楊新

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司 鉆井液質(zhì)量檢驗(yàn)中心（遼寧 盤錦124010）

0 引言

美國石油協(xié)會2019年發(fā)布了新的鉆井液材料標(biāo)準(zhǔn)APISPECIFICATION 13A：2019。按照慣例，鉆井液材料的國際標(biāo)準(zhǔn)版本ISO 13500：2008(E)也會跟隨API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新修訂，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010跟隨ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂[1-3]。通過對APISPECIFICATION 13A：2019的研究發(fā)現(xiàn)，幾種常用的鉆井液處理劑標(biāo)準(zhǔn)難以滿足國內(nèi)實(shí)際的需要，比如重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)，APISPECIFICATION 13A：2019中仍然沒有對其進(jìn)行分級，顯然國內(nèi)不同地區(qū)的需求是不同的，高密度鉆井液施工區(qū)域需要密度4.30 g/cm3的重晶石粉，由于沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，給物資采購和質(zhì)量檢驗(yàn)帶來困擾。此外，一些常用鉆井液材料的檢測項(xiàng)目設(shè)置不能確保其質(zhì)量，比如鉆井級膨潤土。國內(nèi)由于鈉膨潤土礦的資源枯竭，大多數(shù)鉆井級膨潤土采用鈣基膨潤土鈉化工藝進(jìn)行處理，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至需要加入大分子聚合物。由于加入的大分子聚合物性能差別較大，質(zhì)量參差不齊，按照目前的鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，在現(xiàn)場施工過程中，部分產(chǎn)品由于抗溫性能差而導(dǎo)致鉆井液流變性能變差的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。另外，聚陰離子纖維素的檢測項(xiàng)目中缺少純度和取代度，難以滿足不同客戶的需求。抗高溫淀粉的推出，淀粉檢測項(xiàng)目中缺少抗高溫指標(biāo)，不利于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，制約了新技術(shù)的應(yīng)用。

因此，本文從目前的國家標(biāo)準(zhǔn)、ISO標(biāo)準(zhǔn)以及新發(fā)布的API標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，對常用的幾種鉆井液材料的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，對存在的問題進(jìn)行分析討論，并提出標(biāo)準(zhǔn)的修訂意見，為今后的標(biāo)準(zhǔn)修訂提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)比對

1.1 發(fā)布時(shí)間

API SPECIFICATION 13A：2019發(fā)布時(shí)間是2019年，GB/T 5005—2010發(fā)布時(shí)間是2010年，ISO 13500：2008發(fā)布時(shí)間是2008年。

1.2 材料種類

與GB/T 5005—2010和ISO 13500：2008(E)中包含13個(gè)鉆井液處理劑標(biāo)準(zhǔn)不同的是，APISPECIFICATION 13A：2019中只有12個(gè)鉆井液處理劑的標(biāo)準(zhǔn)，刪除了OCMA級膨潤土。

1.3 檢測指標(biāo)及方法

1.3.1 黏度效應(yīng)和6μm以下（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

在重晶石粉、赤鐵礦粉標(biāo)準(zhǔn)中，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010采取了黏度效應(yīng)檢測項(xiàng)目，代替API SPECIFICATION 13A和ISO 13500中6μm以下（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。在GB/T 5005—2010附錄B中闡述的原因是：用黏度效應(yīng)代替“沉降法測定等效球徑小于6 μm顆?！?。標(biāo)準(zhǔn)中對等效球徑小于6μm顆粒的控制目的就是確保重晶石粉不增稠，因此，相比于沉降法的重復(fù)性差、操作復(fù)雜，直接用黏度效應(yīng)評價(jià)重晶石粉對流變性的影響更直觀[1]。實(shí)際上，小于6 μm顆粒只是重晶石有無增稠效應(yīng)的因素之一，還有其他因素如黏土礦物雜質(zhì)的影響等，“黏度效應(yīng)”指標(biāo)對這些影響的控制效果更明顯。而小于6μm顆粒物除了能夠引起鉆井液增稠外，還增加了低密度固相的清除難度，影響了鉆井液的凈化，不利于重晶石的回收利用。因此，6μm顆粒還是單獨(dú)加以控制較好，目前激光粒度儀已經(jīng)具備了一定的普及程度，用其代替“沉降法”測試微細(xì)顆粒的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如中國石化一級企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHCG 90—2016《鉆井液用加重材料技術(shù)要求》[4]已經(jīng)成熟應(yīng)用。

1.3.2 淀粉或淀粉衍生物

關(guān)于低黏聚陰離子纖維素中是否含有多糖類物質(zhì)，GB/T 5005—2010和APISPECIFICATION 13A中，設(shè)置的檢測項(xiàng)目為淀粉或淀粉衍生物，而ISO 13500中設(shè)置的檢測項(xiàng)目為淀粉或CMC。然而，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中此項(xiàng)目的檢驗(yàn)方法都一樣，沒有本質(zhì)的區(qū)別。

