膨潤土改性及其在鉆井液方面的應用

王月超，王騰達，楊雙春，秦永航，龍文宇（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

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膨潤土改性及其在鉆井液方面的應用

王月超，王騰達，楊雙春，秦永航，龍文宇
（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

摘要：膨潤土（ Bentonite ），主要成分粘土礦物-蒙脫石，以兩層 Si-O 四面體中夾一層Al-（O，OH）八面體作為構造單元構成的層狀硅酸鹽礦物。膨潤土是調整鉆井液流變性和濾失性的重要天然礦物材料。通過改善天然膨潤土水化性和吸附性，使得膨潤土濾失效果增強，與其他處理劑的協同能力得到提高，從而顯著改善鉆井液性能。主要介紹了膨潤土的有機改性工藝在鉆井液方面的應用，并探究了改性后的膨潤土在超深井的高溫高壓條件下的作用效果，以期為相關研究提供參考。

關鍵詞：膨潤土；有機改性；鉆井液；高溫；高壓

膨潤土是一種以蒙脫石為主的層狀硅酸鹽礦物，膨潤土的有機改性在膨潤土應用領域得到廣泛重視，改性后的膨潤土的性能優良，應用前景廣闊，其在鉆井液方面的用量占膨潤土總用量的第二位［1］。改性后的膨潤土可調整鉆井液流變性和濾失性能，大大提高鉆井液性能。關于膨潤土改性以及應用的研究報道已有很多，但關于有機改性膨潤土應用于鉆井液的報道十分稀少［2］。本文介紹了膨潤土改性及其在鉆井液方面的應用，并探究了高溫高壓對膨潤土性能的影響以及在深井和超深井鉆井液工藝技術方面對膨潤土進行進一步改性。

1　膨潤土改性及增效

膨潤土的有機改性在膨潤土應用研究領域占有重要地位，改性后的膨潤土因其優良的性能而具有十分廣闊的應用前景，受到眾多學者的關注。

目前，已有研究者對膨潤土增效機理和改性工藝進行了深入的研究。何世鳴等［3］分別對火堿以及純堿與鹽復合的作用機理、氧化鎂以及氧化鎂與碳酸鈉共同作用的機理、有機高分子聚合物作用的機理和木質素磺酸鹽類處理劑的作用機理四種膨潤土改性與增效的方法進行了研究，從而為進一步研究膨潤土改性與增效提供了較好的理論指導。王鴿等人［4］也在膨潤土改性在鉆井液方面的應用進行了探究，他們通過鈉化改性和加入某種或多種增效劑兩種路徑來提高膨潤土鉆井液指標。結果表明湖北鄂州膨潤土用于生產鉆井液的最佳工藝為：鈉化劑NaCO3加入量為 4.0%，水分為 24%，差速對輥擠壓3次，制得改性成品后加入增效劑苛性鈉1.2%，高分子聚合物1.0%，可得到優質鉆井液用膨潤土。總的來說，在一定濃度范圍內，表現出良好的觸變性，在鉆井液中發揮著重要作用。但有學者提出改性膨潤土添加增效劑時，對于層電荷不同的膨潤土添加時間有明顯不同，該問題將值得開展進一步研究。胡繼良等［5］也對膨潤土改性進行了研究。實驗中，對用于水基鉆井液的鈉基膨潤土開展了有機改性研究，按一定比例將丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AC）倒入NaOH水溶液中，加入一定量過硫酸鉀作為引發劑，并攪拌加熱得到聚合物A，取鈉基膨潤土和6%的聚合物A混合均勻，進過混煉擠壓，得到有機改性膨潤土。將實驗得到的有機改性膨潤土進行鉆井液性能檢測，結果表明，當有機改性膨潤土質量分數為4%時，其漿液粘度為5.5 mPa·s，潤滑系數0.13，濾失量為13 mL，性能優良，前景可觀。王貴和等人［6］開展了磁化膨潤土漿流變性實驗的研究，實驗中磁感應強度是通過電磁鐵產生，通過滑線變阻器調節電流強度達到改變磁感應強度的目的，循環速度由節流閥來調節，采用秒表計時，以探究不同磁化條件（磁感應強度、循環速度、磁化時間）對膨潤土漿流變性能的影響。實驗中，通過采用單一變量法探究了磁化時間、磁化強度、循環速度對膨潤土流變性的影響，最佳降粘切磁化條件∶磁感應強度為0.16 T，磁化時間為1 h。針對 k 井鉆井液在鉆井過程中出現井漏嚴重、處理井漏復雜周期長等問題，魏武等人［7］提出了膨潤土漿霧化鉆井治漏方案優選氣液比，有效地控制了鉆井液的漏失量。霧化鉆進期間，出口有氣體返出，液體間斷返出。由于霧化鉆進所用鉆井液排量較小，鉆井液每天漏失260 m3左右，相比黏土鉆井漏失量而言，漏失量減少8倍多，現場鉆井液供應要求得以滿足.本井膨潤土漿基液霧化鉆井技術的成功為高效安全鉆采砂質黃土層的油井探索出了一條有利途徑。

