膨润土改性及其在钻井液方面的应用

王月超，王腾达，杨双春，秦永航，龙文宇（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）



膨润土改性及其在钻井液方面的应用

王月超，王腾达，杨双春，秦永航，龙文宇
（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

摘要：膨润土（ Bentonite ），主要成分粘土矿物-蒙脱石，以两层 Si-O 四面体中夹一层Al-（O，OH）八面体作为构造单元构成的层状硅酸盐矿物。膨润土是调整钻井液流变性和滤失性的重要天然矿物材料。通过改善天然膨润土水化性和吸附性，使得膨润土滤失效果增强，与其他处理剂的协同能力得到提高，从而显著改善钻井液性能。主要介绍了膨润土的有机改性工艺在钻井液方面的应用，并探究了改性后的膨润土在超深井的高温高压条件下的作用效果，以期为相关研究提供参考。

关键词：膨润土；有机改性；钻井液；高温；高压

膨润土是一种以蒙脱石为主的层状硅酸盐矿物，膨润土的有机改性在膨润土应用领域得到广泛重视，改性后的膨润土的性能优良，应用前景广阔，其在钻井液方面的用量占膨润土总用量的第二位［1］。改性后的膨润土可调整钻井液流变性和滤失性能，大大提高钻井液性能。关于膨润土改性以及应用的研究报道已有很多，但关于有机改性膨润土应用于钻井液的报道十分稀少［2］。本文介绍了膨润土改性及其在钻井液方面的应用，并探究了高温高压对膨润土性能的影响以及在深井和超深井钻井液工艺技术方面对膨润土进行进一步改性。

1　膨润土改性及增效

膨润土的有机改性在膨润土应用研究领域占有重要地位，改性后的膨润土因其优良的性能而具有十分广阔的应用前景，受到众多学者的关注。

目前，已有研究者对膨润土增效机理和改性工艺进行了深入的研究。何世鸣等［3］分别对火碱以及纯碱与盐复合的作用机理、氧化镁以及氧化镁与碳酸钠共同作用的机理、有机高分子聚合物作用的机理和木质素磺酸盐类处理剂的作用机理四种膨润土改性与增效的方法进行了研究，从而为进一步研究膨润土改性与增效提供了较好的理论指导。王鸽等人［4］也在膨润土改性在钻井液方面的应用进行了探究，他们通过钠化改性和加入某种或多种增效剂两种路径来提高膨润土钻井液指标。结果表明湖北鄂州膨润土用于生产钻井液的最佳工艺为：钠化剂NaCO3加入量为 4.0%，水分为 24%，差速对辊挤压3次，制得改性成品后加入增效剂苛性钠1.2%，高分子聚合物1.0%，可得到优质钻井液用膨润土。总的来说，在一定浓度范围内，表现出良好的触变性，在钻井液中发挥着重要作用。但有学者提出改性膨润土添加增效剂时，对于层电荷不同的膨润土添加时间有明显不同，该问题将值得开展进一步研究。胡继良等［5］也对膨润土改性进行了研究。实验中，对用于水基钻井液的钠基膨润土开展了有机改性研究，按一定比例将丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AC）倒入NaOH水溶液中，加入一定量过硫酸钾作为引发剂，并搅拌加热得到聚合物A，取钠基膨润土和6%的聚合物A混合均匀，进过混炼挤压，得到有机改性膨润土。将实验得到的有机改性膨润土进行钻井液性能检测，结果表明，当有机改性膨润土质量分数为4%时，其浆液粘度为5.5 mPa·s，润滑系数0.13，滤失量为13 mL，性能优良，前景可观。王贵和等人［6］开展了磁化膨润土浆流变性实验的研究，实验中磁感应强度是通过电磁铁产生，通过滑线变阻器调节电流强度达到改变磁感应强度的目的，循环速度由节流阀来调节，采用秒表计时，以探究不同磁化条件（磁感应强度、循环速度、磁化时间）对膨润土浆流变性能的影响。实验中，通过采用单一变量法探究了磁化时间、磁化强度、循环速度对膨润土流变性的影响，最佳降粘切磁化条件∶磁感应强度为0.16 T，磁化时间为1 h。针对 k 井钻井液在钻井过程中出现井漏严重、处理井漏复杂周期长等问题，魏武等人［7］提出了膨润土浆雾化钻井治漏方案优选气液比，有效地控制了钻井液的漏失量。雾化钻进期间，出口有气体返出，液体间断返出。由于雾化钻进所用钻井液排量较小，钻井液每天漏失260 m3左右，相比黏土钻井漏失量而言，漏失量减少8倍多，现场钻井液供应要求得以满足.本井膨润土浆基液雾化钻井技术的成功为高效安全钻采砂质黄土层的油井探索出了一条有利途径。

