張建國(中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)公司，北京 100029)

水基鉆井液用膨潤土加工與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

張建國
(中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)公司，北京 100029)

【摘 要】膨潤土是鉆井液的主要原料，本文對比分析了API標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)對鉆井液用膨潤土分類標(biāo)準(zhǔn)，概述了鉆井液用膨潤土的最新加工技術(shù)，提出了今后鉆井泥漿用膨潤土的發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】鉆井液；膨潤土；鈉化；進(jìn)展；趨勢

1　前言

膨潤土(Bentonite)是一種以蒙脫石為主要礦物的粘土，其次含有伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石、水鋁英石等。蒙脫石是由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體為構(gòu)造單元組成的2∶1型層狀硅酸鹽礦物，由于其層間發(fā)生類質(zhì)同象取代作用而具有負(fù)電性，可以吸附周圍介質(zhì)中的陽離子(堿金屬離子或堿土金屬離子、有機陽離子、氫離子等)，晶層間被吸附的陽離子可以被其他離子交換。蒙脫石由于層間吸附的陽離子的種類、比例以及水分子數(shù)量等的不同使其晶層間的高度有所差異，一般在1.2～1.6nm之間。

蒙脫石在水介質(zhì)中能分散成膠體狀態(tài)，呈單一晶胞方式存在，但大多呈現(xiàn)多層晶胞的聚合狀態(tài)(疊層片狀)，由于蒙脫石晶體層面和端面的電性相反，因此在分散體系中晶體薄片一般形成面端型“卡房式”空間結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出優(yōu)良的分散性、懸浮性及粘結(jié)性，在一定濃度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)良的觸變性。在有外加攪拌時，懸濁液表現(xiàn)為流動性很好的溶膠液，停止攪拌后會自行排列成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，而不發(fā)生沉降和水析離，這種特性特別適于配制鉆井液。

鉆井液是以膨潤土為主要原料，根據(jù)膨潤土原礦性質(zhì)對其進(jìn)行改性加工并添加增效劑而制得的。鉆井泥漿被公認(rèn)為油田鉆井的血液，在鉆探過程中可以起到清潔井底并攜帶巖屑、冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱、封閉和穩(wěn)定井壁、平衡地層壓力、懸浮巖屑和加重劑的作用，在鉆井作業(yè)中非常重要。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展對鉆井液用膨潤土需求量逐年增加，目前國內(nèi)高品位鉆井液用膨潤土產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)供不應(yīng)求，膨潤土在石油鉆井方面應(yīng)用前景廣闊。

因此，膨潤土原礦的質(zhì)量及其加工技術(shù)的好壞直接決定了鉆井泥漿質(zhì)量的好壞，更影響鉆井進(jìn)度及鉆井安全。國內(nèi)外對鉆井泥漿用膨潤土給予了極大地重視，美國石油學(xué)會(API)制定的API規(guī)范13A第18版[1]和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5005-2010[2]中對膨潤土的要求給出了明確定義。本文對不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比介紹，并分析國內(nèi)外最新的鉆井泥漿用膨潤土的改性及加工方法。

2　鉆井液用膨潤土分類

2.1 國際通用API標(biāo)準(zhǔn)對鉆井液用膨潤土的分類

目前國際上最為權(quán)威的鉆井材料規(guī)范是由美國石油協(xié)會制定的(API標(biāo)準(zhǔn))。最新的API標(biāo)準(zhǔn)是在2010年發(fā)布的API規(guī)范13A第18版，該標(biāo)準(zhǔn)將鉆井液用膨潤土分為3類：Drilling-grade bentonite(鉆井級膨潤土)、Drilling-grade non-treated bentonite clay(鉆井級未處理膨潤土)、OCMA-grade bentonite (OCMA級膨潤土)。API標(biāo)準(zhǔn)中不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求如表1所示。