改性后的膨潤土因其在鉆井液中具有較好的攜帶性和流變性，能有效地防止腐蝕，潤滑鉆井，同時它也有可觀的提切、增黏效果，可以作為配制油包水泥漿和優良的抗高溫解卡劑的原料，在提高鉆井速度的同時又使得事故的發生幾率減少。因此，在鉆井液方面的應用頗受研究者關注。

2　膨潤土在抗高溫鉆井液中的研究

隨著，油井深度的增加，對鉆井液的性能影響也不斷增大，在超深井的高溫高壓條件下，鉆井液中發生著復雜的物理以及化學變化，對此，膨潤土在抗高溫鉆井液中的研究一直是學者研究重點。

高溫造成鉆井液不穩定的根本原因之一是高溫誘發的黏土顆粒分散。合理、準確控制高溫超深井水基鉆井液中的基礎材料—膨潤土的含量，對鉆井液性能影響尤為重要，為此黃維安等人［8］依據GB/T16783-1997 標準，在水基鉆井液現場對膨潤土在鉆井液中的有效含量進行了測量。實驗過程中，通過探究氯化鈉質量分數、鉆井液 pH 值對膨潤土有效含量影響，通過亞甲基藍容量法來測定鉆井液中膨潤土的有效含量。實驗結果表明，隨著氯化鈉質量分數增加，測試的膨潤土含量降低，但降低幅度不大；隨著鉆井液 pH 值升高，測試的膨潤土含量增大，但增加幅度不大。崔明磊等人［9］進行了抗高溫白油基鉆井液所用有機土的研究，將配制質量濃度約為12%的膨潤土漿，在 65 ℃的條件下，加入分散劑和鈉化劑，開展鈉化改性，并提純烘干得到鈉土。選擇一種長碳鏈的季銨鹽作為有機覆蓋劑，對鈉土進行有機改性，得到滿足實驗目的的膨潤土。同時，采用掃描電鏡（ SEM） 、X射線衍射（ XRD）、熱重（TG）分析和紅外光譜（ FTIR）對自制有機土進行結構表征，并進行性能評價。結果表明，該有機土凝膠和增粘提切性能好，可在240 ℃的高溫條件下使用，相對于國內有機土性能優良，其性能與Canada有機土相當，是一種質量較好的鉆井液用白油基有機土。

在油井深度不斷增加的情況下，對鉆井液的性能影響也不斷增大，為此劉江華等人［10］在進行高密度水基鉆井液的抗高溫作用機理及流變性能的研究中，分別開展了溫度、膨潤土含量、pH對膨潤土性能影響的探究。通過考察老化16 h在不同溫度下進行對膨潤土漿的濾失性及流變性的影響，得出隨溫度的升高，膨潤土漿的動切力先降低后升高，在 180℃附近出現最低值；隨膨潤土含量增加，膨潤土漿的動切力、塑性粘度及表觀粘度均增加，在膨潤土含量超過 4%后，出現較大的增加幅度；膨潤土漿老化前的動切力和塑性粘度與 pH 值關系均不大，而膨潤土漿老化后塑性粘度在 pH 值增大的情況下，明顯增大，其動切力則出現先減少后增大的現象，在 pH=9 時 API 濾失量與動切力均達到最低值。趙紅香等［11］也對高溫對鉆井液中膨潤土的作用進行了探究。實驗中通過對膨潤土漿在不同溫度條件下老化16 h，測試其流變性及濾失量。隨老化溫度的升高，出現膨潤土漿高溫聚結的現象，導致塑性粘度及表觀粘度總體變化趨勢出現先略有減少而后增大的狀況，且濾失性能變差。川東北地區海相儲層地層濕度高、鹽膏侵嚴重、壓力梯度大，為此張軍等人［12］開展了抗高溫超高密度鉆井完井液的研究，實驗中探究了膨潤土限量問題，實驗結果表明隨著膨潤土含量的增加，鉆井液漏斗黏度、濾失量降低、切力增加，膨潤土含量過高，鉆井液黏度，流動性變差、切力增幅大，現場維護中，超高密度（2.70 g/cm3）鉆井液的膨潤土含量為12～20 g/L最佳。

