基于活性泥岩的聚合物钻井液絮凝剂评价方法

幸雪松，何松，谷林，冯桓榰，岳前升，邢希金*

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 2.长江大学，湖北 荆州 434023)

渤海湾盆地明化镇组活性泥岩含量高，蒙脱石和伊蒙混层多。钻井过程中因蒙脱石水化膨胀表现出地层造浆性强，钻井液黏度、切力和密度上升较快[1-2]，易造成井下复杂情况发生[3-5]。对于此类地层，一般采用不分散的聚合物钻井液。其中聚合物类絮凝剂是该类钻井液的核心处理剂，选择性能优异的絮凝剂是聚合物钻井液的技术关键[6-9]。现有标准SY/T 5233—2014《钻井液用絮凝剂评价程序》(简称标准)采用高岭土为沉降介质，其成分与现场活性泥岩组分差异较大。此外，标准中未考虑无机盐组分对絮凝剂絮凝能力的影响[10-13]。本工作在标准基础上，以泥岩钻屑代替高岭土，加入无机盐氯化钠，分析其对钻井液及絮凝剂性能评价的影响。

1 实 验

1.1 原料与仪器

絮凝剂X414、X010、X812，北京恒聚化工集团有限责任公司；絮凝剂BIOCAP，中海油田服务有限公司；絮凝剂聚合氯化铝(WJX)，河南威泰环保科技有限公司；氯化钠，工业级，肥城胜利化工有限公司；现场泥岩钻屑等。

GJSS-B12K变频高速搅拌机，武汉欣盛博科技有限公司；XGRL-4A型高温滚子加热炉，南北仪器有限公司；ZNN-D12十二速旋转黏度计，青岛海通达专用仪器有限公司。

1.2 测试方法

1)絮凝时间的测定。采用变频高速搅拌机，分别以蒸馏水和氯化钠溶液(质量分数10%)配制w(絮凝剂)=0.5%的絮凝剂溶液，参照标准进行测试。

2)絮凝剂黏度测定。分别以蒸馏水和氯化钠溶液配制不同浓度的絮凝剂溶液，充分溶解后，在25 ℃采用十二速旋转黏度计测量表观黏度。

3)热滚回收率测定。分别用蒸馏水和NaCl溶液配制絮凝剂溶液，充分溶解后，倒入老化罐。称取50 g 6～10目钻井现场的活性泥岩钻屑，放入老化罐中，80 ℃条件下热滚16 h取出，冷却后过40目筛，清洗干净，将清洗后的钻屑于90 ℃干燥箱中干燥12 h，取出称量，计算岩屑回收率。

4)絮凝介质沉降后高度值的测定。按照程序中的方法进行沉降实验，1 h后在具塞量筒中读出絮凝介质沉降后的高度值。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂的表观黏度

絮凝剂分子在钻井液中的伸展状态可以影响到钻井液的絮凝效果，而絮凝剂分子在溶液中的伸展状态可以通过溶液的表观黏度进行表征。实验考察了不同絮凝剂在蒸馏水及氯化钠溶液中的表观黏度，结果见图1。

图1 絮凝剂的表观黏度

由图1可见，在蒸馏水中，5种絮凝剂表观黏度均随絮凝剂浓度的增加而增大；但在NaCl溶液中，当w(絮凝剂)=0.3%时，絮凝剂X010和X812的曲线斜率明显增大，而X414的曲线斜率则呈现降低趋势。不同类型的絮凝剂抵抗Na+干扰的能力不同。对于阴离子型絮凝剂X414，Na+的存在会中和掉阴离子之间的静电排斥作用，大分子卷曲，溶液的表观黏度降低；对于阳离子型、非离子型及金属离子型絮凝剂，Na+对其表观黏度的影响相对较小。而Na+对两性离子絮凝剂表观黏度的影响，则需要具体分析絮凝剂分子中阴、阳离子的比例及类型。故不同絮凝剂在蒸馏水和氯化钠溶液中，呈现出表观黏度的不同变化趋势。

2.2 絮凝剂的热滚回收率

絮凝剂在钻井液中的作用主要有两方面：一方面，对于细小钻屑(尤其是泥岩钻屑)，絮凝剂分子通过吸附“桥连”作用使其凝聚变大，方便地面固控设备有效清除钻井液中的细小钻屑；另一方面，对于较大钻屑，絮凝剂分子则通过吸附“包被”作用，防止钻屑进一步地分散变小，絮凝剂的这种作用则常采用滚动回收率进行表征。不同絮凝剂的热滚回收率实验结果见表1。

