钻井级膨润土质量评价方法探讨

杨新，杨小芳，孟洪文，胡亚楠，张茉楚，李胜男

中国石油集团长城钻探工程有限公司 钻井液质量检验中心（辽宁 盘锦 124010）

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，作为配置钻井液的基础材料广泛应用于石油钻井行业，具有增黏、降滤失、提切等作用。据报道，钻井液用膨润土占膨润土总用量的第二位[1-2]。按照GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》规定，膨润土分为未处理膨润土、OCMA 膨润土和钻井级膨润土[3]。其中，钻井级膨润土描述如下，“钻井级膨润土是一种含有蒙脱石的天然黏土矿物。它也可能会含有诸如石英、云母、长石和方解石这样的附属矿物”。王金芬等[4]认为，钻井级膨润土应该是天然的、研磨后的钠膨润土，无需经过任何处理，其各项指标均能满足GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》的要求。张建国[5]、曹治中[6]认为，钻井级膨润土既可以是改性的，也可以是原生的，不排除使用包括有机高分子在内的化学剂增效的可能性。由于钻井级膨润土的规定存在不同的理解，导致目前钻井级膨润土的质量评价指标及方法存在问题。经检验检测机构按照GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》检验合格的钻井级膨润土，在钻井施工过程中被投诉质量存在问题，具体表现为钻井液黏度降低特别快，需要补充大量的膨润土，导致膨润土使用量大，钻井液有害固相增加，使用处理剂量增加，钻井液成本增加[7-10]。

在石油行业深入开展开源节流、降本增效的背景下，钻井过程中如何降低钻井液成本成为关注的焦点。收集不同生产厂家的钻井级膨润土，通过实验研究摸索一套钻井级膨润土的内控指标及方法，对加强钻井级膨润土的质量控制具有一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

实验所用材料与试剂有：1#膨润土、2#膨润土、3#膨润土、4#膨润土、六偏磷酸钠、亚甲基蓝、硫酸、双氧水、蒸馏水。

1.2 仪器设备

实验所用的仪器设备有：六速旋转黏度计、中压失水仪、电子天平、高速搅拌器、滚子加热炉、生化培养箱、烘箱、电磁炉、温度计、秒表、量筒、滤纸。

1.3 样品配制及测试

膨润土悬浮液按照GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》中的要求进行配制，各项性能测试按GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》[11]的规定进行测试。

2 实验与分析

常见的有机增效剂为高分子有机聚合物，在高温下易发生分子链断裂而失效。为了确定钻井级膨润土是否通过加入有机增效剂（如聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素等）进行改性，分别测试了常温和180 ℃热滚16 h后的膨润土悬浮液的流变性、API滤失量以及亚甲基蓝容量，实验数据见表1、表2。

表1 钻井级膨润土性能指标检测结果（常温）

表2 钻井级膨润土性能指标检测结果（180 ℃/16 h）

在表1 中，常温下1#、2#、3#样品悬浮液的六速旋转黏度计读值R600、R300、塑性黏度、动切力、API 失水均高于天然钠膨润土。4#样品悬浮液的六速旋转黏度计读值R600接近天然钠膨润土，R300、动切力、动塑比低于天然钠膨润土，塑性黏度、API失水高于天然钠膨润土。

在表2中，经过180 ℃、16 h老化后，1#、2#、3#样品悬浮液的六速旋转黏度计读值R600、R300、动切力、动塑比均低于天然钠膨润土，而API 失水远高于天然钠膨润土。4#样品悬浮液的六速旋转黏度计读值R600接近天然钠膨润土，R300、动切力、动塑比低于天然钠膨润土，塑性黏度、API失水高于天然钠膨润土，与常温下的情况基本保持一致。

2.1 外观

通过现场调研得知，部分现场钻井液工人通过膨润土的颜色判断膨润土的质量好坏。在自然光下，通过肉眼观察样品1#、2#、3#、4#颜色各不相同。膨润土一般为白色、浅黄色，因含铁量变化又呈浅灰、浅绿、粉红、褐红、砖红、灰黑色等。因此，从外观上无法判断膨润土的优劣。在实际钻井施工过程中，凭外观判断膨润土质量的优劣没有科学依据。

