几种常用钻井液材料标准探讨

杨新

中国石油集团长城钻探工程有限公司 钻井液质量检验中心（辽宁 盘锦124010）

0 引言

美国石油协会2019年发布了新的钻井液材料标准APISPECIFICATION 13A：2019。按照惯例，钻井液材料的国际标准版本ISO 13500：2008(E)也会跟随API标准进行重新修订，国家标准GB/T 5005—2010跟随ISO标准进行修订[1-3]。通过对APISPECIFICATION 13A：2019的研究发现，几种常用的钻井液处理剂标准难以满足国内实际的需要，比如重晶石粉标准，APISPECIFICATION 13A：2019中仍然没有对其进行分级，显然国内不同地区的需求是不同的，高密度钻井液施工区域需要密度4.30 g/cm3的重晶石粉，由于没有相应的标准，给物资采购和质量检验带来困扰。此外，一些常用钻井液材料的检测项目设置不能确保其质量，比如钻井级膨润土。国内由于钠膨润土矿的资源枯竭，大多数钻井级膨润土采用钙基膨润土钠化工艺进行处理，为了满足标准要求，甚至需要加入大分子聚合物。由于加入的大分子聚合物性能差别较大，质量参差不齐，按照目前的钻井级膨润土标准检验合格的产品，在现场施工过程中，部分产品由于抗温性能差而导致钻井液流变性能变差的现象时有发生。另外，聚阴离子纤维素的检测项目中缺少纯度和取代度，难以满足不同客户的需求。抗高温淀粉的推出，淀粉检测项目中缺少抗高温指标，不利于产品的推广应用，制约了新技术的应用。

因此，本文从目前的国家标准、ISO标准以及新发布的API标准出发，对常用的几种钻井液材料的标准进行比对，对存在的问题进行分析讨论，并提出标准的修订意见，为今后的标准修订提供参考。

1 标准比对

1.1 发布时间

API SPECIFICATION 13A：2019发布时间是2019年，GB/T 5005—2010发布时间是2010年，ISO 13500：2008发布时间是2008年。

1.2 材料种类

与GB/T 5005—2010和ISO 13500：2008(E)中包含13个钻井液处理剂标准不同的是，APISPECIFICATION 13A：2019中只有12个钻井液处理剂的标准，删除了OCMA级膨润土。

1.3 检测指标及方法

1.3.1 黏度效应和6μm以下（质量分数）

在重晶石粉、赤铁矿粉标准中，国家标准GB/T 5005—2010采取了黏度效应检测项目，代替API SPECIFICATION 13A和ISO 13500中6μm以下（质量分数）。在GB/T 5005—2010附录B中阐述的原因是：用黏度效应代替“沉降法测定等效球径小于6 μm颗粒”。标准中对等效球径小于6μm颗粒的控制目的就是确保重晶石粉不增稠，因此，相比于沉降法的重复性差、操作复杂，直接用黏度效应评价重晶石粉对流变性的影响更直观[1]。实际上，小于6 μm颗粒只是重晶石有无增稠效应的因素之一，还有其他因素如黏土矿物杂质的影响等，“黏度效应”指标对这些影响的控制效果更明显。而小于6μm颗粒物除了能够引起钻井液增稠外，还增加了低密度固相的清除难度，影响了钻井液的净化，不利于重晶石的回收利用。因此，6μm颗粒还是单独加以控制较好，目前激光粒度仪已经具备了一定的普及程度，用其代替“沉降法”测试微细颗粒的技术已经比较成熟，如中国石化一级企业标准Q/SHCG 90—2016《钻井液用加重材料技术要求》[4]已经成熟应用。

1.3.2 淀粉或淀粉衍生物

关于低黏聚阴离子纤维素中是否含有多糖类物质，GB/T 5005—2010和APISPECIFICATION 13A中，设置的检测项目为淀粉或淀粉衍生物，而ISO 13500中设置的检测项目为淀粉或CMC。然而，3个标准中此项目的检验方法都一样，没有本质的区别。

