SDBS/Na2CO3改性膨潤土及其在鉆井液中的應用研究

孫孟瑩，張傳盈，郭明哲，WAKAM FOGAING MARCELLIN，楊雙春，徐明磊，李東勝

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油大學 石油工程學院，北京 100000；3.遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部，遼寧 撫順 113001)

膨潤土(Bentonite)是以蒙脫石為主的粘土性礦物[1-2]。其中鈉基膨潤土的吸水率與膨脹容大，離子交換性強，觸變性、膠結(jié)性與熱穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)異的鉆井液配制原料[3-4]。所以各地學者嘗試諸多方法對鈣基膨潤土進行鈉化改性，從而提高其應用價值[5-7]。本文針對縫洞型地層研制SDBS/Na2CO3鈉化改性膨潤土鉆井液，用微波加熱法對鈣基膨潤土進行鈉化處理，考察溫度、微波條件及改性劑用量等影響因素，優(yōu)選出最佳制備條件。將其用于鉆井液，對黏度、流變性、抑制性、抗污染等性能進行評價。優(yōu)化其性能，使其適用于洞縫性地層。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

天然鈣基膨潤土(200目)；十二烷基苯磺酸鈉、碳酸鈉、濃鹽酸、無水乙醇、PAC、FLA、聚乙二醇、硅酸鉀、硫酸鋇均為化學純；蒸餾水(自制)。

BSA223S型電子天平；78-1型磁力加熱攪拌器；GZX-9023型數(shù)顯干燥箱；MAS-II常壓微波型萃取/合成反應裝置；ZNN-D6B型數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)粘度儀；GGS42-2A型高溫高壓濾失儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 微波法改性鈣基膨潤土 取膨潤土適量，用50%無水乙醇、蒸餾水，配制膨潤土懸濁液，添加不同比例的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和碳酸鈉(Na2CO3)，采用磁力攪拌器將溶液攪拌均勻(不加熱)，對其進行微波改性研究。實驗過程中探討磁力攪拌時間、微波時間、微波功率、溫度、無水乙醇、改性劑(SDBS/Na2CO3)用量、溫度等因素對膨潤土改性的影響。

1.2.2 結(jié)構(gòu)表征 取適量樣品利用傅里葉紅外分光光度計對樣品進行紅外分析。

1.2.3 水基鉆井液的優(yōu)選 洞縫型地層對鉆井液的黏性要求更高，目前常用的配方為：4%膨潤土+5%碳酸鈉+0.2%PAC(增粘劑)+0.7%FLA(降濾失劑)+2%聚乙二醇(分散劑)+3%硅酸鉀(膠凝劑)+0.8%硫酸鋇(加重劑)。將實驗室自制復合改性膨潤土作為主要成分(不添加增粘劑)，將改性膨潤土鉆井液與上述含PAC未改性膨潤土鉆井液配方進行性能對比，從而對改性膨潤土鉆井液體系進行考察。

將自制改性鉆井液體系放入老化罐中，設(shè)置老化溫度為80 ℃，時間為16 h，測定其表觀粘度；采用高溫高壓濾失儀對鉆井液濾失性能進行評價；將鉆井液倒入膨脹儀測試杯中，測其膨脹量，進而對鉆井抑制性能進行評價；在所制鉆井液中分別加入濃度為3%，5%，7%的疏松砂巖地層土，并通過100目篩網(wǎng)的疏松砂巖巖心，測量(高速環(huán)境下)體系的粘度(mPa·s)、濾失量(mL)，進而對其抗污染能力進行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 SDBS/Na2CO3改性膨潤土

2.1.1 攪拌時間 取8 g膨潤土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，8 mL 50%無水乙醇，加入蒸餾水至60 mL。磁力攪拌不加熱，溫度為30 ℃。磁力攪拌時間分別定為1，2，3，4，5 min，微波時間分別為1，2，3，4，5 min，即每一個梯度磁力攪拌時間下對應微波時間的膨脹容測定5次(實驗共計25次)，將梯度磁力攪拌時間所對應微波時間的最優(yōu)膨脹容數(shù)據(jù)整合，結(jié)果見表1。

表1 磁力和微波攪拌時間對膨脹容的影響Table 1 Influence of magnetic force and microwave stirring time on expansion capacity

由表1可知，磁力攪拌時間和微波照射時間對膨潤土鈉化效果具有一定的影響。磁力攪拌時間增加，膨脹容增大，3 min時達到最大值，所對應的微波時間為2 min。當磁力攪拌時間>3 min時，膨脹容有所降低，但最低值仍大于3 min以內(nèi)數(shù)值。所以最后確定磁力攪拌時間3 min，微波時間2 min，此時的樣品吸水膨脹性最好，膨脹容為47 mL/g。

2.1.2 SDBS/Na2CO3改性劑比例 實驗采用膨潤土8 g，SDBS 1 g，50%無水乙醇8 mL，磁力攪拌時間為3 min，微波照射時間2 min，溫度為30 ℃，Na2CO3質(zhì)量分別為0，0.5，1，1.5，2 g時，考察SDBS/Na2CO3用量比例與膨脹容之間的關(guān)系結(jié)果見表2。

