高温对钻井液中黏土的作用及作用机理.pdf

第 2 7卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLET1 0N FLUI D V_0 1 ． 2 7 NO． 2 M a r ．2 0l 0 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 0 0 2 0 0 2 3 0 3 高温对钻井液中黏土的作用及作用机理 卜 海 一， 徐同台 ， 孙金声 。 ， 王海良 I ． 中国地质大学 北京工程技术学院，北京 ； 2 ． 北京石大胡杨科技发展有限公司，北京 ； 3 ． 中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 摘要针对高温对黏土粒子的作用，对不同钠膨润土含量的基浆在不同温度热滚后的性能进行分析，得 出黏 土颗粒在不同温度下对钻井液的流变性能影响较大，从常温到9 0 ，钻井液表观黏度呈递增状态，且在 9 0℃时 达到最大值 ； 之后随温度升高急剧减小，在 1 5 0℃时出现最小值 ； 从 1 5 0℃到 2 0 0 ，表观黏度随温度升高略有 增大。同时，分析 了不同温度对钻井液中黏土的作用机理。该研究结果为深井、超深井水基钻井液提供理论基础。 关键字 高温钻井液 ； 增稠 ； 黏土颗粒 ； 高温作用 ； 黏土作用机理 中图分类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识码 A 深井 、超深井钻井作业 中凡高温严重增稠 的钻 井液 ，必然会丧失其热稳定性 ，表现为钻井液性能 极不稳定 ，黏度和切力上升快 ，处理频繁 ，处理剂 用量大 ，因此 ，防止钻井液在高温条件下形成凝胶 和增稠是保持钻井液热稳定性的重要技术 。钻井液 高温增稠的原因比较复杂，除了黏土矿物本身的高 温分散增加 了钻井液 中黏土粒子的浓度外 ，还有处 理剂等外加组分的高温变性所引起的增稠 Ⅲ 。因此 有必要研究明确黏土矿物的高温作用及作用机理， 以有效抑制和减少黏土粒子的高温分散 。 1 高温对钻井液中黏土的作 用 1 ． 1 高温分散作用 黏土粒子在高温作用下会 自动分散，其实质 是水化分散，包括表面水化和渗透水化作用。高温 加剧了水分子渗入未分散 的黏土粒子晶层表面的能 力 ，从而促使 原来 未被水化 的晶层表 面水化 和膨 胀 。随着高温水化分散 的发生 ，钻井液 中的阳离子 当量浓度随之增大，同时促进了黏土颗粒晶体结构 中 AI 的离解 ，使黏土所带负电荷增加 ，并补偿 了 因高温而解吸的阴离子 ，促进黏土粒子 Z e t a电位的 增加 1 ． 2 高温聚结作用 高温聚结作用 主要指已高度分散 的粒子 由于高 温作用降低分散度的趋势，它与黏土粒子的高温分 散作用是相反而并存 的。高温聚结作用促进黏土粒 子端一面和端一端结合并形成卡片房子结构 ，使钻 井液静切力和动切力增大 ，而黏土的高温分散作用 进一步导致所形成的网架结构的密度和强度增强。 1 ． 3 高温钝化作用 经高温作用后 ，黏土粒子的表面活性 降低的现 象为黏土粒子表面的高温钝化作用 。高温加剧了水 分子的热运动 ，从而降低 了水分子在黏土表面或离 子极性基 团周围定 向的趋势 ，即减弱了表面水化能 力，使外层水化膜减薄，黏土粒子的 Z e t a 电位减 小 。另一方面温度 的升高，加剧 了黏土颗粒在水 中 向四面八方呈活跃 的无规则 的布朗运动 ，引起黏土 胶粒的碰撞频率增加 ，降低 了黏土颗粒形成端一面 和端一端结合形成卡片房子结构的能力 口 ] 。 2 高温对膨 润土浆流变性能影响实验 2 ． 1 膨润土加量对钻井液性能的影响 分别用 3 , ／ 0 、4 ％、5 ％、6 ％、8 ％、1 0 ％新疆 夏 第一作者简介 卜海，在读硕士研究生，1 9 8 5年生，2 0 0 7年毕业于中国石油大学 北京化学工程与工艺专业，现在 北京石大胡杨石油科技发展有限公司工作。