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钻井液用膨润土评价标准

钻井液用膨润土评价标准,膨润土粉是配制水基钻井液的重要基础材料,膨润土与水可配成各种基浆,再经过必要的化学处理,成为符合钻井要求的钻井液。因此膨润土的质量好坏不但影响所配钻井液性能,而且关系到所配基金项目 :中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“油田化学剂安全环保风险分析系统及应用研究”(kt2018-18-10)支持。第一作者简介: 王金芬,高级工程师,1965 年生,毕业于天津大学无机非金属材料专业,现在从事钻井液质检研究工作。电话 (010)83598440 ;E-mail :wangjf1023@petrochina.com.cn 38 2018 年 11 月 钻 井 液 与 完 井 液钻井液接受化学处理剂的能力,使用不合格的膨润土,不但用量大,而且需要用更多的药剂进行处理,极不经济[1-4] 。膨润土是天然矿物,以蒙脱石为主,有降低滤失量,增加黏度、切力的作用,因其所吸附的阳离子不同而分为钠膨润土和钙膨润土。钠膨润土水化能力较强,造浆率较高,较适合钻井液使用,钙膨润土本身没有造浆能力,经碳酸钠改性后的钙膨润土也可满足钻井液需要,但由于钠膨润土较少,多使用改性后的钙膨润土[5-8] 。膨润土的产品质量检测执行国家标准 :GB/T 5005—2010 《钻井液材料规范》,该标准是修改采用 ISO 13500 :2008 标准体系。标准中将膨润土粉分为了钻井膨润土、未处理膨润土和 OCMA级膨润土,油田常用的膨润土钻井膨润土和OCMA 级膨润土。该标准中分别对钻井膨润土和 OCMA 级膨润土做了规定,即钻井膨润土是含有黏土矿物蒙脱石的天然黏土矿物,可能含有诸如石英、云母、长石和方解石的附属矿物,OCMA级膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物,可通过纯碱、聚合物或其他化学剂处理,以改善其悬浮液性能,也就是说钻井膨润土应该是天然的黏土矿物,无需经过任何处理,只需通过研磨至所需细度,其各种指标便能满足标准的要求,能够满足这一要求的只有钠膨润土,而 OCMA 级膨润土是经过处理了的,已非纯黏土矿物。因此可以说钻井膨润土是研磨后的钠膨润土,OCMA 级膨润土是改性处理后的钙膨润土。本文收集了市场上使用的不同厂家钻井膨润土与 OCMA 膨润土,通过测试高温养护后悬浮液性能,考察了不同养护条件下各钻井膨润土、OCMA 膨润土与天然钠膨润土粉、钠化钙膨润土粉(经 6% 碳酸钠钠化的钙膨润土粉)的性能差异,并对钻井液用膨润土评价标准进行了探讨。1 实验部分1.1 主要原料主要原料与试剂 :钻井膨润土样品,OCMA级膨润土样品,天然钠膨润土粉,均为工业品 ;钠化钙膨润土粉,自制 ; 蒸馏水,符合 GB/T 6682 中三级水的规定;六偏磷酸钠,无水碳酸钠,化学纯;钻井液用滤纸 :Whatman 50 或等效产品。 1.2 样品配制1)钻井膨润土、 OCMA 级膨润土、天然钠膨润土粉悬浮液。取 2 个高搅杯,分别加入 350 mL 蒸馏水,边搅拌边缓缓加入 22.5 g(称准至 0.01 g)钻井液用膨润土,避免其结成团块,负载转速11000 r/min±300 r/min 搅拌 20 min,在搅拌过程中停下 2 次以刮下黏附在器壁上的膨润土。将高搅杯放入生化培养箱中,在 25 ℃ ±1 ℃下密闭养护 24 h。将其装入老化罐,充入 0.69 MPa 的氮气,放入滚子加热炉,分别在 120 ℃、150 ℃和 180 ℃的温度下热滚 16 h,停止加热,打开滚子加热炉门,冷却 30 min,取出室温下放置 30 min,放入冷水中冷却至室温。2)钠化钙膨润土粉悬浮液。取 2 个高搅杯,分别加入 350 mL 蒸馏水,边搅拌边缓缓加入21.23 g (称准至 0.01 g)钙膨润土和 1.27 g(称准至 0.01 g)无水碳酸钠,后面的步骤同 1)节。3) 按标准 GB/T 5005—2010 的要求测定各悬浮液的 φ 600 读值和滤失量。1.3 样品测试将悬浮液转入高搅杯中,负载转速 11000 r/min±300 r/min 搅拌 5 min,倒入样品杯中,测定黏度计 φ 600 的读值,应在每档转速下达到稳定值后读数。测试过的悬浮液,在搅拌杯中高速搅拌 1 min,按 GB/T 16783.1 规定的测试程序,测试并记录 0.69 MPa 下 7.5~30 min 之间的滤液量。2 室内实验为了考察标称为钻井膨润土或 OCMA 级膨润土的抗高温能力,选取了由 10 个厂家生产的 9个钻井膨润土样品和 6 个 OCMA 级膨润土样品,同时选取了天然钠膨润土粉及钠化钙膨润土粉进行测试。测试方法按标准 GB/T 29170—2012 要求对膨润土的悬浮液进行动态养护(通称为热滚),冷却后按标准 GB/T 16783.1—2014 要求对 φ 600 、φ 300 的读值及 API 滤失量进行测试。

