钻井液试验用标准土研制与性能评价

卜海，张玉，陈俊峰，陈雷旭，杨俊贞

1.中国石油勘探开发研究院 石油工业标准化研究所（北京 100083）2.中国石油渤海钻探工程公司 泥浆分公司（天津 300457）

钻井液试验用标准土是评价水基钻井液用化学剂性能的基准物质。其特点是确保性能稳定和基准统一，以保障化学剂质量检测的准确性和重现性[1]。目前，国内已应用近25 年的钻井液试验用标准土——新疆夏子街钠土面临资源枯竭、性能不稳定等问题[2]，应用不同矿源不同批次的钻井液试验用标准土导致钻井液性能差别大，标准执行力度低、实验室间检测数据重复性差等问题，严重影响了集中采购产品质量的有效控制。既不利于钻井液用处理剂技术标准的规范和应用，也极大地影响了生产现场的安全施工[3]。为有效实施标准、规范钻井液化学剂质量检测工作，急需研制及评价新的钻井液试验用土，为石油行业钻井液试验用标准土提供替代基准物质。

1 钻井液试验用标准土应用现状

有效的行业标准和中石油集团公司企业标准，共20项钻井液用化学剂标准要求使用SY/T 5490—2016《钻井液试验用土》进行基浆配置[4]。19项化学剂包括：钻井液用磺甲基酚醛树脂、封堵剂磺化沥青、降滤失剂水解聚丙烯腈铵盐、固体润滑剂、稀释剂、褐煤树脂、磺化楮胶、磺化褐煤、液体润滑剂等，应用现状见表1。

从表1 可以看出，钻井液试验用标准土是钻井液化学剂评价的基础，将直接影响化学剂评价中钻井液的抗温性、抗污染性、降滤失性、降黏性、流变性等关键性能指标。

2 钻井液试验用标准土的研制

2.1 矿源的优选

钻井液试验用标准土矿源的关键性能是稳定性和均质性，并兼顾其生产开发成本[5]。针对国内天然矿物土的主要产区和性能特性，先后对新疆和丰、河北张家口、河北阳原、山东安丘、山东潍坊、辽宁建平、辽宁阜新、天津拓源、天津武清、安徽信阳等地区进行了勘察取样。对各地样品进行实验室性能测试，并与SY/T 5490—2016《钻井液试验用土》和GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》对比，数据详见表2。试验表明，满足SY/T 5490—2016 和GB/T 5005—2010 性能要求的矿源包括阳原、武清和宣化3种矿源土。综合考虑矿源批次流变性能的稳定性、动塑比、中压（API）失水量、开采成本等，最终优选宣化矿源为钻井液试验用标准土。

2.2 生产工艺流程的优选

钻井液试验用标准土中试生产的最大技术难点是均质性控制[6]。为保证成品的均质性，生产过程中要严格控制甩砂工艺，狭缝太小甩砂不及时，成品含砂量高；狭缝太大则会将优质的膨润土带出，使成品率下降[7]。为保证成品的均质性，采取了初步生产加工混拌、异地二次混拌、二次包装等工艺。

为充分验证钻井液试验用标准土的均质性，在吨袋成品中任意抽取9 个标准土样品，试验结果见表3。结果表明，9 个标准土样品性能稳定，均值性强。常温时表观黏度为16.8~19 mPa·s，中压滤失量为10.4~12.0 mL，表明该标准土的均质性好，抗温性能稳定，再现性较好，满足生产要求。

9个标准土的实验配方：400 mL蒸馏水+0.72 g碱+24 g 土，高速搅20 min，养护24 h。

表2 标准土矿源性能测试及对比分析

表3 标准土均质性实验数据

3 钻井液试验用标准土的性能评价

3.1 黏土矿物组成

随机选取标准土成品样品，进行矿物X-射线衍射分析（其中1#为批量产品，2#为室内制样），如图1、表4 所示。X 射线检测结果表明，标准土的化学成分以石英、钾长石和钠长石为主，不含对钻井液性能影响较大的硫酸钙类成分，且矿源的黏土矿物总量较高（70%以上）。由表5 可知，标准土黏土矿物相对含量蒙脱土含量达99%，纯度较高，并且不含干扰成分，较为理想。因此该标准土配制的钻井液性能稳定，抗温性好。

图1 标准土矿物X-射线衍射图

3.2 流变性能评价

为充分验证钻井液试验用标准土的流变性能，在各类基浆中，与原新疆夏子街标准土进行比对试验，详见表6。结果表明，钻井液试验用标准土与新疆土实验比对数据均满足SY/T 5490—2016，该标准土质量稳定，能够较好地代替原新疆夏子街标准土。

表4 标准土X-射线衍射分析结果

表5 标准土黏土矿物相对含量

表6 标准土和新疆土检测结果对比

3.3 抗温性能评价

标准土主要用于钻井液添加剂评价实验的基浆配制，需对其抗温性能进行评价[8]。将5组标准土样品分别进行常温性能测试和150°C 高温热滚后性能试验，结果见表7。结果表明，标准土高温后增稠效应小，150°C高温性能稳定。

表7 标准土抗温性能测试数据

3.4 复配性能评价

钻井液用降滤失剂水解聚丙烯腈盐具有良好的抑制性和降滤失性能[9]，同时还具有一定的降黏能力，能够有效防止井壁坍塌，减少井下复杂情况，应用广泛[10-11]。因此，以水解聚丙烯腈盐作为复配处理剂，对钻井液试验用标准土适用性能进行评价。

根据Q/SY 1089—2009《钻井液用降滤失剂水解聚丙烯腈盐》指标要求，钻井液试验用标准土复配后性能数据见表8。结果表明，钻井液试验用标准土复配效果良好，能够满足水解聚丙烯腈盐各项测试指标要求，适用性能较好。

表8 铵水解聚丙烯腈盐复配性能

4 结束语

钻井液试验用标准土是有效实施标准、规范钻井液化学剂质量检测工作的基础支撑。通过对国内钻井液试验用标准土应用现状分析，研究了国内主要的天然矿物土矿源性能，优选宣化矿源为钻井液试验用标准土的矿源。采取初步生产加工混拌、异地二次混拌、二次包装的生产工艺，研发生产了性能好、矿源广、成本低的钻井液试验用标准土。

评价了钻井液试验用标准土的黏土矿物组成、流变性能、抗温性能及复配性能。新研发的钻井液试验用标准土的黏土矿物总量高达70%以上，且黏土矿物蒙脱土相对含量达99%。具有较好的流变性能和抗温性能，150°C热滚后性能与热滚前保持一致。试验重现性强，能够较好地替代原新疆夏子街标准土，为有效规范钻井液用化学剂领域的产品质量检测和性能评价提供技术支撑。