤(rùn)土鉆井液濾失性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，80 ℃滾動(dòng)老化16 h后常規(guī)鉆井液體系的濾失增量為0.5 mL，實(shí)驗(yàn)室制備體系濾失增量為0.7 mL，大于未改性膨潤(rùn)土鉆井液。但是實(shí)驗(yàn)室制備鉆井液常溫下的濾失量?jī)H為6.2 mL，遠(yuǎn)小于未改性膨潤(rùn)土鉆井液，且老化前后泥餅厚度為0.5 mm，在滲透性較小、泥餅較薄甚至不易形成泥餅的地層應(yīng)用時(shí)，改性膨潤(rùn)土鉆井液不僅濾失量小于未改性鉆井液，還可以形成具有安全鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)等特點(diǎn)的有效泥餅。

2.3.3 抑制性 將自制鉆井液倒入膨脹儀測(cè)試杯中測(cè)其膨脹量，老化溫度為80 ℃。巖心膨脹量隨時(shí)間的變化見表5。

表5 巖心膨脹量隨時(shí)間的變化Table 5 Changes of core expansion over time

由表5可知，老化前后的巖樣膨脹量均會(huì)隨著時(shí)間的增加而變大，但是當(dāng)80 ℃下老化，時(shí)間超過180 min后，膨脹率開始減少，并漸漸趨于平穩(wěn)。該結(jié)果表明所制鉆井液體系能夠有效抑制巖石的熱膨脹現(xiàn)象，從而有效防止井漏、井壁坍塌等井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

2.3.4 抗污染能力 在改性膨潤(rùn)土基漿中分別加入濃度為3%，5%，7%的地層土，并通過100目篩網(wǎng)的疏松砂巖巖心，經(jīng)高速攪拌后測(cè)其粘度值(mPa·s)及濾失體積(mL)，結(jié)果見表6。

表6 粘度和濾失量Table 6 Viscosity and filtration loss

由表6可知，隨著地層土用量(3%，5%，7%)的不斷增加，黏度值波動(dòng)數(shù)值增加2.4 mPa· s，動(dòng)切力波動(dòng)數(shù)值降低3.1 Pa，濾失波動(dòng)數(shù)值增加0.7 mL，濾餅厚度減少量為0.1 mm?？偟膩砜?，其黏度值、動(dòng)切力、濾失量及濾餅厚度的數(shù)值與污染前相比相差不多，地層土添加量的多少?zèng)]有對(duì)鉆井液性能產(chǎn)生大幅度的消極影響。因此可知，改性膨潤(rùn)土鉆井液的抗污染能力較高。

3 結(jié)論

通過將膨潤(rùn)土進(jìn)行復(fù)合改性，得到了黏度性能較高的改性物質(zhì)。將其應(yīng)用于鉆井液中，一方面提高了鉆井液應(yīng)用性能。另一方面減少了配方組分，從而降低了油田現(xiàn)場(chǎng)配制難度與應(yīng)用成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)改性膨潤(rùn)土最佳實(shí)驗(yàn)條件為：SDBS 1 g、Na2CO31.5 g、50%無水乙醇量40 mL、蒸餾水20 mL、磁力攪拌3 min、微波照射2 min，溫度為40 ℃，微波功率為200 W。此時(shí)的膨脹容為53 mL/g，鈉化效果最佳。

(2)所制改性膨潤(rùn)土鉆井液具體配方為：5%碳酸鈉+4%改性膨潤(rùn)土+0.7%FLA+2%聚乙二醇+3%硅酸鉀+0.8%硫酸鋇。該鉆井液體系具有良好的熱穩(wěn)定性，表觀粘度為38.2 mPa·s；濾失量為6.2 mL，泥餅厚度為0.5 mm，80 ℃，16 h后濾失量為6.9 mL，泥餅厚度為0.5 mm；抑制性能良好，且具有一定的抗污染能力，可以被應(yīng)用于洞縫型地層開采中。