2.2 國家標(biāo)準(zhǔn)對鉆井液用膨潤土的分類

早在1985年我國就發(fā)布了鉆井液用膨潤土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，之后隨著國際上通用標(biāo)準(zhǔn)API標(biāo)準(zhǔn)和OCMA標(biāo)準(zhǔn)的變化我國的鉆井液材料規(guī)范幾經(jīng)修訂，目前國內(nèi)通用的鉆井液材料規(guī)范為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5005-2010。此標(biāo)準(zhǔn)中，將鉆井液用膨潤土分為3種，即：鉆井級膨潤土、OCMA級膨潤土、未處理膨潤土。國家標(biāo)準(zhǔn)中不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求如表2所示。

表1　API標(biāo)準(zhǔn)中不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求

表2　國家標(biāo)準(zhǔn)中不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求

2.3 不同標(biāo)準(zhǔn)的比較

對兩個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比可以看出：

(1) 國標(biāo)在對鉆井泥漿用膨潤土的分類上與API標(biāo)準(zhǔn)完全一致，均分為鉆井級膨潤土、未處理膨潤土和OCMA膨潤土。

(2) 不同產(chǎn)品的指標(biāo)要求看似稍有差異，實則相同。主要體現(xiàn)在API標(biāo)準(zhǔn)中采用的一項評價指標(biāo)為屈服值/塑性粘度，國標(biāo)中對應(yīng)的指標(biāo)為動塑比，前者為后者的2倍。這種差異是由計算方法的差異所引起的，在計算動塑比時采用的是動切力/塑性粘度，而動切力的值為屈服值的一半，因此產(chǎn)品的指標(biāo)要求相同。

(3) 三種產(chǎn)品的定義不同，其要求之間差異較大。鉆井級膨潤土是一種含有粘土礦物蒙脫石的天然粘土礦物，也可含有石英、云母、長石和方解石等。鉆井級未處理膨潤土[3]是一種經(jīng)干燥和粉碎、但未經(jīng)化學(xué)處理的產(chǎn)品，主要含有粘土礦物蒙脫石，以及石英、云母、長石和方解石等。OCMA級膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土，天然產(chǎn)出者無法滿足鉆井級膨潤土的全部指標(biāo)，需經(jīng)過純堿、聚合物或者其他化學(xué)劑處理，以改善其懸浮液性能。從定義中可知：鉆井級膨潤土既可以是改性的，又可以是原生的；OCMA級膨潤土完全是經(jīng)過改性的；而未處理膨潤土則是未經(jīng)過任何化學(xué)處理的。鉆井級膨潤土沒有排除使用包括有機高分子在內(nèi)的化學(xué)劑增效的可能性，而OCMA級膨潤土則明確表明允許使用化學(xué)劑進(jìn)行增效。

3　鉆井液用膨潤土加工應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

由于我國天然膨潤土資源以鈣基膨潤土為主，鈉基膨潤土資源有限。鈣基膨潤土和鈉基膨潤土由于其層間離子的不同，在性能表現(xiàn)上存在極大的差異，鈣基膨潤土在吸水性能、膨脹性能、造漿性能、觸變性等方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于鈉基膨潤土。因此，鈣基膨潤土原礦基本無法滿足鉆井液用膨潤土的要求，必須經(jīng)過改性加工。部分天然鈉基膨潤土原礦可以滿足鉆井液用膨潤土要求，但為達(dá)到更高級別產(chǎn)品有時也需要進(jìn)行改性和再加工。鈉化改性和添加無機、有機增效劑是我國鉆井液用膨潤土常用的加工方法，而改性劑種類、改性劑用量、增效劑種類、增效劑用量以及改性設(shè)備及工藝直接決定了改性效果的好壞。

鉆井液用膨潤土鈉化改型方法主要有：

(1) 干法改性。干法改性適用于原礦性能優(yōu)良的膨潤土改性，如新疆夏子街天然鈉基膨潤土、吉林劉房子天然鈉基膨潤土。該方法是將改性劑、增效劑在原礦晾曬的過程中預(yù)先混入原礦中，再采用雷蒙磨磨粉得出產(chǎn)品，從而制備出鉆井液用膨潤土。該方法優(yōu)點是產(chǎn)量大。