由表1可见，相对于基液，5种絮凝剂的热滚回收率均明显升高，且除WJX外，其他絮凝剂热滚回收率均大于87%，表现出较好的吸附“包被”作用。对比同一种絮凝剂在蒸馏水及NaCl溶液中的热滚回收率，可以发现Na+的存在降低了X414、X812、WJX的热滚回收率，此外对其他两种絮凝剂也略有影响。这是因为Na+的存在会一定程度影响絮凝剂分子在溶液中的伸展及聚集状态，从而影响絮凝剂的吸附“包被”作用。

表1 不同絮凝剂的热滚回收率对比

2.3 絮凝沉降曲线

絮凝剂对细小泥岩钻屑的吸附“桥连”作用常采用絮凝速度等进行表征，故分别在蒸馏水及NaCl溶液中对不同絮凝剂进行了絮凝沉降实验，其沉降曲线见图2。

图2 絮凝剂的沉降速度

由图2可知，絮凝剂X414在蒸馏水及NaCl溶液中的曲线斜率均在200 s时发生了转折，在200 s时，X414基本达到了最大沉降刻度，X010在水中的沉降速度快于其他3种絮凝剂，而BIOCAP在NaCl溶液中的沉降速度快于其他3种絮凝剂。此外，X414、X812和WJX 3种絮凝剂在蒸馏水及NaCl溶液中的曲线形状基本相同，BIOCAP在NaCl溶液中的曲线斜率大于在蒸馏水中，而X010在NaCl溶液中的曲线斜率却低于其在蒸馏水中的斜率。这说明Na+可以提高BIOCAP的絮凝效果，降低X010的絮凝效果，而对X414、X812和WJX的影响较小。钻井现场的活性泥岩钻屑中一般含有无机盐，且钻井液的配制过程中也经常添加无机盐以提高钻井液的防膨能力，如果不考虑无机盐对絮凝剂絮凝效果的影响，均按标准中采用蒸馏水为溶剂测试不同絮凝剂的絮凝效果。所得到的测试结果可能与钻井现场的操作效果存在较大差异，无法准确评估出絮凝剂的絮凝效果，从而影响到钻井液的使用性能。

2.4 沉降介质对絮凝时间的影响

标准中选用高岭土为沉降介质，而现场泥岩钻屑以蒙脱石矿物为主，其成分明显区别于高岭土。分析认为按照标准以高岭土为沉降介质可能会影响絮凝评价效果的准确性。故分别选用高岭土和过200目筛的现场细目钻屑为沉降介质，分别在水及氯化钠溶液中测试了不同絮凝剂的絮凝时间，结果见表2和表3。

表2 蒸馏水中沉降介质对絮凝时间的影响

表3 NaCl溶液中沉降介质对絮凝时间的影响

由表2、表3可以看出，以高岭土为沉降介质，絮凝剂X414无论在蒸馏水或NaCl溶液中的絮凝时间均明显小于其他4种絮凝剂；但以细目钻屑为沉降介质，除WJX外，其他4种絮凝剂在蒸馏水和NaCl水溶液中的絮凝时间均较短，显示出较好的絮凝性能。可见，原标准中以高岭土为沉降介质，没有考虑高岭土与现场活性泥岩之间的成分差异，导致以此标准评价出的絮凝剂的絮凝效果可能与钻井现场钻井液的实际絮凝效果存在较大差异，而以钻采现场取回的细目钻屑为沉降介质，可以更为准确地评价出不同絮凝剂施工现场的絮凝效果。

2.5 沉降介质高度

分别以高岭土和细目钻屑为沉降介质，测量了不同絮凝剂在蒸馏水和NaCl溶液中沉降后的介质高度，结果见图3。

图3 絮凝介质沉降后高度值

由图3可知，以高岭土为沉降介质，絮凝介质沉降后高度值在水中及氯化钠溶液中相差较大，而以细目钻屑为沉降介质，各种絮凝剂在水及NaCl水溶液中的沉降介质高度值的变化相对较小。

2.6 絮凝现象

以高岭土为沉降介质，通过肉眼观察，各种絮凝剂的絮凝现象无明显区别；但以细目钻屑为沉降介质，不同絮凝剂的絮凝现象差别较大，结果见表4。

表4 絮凝现象的比较

由表4可知，以细目钻屑为沉降介质，可以直观对比出不同絮凝剂的絮凝现象，更有利于絮凝剂的优选及评价。

3 结 论

a.在标准基础上加入NaCl，5种絮凝剂的表观黏度、热滚回收率、絮凝速度等均发生变化，且NaCl对不同絮凝剂的影响趋势及程度各不相同。

b.分别以细目钻屑和高岭土为沉降介质，所得絮凝剂的絮凝时间相差较大，且以细目钻屑为沉降介质，可以直观对比絮凝剂的絮凝效果。

c.在标准基础上加入无机盐，并以细目钻屑替代高岭土为沉降介质，对渤海湾盆地明化镇组钻井液絮凝剂的优选具有指导意义。