改性后的膨润土因其在钻井液中具有较好的携带性和流变性，能有效地防止腐蚀，润滑钻井，同时它也有可观的提切、增黏效果，可以作为配制油包水泥浆和优良的抗高温解卡剂的原料，在提高钻井速度的同时又使得事故的发生几率减少。因此，在钻井液方面的应用颇受研究者关注。

2　膨润土在抗高温钻井液中的研究

随着，油井深度的增加，对钻井液的性能影响也不断增大，在超深井的高温高压条件下，钻井液中发生着复杂的物理以及化学变化，对此，膨润土在抗高温钻井液中的研究一直是学者研究重点。

高温造成钻井液不稳定的根本原因之一是高温诱发的黏土颗粒分散。合理、准确控制高温超深井水基钻井液中的基础材料—膨润土的含量，对钻井液性能影响尤为重要，为此黄维安等人［8］依据GB/T16783-1997 标准，在水基钻井液现场对膨润土在钻井液中的有效含量进行了测量。实验过程中，通过探究氯化钠质量分数、钻井液 pH 值对膨润土有效含量影响，通过亚甲基蓝容量法来测定钻井液中膨润土的有效含量。实验结果表明，随着氯化钠质量分数增加，测试的膨润土含量降低，但降低幅度不大；随着钻井液 pH 值升高，测试的膨润土含量增大，但增加幅度不大。崔明磊等人［9］进行了抗高温白油基钻井液所用有机土的研究，将配制质量浓度约为12%的膨润土浆，在 65 ℃的条件下，加入分散剂和钠化剂，开展钠化改性，并提纯烘干得到钠土。选择一种长碳链的季铵盐作为有机覆盖剂，对钠土进行有机改性，得到满足实验目的的膨润土。同时，采用扫描电镜（ SEM） 、X射线衍射（ XRD）、热重（TG）分析和红外光谱（ FTIR）对自制有机土进行结构表征，并进行性能评价。结果表明，该有机土凝胶和增粘提切性能好，可在240 ℃的高温条件下使用，相对于国内有机土性能优良，其性能与Canada有机土相当，是一种质量较好的钻井液用白油基有机土。

在油井深度不断增加的情况下，对钻井液的性能影响也不断增大，为此刘江华等人［10］在进行高密度水基钻井液的抗高温作用机理及流变性能的研究中，分别开展了温度、膨润土含量、pH对膨润土性能影响的探究。通过考察老化16 h在不同温度下进行对膨润土浆的滤失性及流变性的影响，得出随温度的升高，膨润土浆的动切力先降低后升高，在 180℃附近出现最低值；随膨润土含量增加，膨润土浆的动切力、塑性粘度及表观粘度均增加，在膨润土含量超过 4%后，出现较大的增加幅度；膨润土浆老化前的动切力和塑性粘度与 pH 值关系均不大，而膨润土浆老化后塑性粘度在 pH 值增大的情况下，明显增大，其动切力则出现先减少后增大的现象，在 pH=9 时 API 滤失量与动切力均达到最低值。赵红香等［11］也对高温对钻井液中膨润土的作用进行了探究。实验中通过对膨润土浆在不同温度条件下老化16 h，测试其流变性及滤失量。随老化温度的升高，出现膨润土浆高温聚结的现象，导致塑性粘度及表观粘度总体变化趋势出现先略有减少而后增大的状况，且滤失性能变差。川东北地区海相储层地层湿度高、盐膏侵严重、压力梯度大，为此张军等人［12］开展了抗高温超高密度钻井完井液的研究，实验中探究了膨润土限量问题，实验结果表明随着膨润土含量的增加，钻井液漏斗黏度、滤失量降低、切力增加，膨润土含量过高，钻井液黏度，流动性变差、切力增幅大，现场维护中，超高密度（2.70 g/cm3）钻井液的膨润土含量为12～20 g/L最佳。