1.3.3 重晶石粉的密度

在GB/T 5005—2010中，重晶石粉按密度分為大于等于4.20 g/cm3和4.05～4.20 g/cm3兩類。在ISO 13500中重晶石粉只有密度大于等于4.20 g/cm3這一類。在APISPECIFICATION 13A中，重晶石粉密度分為大于等于4.20 g/cm3和大于等于4.10 g/cm3兩類。

根據(jù)上述方法將不同版本常見鉆井液材料（API、國家標(biāo)準(zhǔn)、ISO）對比，見表1。

2 存在的問題

2.1 重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)，由表1和表2可知，都是依據(jù)重晶石粉的密度對產(chǎn)品進(jìn)行分級。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)最低級別的重晶石粉密度要求大于等于4.05 g/cm3，最高級別的重晶石粉密度要求大于等于4.30 g/cm3。國外標(biāo)準(zhǔn)最低級別的重晶石粉密度要求大于等于4.10 g/cm3，最高級別的重晶石粉密度要求大于等于4.20 g/cm3。

表1 不同版本常見鉆井液材料（API標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、ISO標(biāo)準(zhǔn)）對比詳情

表2 Q/SY 17008—2019重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)

隨著石油資源的枯竭和鉆井技術(shù)的進(jìn)步，深井、超深井要求更高的鉆井液密度，因此，高密度的重晶石粉需求量越來越大。此外，對于一些淺井，密度較低，但物資采購仍然按照密度大于等于4.20 g/cm3的重晶石粉采購，導(dǎo)致密度4.05～4.20 g/cm3低密度的重晶石粉利用率低，造成重晶石礦資源浪費(fèi)。中國石化Q/SHCG 90—2016《鉆井液用加重材料技術(shù)要求》和中國石油Q/SY 17008—2019《鉆井液用加重劑重晶石粉》[5]中，對重晶石粉分了3個(gè)級別，分別是“特級：大于等于4.30 g/cm3；一級：大于等于4.20 g/cm3；二級：大于等于4.05 g/cm3”。因此，建議盡快推行中石油或中石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的重晶石粉密度分級方式，行業(yè)主管部門督促使用單位按照實(shí)際需求采購不同級別的重晶石粉，合理利用重晶石礦資源。此外，建議修訂GB/T 5005—2010重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)，對重晶石粉按密度進(jìn)行分級，明確不同密度的重晶石粉適用鉆井液的密度范圍。

在石油鉆探過程中，經(jīng)常用到磁性定向工具進(jìn)行井底定向。鉆井液加重劑重晶石粉中如果含有磁性物質(zhì)，將會對磁性測量儀器參數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響工程施工[6]。從現(xiàn)場抽查重晶石粉，稱取一定量放置塑料托盤中，用磁力800～1 000的磁鐵吸附其中的磁性物質(zhì)，將吸附的磁性物質(zhì)質(zhì)量除以重晶石粉質(zhì)量，計(jì)算得磁性物質(zhì)含量。按照Q/SY 17008—2019中酸溶物含量測試方法，測試重晶石粉中酸溶物含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，部分重晶石粉中磁性物質(zhì)含量較高，個(gè)別重晶石粉樣品中磁性物質(zhì)含量超過30%，相應(yīng)的酸溶物含量最高達(dá)到40.7%。磁性物質(zhì)含量高，相應(yīng)的酸溶物含量也高。因此，重晶石粉中磁性物質(zhì)含量的控制應(yīng)該在GB/T 5005—2010重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)制修訂時(shí)加以考慮。

表3 重晶石粉密度、酸溶物及磁性物質(zhì)含量

此外，隨鉆伽馬測井技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)導(dǎo)向和儲層評價(jià)，對提高水平井儲層鉆遇率具有重要的意義[7]。鉆井液作為測井工具的工作介質(zhì)，其加重材料重晶石粉的伽馬值對測井的影響引起了測井工程師的關(guān)注，伽馬值超過一定限度，將會影響到測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，建議修訂GB/T 5005—2010中重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)，增加伽馬值的檢測方法和指標(biāo)。

2.2 鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)由表1和表4可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008（E）、API SPECIFICATION 13A：2019這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中鉆井級膨潤土的檢測項(xiàng)目和指標(biāo)完全相同。