2.2 筛余

按照GB/T 5005—2010 中5.7—5.9 测量钻井级膨润土75 μm筛余的方法，“称量105 ℃下烘干的膨润土10 g，边搅拌边加入到含有0.2 g六偏磷酸钠的350 mL水中，11 000 r/min搅拌速度下搅拌30 min后全部转移到75 μm 标准筛中，调整湿筛仪压力表至69 kPa，使喷嘴位于筛子顶部的平面上，对准样品反复移动水流冲洗2 min，收集筛面上的残留物，在105 ℃烘干至恒重”。测量了4 个样品的湿筛筛余，结果均小于4.0%，符合标准的要求。在实验中发现1#、2#、3#样品过筛后，在筛面上均粘有黏稠的胶状物；4#样品没有。收集1#、4#样品筛余物，并在105 ℃下烘干发现，1#样品筛余物烘干后，有一层白色的膜，而4#样品烘干后得到的是固体颗粒。初步推断，1#样品经过有机增效剂改性，黏稠物为有机高分子。为了进一步确定1#样品筛余物中是否含有有机增效剂，将1#样品过75 μm 干筛，得到筛余物，除了细小的淡黄色粉末外，还掺有白色的颗粒。结合前面的分析，推断白色的颗粒可能为有机增效剂。在钻井施工现场，随着固控设备升级，振动筛的筛网目数达到200 目以上（粒径小于0.074 mm），用有机增效剂改性后的钻井级膨润土配制钻井液，初始阶段钻井液黏度或许能达到施工要求，但经过几轮循环，固控设备必然要清除一部分膨润土中加入的有机增效剂而致使钻井液的黏度降低。因此，质检机构对膨润土做质量检验时，如果发现湿筛筛余物中有明显的胶状网膜或颗粒物，则可判定膨润土的质量不合格。

2.3 流变性

按照GB/T 5005—2010 中5.2—5.4 测量钻井级膨润土悬浮液流变性的方法，边搅拌边在350 mL去离子水中加入22.5 g 膨润土，11 000 r/min 搅拌速度下搅拌20 min 后，一份在25 ℃下养护16 h；另一份在滚子加热炉中180 ℃热滚16 h。在11 000 r/min搅拌5 min，在悬浮液温度25 ℃时，用六速旋转黏度计测量600、300、200、100、6、3 r/min 的读值。各流变性参数按GB/T 5005—2010中5.4的公式计算即可。

从表1、表2 可以看出，天然钠膨润土和1#、2#、3#、4#样品，常温下六速旋转黏度计600 r/min 读值R600都大于30 mPa.s，满足GB/T 5005—2010的要求，且1#、2#、3#样品600 r/min 读值远大于4#样品和天然钠膨润土的读值；经过180 ℃、16 h 热滚后，1#、2#、3#样品600 r/min 读值大幅度降低，分别降低了69%、25%和43%，4#样品和天然钠膨润土读值大幅度增加，分别增加了78%和100%。

出现这种现象的原因可能是1#、2#、3#样品中添加了有机增效剂。在常温下，有机增效剂是稳定有效的，能够起到增黏效果，表现为600 r/min 读值较大；在经过180 ℃高温热滚后，有机增效剂改性的膨润土中，有机增效剂降解（或失效）导致读值大幅度降低，而天然钠膨润土因为高温老化后黏度增加。因此，对钻井级膨润土做质量评价时，当高温老化后的悬浮液600 r/min 读值低于常温下测量值时，则可判定钻井级膨润土的质量不合格。

与天然钠膨润土和4#样品相比，常温下1#、2#、3#样品3、6 r/min读值偏大，动切力较高；180 ℃高温热滚后显著降低。主要是由于1#、2#、3#样品不同程度地经过有机增效剂改性，有机增效剂在常温下能够发挥作用而高温下失效造成的。因此，对钻井级膨润土做质量评价时，当高温老化后的悬浮液3、6 r/min 读值和动切力低于常温下测量值时，则可判定其质量不合格。