1.3.3 重晶石粉的密度

在GB/T 5005—2010中，重晶石粉按密度分为大于等于4.20 g/cm3和4.05～4.20 g/cm3两类。在ISO 13500中重晶石粉只有密度大于等于4.20 g/cm3这一类。在APISPECIFICATION 13A中，重晶石粉密度分为大于等于4.20 g/cm3和大于等于4.10 g/cm3两类。

根据上述方法将不同版本常见钻井液材料（API、国家标准、ISO）对比，见表1。

2 存在的问题

2.1 重晶石粉标准

关于重晶石粉标准，由表1和表2可知，都是依据重晶石粉的密度对产品进行分级。国内标准最低级别的重晶石粉密度要求大于等于4.05 g/cm3，最高级别的重晶石粉密度要求大于等于4.30 g/cm3。国外标准最低级别的重晶石粉密度要求大于等于4.10 g/cm3，最高级别的重晶石粉密度要求大于等于4.20 g/cm3。

表1 不同版本常见钻井液材料（API标准、国家标准、ISO标准）对比详情

表2 Q/SY 17008—2019重晶石粉标准

随着石油资源的枯竭和钻井技术的进步，深井、超深井要求更高的钻井液密度，因此，高密度的重晶石粉需求量越来越大。此外，对于一些浅井，密度较低，但物资采购仍然按照密度大于等于4.20 g/cm3的重晶石粉采购，导致密度4.05～4.20 g/cm3低密度的重晶石粉利用率低，造成重晶石矿资源浪费。中国石化Q/SHCG 90—2016《钻井液用加重材料技术要求》和中国石油Q/SY 17008—2019《钻井液用加重剂重晶石粉》[5]中，对重晶石粉分了3个级别，分别是“特级：大于等于4.30 g/cm3；一级：大于等于4.20 g/cm3；二级：大于等于4.05 g/cm3”。因此，建议尽快推行中石油或中石化企业标准中的重晶石粉密度分级方式，行业主管部门督促使用单位按照实际需求采购不同级别的重晶石粉，合理利用重晶石矿资源。此外，建议修订GB/T 5005—2010重晶石粉标准，对重晶石粉按密度进行分级，明确不同密度的重晶石粉适用钻井液的密度范围。

在石油钻探过程中，经常用到磁性定向工具进行井底定向。钻井液加重剂重晶石粉中如果含有磁性物质，将会对磁性测量仪器参数产生影响，进而影响工程施工[6]。从现场抽查重晶石粉，称取一定量放置塑料托盘中，用磁力800～1 000的磁铁吸附其中的磁性物质，将吸附的磁性物质质量除以重晶石粉质量，计算得磁性物质含量。按照Q/SY 17008—2019中酸溶物含量测试方法，测试重晶石粉中酸溶物含量，实验结果见表3。实验发现，部分重晶石粉中磁性物质含量较高，个别重晶石粉样品中磁性物质含量超过30%，相应的酸溶物含量最高达到40.7%。磁性物质含量高，相应的酸溶物含量也高。因此，重晶石粉中磁性物质含量的控制应该在GB/T 5005—2010重晶石粉标准制修订时加以考虑。

表3 重晶石粉密度、酸溶物及磁性物质含量

此外，随钻伽马测井技术应用于地质导向和储层评价，对提高水平井储层钻遇率具有重要的意义[7]。钻井液作为测井工具的工作介质，其加重材料重晶石粉的伽马值对测井的影响引起了测井工程师的关注，伽马值超过一定限度，将会影响到测井数据的准确性。因此，建议修订GB/T 5005—2010中重晶石粉标准，增加伽马值的检测方法和指标。

2.2 钻井级膨润土标准

关于钻井级膨润土标准由表1和表4可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008（E）、API SPECIFICATION 13A：2019这3个标准中钻井级膨润土的检测项目和指标完全相同。

