膨润土粒径及浓度对钻井液流变性能的影响研究

2023-07-31马旭

西部探矿工程 2023年7期

马旭

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

在钻井液性能的调控是钻井施工的一个重要技术环节，钻井液体系中固相颗粒的粒度分布和浓度等参数对降低滤失量和稳定井壁具有重要的指导意义。钻井液中固相颗粒的尺寸应该控制在一个合理范围内，尺寸适中的颗粒可以进入地层孔隙帮助形成滤饼从而阻止其他钻井液组份（如聚合物）等进入地层，在降低滤失量避免钻井液损失的同时有助于稳定地层；但固相颗粒的尺寸也不能过小，过小的颗粒会进入地层深部，导致地层损坏，从而影响油气产量[1-3]。因此，很多学者的研究致力于如何使钻井泥浆的粒度与所钻岩石的类型相匹配，在保证钻井施工顺利的同时，还要防止固体侵入地层导致渗透率降低。

1977 年Abrams 等提出架桥封堵剂的粒径中值应等于或略大于地层岩石孔径中值的三分之一，以防止孔隙堵塞。1988 年Hands 等人提出，为了限制钻井液渗透到地层孔隙结构中，90%的固相颗粒粒径应大于或等于地层孔径；储层损害的主要原因是钻井液中的聚合物以及固相颗粒侵入地层造成。

钻井液体系包含许多组分，例如用于控制钻井液流变性的膨润土、用于做加重剂的矿物、封堵剂、降滤失剂、增粘剂和其他添加剂（淀粉和聚合物等），钻井液体系中的盐和其他外加剂会对其固相颗粒粒径产生很大影响。膨润土是水基钻井液的重要组成部分之一，其粒径和浓度的变化对钻井液体系的流变性和滤失性也起重要的作用。本文重点研究了膨润土的粒径和浓度对钻井液体系的相关影响，以为后续的钻井液体系研究提供技术支持。

1 实验方法

在钻井作业过程中，钻井液的综合性能是至关重要的。其中最为重要的两个参数是粘度和凝胶强度。本研究中的钻井液样品的性能指数主要包括表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、凝胶强度(GEL)、触变性和滤失量。主要研究膨润土的粒径及其浓度对钻井液流变性的影响。

使用不同尺寸的筛网制备不同粒径的样品：400目（38μm）、300 目（63μm）、200 目（75μm）和100 目（106μm）。粒径小于200目的样品为细颗粒样品，粒径大于200目的样品为粗颗粒样品。膨润土样品从400、300、200 和100 目的筛分中收集，并分别配制成4%、5%、6%和7%的浓度。

膨润土浆的具体制备方法为：将不同粒径大小的膨润土分别按照4%、5%、6%和7%的浓度加入到500mL淡水中，在高速搅拌（8000±100r/min）条件下搅拌20min，然后在20℃±3℃条件下养护24h，从而使膨润土颗粒充分水化；在开始进行性能测量前，每份样品必须在高速搅拌（8000±100r/min）条件下再次搅拌20min从而使其恢复流动性。

2 结果和讨论

2.1 膨润土粒度和浓度对流变性能的影响

将不同粒径的膨润土配制成4%、5%、6%和7%浓度的膨润土浆，其常规流变性的实验数据见表1。

表1 膨润土粒径及浓度对钻井液流变性的影响

在4%的膨润土浓度下。粒径为75μm和106μm的膨润土浆表观粘度较高，粒径为38μm 和63μm 的膨润土浆的表观粘度较低；塑性粘度方面，粒径为63μm 的膨润土浆最高；动切力方面，63μm、75μm 和106μm 的膨润土浆相等，但高于粒径38μm的膨润土浆。

在5%的膨润土浓度下。粒径为63μm的膨润土浆表观粘度较高，粒径为75μm的膨润土浆的表观粘度最低；塑性粘度方面，63μm 的颗粒的塑性粘度高于其他颗粒（63μm＞106μm＞38μm＞75μm）；动切力方面，38μm颗粒的动切力高于其他颗粒（38μm＞63μm=106μm＞75μm）。

在6%的膨润土浓度下。粒径为106μm 的膨润土浆表观粘度较高，粒径为30μm的膨润土浆的表观粘度最低；塑性粘度方面，106μm颗粒的塑性粘度高于其他颗粒（106μm＞63μm=38μm=75μm）；动切力方面，38μm颗粒的动切力高于其他颗粒（38μm＞75μm＞63μm＞106μm）。

在7%的膨润土浓度下。粒径为63μm的膨润土浆表观粘度较高，粒径为75μm的膨润土浆的表观粘度最低；塑性粘度方面，38μm 颗粒的塑性粘度高于其他颗粒（38μm＞63μm＞75μm＞106μm）；动切力方面，106μm颗粒的动切力高于其他颗粒（106μm＞63μm＞38μm＞75μm）。

2.2 对表观粘度的影响分析

表观粘度(AV)由钻井液中细微颗粒的数量、大小、流体粘度、颗粒与颗粒之间、颗粒与流体之间的吸引力决定。从表1可以看出，随着膨润土浓度的增加，所有四种粒度的AV都会增加。