2.4 API失水

按照GB/T 5005-2010中5.2—5.4测量钻井级膨润土悬浮液滤失量的方法，将测量流变性剩下的悬浮液，在11 000 r/min 搅拌1 min 后，调整温度至25 ℃倒入中压失水仪样品杯中刻度线处，组装样品杯安装在支架上，关闭减压阀，在排液口放上25 mL量筒，启动电子秒表的同时，调节减压阀至压力690 kPa。当时间到达7.5 min 时，移走量筒并除去黏附在排液口的所有液体，换上另一只干燥洁净的量筒收集液体至电子秒表到30 min 结束，读取收集的液体的体积VC，悬浮液滤失量为2VC。

从表1、表2 可以看出，高温老化后的膨润土悬浮液的滤失量较常温下的值有不同程度的增加，其中天然钠膨润土悬浮液滤失量增加了21%，1#样品增加了57%，2#样品增加了89%，3#样品增加了30%，4#样品增加了41%。如果按照王金芬等[4]制定的膨润土技术指标中热滚后的滤失量小于25 mL为合格，除了2#样品外，其他样品均合格。结合分析结果，建议膨润土悬浮液API 失水指标采取高温热滚后滤失量增加率小于等于50%作为判定指标比较合适。如果按照此指标判定，1#、2#、4#样品判定结果，与前面分析的完全一致，即1#、2#样品不合格，4#样品合格。

2.5 亚甲基蓝容量

钻井液的亚甲基蓝容量是用亚甲基蓝测定法测量膨润土含量指标。按照GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1 部分：水基钻井液》中10 亚甲基蓝容量的测试方法，用注射器向已加有10 mL水的锥形瓶中加入2.0 mL测量流变性的悬浮液，摇晃锥形瓶；再加入15 mL 3%过氧化氢溶液和0.5 mL 2.5 mol/L稀硫酸，缓慢煮沸10 min，不要蒸干，加水稀释至50 mL；以每次0.5 mL的量将亚甲基蓝溶液逐次加入到锥形瓶中，摇动30 s，用玻璃棒取一滴悬浮液滴在滤纸上；当滤纸上已被染色的固体颗粒周围出现蓝色或绿蓝色环时，继续摇动锥形瓶2 min，再滴一滴于滤纸上，如蓝色环仍很明显，则达到滴定终点，记录消耗的亚甲基蓝溶液体积。亚甲基蓝容量计算参考GB/T 16783.1—2014中10.4公式（28）。

检测了常温及180 ℃热滚16 h后的膨润土悬浮液的亚甲基蓝容量，见表1、表2。数据显示，1#、3#、4#样品悬浮液在常温下的亚甲基蓝容量比较接近，180 ℃热滚16 h后都略有增加；相比较，2#样品热滚前后的亚甲基蓝容量都较低。分析可知，1#、3#、4#样品悬浮液中膨润土含量比较接近，但流变性（常温及180 ℃热滚后）差别较大，表明这3种样品的膨润土质量差别较大，4#样品质量较好。2#样品悬浮液膨润土含量明显低于其他样品，推断其中添加了较多的其他物质以确保其常温下的R600、动塑比及API 失水符合GB/T 5005—2010 的要求。质量合格的钻井级膨润土悬浮液亚甲基蓝容量应该在一个合理的范围，需要通过实验进一步确定。

3 结论与建议

随着天然钠膨润土矿的枯竭，为了满足GB/T 5005-2010《钻井液材料规范》中钻井级膨润土的检验指标要求，膨润土改性变得越来越普遍。因此，GB/T 5005-2010《钻井液材料规范》已经不能全面、合理地评价钻井级膨润土的质量。提出了通过湿筛残余物是否出现黏稠的网膜或颗粒来判断膨润土质量的优劣。结合其他的实验结果，建议：①如果钻井级膨润土湿筛筛余物中有明显的黏稠网膜或颗粒物，则判定产品质量不合格；②如果钻井级膨润土悬浮液经过高温老化（180 ℃/16 h）后的R600、R6、R3和动切力中的任何一项低于常温下的值，则判定产品质量不合格；③如果钻井级膨润土悬浮液经过高温老化（180 ℃/16 h）后的API 失水增加率大于50%，则判定产品质量不合格。