幸雪松，何松，谷林，馮桓榰，岳前升，邢希金*

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028； 2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023)

渤海灣盆地明化鎮(zhèn)組活性泥巖含量高，蒙脫石和伊蒙混層多。鉆井過(guò)程中因蒙脫石水化膨脹表現(xiàn)出地層造漿性強(qiáng)，鉆井液黏度、切力和密度上升較快[1-2]，易造成井下復(fù)雜情況發(fā)生[3-5]。對(duì)于此類地層，一般采用不分散的聚合物鉆井液。其中聚合物類絮凝劑是該類鉆井液的核心處理劑，選擇性能優(yōu)異的絮凝劑是聚合物鉆井液的技術(shù)關(guān)鍵[6-9]。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5233—2014《鉆井液用絮凝劑評(píng)價(jià)程序》(簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn))采用高嶺土為沉降介質(zhì)，其成分與現(xiàn)場(chǎng)活性泥巖組分差異較大。此外，標(biāo)準(zhǔn)中未考慮無(wú)機(jī)鹽組分對(duì)絮凝劑絮凝能力的影響[10-13]。本工作在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，以泥巖鉆屑代替高嶺土，加入無(wú)機(jī)鹽氯化鈉，分析其對(duì)鉆井液及絮凝劑性能評(píng)價(jià)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

絮凝劑X414、X010、X812，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；絮凝劑BIOCAP，中海油田服務(wù)有限公司；絮凝劑聚合氯化鋁(WJX)，河南威泰環(huán)?？萍加邢薰?；氯化鈉，工業(yè)級(jí)，肥城勝利化工有限公司；現(xiàn)場(chǎng)泥巖鉆屑等。

GJSS-B12K變頻高速攪拌機(jī)，武漢欣盛博科技有限公司；XGRL-4A型高溫滾子加熱爐，南北儀器有限公司；ZNN-D12十二速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司。

1.2 測(cè)試方法

1)絮凝時(shí)間的測(cè)定。采用變頻高速攪拌機(jī)，分別以蒸餾水和氯化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)配制w(絮凝劑)=0.5%的絮凝劑溶液，參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2)絮凝劑黏度測(cè)定。分別以蒸餾水和氯化鈉溶液配制不同濃度的絮凝劑溶液，充分溶解后，在25 ℃采用十二速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量表觀黏度。

3)熱滾回收率測(cè)定。分別用蒸餾水和NaCl溶液配制絮凝劑溶液，充分溶解后，倒入老化罐。稱取50 g 6～10目鉆井現(xiàn)場(chǎng)的活性泥巖鉆屑，放入老化罐中，80 ℃條件下熱滾16 h取出，冷卻后過(guò)40目篩，清洗干凈，將清洗后的鉆屑于90 ℃干燥箱中干燥12 h，取出稱量，計(jì)算巖屑回收率。

4)絮凝介質(zhì)沉降后高度值的測(cè)定。按照程序中的方法進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)，1 h后在具塞量筒中讀出絮凝介質(zhì)沉降后的高度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑的表觀黏度

絮凝劑分子在鉆井液中的伸展?fàn)顟B(tài)可以影響到鉆井液的絮凝效果，而絮凝劑分子在溶液中的伸展?fàn)顟B(tài)可以通過(guò)溶液的表觀黏度進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)考察了不同絮凝劑在蒸餾水及氯化鈉溶液中的表觀黏度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 絮凝劑的表觀黏度

由圖1可見(jiàn)，在蒸餾水中，5種絮凝劑表觀黏度均隨絮凝劑濃度的增加而增大；但在NaCl溶液中，當(dāng)w(絮凝劑)=0.3%時(shí)，絮凝劑X010和X812的曲線斜率明顯增大，而X414的曲線斜率則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。不同類型的絮凝劑抵抗Na+干擾的能力不同。對(duì)于陰離子型絮凝劑X414，Na+的存在會(huì)中和掉陰離子之間的靜電排斥作用，大分子卷曲，溶液的表觀黏度降低；對(duì)于陽(yáng)離子型、非離子型及金屬離子型絮凝劑，Na+對(duì)其表觀黏度的影響相對(duì)較小。而Na+對(duì)兩性離子絮凝劑表觀黏度的影響，則需要具體分析絮凝劑分子中陰、陽(yáng)離子的比例及類型。故不同絮凝劑在蒸餾水和氯化鈉溶液中，呈現(xiàn)出表觀黏度的不同變化趨勢(shì)。

2.2 絮凝劑的熱滾回收率

絮凝劑在鉆井液中的作用主要有兩方面：一方面，對(duì)于細(xì)小鉆屑(尤其是泥巖鉆屑)，絮凝劑分子通過(guò)吸附“橋連”作用使其凝聚變大，方便地面固控設(shè)備有效清除鉆井液中的細(xì)小鉆屑；另一方面，對(duì)于較大鉆屑，絮凝劑分子則通過(guò)吸附“包被”作用，防止鉆屑進(jìn)一步地分散變小，絮凝劑的這種作用則常采用滾動(dòng)回收率進(jìn)行表征。不同絮凝劑的熱滾回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，相對(duì)于基液，5種絮凝劑的熱滾回收率均明顯升高，且除WJX外，其他絮凝劑熱滾回收率均大于87%，表現(xiàn)出較好的吸附“包被”作用。對(duì)比同一種絮凝劑在蒸餾水及NaCl溶液中的熱滾回收率，可以發(fā)現(xiàn)Na+的存在降低了X414、X812、WJX的熱滾回收率，此外對(duì)其他兩種絮凝劑也略有影響。這是因?yàn)镹a+的存在會(huì)一定程度影響絮凝劑分子在溶液中的伸展及聚集狀態(tài)，從而影響絮凝劑的吸附“包被”作用。

