基于特性菱形图的钻井液用膨润土优选方法

李 雄，刘贵传

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

膨润土作为一种钻井液添加剂，主要起增黏和降滤失作用。近年的钻井实践发现，膨润土存在长期贮存后性能变差、用于盐水钻井液增黏作用有限、不同批次的性能差异较大和高温下性能变差等问题，尤其用于高温高密度钻井液时，这一问题更加突出。高密度钻井液自身固相含量很高，而高品质的膨润土在保证钻井液性能的同时，不但对固相含量影响小，且能有效降低高温减稠或增稠的风险。因此优选高品质的膨润土对于控制高温高密度钻井液的性能非常关键。

文献[1]较为全面地介绍了膨润土性能的测试评价方法，但涉及的测试评价项目较多、测试评价周期长、工作量大。现行钻井液用膨润土相关标准中的性能评价方法很少要求其耐温性，而且，做完测试评价后，还要再根据诸多数据进行综合评定，评价结果可能受人为因素的影响。因此，笔者分析了膨润土品质与膨润土造浆率、膨润土浆流变性及滤失量等之间的内在联系，通过试验测试及计算得到膨润土造浆率及膨润土浆在老化前后的塑性黏度、动切力和滤失量等参数，利用曲线拟合等手段计算得出相关的比值，并绘制特性菱形图，菱形图的纵横轴比反映出膨润土的品质特性，再通过简单的计算可求得膨润土品质的量化数值，此数值越大，膨润土的品质越好。该方法即为基于特性菱形图的膨润土优选方法(简称特性菱形图优选方法)，其区分度和可靠性较高，还可以评价温度对膨润土性能和品质的影响，因此可用于优选高温高密度钻井液用膨润土。

1 膨润土优选方法

膨润土的品质主要由蒙脱石含量、蒙脱石晶片尺寸和电荷、蒙脱石晶片上阳离子类型和膨润土中有无增效剂等因素决定[1]。通常，膨润土中蒙脱石含量越高、蒙脱石晶片的厚度越小、表面电荷越多，就越易于水化分散和膨胀，其增黏性和膨润土浆的滤失量就越低，膨润土的品质就越高。此外，蒙脱石晶片上的阳离子类型可影响其水化膨胀能力，当阳离子为钠离子时，蒙脱石的水化膨胀能力最好。在膨润土加工和生产过程中，可以利用离子交换法和添加增效剂等方法提高其品质(主要指增黏和/或增强降滤失性能[2])。

1.1 现行膨润土优选方法的缺陷

应用石油公司材料协会(OCMA)评价膨润土品质的方法[1]，可较全面地评价膨润土中蒙脱石含量及蒙脱石晶片的表面电荷数量、是否添加了增效剂、增黏和降滤失等性能，但是涉及的评价项目太多，工作量大、评价周期长，不利于批量优选。根据石油钻井液用膨润土的相关标准[3-4]可以评价膨润土的品质，这些标准通常规定了膨润土的湿度、筛余量，以及特定膨润土加量下膨润土浆的某些性能参数值，如旋转黏度计600转的读数、动塑比和API滤失量等。

通过分析发现，仅根据文献和标准中规定的性能指标，难以直接决定选用哪种膨润土，尤其是膨润土用于高温高密度钻井液时。其原因主要有3个：1)标准中绝大多数测试都是在室温(25 ℃)下进行的，此时增效剂是稳定的，有无增效剂或经高温老化后增效剂对其性能的影响不能从评价结果看出来。2)虽然可以使用过氧化氢对膨润土进行预处理[1]，消除增效剂的副作用，但也消除了增效剂的增效作用。此外，使用过氧化氢进行氧化预处理需要的时间较长(1～3 d，甚至更长)。3)测试评价结果是一些相对独立、零散的数据，如某一膨润土样品可能某个性能突出，而其他性能可能较差，如何综合考虑或量化每个膨润土样品的整体性能，往往比较困难。因此，一个好的膨润土优选方法，应具有以下特点：1)可以在测试中模拟最终应用环境(比如高温)，在消除增效剂副作用的同时，可以保留其增效作用；2)测试项目尽量少，且测试方法简单、快捷；3)可以根据测试结果得到反映膨润土样品综合品质的量化评价指标。