高溫作為對鉆井液中粘土的作用影響的重要因素，探究高溫對膨潤土性能的影響并對其進行優化可有效地改善高溫對鉆井液性能的影響勢在必行。但至今為止，鉆井液的抗溫性及其在高溫條件下的流變性、濾失性的調控，特別是對于高密度鉆井液流變性的調控，在深井和超深井鉆井液工藝技術方面仍有很大的研發空間，眾多研究者正對其進行深入的探究。

4　結束語

因鉆井液作為鉆井工程的血液，膨潤土為鉆井液重要基礎材料，膨潤土改性及其在鉆井液方面的應用是目前學者研究的重點內容。本文在膨潤土的有機改性以及在鉆井液方面的重要應用進行了綜述，筆者建議今后對于膨潤土的改性及在鉆井液方面的應用應著重于抗高溫高壓的鉆井液的研究，進一步研究壓力、溫度對高密度鉆井液流變性的影響，更深一步探討壓力對粘度的影響的作用機理。

參考文獻：

［1］韓秀山.膨潤土的綜合開發利用［J］.硅鋁化合物，2004，16（4）：1-11.

［2］陶士先，湯松然，彭步濤.繩索取心鉆桿內壁結垢機理與防治［J］.探礦工程：巖土鉆掘工程，2007，34（增刊）：155-159.

［3］何世鳴，周健，候德峰.膨潤土用于鉆井泥漿改性與增效機理探討［J］.中國非金屬礦工業導刊，2002（04）：15-17.

［4］王鴿，郭海盈，謝愛虎，徐光亮.鉆井泥漿用膨潤土的試驗研究［J］.中國非金屬礦工業導刊，2010（04）：40-42.

［5］胡繼良，陶士先，付帆，王成彪.膨潤土的有機改性及其鉆井液性能［J］.現代地質，2011（06）：1219-1222.

［6］王貴和，鄭艷芹.磁化膨潤土漿流變性實驗研究［J］.石油鉆探技術，1997（03）：29-30+62-63.

［7］魏武，許期聰，路琳琳，鄧虎，肖洲，鄧柯，余銳，黃述春.基于膨潤土漿基液的霧化鉆井技術研究與應用［J］.鉆采工藝，2013（01）：9-11+7.

［8］黃維安，邱正松，喬軍，徐加放，鐘漢毅，張現斌.復雜深井井漿膨潤土含量測定方法［J］.石油鉆采工藝，2012（01）：63-66.

［9］崔明磊.抗高溫白油基鉆井液用有機土的研制及性能研究［J］.廣州化工，2014（06）：70-72.

［10］劉江華.高密度水基鉆井液抗高溫作用機理及流變性研究［D］.北京∶中國石油大學，2009.

［11］趙紅香，李軍，孔德鋒，劉學明.膨潤土漿高溫作用機理實驗研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2012（06）：240-241.

［12］張軍，羅健生，彭商平，溫銀武，周雪，楊飛，于志綱，呂寶.川東北地區抗高溫超高密度鉆井液研究［J］.鉆井液與完井液，2009（02）：39-42+132.

Modification of Bentonite and Its Application in the Drilling Fluid

WANG Yue-chao，WANG Teng-da，YANG Shuang-chun，QIN Yong-hang，LONG Wen-yu
（Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Bentonite，main component of clay minerals - montmorillonite，is the layered silicate mineral with the structural unit of two-layer Si-O Al- （O，OH） eight surface body.Bentonite is an important natural mineral material to adjust the rheological properties and filtration of drilling fluid.By improving the adsorption and hydration of natural bentonite，the filtration effect of bentonite can be enhanced，and the synergistic effect of other treatments can be improved，and the performance of the drilling fluid can be improved significantly.In this paper，organic modification process of bentonite in the drilling fluid was introduced，and application effect of modified bentonite in ultra deep wells with high temperature and high pressure conditions was analyzed.

Key words：Bentonite；Organic modification；Drilling fluid；High temperature；High pressure

中圖分類號：TE 357

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0073-02

基金項目：遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目（項目號：201510148015）。

收稿日期：2015-08-07

作者簡介：王月超（1995-），女，遼寧省丹東市人，研究方向：鉆井液。

通訊作者：楊雙春（1977-），女，副教授，博士，研究方向：油田化學。