2.3 对塑性粘度的影响分析

根据定义，塑性粘度是指超过屈服点的剪切应力，塑性粘度是由机械摩擦引起的流动阻力的一部分。这种摩擦发生在①钻井液的固相之间；②固相和其周围的液体之间；③液相自身的剪切。对于实际的现场情况而言，塑性粘度主要取决于钻井液中的固相浓度。因此，从表1中可以看出，对于所有四种粒度，PV均随着膨润土浓度的增加而增加。在5.0%膨润土浓度下，63μm 的颗粒表现出比所有其他粒度更高的塑性粘度。在固体含量高的泥浆样品中，颗粒之间的摩擦力会增加。在这种情况下，塑性粘度随着表观粘度的增加而增加。在恒定体积下减小固体的尺寸也会增加塑性粘度。增加表面积会产生净效应，因此会产生摩擦。在所有钻井液中，由于钻头的研磨作用，颗粒的表面积会增加。

2.4 对动切力的影响分析

动切力是钻井液中流动阻力的第二个组成部分，是钻井液中电化学或吸引力的测量值。这些力是位于粒子表面上或附近的负电荷和正电荷的作用结果。动切力是流动条件下这些力的量度，主要取决于①泥浆固体的表面性质；②固体的体积浓度；③这些固体的电环境（泥浆液中离子的浓度和类型）。高粘度源于高屈服值或吸引力。从表1 中可以看出，对于所有四种粒度，YP均随着膨润土浓度的增加而增加。YP是可以通过适当的化学处理来控制的流动阻力部分。由于化学处理降低了吸引力，YP会降低，YP的降低也会降低表观粘度。

2.5 对凝胶强度的影响分析

凝胶强度的测量值反映了钻井液的触变性，它是静态或非流动条件下吸引力的量度。动切力是流动条件下吸引力的量度，不应与凝胶强度混淆。然而，由于凝胶强度和动切力是絮凝力的量度，随着动切力的降低，凝胶强度通常会降低。可通过抗絮凝剂来降低凝胶强度。对于所有四种粒度，凝胶强度均随着膨润土浓度的增加而增加。在5.0%膨润土浓度下，38μm的颗粒表现出最高的凝胶强度。

2.6 对触变性的影响分析

触变性是指一些流体在静置时形成凝胶结构，然后在搅拌后再次变为流体的特性。由于存在连接在一起形成刚性基质的带电粒子，大多数水基钻井液都表现出这种特性。形成的凝胶强度是悬浮固体的数量和类型以及时间、温度和化学处理的函数。换句话说，任何促进或阻止颗粒连接的东西都会增加或减少泥浆的凝胶化趋势。对于所有四种粒度，触变性随着膨润土浓度的增加而增加。在5.0%膨润土浓度下，38μm的颗粒表现出最高的触变性。

2.7 膨润土粒度和浓度对失水性能的影响

待测钻井液的降失水能力和泥饼性质由API中压失水仪测定。按照标准在100psi压力、30min后以滤液的毫升数为单位进行计量。在此失水结束后测量滤纸上泥饼的厚度，通常认为泥饼厚度在0.8mm 左右则证明该钻井液形成的泥饼质量较好。

表2 为不同粒径和不同浓度的膨润土浆的滤失量。从表2 中数据可以看出，当膨润土粒径为38μm时，随着膨润土浓度从4%增加到7%，滤失量从21mL降低到了13mL，为线性递减关系；当膨润土粒径为63μm 时，随着膨润土浓度从4%增加到7%，滤失量从22mL降低到了13mL，为线性递减关系；当膨润土粒径为75μm 时，随着膨润土浓度从4%增加到7%，滤失量从22mL降低到了13.5mL，为线性递减关系；当膨润土粒径为106μm时，随着膨润土浓度从4%增加到7%，滤失量从24mL 降低到了12.5mL，为线性递减关系。但在相同浓度下，粒径为38μm 的膨润土浆的滤失量最低，说明粒径小有助于膨润土在水中的水化分散，有助于降低滤失量。但在6%和7%的膨润土浓度下，粒径最大（106μm）的膨润土颗粒也获得了较低的失水，这可能是因为，随着膨润土浓度的增加，其水化分散程度已经不是最主要的参考指标，即使是较大的粒径，也能形成较好的滤饼来帮助降低失水。

表2 膨润土粒径及浓度对钻井液滤失性的影响

2.8 温度对膨润土表观粘度的影响

将钻井液样品通过高速搅拌器（10000±300r/min）中彻底搅拌20min 来使其完全混合。使用范式粘度计和加热套测量不同温度下基浆的表观粘度，数据见表3。

从表3 中数据可以看出，表观粘度随着温度的升高而有升高的趋势。但升高曲线不是线性的，也没有遵循任何明确的趋势或模式。在20℃条件下，粒径为63μm 的膨润土浆表观粘度最高；在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃条件下，粒径为106μm 的膨润土浆表观粘度均最高；在各阶段温度条件下，粒径为75μm的膨润土浆的表观粘度均最低。