(2) 半干法改性。半干法改性方法又可以分為堆場鈉化法、輪碾鈉化法、雙螺旋鈉化法、阻流擠壓鈉化法等，適用于鈣基膨潤土的改性。堆場鈉化法是控制原礦含水量在30%左右，同時將改性劑、增效劑均勻撒到膨潤土原礦中，通過不斷翻動攪拌，陳化10d后干燥磨粉制成成品，該方法存在鈉化不均勻的問題。擠壓法通過機械提供強烈的擠壓力、剪切力等作用，同時溫度升高也加速了鈉化反應(yīng)，鈉化反應(yīng)較為充分。生產(chǎn)鈉基土也可擠壓法和陳化法結(jié)合。原礦破碎后經(jīng)兩次擠壓，陳化10d再擠壓一次，其產(chǎn)品性能較單獨采用對輥擠壓法和陳化法都要高。

(3) 濕法改性。濕法改性一般不用于插層、助撐等高檔鉆井液用膨潤土的改性，該方法適用于對產(chǎn)品鈉化程度和指標(biāo)要求較高的產(chǎn)品生產(chǎn)。

(4) 改性劑和增效劑的選擇。目前，常用的改性劑有碳酸鈉、氫氧化鈉、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、氟化鈉等，其中碳酸鈉因價格低、容易得到而受到親睞。常用的無機增效劑包括氧化鎂、氧化鈣、氧化鉀等，有機增效劑包括：聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纖維素(CMC)、丙烯酰胺(AM)。

陳廷臻等[4]對河南信陽上天梯膨潤土進(jìn)行改性生產(chǎn)鉆井液用膨潤土，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，將礦石加工到-80目，加堿量為6%～7%，擠壓5次，鈉化效果最佳，產(chǎn)品指標(biāo)達(dá)到API級膨潤土要求，并指出4個影響鈉化性能的重要因素：①必須選擇蒙脫石含量高、層電荷較低的優(yōu)質(zhì)礦石；②鈉化過程中膨潤土受到足夠的擠壓應(yīng)力；③必須確保鈉化中加堿量的優(yōu)化與穩(wěn)定；④必須保證鈉化時水質(zhì)良好(硬度低)。

戴長華[5]采用5%的碳酸鈉加0.05%的有機增效劑(RH)的條件下，采用干法工藝生產(chǎn)的泥漿土，具有優(yōu)良的分散性和膨脹性、高造漿率、低失水量及優(yōu)良的膠體性能和剪切稀釋能力。各項指標(biāo)完全達(dá)到或優(yōu)于國際通用的美國API標(biāo)準(zhǔn)。該方法改進(jìn)了目前人工鈉基土生產(chǎn)要求原料含水量高、陳化時間長或需擠壓的缺點，具有工時短、操作簡單、投資少、低成本、生產(chǎn)量大、產(chǎn)品性能優(yōu)良等特點。

曹耀華等[7]以河南某鈣基膨潤土礦為原料，以碳酸鈉為改性劑，采用半干法對輥擠壓的鈉化改性方法制備了鈉基膨潤土。結(jié)果表明：在碳酸鈉用量為3%、擠壓3次、加水量為17.5%、原料粒度20目時可制備出膨脹倍和膠質(zhì)價均較高的產(chǎn)品,產(chǎn)品泥漿性能符合GB /T5005-2001鉆井液用膨潤土的指標(biāo)要求。

蔣莉等[8]針對目前油田現(xiàn)場所用天然膨潤土的缺點，利用丙烯酰胺(AM)及其衍生物對天然膨潤土進(jìn)行插層，制成了納米膨潤土復(fù)合體，深入研究了其在鉆井液中的性能。研究結(jié)果表明，不同種類的膨潤土、丙烯酰胺及其衍生物對膨潤土進(jìn)行插層制備的納米膨潤土復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、性能是不同的，與普通膨潤土相比，納米膨潤土復(fù)合體不僅具有良好的熱穩(wěn)定性能和抗污染能力，還具有比表面積大、吸附能力強、凝聚作用大和特定的表面反應(yīng)能力等獨特的性質(zhì)。