表1 不同絮凝劑的熱滾回收率對(duì)比

2.3 絮凝沉降曲線

絮凝劑對(duì)細(xì)小泥巖鉆屑的吸附“橋連”作用常采用絮凝速度等進(jìn)行表征，故分別在蒸餾水及NaCl溶液中對(duì)不同絮凝劑進(jìn)行了絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，其沉降曲線見(jiàn)圖2。

圖2 絮凝劑的沉降速度

由圖2可知，絮凝劑X414在蒸餾水及NaCl溶液中的曲線斜率均在200 s時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)折，在200 s時(shí)，X414基本達(dá)到了最大沉降刻度，X010在水中的沉降速度快于其他3種絮凝劑，而B(niǎo)IOCAP在NaCl溶液中的沉降速度快于其他3種絮凝劑。此外，X414、X812和WJX 3種絮凝劑在蒸餾水及NaCl溶液中的曲線形狀基本相同，BIOCAP在NaCl溶液中的曲線斜率大于在蒸餾水中，而X010在NaCl溶液中的曲線斜率卻低于其在蒸餾水中的斜率。這說(shuō)明Na+可以提高BIOCAP的絮凝效果，降低X010的絮凝效果，而對(duì)X414、X812和WJX的影響較小。鉆井現(xiàn)場(chǎng)的活性泥巖鉆屑中一般含有無(wú)機(jī)鹽，且鉆井液的配制過(guò)程中也經(jīng)常添加無(wú)機(jī)鹽以提高鉆井液的防膨能力，如果不考慮無(wú)機(jī)鹽對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響，均按標(biāo)準(zhǔn)中采用蒸餾水為溶劑測(cè)試不同絮凝劑的絮凝效果。所得到的測(cè)試結(jié)果可能與鉆井現(xiàn)場(chǎng)的操作效果存在較大差異，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估出絮凝劑的絮凝效果，從而影響到鉆井液的使用性能。

2.4 沉降介質(zhì)對(duì)絮凝時(shí)間的影響

標(biāo)準(zhǔn)中選用高嶺土為沉降介質(zhì)，而現(xiàn)場(chǎng)泥巖鉆屑以蒙脫石礦物為主，其成分明顯區(qū)別于高嶺土。分析認(rèn)為按照標(biāo)準(zhǔn)以高嶺土為沉降介質(zhì)可能會(huì)影響絮凝評(píng)價(jià)效果的準(zhǔn)確性。故分別選用高嶺土和過(guò)200目篩的現(xiàn)場(chǎng)細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，分別在水及氯化鈉溶液中測(cè)試了不同絮凝劑的絮凝時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 蒸餾水中沉降介質(zhì)對(duì)絮凝時(shí)間的影響

表3 NaCl溶液中沉降介質(zhì)對(duì)絮凝時(shí)間的影響

由表2、表3可以看出，以高嶺土為沉降介質(zhì)，絮凝劑X414無(wú)論在蒸餾水或NaCl溶液中的絮凝時(shí)間均明顯小于其他4種絮凝劑；但以細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，除WJX外，其他4種絮凝劑在蒸餾水和NaCl水溶液中的絮凝時(shí)間均較短，顯示出較好的絮凝性能?？梢?jiàn)，原標(biāo)準(zhǔn)中以高嶺土為沉降介質(zhì)，沒(méi)有考慮高嶺土與現(xiàn)場(chǎng)活性泥巖之間的成分差異，導(dǎo)致以此標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)出的絮凝劑的絮凝效果可能與鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的實(shí)際絮凝效果存在較大差異，而以鉆采現(xiàn)場(chǎng)取回的細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，可以更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出不同絮凝劑施工現(xiàn)場(chǎng)的絮凝效果。

2.5 沉降介質(zhì)高度

分別以高嶺土和細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，測(cè)量了不同絮凝劑在蒸餾水和NaCl溶液中沉降后的介質(zhì)高度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 絮凝介質(zhì)沉降后高度值

由圖3可知，以高嶺土為沉降介質(zhì)，絮凝介質(zhì)沉降后高度值在水中及氯化鈉溶液中相差較大，而以細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，各種絮凝劑在水及NaCl水溶液中的沉降介質(zhì)高度值的變化相對(duì)較小。

2.6 絮凝現(xiàn)象

以高嶺土為沉降介質(zhì)，通過(guò)肉眼觀察，各種絮凝劑的絮凝現(xiàn)象無(wú)明顯區(qū)別；但以細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，不同絮凝劑的絮凝現(xiàn)象差別較大，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 絮凝現(xiàn)象的比較

由表4可知，以細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，可以直觀對(duì)比出不同絮凝劑的絮凝現(xiàn)象，更有利于絮凝劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 論

a.在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上加入NaCl，5種絮凝劑的表觀黏度、熱滾回收率、絮凝速度等均發(fā)生變化，且NaCl對(duì)不同絮凝劑的影響趨勢(shì)及程度各不相同。

b.分別以細(xì)目鉆屑和高嶺土為沉降介質(zhì)，所得絮凝劑的絮凝時(shí)間相差較大，且以細(xì)目鉆屑為沉降介質(zhì)，可以直觀對(duì)比絮凝劑的絮凝效果。

c.在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上加入無(wú)機(jī)鹽，并以細(xì)目鉆屑替代高嶺土為沉降介質(zhì)，對(duì)渤海灣盆地明化鎮(zhèn)組鉆井液絮凝劑的優(yōu)選具有指導(dǎo)意義。