表2 改性劑對膨脹容影響Table 2 Influence of modifier on expansion capacity

由表2可知，SDBS/Na2CO3用量比例不同對膨潤土鈉化效果具有一定的影響。當Na2CO3含量為0.5 g時，膨脹容最低，隨著Na2CO3的增加，膨脹容逐漸增加，并在 Na2CO3質(zhì)量為1.5 g時，達到最大為53 mL/g。這是由于一方面鈣基膨潤土轉(zhuǎn)化為鈉基的實驗本身增加了膨脹容值，另一方面SDBS提供了一種具有高表面活性的可交換陽離子，降低了溶液的表面張力，從而增加了膨脹容。所以實驗取SDBS質(zhì)量為1 g，Na2CO3質(zhì)量為1.5 g，質(zhì)量比例為2∶3，此時實驗效果最佳。

2.1.3 溫度 溫度是鈉化改性實驗不可忽視的重要反應條件[8]。采用膨潤土8 g，SDBS 1 g，Na2CO31.5 g，50%無水乙醇8 mL，磁力攪拌時間為3 min，微波照射時間2 min。溫度分別為30，40，50，60，70 ℃時，考察溫度與膨脹容之間的關(guān)系，結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對膨脹容的影響Fig.1 Influence of temperature on expansion capacity

由圖1可知，當溫度為40 ℃時膨脹容最大，為50 mL/g。當溫度>40 ℃時，膨脹容呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于升高溫度，SDBS的表面活性增強，懸浮液的表面張力下降，使膨脹容變大。但溫度過高，會導致SDBS的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而降低鈉化效果。

2.1.4 微波功率 實驗采用8 g膨潤土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，8 mL的50%無水乙醇，磁力攪拌時間為3 min，微波照射時間2 min，反應溫度40 ℃，微波功率分別為100，200，300，400，500，600，700 W時，考察微波功率與膨脹容之間的變化關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 膨脹容隨微波功率變化關(guān)系Fig.2 Relation between expansion capacity and microwave power

由圖2可知，微波功率的不同會影響微波的照射強度，從而影響實驗效果。當微波功率為200 W時，鈉化改性膨潤土的膨脹容最大，為49 mL/g。隨著微波功率逐漸升高，膨脹容呈持續(xù)走低趨勢。可能是因為溶液在磁力攪拌時混合較為均勻，反應物之間接觸性良好，但是當微波功率>400 W時，其照射強度變強，使得SDBS的碳鏈發(fā)生斷裂，破壞了鈉化反應的繼續(xù)進行。

2.1.5 50%無水乙醇 實驗采用8 g膨潤土，1 g SDBS，1.5 g Na2CO3，磁力攪拌3 min，微波照射2 min，微波功率200 W，反應溫度40 ℃，溶液定量60 mL。50%無水乙醇用量分別為8，20，30，40，50，60 mL時，考察乙醇用量與膨脹容影響關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 50%無水乙醇量對膨脹容的影響Fig.3 Influence of 50% anhydrous ethanol on expansion capacity

由圖3可知，當50%無水乙醇體積為20 mL時，膨脹容最低，僅為12 mL/g，隨著50%無水乙醇體積的增加，膨脹容逐漸增加，并于40 mL時達到最大值，為44 mL/g。但當無水乙醇體積持續(xù)增加時，膨脹容漸漸呈現(xiàn)降低趨勢。可能是因為，50%無水乙醇使得膨潤土的層間季胺碳氫鍵發(fā)生橋聯(lián)現(xiàn)象，實現(xiàn)了較好的溶劑化，從而使得層間膨脹且分散，提高了鈉化反應效率。但是當50%無水乙醇體積持續(xù)增大時，對樣本的流變性及膨脹性產(chǎn)生了消極作用。所以實驗采用40 mL的無水乙醇(50%)，20 mL 的水(蒸餾水)，此時實驗效果最優(yōu)。

綜上所述，確定改性膨潤土最佳實驗條件為：8 g 膨潤土，十二烷基苯磺酸鈉1 g，碳酸鈉1.5 g[m(膨潤土)∶m(SDBS)∶m(Na2CO3)=16∶2∶3]，50%無水乙醇量為40 mL，蒸餾水20 mL，磁力攪拌3 min，微波照射2 min，溫度為40 ℃，微波功率為200 W。采用上述實驗條件制備改性膨潤土，并配制鉆井液體系。

2.2 結(jié)構(gòu)表征

將復合改性后的膨潤土進行紅外分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，紅外光譜中呈現(xiàn)出了特征吸收峰：3 650～3 500 cm-1處出現(xiàn)了寬而強的 —OH伸縮振動峰，1 640 cm-1附近出現(xiàn)了 —OH伸縮振動峰，均為膨潤土晶格中結(jié)晶水的表征。2 950～2 830 cm-1的C—H非對稱拉伸振動和對稱拉伸振動峰值均出現(xiàn)在紅外光譜中，且峰值屬于Na2CO3與SDBS。在1 030 cm-1附近有Si—O的強吸收帶，在400～600 cm-1處有Al—O和Si—O的彎曲振動峰。綜上所述，這些吸收峰的位置表明改性劑成功進入膨潤土并進行了插層，改性成功。