1.2 特性菱形图优选方法

1.2.1 膨润土品质和膨润土浆相关性能的内在联系

膨润土的品质决定了膨润土浆的流变性和滤失量，膨润土浆的流变性和滤失量也能反映膨润土的品质。影响膨润土浆流变性的因素主要有配制膨润土浆液体的黏度、膨润土加量、膨润土粒子的粒径和粒子间的相互作用。膨润土粒子互相作用二次会合形成网状结构，流动状态下这种网状结构的强度可以用动切力表征。膨润土粒子的凝聚、分散，对滤饼质量的影响较大，粒子凝聚时会形成虚厚滤饼，粒子分散时，形成薄而致密的滤饼。但膨润土粒子的凝聚和分散是相对的，将膨润土粒子的凝聚和分散所表现出来的特性称为膨润土粒子的构造形成性。构造形成性强，膨润土粒子趋于凝聚，其粒子间的相互作用越强，二次会合形成网状结构的概率越大，凝聚强度越高，表现出动切力较高和滤饼较厚(滤失量较大)。相反，构造形成性弱，膨润土粒子趋于分散，膨润土粒子间不易相互作用形成网状结构，表现出动切力较低和滤饼薄(滤失量小)，此时，膨润土浆的黏度较高。 因此，通过测试膨润土浆的流变性和滤失量，就可以分析其构造形成性，进而反推出膨润土粒子的凝聚、分散状态和凝聚强度等。 膨润土浆中膨润土粒子的分散-凝聚状态模型如图1所示。

膨润土浆的流变性和膨润土的造浆能力直接相关，而滤饼质量直接关系到滤失量。有关钻井液用膨润土的各项技术指标实际上都是造浆率和相应膨润土浆滤失量的量化表征[5]。虽然膨润土造浆率与膨润土浆滤失量之间没有明确的相关性，但大量工程实践表明，对于未经人工改造的天然膨润土，通常表现为随着造浆率升高，膨润土浆的滤失量呈现降低趋势[6-9]。因此，测定膨润土的造浆率也很有必要。

1.2.2 特性菱形图的绘制

由以上分析可知，优质膨润土的造浆率高，对应膨润土浆的滤失量和动切力低。显然，当表观黏度相同时，用优质膨润土配制膨润土浆的塑性黏度较高。通过大量试验发现，可以采用菱形图表示膨润土浆的塑性黏度、动切力、滤失量和膨润土造浆率这4个指标，并根据其内在联系计算出一个量化值，即膨润土的品质。通过比较各个膨润土的品质值便可快速优选出目标膨润土。菱形图的具体绘制方法如下：

1) 配制不同膨润土加量(一般为4%，5%，6%，7%和8%)的基浆，充分水化后备用。

2) 测试和计算各基浆的表观黏度、塑性黏度、动切力和API滤失量。

3) 分别在直角坐标系中绘制表观黏度、塑性黏度、动切力和API滤失量与膨润土加量之间的关系曲线，并拟合出表观黏度、塑性黏度、动切力、API滤失量与膨润土加量之间的关系式。

4) 根据表观黏度与膨润土加量的关系式，求得表观黏度为15 mPa·s时的膨润土加量，把这个加量代入其他关系式中，求出相应的塑性黏度、动切力、API滤失量，并根据文献[2-3，5]中的方法计算出膨润土的造浆率。

5) 选择一组塑性黏度、动切力、API滤失量和造浆率作为参考值。参考值的选择可以根据经验虚拟一组，也可以从文献中选出一组，还可以从被测的几个膨润土样品中选择一组，因为是作为参考的，所以不影响最终的优选结果。建议选择一组较为合理的参考值并固定下来，以便长期使用。笔者测试了表观黏度为15 mPa·s的美国怀俄明膨润土浆的塑性黏度、动切力和API滤失量，其分别为10.5 mPa·s,4.5 Pa和17.9 mL，计算出美国怀俄明膨润土的造浆率为20.2 m3/t，以此作为参考值。