胡繼良等[9]以過硫酸鉀為引發(fā)劑，通過水溶液聚合法制得了丙烯酸和丙烯酰胺的聚合物A。用聚合物A作為有機改性劑，采用混煉擠壓法制備得到樣品。用X-射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)等方法對其結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行研究，研究表明，其晶面間距由原來的1.269nm增大到1.322nm，有機基團(tuán)進(jìn)入層間，并且仍保持層狀結(jié)構(gòu)，成功制備出有機改性膨潤土，有機基團(tuán)進(jìn)入膨潤土的層間結(jié)構(gòu)或與膨潤土產(chǎn)生了鍵合接枝作用。用有機改性膨潤土配制鉆井液，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，漿液的粘度為5.5mPa·s、濾失量為13mL、潤滑系數(shù)為0.13。與普通鈉基膨潤土鉆井液相比，有機改性膨潤土鉆井液的濾失量和潤滑系數(shù)均有較大幅度降低，并且改善了鉆井液的流變性。

鐵麗云等[10]采用湖南臨澧低蒙脫石含量(約40%)的膨潤土，通過采用如下鈉化改性工藝流程：粘土原礦→破碎→復(fù)合添加劑→鈉化改性處理→烘干→磨細(xì)→產(chǎn)品。試驗結(jié)果表明，利用純堿、活性氧化鎂、天然有機高分子化合物與合成有機高分子聚合物按合適的配比組成的復(fù)合添加劑，對臨澧的低蒙脫石含量的膨潤土進(jìn)行改性處理。由于不同添加劑具有互補與協(xié)同作用，能使該類膨潤土的分散性與流變學(xué)性能有很大提高與改善，使泥漿粘度Φ600≥30，動塑比YP/PV ≤3.0，濾失量≤16.0mL。使粘土的造漿性能達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13500∶2008的要求，成為一種優(yōu)質(zhì)鉆井級泥漿用土。

4　結(jié)語

我國膨潤土資源豐富，由于其出色的性能在鉆井泥漿領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前我國市場上供應(yīng)的水基鉆井液用膨潤土基本上以O(shè)CMA級膨潤土為主，未處理膨潤土幾乎沒有，能夠達(dá)到鉆井級膨潤土的產(chǎn)品不多，大量的鉆井級膨潤土還需要依賴進(jìn)口，其生產(chǎn)加工技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。因此，筆者對水基鉆井液用膨潤土的發(fā)展提出幾點建議：①膨潤土生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強科研投入，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足我國不斷發(fā)展的鉆探行業(yè)對優(yōu)質(zhì)材料的需求；②尋求優(yōu)質(zhì)資源，不斷增加對鉆井泥漿級和未處理膨潤土的研究和生產(chǎn)，替代進(jìn)口產(chǎn)品，填補國內(nèi)產(chǎn)品空白。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我國豐富的膨潤土資源應(yīng)用領(lǐng)域和市場占有率將不斷提高，具有廣闊的發(fā)展前景。

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【開發(fā)利用】

Technical Progress on Bentonite Process and Application for Water-base Drilling Mud

ZHANG Jian-guo
(SINOPEC International Petroleum Exploration & Production Corporation, Beijing 100029, China)

Abstract:In this paper, the API and Chinese national classification standards of bentonite for drilling mud have been compared and analyzed, the newest technology on bentonite progress for water-base drilling have been generalized. At the same time, suggestions for transformation and escalation of Chinese bentonite industry have been outlined.

Key words:drilling mud; bentonite; sodium treatment; achievement; trend

【收稿日期】2014-09-25

【文章編號】1007-9386(2015)01-0003-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】P619.252；TE254