地址 北京市昌平区火炬街 2 3号 ； 邮政编码 1 0 2 2 0 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 3月 子街改性膨润土配浆 ， 测定其流变性能， 结果见图 1 。 由图 1 可知 ，表观黏度与塑性黏度随钠膨润土含量 的增加而增大 ，动切力变化不大 ； 3 ％钠膨润土的 基浆表观黏度小 ，实验结果不 明显。因而选用钠膨 润土含量为 4 ％、6 ％、8 ％ 和 1 0 ％ 的基浆进行实验。 图 1 不同含量的钠膨润 土浆 的性能 2 ． 2 温度对不同浓度膨润土浆性能的影响 温度对膨润土浆性能的影响见图 2 ～图 5 。 ℃ 图2 4 ％基浆在不同温度热滚 2 4 h后的性能 图 3 6 ％基浆在不同温度热滚 2 4h后的性能 图 4 8 ％基浆在不同温度热滚 2 4 h后的性能 ℃ 图 5 1 0 ％基浆在不 同温度热滚 2 4h后 的性能 由图 2～图 5 可知 ①随温度升高，钻井液黏 度出现一个极限峰值。从常温到 9 0℃，表观黏度 呈递增状态，且在 9 0℃时为最大值 ； 塑性黏度随 温度升高而增大，钠膨润土含量分别为 4 ％、6 ％和 8 ％ 的基浆在 9 0 c C时亦达 到最大值 ；动切力均稍 有增大 ，且在 9 0℃时为最大值。②温度继续升高 ， 不 同膨润土含量的钻井液表现 出不同的性能。膨润 土含量为 4 ％ 和 6 ％ 的钻井液 ，表观黏度 、塑性黏 度 随温度升高急剧减小 ，且在 1 5 0 o C 时为最小值 ； 从 1 5 0 到 2 0 0 ，表观黏度 、塑性黏度 随温度升 高略有增大。但膨润土含量为 8 ％ 的钻井液 ，表观 黏度及动切力随温度升高急剧减小 ，且在 1 5 0℃时 为最小值 ，从 1 5 0 o C到 2 0 0℃，则略有增大 ； 塑性 黏度随温度升高而减小， 且在 1 2 0 时出现最小值， 之后 随温度升高 稍有增 大 ； 膨润土含量为 1 0 ％ 的 钻井液， 表观黏度及动切力亦随温度升高急剧减小， 且在 1 5 0℃时 出现最小值 ，1 5 0℃到 2 0 0℃，随温 度升高略增大 ； 塑性黏度随温度升高而增大 ，且在 1 5 0 o C时为最大 ，1 5 0 c 【 到 2 0 0 o C，塑性黏度 随温 度升高而略有减小 ，同时实验还发现 ，膨润土钻井 液中的膨润土颗粒分散程度随温度升高略有增加。 3 高温对 黏土颗粒 的作 用机 理 在不 同温度下 ，黏土颗粒的高温分散 、高温聚 结或高温钝化作用 占主导地位的情况不 同。膨润土 基浆在不 同温度下热滚 2 4 h后对黏土粒子 的影响见 图 6 ～ 图 8 。 由此可知 ，对 黏土含量 为 6 ％ 和 1 0 ％ 的基浆经过不 同温度热滚后 的黏土颗粒物理性质研 究表明如下。 1 在常温～9 0 范围 内，其高温聚结作用 占 据主导地位 。高温引起黏土胶粒碰撞频率 的增加， 使黏土粒子的聚结稳定性下降，从而产生不同程度 的聚结现象 ，使基浆中黏土粒子颗粒度增大 ，比表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 2期 l 、 海等 高温对钻井液 中黏土的作 用及作用机理 2 5 面积减小。6 ％ 的基浆 比表面积从 3 5 1 6 8 c m 减小 到 2 9 6 4 1 c m～1 0 ％ 的基浆比表面积从 1 5 1 6 8 c m。 减小到 1 0 9 7 0 c m一 。水分子随着温度 的升高 ，其 热 运动得到极大的加强 ，增强 了渗入未分散的黏土粒 子晶层表面的能力 ，促使未水化的晶层表面水化 和 膨胀 ，同时促进 了黏土颗粒晶格中 Al 的离解 ，使 黏土所带 负 电荷增 加 ，同时补偿 了 因高温 而解 吸 的阴离子 ，促进 了黏土粒子 Z e t a电位的增加。