6) 用选择的塑性黏度、动切力、API滤失量和造浆率的参考值除各膨润土浆的塑性黏度、动切力、API滤失量和各膨润土的造浆率，求得塑性黏度比、动切力比、API滤失量比和造浆率比，把各比值标注在图2上，用直线连接得出“特性菱形图”。图2中各轴绝对值1.0的位置对应着塑性黏度、动切力、API滤失量和造浆率的参考值。

图2 怀俄明膨润土浆的特性菱形图Fig.2 Characteristic diamond diagram of Wyoming bentonite slurry

按照上述方法绘制的特性菱形图的横轴反映膨润土粒子的凝聚特性，纵轴反映膨润土粒子的分散特性，纵轴与横轴的比反映了膨润土的品质特性，品质特性与反映经济因素的造浆率比的乘积就是膨润土的品质。

Q=RQsRa

(2)

式中：Ra为纵横轴比；RP为塑性黏度比；RQs为造浆率比；RY为动切力比；RL为API滤失量比；Vi为分散性；Te为凝聚性；Qc为膨润土的品质特性；Q为膨润土的品质。

使用特性菱形图法优选膨润土，只需要比较膨润土的品质Q，其值越高，膨润土的品质越好。显然，该法有以下优点：1)量化了膨润土的品质，直观反映了膨润土的品质；2)如果优选的膨润土用于高温钻井液，只需要在优选时将配制好的基浆预先进行对应温度的老化处理，消除膨润土中增效剂在高温老化后的影响(不仅能消除增效剂的副作用，还能保留增效剂的增效作用)。

1.2.3 试验结果与分析

收集了国内辽宁、山东、天津和新疆等地的5种钻井液常用的膨润土样品，利用特性菱形图法进行了优选。由于密度为2.30kg/L钻井液要满足耐温220 ℃的要求，因此在优选膨润土的过程中，对各膨润土浆进行了220 ℃高温老化16h的处理。各膨润土浆老化前后表观黏度为15mPa·s时对应的塑性黏度、动切力、API滤失量，各膨润土样品的加量及造浆率、特性和品质如表1所示。

表1 各膨润土浆老化前后表观黏度为15 mPa·s时对应的膨润土样品特性及品质Table 1 Properties and quality of bentonite sample before and after aging of bentonite slurry under the apparent viscosity of 15 mPa·s

表1中膨润土样品的加量是根据上文所述的方法拟合出的表观黏度与膨润土加量关系式计算出的，膨润土浆的表观黏度都为15 mPa·s。根据表1绘制各膨润土样品的特性菱形图，结果如图3所示。

图3 各膨润土样品的特性菱形图Fig.3 Characteristic diamond diagram of all bentonite samples

从图3可看出，5个膨润土样品在老化前的RY值均较大，老化后这一现象消失，表明收集的膨润土样品中可能添加了增效剂，增效剂经过高温老化后不同程度降解(或失效)。这说明，优选用于高温钻井液用膨润土时，有必要进行高温老化以消除增效剂的副作用。同时，样品1和样品2老化后构造形成性弱，品质较好，而样品3、样品4和样品5的构造形成性都偏强，品质相对较差。

2 特性菱形图优选方法的验证

为验证特性菱形图优选方法的可靠性，使用上文收集的膨润土样品，分别配制密度为2.30 kg/L的钻井液，在220 ℃高温下滚动老化16 h后，对比流变性、高温高压滤失量和沉降稳定性。

由于高密度钻井液的固相含量很高，而膨润土含量又是影响其流变性的主要因素，因此要严格控制膨润土加量。通过大量试验得知，对于密度为2.30 kg/L的钻井液，其膨润土有效含量控制在1.0%～2.0%较为合理。根据这一范围，设计了2组试验。钻井液配方为膨润土+0.5%SMPFL-L+3.0%SMC+3.0%SMP-3+2.0%SPNH+1.0%SMJH-1+3.0%SMNA-1+1.0%SMS-H+1.0%SMGWW+0.5%NaOH+重晶石粉。