高温作为对钻井液中粘土的作用影响的重要因素，探究高温对膨润土性能的影响并对其进行优化可有效地改善高温对钻井液性能的影响势在必行。但至今为止，钻井液的抗温性及其在高温条件下的流变性、滤失性的调控，特别是对于高密度钻井液流变性的调控，在深井和超深井钻井液工艺技术方面仍有很大的研发空间，众多研究者正对其进行深入的探究。

4　结束语

因钻井液作为钻井工程的血液，膨润土为钻井液重要基础材料，膨润土改性及其在钻井液方面的应用是目前学者研究的重点内容。本文在膨润土的有机改性以及在钻井液方面的重要应用进行了综述，笔者建议今后对于膨润土的改性及在钻井液方面的应用应着重于抗高温高压的钻井液的研究，进一步研究压力、温度对高密度钻井液流变性的影响，更深一步探讨压力对粘度的影响的作用机理。

参考文献：

［1］韩秀山.膨润土的综合开发利用［J］.硅铝化合物，2004，16（4）：1-11.

［2］陶士先，汤松然，彭步涛.绳索取心钻杆内壁结垢机理与防治［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2007，34（增刊）：155-159.

［3］何世鸣，周健，候德峰.膨润土用于钻井泥浆改性与增效机理探讨［J］.中国非金属矿工业导刊，2002（04）：15-17.

［4］王鸽，郭海盈，谢爱虎，徐光亮.钻井泥浆用膨润土的试验研究［J］.中国非金属矿工业导刊，2010（04）：40-42.

［5］胡继良，陶士先，付帆，王成彪.膨润土的有机改性及其钻井液性能［J］.现代地质，2011（06）：1219-1222.

［6］王贵和，郑艳芹.磁化膨润土浆流变性实验研究［J］.石油钻探技术，1997（03）：29-30+62-63.

［7］魏武，许期聪，路琳琳，邓虎，肖洲，邓柯，余锐，黄述春.基于膨润土浆基液的雾化钻井技术研究与应用［J］.钻采工艺，2013（01）：9-11+7.

［8］黄维安，邱正松，乔军，徐加放，钟汉毅，张现斌.复杂深井井浆膨润土含量测定方法［J］.石油钻采工艺，2012（01）：63-66.

［9］崔明磊.抗高温白油基钻井液用有机土的研制及性能研究［J］.广州化工，2014（06）：70-72.

［10］刘江华.高密度水基钻井液抗高温作用机理及流变性研究［D］.北京∶中国石油大学，2009.

［11］赵红香，李军，孔德锋，刘学明.膨润土浆高温作用机理实验研究［J］.中国石油和化工标准与质量，2012（06）：240-241.

［12］张军，罗健生，彭商平，温银武，周雪，杨飞，于志纲，吕宝.川东北地区抗高温超高密度钻井液研究［J］.钻井液与完井液，2009（02）：39-42+132.

Modification of Bentonite and Its Application in the Drilling Fluid

WANG Yue-chao，WANG Teng-da，YANG Shuang-chun，QIN Yong-hang，LONG Wen-yu
（Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Bentonite，main component of clay minerals - montmorillonite，is the layered silicate mineral with the structural unit of two-layer Si-O Al- （O，OH） eight surface body.Bentonite is an important natural mineral material to adjust the rheological properties and filtration of drilling fluid.By improving the adsorption and hydration of natural bentonite，the filtration effect of bentonite can be enhanced，and the synergistic effect of other treatments can be improved，and the performance of the drilling fluid can be improved significantly.In this paper，organic modification process of bentonite in the drilling fluid was introduced，and application effect of modified bentonite in ultra deep wells with high temperature and high pressure conditions was analyzed.

Key words：Bentonite；Organic modification；Drilling fluid；High temperature；High pressure

中图分类号：TE 357

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0073-02

基金项目：辽宁省大学生创新创业训练计划项目（项目号：201510148015）。

收稿日期：2015-08-07

作者简介：王月超（1995-），女，辽宁省丹东市人，研究方向：钻井液。

通讯作者：杨双春（1977-），女，副教授，博士，研究方向：油田化学。