6 ％ 的基浆从 ～ 3 8 ． 4 mV增加到 -45 ． 1 mV ； 1 0 ％ 的基浆 从 一 3 5 ． 6 mV增力 口 至 U - 4 5 ． 8 mV。 浆比表面积从 1 0 9 7 0 c m 。 增大到 3 3 2 8 4 c m ～ 。②高 温使黏土粒子的表面活性降低 ，外层水化膜减薄 ， 黏土粒子的 Z e t a电位减小 ，6 ％ 的基浆从 5 ． 1 mV 变为 _ 2 4 ． 2 mV ； 1 0 ％ 的基浆从 _ 1 4 5 ． 8 mV变为 _ 2 0 ． 5 mV。黏土粒子形成卡片房子结构 的能力和所形成 结构的强度从而降低，引起体系高温后减稠。③钻 井液中高温分散作用的同时发生 ，由其引发 的钻井 液高温增稠效应，必然将部分抵消由高温钝化作用 引起的钻井液动切力及塑性黏度下降。 3 当温度为 l 8 O ～2 0 0 o C 时 ，黏土颗粒 的高温 聚结作用 占据主导地位。高温去水化作用引起黏土 粒子的聚结稳定性下降，从而产生程度不同的聚结 现象 ，使钻井液中黏土粒子 的颗粒度增大 ，比表面 积减小 ，6 ％ 的基浆 比表 面积从 8 5 8 4 7 c m 减小到 2 9 6 4 1 c m。 。 ；1 0 ％ 的基浆比表面积从 3 3 2 8 4 c m。 。 减 小到 1 1 6 6 2 c m～ ℃ 图6 在不同温 度下 热滚2 4 h 对黏土粒 子颗 粒度d 5 的 影响4 结论 ‘ 基 t 。 露 恒 懈 网 7 在不同温度下热滚 2 4 h对黏土粒子比表面积的影响 图 8 在不同温度下热滚 2 4 h对黏土粒子 Z e t a电位的影响 2 从 9 0到 1 8 0 o C，高温钝化作用 占主导地位 ， 且高温分散作用也同时存在。 ①温度的进一步升高， 不仅加剧了钻井液中各种粒子的热运动，亦使黏土 矿物晶格 中的片状微粒热运动加剧 ，增强 了水化膨 胀后 的片状粒子彼此分离 的能力 ，使钻井液中粒子 的颗粒度减小 ，比表面积随之增大。6 ％ 的基浆 比 表面积从 2 9 6 4 1 c m。增大到 8 5 8 4 7 c m一；1 0 ％ 的基 1 ． 黏土颗粒在不 同温度作用下对钻井液的流变 性能影 响较大 ，从常温到 9 0℃，其表观黏度呈递 增状态 ，且 在 9 0℃时达 到最大值 ； 之后随温度升 高急剧减小 ，在 1 5 0 o C 时出现最小值 ； 从 1 5 0℃到 2 0 0℃ ，表观黏度随温度升高略有增大。 2 ． 黏土颗粒的高温作用随温度的不同而变化， 从常温到 9 0℃，高温聚结作用 占据 主导地位 ，钻 井液中黏土粒子 的颗粒度增大 ，比表面积减小 ； 从 9 0 到 1 8 0℃，高温钝化作用 占据主导地位 ，钻井 液体 系中粒子 的颗粒度减小 ，比表面积增大 ，黏土 粒子 的 Z e t a电位减小 ； 从 1 8 0 o C 到 2 0 0℃，黏土颗 粒的高温聚结作用在此时是占据了主导地位，已经 高度分散 的黏土颗粒 由高温作用降低分散度 ，从而 使钻井液 中黏土粒子的颗粒度增大 ， 比表面积减小。 3 ． 钻井液 的高温增稠 ，可通过保持适 当的黏土 含量得到控制 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐 同台，陈永亮，罗平亚 ． 深井钻井液 [ M] ． 东营 石 油大学出版社，1 9 9 4 ． [ 2 ] 樊世忠 ，鄢捷年，周大晨 ． 钻井液完井液及保护油气层 技术 [ M] ． 东 营 石 油大 学出版社 ，1 9 9 5 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 9 2 7 ；HG F 1 0 0 2 A1 ；编辑张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m