油基钻井液用有机土标准现状与探讨

骆小虎

（中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

随着常规油气资源的枯竭，油气资源的短缺与国内需求的矛盾日益突出。页岩气作为一种非常规油气资源进行开发在美国取得的巨大成功引起了全世界对页岩气开发的关注。我国页岩气资源丰富，预计到2035 年，页岩气产量达到常规天然气产量的一半。由于页岩气地层易水化坍塌、井壁失稳等原因，油基钻井液的强抑制性、良好润滑性和高温稳定性等优点使得其成为高效开采页岩气的核心技术之一[1]。

有机土作为油基钻井液中的基本组成部分，具有增黏、提切、降滤失作用。目前，有机土有4 种制备方法：干法、湿法、预凝胶法和微波合成法[2]。按照不同的基础油分为：柴油基有机土、白油基有机土、合成气质油基有机土。按油基钻井液中含水的比例，分为全油基和油包水体系用有机土。按耐温性，分为普通有机土和抗高温有机土。有机土的制备方法的差异、使用条件的限制决定了有机土检测标准的复杂性。值得注意的是有机土标准对控制有机土质量至关重要。为此，笔者收集了不同企业的有机土标准，详细介绍了检测项目、检测方法、技术指标等，并指出了存在的问题，为有机土标准的制定提供借鉴。

1 标准现状

油基钻井液用有机土的性能评价，涉及的检测项目可分为两类，一类是理化指标，包括：外观、水分、筛余、灼烧减量等；另一类是钻井液性能指标，包括：胶体率、电稳定性、常温下和高温老化后的表观黏度、塑性黏度、动切力、直读式黏度计φ6和φ3读值、滤失量等。表1 统计了24 个标准中所设立的检测项目及其所占比例[3-5]。

表1 油基钻井液用有机土标准检测项目统计

1.1 外观

大多数标准中，对油基钻井液用有机土的外观作了明确的要求。在所收集的24 个标准中，对有机土外观提出要求的标准占比75%，检测方法为自然光下目测。譬如，规定外观为白色到淡黄色流动粉末、灰色或灰白色粉末、流动性粉末等[6-11]。

1.2 水分

从表1 可知，在24 个收集的油基钻井液有机土标准中，设定检测项目“水分”的标准占比85.7%。水分的检测方法大致为在105 ℃烘干样品，根据烘失量确定水分含量。从表2 可知，水分的技术指标设定为“≤10.0%”的标准在24 个收集的标准中占比最高，为29.2%。

表2 检测项目“水分”指标

1.3 筛余

在24 个收集的油基钻井液有机土标准中，70.8%的标准中设定了检测项目“筛余”。在这些标准中，所用检测筛余的标准筛孔径分布为0.075 mm～0.2 mm，筛余指标见表3。其中，将筛余技术指标设定为“筛余≤10%（孔径0.15 mm 标准筛）”的标准在24 个收集的标准中占比最高，为29.2%。

表3 检测项目“筛余”指标

1.4 灼烧减量

标准Q/ZDSY008—2017《油基钻井液用有机土ZD-JHA》中，要求“灼烧失重”≥25%。检测方法是“用恒重的坩埚称取3 g 试样，放入高温炉中逐渐加热，升至900 ℃恒温2 h，关闭电源冷却至300 ℃时，取出坩埚放入干燥器冷却后称重”。在收集的24 个标准中，仅有1 个标准设定了“灼烧减量”技术指标，占比4.2%。可以看出，大多数标准有机土的灼烧减量这一指标认识并不深刻[12]。

1.5 胶体率

有机土胶体率的检测方法，大多数采用0#柴油作为基础油进行检测。标准Q/SY 1817—2015《油基钻井液用有机土技术规范》、Q/0305ZLJ 001—2018《油基钻井液用有机土》、Q/915108246922987249—2017《油基钻井液造浆用有机膨润土CNL》、Q/SH 1170 053—2017《油基钻井液用有机膨润土》、Q/KJX 12—2019《油基钻井液用有机土 活化蒙脱石JX-GEL》、Q/KTYC 049—2016《油基钻井液用增黏剂有机土TYODF-601》、Q/JHK1018—2018《油基钻井液用有机土MOGEL》中，采用0#柴油加2%有机土配成胶液，静置90 min 后测量析出的柴油体积，然后利用总体积减去析出柴油体积之差除以总体积，计算得胶体率。企业标准Q/WNZJ-034—2018《油基钻井液用提黏剂改性有机土HYOT》、Q/74961404-7.55—2014《油基钻井液造浆用有机土（HFEL）》、Q/JJH 26—2015《有机土MOGEL》、Q/KOZ-013—2018《钻井液用有机土改性膨润土ATO》中，采用0#柴油加3%有机土配成胶液，静置90 min 后测量析出的柴油体积，然后计算胶体率。企业标准Q/KTYC 049—2018《油基钻井液用增黏剂有机土TYODF-601》中，采用0#柴油加3%有机土配成胶液，在150 ℃、16 h热滚后，静置90 min 后测量析出的柴油体积，然后计算胶体率[13-26]。