圖4 改性膨潤土紅外表征示意圖Fig.4 Infrared characterization of modified bentonite

2.3 改性膨潤土鉆井液及性能評價

2.3.1 流變性 改性膨潤土鉆井液體系(不含PAC)即自制鉆井液體系，未改性膨潤土鉆井液體系(含PAC)即常規(guī)鉆井液體系，測定二者的流變性(未老化)。將制備體系放入老化容器中，在80 ℃條件下滾動16 h，測定二者的表觀粘度、塑性粘度及動切力(老化后)，結(jié)果見表3。

表3 老化前后兩種鉆井液的流變性能對比Table 3 Comparison of rheological properties of the two drilling fluids before and after aging

由表3可知，改性膨潤土鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力等性能在老化前后，數(shù)值均大于未改性膨潤土鉆井液，且本身數(shù)值變化幅度不大，受老化實驗影響較小，具備一定的熱穩(wěn)定性。即使未加增黏劑，自制體系的流變性能與黏性均表現(xiàn)良好，所以改性膨潤土鉆井液滿足縫洞型地層應用條件。其原因可能在于當兩種體系的濃度相同時，由于膨潤土本身具有分散性，在鈉化后則更易形成結(jié)構(gòu)性強、重組性好的凝膠狀態(tài)，所以改性體系在維持較高的表觀黏度的同時，還可保證懸浮液在短時間內(nèi)恢復結(jié)構(gòu)性能，從而使得改性膨潤土鉆井液流變性更好。

2.3.2 濾失性 對改性膨潤土鉆井液濾失性能進行評價，實驗結(jié)果見表4。

由表4可知，80 ℃滾動老化16 h后常規(guī)鉆井液體系的濾失增量為0.5 mL，實驗室制備體系濾失增量為0.7 mL，大于未改性膨潤土鉆井液。但是實驗室制備鉆井液常溫下的濾失量僅為6.2 mL，遠小于未改性膨潤土鉆井液，且老化前后泥餅厚度為0.5 mm，在滲透性較小、泥餅較薄甚至不易形成泥餅的地層應用時，改性膨潤土鉆井液不僅濾失量小于未改性鉆井液，還可以形成具有安全鉆井和儲層保護等特點的有效泥餅。

2.3.3 抑制性 將自制鉆井液倒入膨脹儀測試杯中測其膨脹量，老化溫度為80 ℃。巖心膨脹量隨時間的變化見表5。

表5 巖心膨脹量隨時間的變化Table 5 Changes of core expansion over time

由表5可知，老化前后的巖樣膨脹量均會隨著時間的增加而變大，但是當80 ℃下老化，時間超過180 min后，膨脹率開始減少，并漸漸趨于平穩(wěn)。該結(jié)果表明所制鉆井液體系能夠有效抑制巖石的熱膨脹現(xiàn)象，從而有效防止井漏、井壁坍塌等井下復雜事故的發(fā)生。

2.3.4 抗污染能力 在改性膨潤土基漿中分別加入濃度為3%，5%，7%的地層土，并通過100目篩網(wǎng)的疏松砂巖巖心，經(jīng)高速攪拌后測其粘度值(mPa·s)及濾失體積(mL)，結(jié)果見表6。

表6 粘度和濾失量Table 6 Viscosity and filtration loss

由表6可知，隨著地層土用量(3%，5%，7%)的不斷增加，黏度值波動數(shù)值增加2.4 mPa· s，動切力波動數(shù)值降低3.1 Pa，濾失波動數(shù)值增加0.7 mL，濾餅厚度減少量為0.1 mm。總的來看，其黏度值、動切力、濾失量及濾餅厚度的數(shù)值與污染前相比相差不多，地層土添加量的多少沒有對鉆井液性能產(chǎn)生大幅度的消極影響。因此可知，改性膨潤土鉆井液的抗污染能力較高。

3 結(jié)論

通過將膨潤土進行復合改性，得到了黏度性能較高的改性物質(zhì)。將其應用于鉆井液中，一方面提高了鉆井液應用性能。另一方面減少了配方組分，從而降低了油田現(xiàn)場配制難度與應用成本。實驗結(jié)論如下：

(1)改性膨潤土最佳實驗條件為：SDBS 1 g、Na2CO31.5 g、50%無水乙醇量40 mL、蒸餾水20 mL、磁力攪拌3 min、微波照射2 min，溫度為40 ℃，微波功率為200 W。此時的膨脹容為53 mL/g，鈉化效果最佳。

(2)所制改性膨潤土鉆井液具體配方為：5%碳酸鈉+4%改性膨潤土+0.7%FLA+2%聚乙二醇+3%硅酸鉀+0.8%硫酸鋇。該鉆井液體系具有良好的熱穩(wěn)定性，表觀粘度為38.2 mPa·s；濾失量為6.2 mL，泥餅厚度為0.5 mm，80 ℃，16 h后濾失量為6.9 mL，泥餅厚度為0.5 mm；抑制性能良好，且具有一定的抗污染能力，可以被應用于洞縫型地層開采中。