表4 鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)比對

盡管APISPECIFICATION 13A：2019重新修訂并于2019年發(fā)布，仍然沒有對鉆井級膨潤土的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。然而，中石油集團(tuán)公司2019年發(fā)布了新制定的鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17009—2019《鉆井液用膨潤土》[8]與前面3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，根據(jù)不同的抗高溫性能將鉆井級膨潤土分為兩類，I類是抗溫180℃的膨潤土，II類是抗溫150℃的膨潤土。

研究表明[9-10]，從鉆井現(xiàn)場抽查的鉆井級膨潤土，滿足GB/T 5005—2010的要求，但高溫老化后的性能較差，表現(xiàn)為黏度大幅度降低，濾失量增加。隨著深井、超深井的開發(fā)，對鉆井液的抗溫性能提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。作為基礎(chǔ)材料在鉆井液中使用的鉆井級膨潤土，在質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，應(yīng)該考察其抗溫性能。因此，建議在整個(gè)石油行業(yè)推行Q/SY 17009—2019標(biāo)準(zhǔn)，修訂GB/T 5005—2010，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要采購不同抗溫性能的鉆井級膨潤土，減少井下復(fù)雜事故，提升井筒質(zhì)量。

2.3 聚陰離子纖維素標(biāo)準(zhǔn)

從表1中可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008(E)、APISPECIFICATION 13A：2019這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中低/高黏聚陰離子纖維素，都沒有純度、取代度檢測項(xiàng)目。但在實(shí)際采購、驗(yàn)收、使用環(huán)節(jié)，大多數(shù)使用的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)中包含純度、取代度等項(xiàng)目，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足施工要求[11-12]。按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)對聚陰離子纖維素產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測，結(jié)果見表5。從表5可知，聚陰離子纖維素具有不同的純度和取代度。建議通過調(diào)研，針對不同的需求，制定不同的指標(biāo)。

表5 聚陰離子纖維素部分性能指標(biāo)檢測結(jié)果

此外，從保護(hù)油氣層的角度考慮，如果灼燒殘?jiān)撸氯蜌馔ǖ?，將影響到油氣產(chǎn)出率。因此，建議修訂聚陰離子纖維素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，新增純度、取代度、灼燒殘?jiān)鼨z測項(xiàng)目的指標(biāo)和檢測方法。

2.4 淀粉

淀粉作為一種環(huán)境友好型的降失水劑廣泛應(yīng)用于鉆井液中。由于抗高溫性能差，淀粉的使用只能在淺井低溫段，應(yīng)用受限。因此，在表1中，淀粉的檢測項(xiàng)目沒有涉及到高溫性能評價(jià)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)有抗高溫淀粉應(yīng)用于各大油田的鉆井施工過程中。收集了施工現(xiàn)場不同的淀粉樣品，按照GB/T 5005—2010中淀粉濾失量性能的測試方法，進(jìn)行了不同老化溫度后的性能測試，數(shù)據(jù)見表6、表7、表8。海鹽水配置方法為42 g海鹽溶解在1 L去離子水中。其他實(shí)驗(yàn)步驟與飽和鹽水相同。從表6、表7、表8可知，1#樣品在4%鹽水體系中，抗溫可達(dá)150℃，但在飽和鹽水和海鹽水體系中，抗溫能力減弱。2#、4#樣品在4%鹽水體系和飽和鹽水體系中，抗溫可達(dá)120℃，150℃失效。

表6 4%鹽水懸浮液中淀粉濾失量

表7 飽和鹽水懸浮液中淀粉性能測試數(shù)據(jù)

表8 海鹽水懸浮液中淀粉性能測試數(shù)據(jù)

隨著環(huán)保鉆井液的推出，抗高溫淀粉作為一種環(huán)境友好型的降濾失劑將會得到應(yīng)用。因此，為了推廣淀粉在鉆井液體系中的應(yīng)用，建議對GB/T 5005—2010中淀粉的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，增加抗溫性能指標(biāo)及檢測方法，滿足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論及建議

通過對3個(gè)不同版本的常用鉆井液材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對分析，提出了4種常用處理劑現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題，并針對GB/T 5005—2010提出如下修訂建議。

1）重晶石粉標(biāo)準(zhǔn)，按密度進(jìn)行分級，明確不同密度的重晶石粉適用鉆井液的密度范圍，同時(shí)增加“小于6μm顆粒、磁性物質(zhì)含量和伽馬值”的檢測方法和指標(biāo)。

2）鉆井級膨潤土標(biāo)準(zhǔn)，按照Q/SY 17009—2019修訂。

3）聚陰離子纖維素標(biāo)準(zhǔn)，增加純度、取代度、灼燒殘?jiān)鼨z測項(xiàng)目的指標(biāo)和檢測方法。

4）淀粉標(biāo)準(zhǔn)，增加抗溫性能指標(biāo)及檢測方法。