2.1 膨润土加量相同

测试加入1.50%膨润土样品钻井液的流变性和滤失量，结果见表2。

表2 各膨润土样品加量相同时的钻井液性能Table 2 Property of drilling fluid by adding all bentonite samples under the same dosage

注：第2列至第6列数据是密度为2.30 kg/L的钻井液在220 ℃下老化16 h后，在50 ℃下测试和计算得到的；高温高压滤失量是在180 ℃下测得的；最后一列为钻井液老化16 h后，老化罐罐底重晶石沉降情况。下同。

结合表1和表2可看出：各膨润土样品的品质由好到坏的顺序为样品1、样品2、样品5、样品3和样品4，按1.50%加入膨润土样品配制钻井液老化后的性能与特性菱形图法得到的品质评价值有较好的相关性；加入1.50%样品1钻井液的流变性较好,滤失量较低，没有出现重晶石沉降；加入其他几个样品钻井液的性能测试结果表明，随着膨润土品质降低，其构造形成性变强，高温高压滤失量显著增大，黏度和切力大幅降低，导致钻井液黏切不足，出现重晶石沉降现象。

2.2 膨润土加量不同

由表1可知，虽然老化后各膨润土浆的表观黏度均为15 mPa·s，但各膨润土样品的加量都不同，表明各膨润土样品的品质存在差异。将表1中老化后的各膨润土浆对应的膨润土加量列于表3中，以样品1的加量为参考，可计算其余样品加量的折算系数，如样品2的加量是样品1加量的1.28倍，即样品2的折算系数为1.28。得到各样品的折算系数后，再根据2.1节中钻井液配方膨润土样品1的加量1.50%，可计算得到各样品在钻井液配方中的调整后加量，如样品2的折算系数为1.28，则其调整后的加量为样品1调整后加量(1.50%)的1.28倍，即1.92%，结果见表3。这样做的目的在于，可以保证配制的钻井液经过高温老化后，膨润土耐受高温的含量是相同的。

表3 调整后各膨润土样品的加量Table 3 Dosages of all bentonite samples after adjustment

注：加量是老化膨润土浆表观黏度为15 mPa·s时膨润土的加量；调整后加量是配制高密度钻井液时膨润土的加量。

根据表3中各膨润土样品调整后的加量配制密度为2.30 kg/L的钻井液，测试其流变性和滤失量，结果见表4。

表4 膨润土加量调整后钻井液的性能Table 4 Property of drilling fluid after adjusting the dosages of bentonite

由表4可以看出，膨润土加量调整后，钻井液老化的性能与膨润土品质的相关性较好。其中，使用样品1钻井液的性能最优;使用其他膨润土样品的钻井液随着调整后膨润土加量增大，黏度和切力均有不同程度升高，高温高压滤失量相应降低，膨润土加量增加越大，改变的幅度越大。此外，没有发生重晶石沉降现象，但膨润土加量增大，钻井液黏度大幅升高，影响了钻井液的流变性，同时也不能将滤失量控制在合理水平。这说明，采用调整膨润土加量的方法调整钻井液性能的效果，不如直接选用品质好的膨润土。

通过2组试验考察了膨润土品质对钻井液性能的影响，验证了特性菱形图优选方法的可靠性，使用该方法计算得到的膨润土品质值作为量化指标，可以反应膨润土的品质。

3 结 论

1) 分析了膨润土的品质与膨润土造浆率及膨润土浆的相关性能参数间的内在联系。其中，膨润土的造浆率和相应膨润土浆的塑性黏度反映了膨润土的黏性，膨润土浆的动切力和滤失量反映了膨润土的构造形成性。黏性和构造形成性基本反映了膨润土的品质。

2) 提出了基于特性菱形图的膨润土优选方法，该方法通过对试验数据进行处理，仅使用一个量化值就能反映膨润土的品质。

3) 使用高温高密度钻井液验证了特性菱形图优选方法的可靠性，膨润土品质越高，钻井液的流变性、降滤失性和沉降稳定性就越好，且钻井液的性能与膨润土品质的吻合度高，表明特性菱形图优选方法具有较高的可靠性。