除了采用0#柴油作为基础油进行有机土胶体率检测外，也有采用5#白油作为基础油进行检测。标准Q/GWDC 0073—2019《白油基钻井液用有机土GWOGEL（Ⅱ）》中，采用5#白油加5%有机土配成胶液，静置90 min 后测量析出的白油体积，然后计算胶体率。在配置胶液过程中，还需加入1%激活剂无水乙醇。而王茂功等[27]采用5#白油作基础油，加2%有机土配成胶液，在没有加激活剂的条件下，测得常温下的有机土胶体率84%～100%，150 ℃、16 h热滚后的胶体率86%～100%。付龙等[28]采用90% 5#白油+10%水来评价加入3%～7%有机土发现，有机土BT838 胶体率90%以上。舒福昌等[29]采用5#白油作基础油，加3%有机土配成胶液，测得HMC-4 有机土胶体率72%。王茂功等[30]研究发现，柴油基有机土在0#柴油中的胶体率与白油基有机土在5#白油中常温下90 min 胶体率达到99%，120 ℃及以上温度热滚后的90 min胶体率100%。然而，柴油基有机土在5#白油中常温下90 min 胶体率30%，120 ℃热滚后胶体率73%，150 ℃热滚后胶体率86%；而白油基有机土在0#柴油中常温下和高温热滚后90 min 胶体率都是100%。崔明磊[31]对比不同有机土在5#白油中的胶体率发现，不同有机土90 min 胶体率差异较大，在25%～99%之间。由上可知，不同类型的有机土在白油中的胶体率差异较大，大多数的有机土标准选用柴油来评价有机土的胶体率。

1.6 电稳定性

电稳定性通常用来评价油基钻井液体系的乳化效果，破乳电压值越高，电稳定性越强，乳化效果越好。影响油基钻井液体系乳化效果的主要因素是乳化剂，因此，评价有机土的性能时，大多数标准中不采纳电稳定性指标。这一点从表1 中电稳定性检测项目占比4.2%可知。

1.7 流变性

有机土作为一种增黏剂应用于油基钻井液中，已经形成了共识。因此，在收集的24 个标准中，对有机土配制的钻井液的流变性都设定了技术要求，主要包括：表观黏度，占比66.7%；塑性黏度，占比62.5%；动切力，占比66.7%。同时设定了表观黏度、塑性黏度和动切力的标准占比54.2%，设定三者其二的占比16.7%。此外，有一部分标准设定了技术指标直读式黏度计φ6读值和φ3读值，占比分别为16.7%和4.2%。

1.8 滤失量

从表1 的统计来看，将中压滤失量设定为有机土技术指标的标准占比25%。经过分析发现，在不添加其他处理剂的情况下，有机土在基础油中形成的悬浮液的中压滤失量较大，大部分标准设定3%样品形成的基础油悬浮液的中压滤失量不大于45 mL[11，21，23，25]。

2 存在的问题

2.1 胶体率评价

王茂功等[30]研究柴油基有机土和白油基有机土在不同基础油中的性能发现，白油基有机土在柴油中和白油中都具有良好的成胶率和流变性能，但柴油基有机土在柴油中性能良好，在白油中胶体率较低，流变性差。主要原因是，柴油含有芳烃比例较高（约10%～40%），极性强，而白油中芳烃比例较低（小于0.1%），极性弱。柴油基有机土的插层剂属季铵盐类型，容易溶解在极性较强的柴油中，而难溶于极性较弱的白油中，所以表现出不同的结果。因此，对于不同基础油，应该选用配伍的有机土。

笔者收集了6 种不同生产厂家的有机土，进行了胶体率实验。实验方法：在基础油中边搅拌边加入有机土、无水乙醇（部分实验加），在11 000 r/min高速搅拌10 min，量筒量取100 mL，记录静置90 min 后量筒上部析出油的体积，计算胶体率。从表4 可知，有机土在0#柴油中的胶体率明显高于5#白油中的胶体率。不同的有机土在0#柴油和5#白油中的胶体率的变化基本一致，W2 样品在0#柴油中的胶体率最高，在5#白油中的胶体率也是最高；W4样品在0#柴油中的胶体率最低，在5#白油中的胶体率也是最低。然而，当加入极性溶剂无水乙醇后，6 个有机土样品在5#白油中的胶体率都达到100%。

由此可知，在制定有机土标准的时候，应该将有机土按照不同的适用基础油进行分类。在制定检测方法时，使用相对应的基础油配制胶液进行测试评价。而目前大多数有机土标准，不区分柴油基有机土和白油基有机土，都采用0#柴油评价有机土性能，而实际上由于柴油的生物毒性较白油大，有机土用于白油体系中的情况比较常见，因而导致评价的结果与现场使用的效果无法统一，标准没有发挥监测、控制质量的作用。甚至有的标准中，在白油中评价有机土时，要求加入激活剂（极性溶剂甲醇、乙醇等）来评价胶体率，显然不能区分有机土质量的优劣。