结果可以看出 :①室温条件下,天然钠膨润土粉与钻井膨润土样品 φ 600 读值和滤失量指标均满足标准 GB/T 5005—2010 ;②经过 120、150、180 ℃高温热滚后,未经处理的钠膨润土粉黏度计 φ 600 读值有较大提高,数值在 50~80 之间,滤失量提高的幅度较小,最大升高值为 2.4 mL ;③经过三个高温热滚后,钻井膨润土样品黏度计φ 600 读值变化不一,有的有较大提高,有的却出现明显降低,约 66.6% 样品的 φ 600 读值小于相同条件 40 2018 年 11 月 钻 井 液 与 完 井 液下天然钠膨润土粉读值 ;经过 3 个高温热滚后,滤失量都有所升高,且滤失量提高的幅度随热滚温度的提高而提高。2.2 钠化钙膨润土粉与OCMA膨润土样品性能比较由于钠膨润土矿的资源非常贫乏,多使用改性后的钙膨润土,即用碳酸钠对钙膨润土进行钠化改性,使钙膨润土有了较高的造浆率,满足现场的施工要求。钙膨润土粉经碳酸钠处理后的测试结果和 6 个 OCMA 膨润土样品的测试结果见表 2。从表 2 可以看出 :①在室温条件下,钠化钙膨润土粉与 OCMA 膨润土样品的各项指标都满足标准 GB/T 5005—2010 ;②经过 3 个不同温度的高温热滚后,钙膨润土粉黏度计 φ 600 读值都有较大提高,数值在 40 以上,滤失量有所提高,180 ℃升高最大值 5.5 mL ;③经过 3 个高温热滚后,OCMA 膨润土样品的黏度计 φ 600 读值变化不一,有的提高,有的出现明显降低,其中 :120 ℃热滚后,6 个样品的黏度计 φ 600 读值全部小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值 ;150 ℃热滚后,约 33.3% 样品 φ 600读值小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值 ;180 ℃热滚后,约 83.3% 样品 φ 600 读值小于相同条件下钠化钙膨润土粉的读值。经过 3 个高温热滚后,滤失量都有所升高,且滤失量提高的幅度随热滚温度的提高而提高。2.3 实验结果分析从表 1、表 2 结果来看,品质较好的天然钠膨润土粉和钠化钙膨润土粉,有很好的抗温性,经高温养护后黏度不会降低。但实际生产中,一些厂家的钻井膨润土与 OCMA 膨润土样品相比钠膨润土粉和钙膨润土粉抗温性明显降低,这可能是一些生产商使用造浆率低、水化性能差的劣质膨润土矿来加工膨润土粉,为达到国标 GB/T 5005—2010 的要求,在这些劣质膨润土矿中掺入大量不抗温的聚合物等材料。他们通过调整聚合物及其他外掺料的加量,生产出钻井膨润土和 OCMA 级膨润土,虽然检测结果符合钻井膨润土或 OCMA 级膨润土的技术要求,但在其他条件如高温条件下性能发生了很大变化[9-14] ,具体表现为抗温能力差,经高温养护后,其黏度出现下降,当遇地层温度较高时高温钝化,造成钻井液的高温稳定性、滤失量等性能难以控制。同时由于外掺料的加入,在现场使用过程中还会出现以下各种问题 :①配制钻井液时,膨润土粉的用量明显增加,钻井液中劣质固相增加,严重影响钻井液流变性能、润滑性能 ;②抗污染能力差,钻井液受盐、膏污染时,钻井液性能会急剧恶化,引发井下复杂事故发生 ;③钻井液中加入的各种处理剂无法通过与膨润土发生作用,使钻井液长时间保持良好性能,会大幅度提高钻井各种钻井液处理剂用量。2.4 评价标准探讨综上所述,当前用于现场施工的钻井膨润土有了很大变化,采用标准 GB/T 5005—2010 技术指标来判定膨润土的质量已不适应膨润土质量的现状。还应增加其它指标如抗高温性能,通过膨润土高温养护后性能的稳定性来甄别膨润土,以保证现场配制钻井液使用的膨润土为性能优良的钙膨润土。鉴于现有的钻井膨润土都是经过改性的,因此悬浮液常温性能和筛余量可继续延用 GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》中 OCMA 级膨润土的指标要求,另外增加高温养护后性能用于甄别是否掺有造浆率低、水化性能差的膨润土矿和不抗温的聚合物等材料。综合上文实验结果,建议将满足 180 ℃热滚 16 h 后的黏度计 φ 600 读值不小于30.0 样品设为Ⅰ级,满足 150 ℃热滚 16 h 后的黏度计 φ 600 读值不小于 30.0 样品设为Ⅱ级。考虑到经过高温热滚后,样品滤失量都有所提高,建议滤失量都不大于 25 mL,见表 3。表 3 膨润土热滚前后技术指标实验条件 性能指标Ⅰ级 Ⅱ级热滚前φ 600 ≥ 30.0YP/PV/(Pa·(mPa·s)-1 )≤ 3.0V/mL ≤ 16.0150 ℃、16 hφ 600 ≥ 30.0V/mL ≤ 25.0180 ℃、16 hφ 600 ≥ 30.0V/mL ≤ 25.075 μm 筛余量(质量分数)/% ≤ 2.5 王金芬等:钻井液用膨润土评价标准研究 第 35 卷 第 6 期 413 结论1. 采用国标 GB/T 5005—2010 《钻井液材料规范》 评价不同厂家钻井膨润土、OCMA 膨润土,各项指标,虽然满足现有标准技术要求,但高温热滚后性能差异很大,热滚温度越高差异越明显。2. 天然膨润土经过高温热滚后,仍保持较好的性能,但有些厂家的膨润土高温热滚后,性能出现了大幅度降低。3. 现有技术标准已不适应判定膨润土质量,还应增加其它指标如高温性能,通过膨润土高温养护后性能的稳定性,甄别膨润土
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