表4 钻井级膨润土标准比对

尽管APISPECIFICATION 13A：2019重新修订并于2019年发布，仍然没有对钻井级膨润土的标准进行修订。然而，中石油集团公司2019年发布了新制定的钻井级膨润土标准Q/SY 17009—2019《钻井液用膨润土》[8]与前面3个标准差异较大，根据不同的抗高温性能将钻井级膨润土分为两类，I类是抗温180℃的膨润土，II类是抗温150℃的膨润土。

研究表明[9-10]，从钻井现场抽查的钻井级膨润土，满足GB/T 5005—2010的要求，但高温老化后的性能较差，表现为黏度大幅度降低，滤失量增加。随着深井、超深井的开发，对钻井液的抗温性能提出严峻的考验。作为基础材料在钻井液中使用的钻井级膨润土，在质量检验过程中，应该考察其抗温性能。因此，建议在整个石油行业推行Q/SY 17009—2019标准，修订GB/T 5005—2010，根据现场实际需要采购不同抗温性能的钻井级膨润土，减少井下复杂事故，提升井筒质量。

2.3 聚阴离子纤维素标准

从表1中可知，GB/T 5005—2010、ISO 13500：2008(E)、APISPECIFICATION 13A：2019这3个标准中低/高黏聚阴离子纤维素，都没有纯度、取代度检测项目。但在实际采购、验收、使用环节，大多数使用的企业标准、内控标准中包含纯度、取代度等项目，确保产品质量满足施工要求[11-12]。按照内控标准对聚阴离子纤维素产品进行产品质量检测，结果见表5。从表5可知，聚阴离子纤维素具有不同的纯度和取代度。建议通过调研，针对不同的需求，制定不同的指标。

表5 聚阴离子纤维素部分性能指标检测结果

此外，从保护油气层的角度考虑，如果灼烧残渣高，堵塞油气通道，将影响到油气产出率。因此，建议修订聚阴离子纤维素标准时，新增纯度、取代度、灼烧残渣检测项目的指标和检测方法。

2.4 淀粉

淀粉作为一种环境友好型的降失水剂广泛应用于钻井液中。由于抗高温性能差，淀粉的使用只能在浅井低温段，应用受限。因此，在表1中，淀粉的检测项目没有涉及到高温性能评价。然而，随着技术的进步，目前已经有抗高温淀粉应用于各大油田的钻井施工过程中。收集了施工现场不同的淀粉样品，按照GB/T 5005—2010中淀粉滤失量性能的测试方法，进行了不同老化温度后的性能测试，数据见表6、表7、表8。海盐水配置方法为42 g海盐溶解在1 L去离子水中。其他实验步骤与饱和盐水相同。从表6、表7、表8可知，1#样品在4%盐水体系中，抗温可达150℃，但在饱和盐水和海盐水体系中，抗温能力减弱。2#、4#样品在4%盐水体系和饱和盐水体系中，抗温可达120℃，150℃失效。

表6 4%盐水悬浮液中淀粉滤失量

表7 饱和盐水悬浮液中淀粉性能测试数据

表8 海盐水悬浮液中淀粉性能测试数据

随着环保钻井液的推出，抗高温淀粉作为一种环境友好型的降滤失剂将会得到应用。因此，为了推广淀粉在钻井液体系中的应用，建议对GB/T 5005—2010中淀粉的标准进行修订，增加抗温性能指标及检测方法，满足生产需要。

3 结论及建议

通过对3个不同版本的常用钻井液材料标准进行比对分析，提出了4种常用处理剂现行标准中存在的问题，并针对GB/T 5005—2010提出如下修订建议。

1）重晶石粉标准，按密度进行分级，明确不同密度的重晶石粉适用钻井液的密度范围，同时增加“小于6μm颗粒、磁性物质含量和伽马值”的检测方法和指标。

2）钻井级膨润土标准，按照Q/SY 17009—2019修订。

3）聚阴离子纤维素标准，增加纯度、取代度、灼烧残渣检测项目的指标和检测方法。

4）淀粉标准，增加抗温性能指标及检测方法。