表4 有机土胶体率实验数据

2.2 水分的检测温度

在有机土的生产过程中，有两道主要工序。一是钠土提纯钠化。这是由于大多数原材料并非钠基土，而需要通过钙基土钠化得到钠基土。二是有机土插层改性。通过引入插层剂与钠土进行反应。由于以上两道工序的存在，有机土中必然含有一定的水分，包括层间结合水、吸附水。其中，吸附水对产品质量而言是需要控制的。因此，制定油基钻井液有机土标准时，应该设定检测项目水分。从收集的标准来看，大多数标准设定水分检测实验温度为105 ℃。然而，在105 ℃下，有机土中的吸附水是不能完全脱除的。从崔明磊[31]的报道可知，170 ℃时有机土中的吸附水基本去除。因此，为了更好地控制有机土质量，有机土水分的检测方法需要修改。

2.3 筛余技术指标

有机土的筛余体现了有机土的细度，影响其成胶率、利用率和配浆效率。有机土颗粒越细，越容易在油相中分散成胶，配浆效率降低，利用率高；反之，配浆难度大，成胶率低，沉积罐底或从振动筛筛出。从表2 调查来看，大部分标准中有机土筛余控制不严格，“筛余≤5%（孔径0.075 mm 标准筛）”在24 个收集的标准中仅占比12.5%，将近30%标准没有设定筛余检测项目。相对于水基钻井液中使用的膨润土标准（Q/SY 17009-2019）,要求膨润土“筛余≤2.5%（孔径0.075 mm标准筛）”[32]，目前有机土的筛余标准有待提高。

2.4 理化性能指标灼烧残渣

文献[27-31]研究认为，有机土改性过程中，通过引入表面活性剂插入钠土的晶层中间，这种表面活性剂也叫“插层剂”。有研究发现[33]，随着插层剂用量的增加，层间距增大，能提高有机土的胶体率。原因是有机土的晶层间距越大，有机土越蓬松，易分散。但是，制备有机土时，加入的插层剂有机阳离子的量应该不大于膨润土的阳离子交换容量（CEC）。加入过量的插层剂，会影响有机土的稳定性。Kinjal 等[34]认为，有机土插入季铵盐类插层剂的数量在0.60～0.75 mmol/g 范围内。因此，理想条件下，有机土在高温灼烧过程中，损失的部分除了水分外，主要为插层剂。据此可知，有机土灼烧减量也应具有一个数值范围，且与插层剂的分子量大小有关。因此，灼烧减量的技术指标应该设定在一定的较小区间范围，而不是目前标准中设定的较大区间范围。

2.5 流变性能评价

在泵排量一定的情况下，油基钻井液切力高有利于携岩，岩屑床和沉砂卡钻发生几率低。有机土标准中关于其增黏提切这一核心功能的要求，多以设置表观黏度、塑性黏度、动切力下限值的形式呈现。然而，实际情况是，有机土对表观黏度和塑性黏度的提高程度并非越高越好，同时，现有标准中忽视了对动塑比以及φ6读值和φ3读值的要求，或对其要求过于宽松，而实际上这些指标对有机土核心功能具有举足轻重的标志性意义，直接影响其现场使用效果。

2.6 滤失量指标的设定

在评价有机土的性能时，通常将其作为一种增黏剂，主要评价其流变性能，很少关注其滤失量的大小。对于是否应该在标准中设定有机土的滤失量指标，一直存在争论。在不添加其它试剂的情况下，有机土在基础油中形成的悬浮液滤失量很大（部分标准中设定中压滤失量≤45 mL），因此失去了参考价值。通常，将有机土放在油基钻井液体系中进行评价时，要考察滤失量的大小。然而，在制定有机土标准时，由于形成油基钻井液体系的其它试剂，如乳化剂、润湿剂、降滤失剂等，属于非基准物质，性能稳定性不能保证，所以大部分标准中不设定滤失量作为有机土的质量评价指标。

3 建议

1.有机土标准制修定时，应该区分白油基有机土、柴油基有机土以及合成基有机土，并采取对应的基础油进行评价，同时，其胶体率指标评定方法需要进行改进。

2.依据文献中的数据，建议有机土理化性能指标“水分”的检测方法应采取180 ℃烘干温度，而不是105 ℃，水分的技术指标设定≤5%。

3.随着固控设备升级换代进程的加快，现场振动筛筛布目数也在整体提升，有机土理化性能指标“筛余”设定应该考虑现场使用情况。如四川页岩气三开长水平段油基钻井液施工过程中，固控设备振动筛网目数达到200 目，甚至230 目。因此，参考水基钻井液中膨润土的筛余指标，建议将有机土筛余指标与其一致，定为“筛余量（质量分数）≤2.5%（孔径0.075 mm 标准筛）”，有利于有机土的利用率，同时提高配浆效率。

4.膨润土插层改性效率可通过灼烧残渣反映，建议设定有机土的灼烧残渣技术指标，其区间范围应该通过实验确定。同时，应采取措施区分“有效”插层剂与“游离”插层剂。

5.在考察有机土的流变性指标时，动塑比及低剪切速率下的切力应该引起重视，着重考察旋转黏度计φ6读值和φ3读值。

6.有机土对钻井液滤失造壁性有重要影响，但如何科学设定相关评价指标及方法还需进一步深入探讨。