白油中高成膠率有機土HMC－4的研究

舒福昌 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

向興金，史茂勇，石磊，羅剛 （荊州市漢科新技術研究所，湖北荊州434000）

蔣世全，許亮斌，羅洪斌 （中海油研究總院，北京100027）

油基鉆井液是指以油作為連續(xù)相的鉆井液，主要有2種類型——油包水乳化鉆井液和全油基鉆井液。在油包水鉆井液中，水作為必要組分均勻地分散在油中，其含水體積分數為10%～60%。而在全油基鉆井液中，其含水體積分數一般不超過10%［1］。有機土是油基鉆井液中必不可少的親油膠體，在油基鉆井液中既可提高鉆井液的黏度和切力，又能降低油基鉆井液的濾失量［2］，通常來說全油基鉆井液對有機土的性能要求高于油包水乳化鉆井液。相對于柴油以白油或氣制油作為基礎油配制全油基鉆井液，由于其芳香烴含量低、生物毒性小而有利于保護環(huán)境，愈來愈受到重視。但是芳香烴含量低的白油或氣制油，其極性也小，而常規(guī)有機土是針對柴油基液開發(fā)的，用于白油或氣制油這樣的基液中配制全油基鉆井液，由于其成膠性能差導致鉆井液黏度和切力低，不能滿足全油基鉆井液性能要求。為此，筆者開展了能夠在白油或氣制油中具有高效成膠性能的有機土研究，對于發(fā)展環(huán)保型全油基鉆井液具有重要的現實意義。

1 現有有機土在不同基液中的成膠性能

有機土的成膠性能通常用膠體率來衡量，其測定程序為：稱取3．00g有機土，倒入裝有100ml具塞量筒中，上下搖動5min，使有機土充分分散，靜置90min后，讀取量筒上部析出的游離油體積（V），計算出膠體率（η），即：η＝ ［（100－V）／100］×100%。

首先對現有商品有機土在不同基液中的膠體率進行了評價，結果見表1。由表1可以看出，現有有機土在柴油中成膠性能非常好，膠體率可達90%以上，而在5＃白油和氣制油中成膠性能則差，膠體率在10%以下。這是由于柴油中芳香烴質量分數高 （約為10%～40%），極性強；而5＃白油和氣制油主要為飽和烷烴，芳香烴質量分數低 （≤0．1%），極性弱，有機土在柴油中比在白油和氣制油中易分散、成膠。因此，將現有商品有機土直接用于白油、氣制油等這類極性弱的基液中配制全油基鉆井液，不能有效提高鉆井液黏度和切力。

表1 現有有機土在不同基液中的成膠性能

2 白油基有機土HMC的制備及性能

2．1 有機土制備方法

目前，有機土的制備有濕法、預凝膠法、干法和微波法4種［3］。其中最主要、最傳統(tǒng)的方法是濕法生產有機土，即將蒙脫土分散、提純、改性，用長碳鏈有機陽離子取代蒙脫土層間的金屬離子，形成疏水有機膨潤土；再經脫水、干燥、研磨成粉狀產品。該研究有機土HMC的制備，改變傳統(tǒng)的生產工藝，采用干法的方式，其過程為：將含一定水量精選出的鈉基膨潤土與有機覆蓋劑直接混合，用專門的加熱混合器混合均勻，再加以擠壓，制成含有一定水分的有機膨潤土，然后真空干燥，并用粉碎機粉碎至通過100目篩。通過改變膨潤土與有機覆蓋劑原料種類以及改性工藝條件，制得9個有機土樣品。

2．2 有機土的成膠性能

按上述方法評價9個有機土樣品在白油中的成膠性能，結果見表2。由表2可以看出，9個有機土樣品中HMC－1、HMC－2、HMC－4在5＃白油中成膠性能好，膠體率大于60%，其中HMC－4膠體率可高達72%。

表2 有機土HMC在5＃白油中的成膠性能

2．3 有機土的增黏提切性能

有機土的增黏提切性能測定程序為：量取300ml 5＃白油，加入12．00g有機土，在10000r／min條件下高速攪拌20min，測流變性，然后在120℃條件下熱滾16h，冷卻至室溫，在10000r／min條件下高速攪拌10min，測流變性，結果見表3。由表3可以看出，常規(guī)有機土TJ在白油中不能有效提高鉆井液黏度和切力，而有機土HMC－1、HMC－2、HMC－4在白油中能有效提高鉆井液黏度和切力。結合表2的成膠性能評價結果，以白油為基礎油配制全油基鉆井液，選擇有機土HMC－4比較合適。

表3 有機土在5＃白油中的流變性

2．4 有機土HMC－4質量濃度對其性能的影響

試驗評價了不同質量濃度有機土HMC－4在5＃白油中的膠體率，結果見圖1。同時評價了不同質量濃度有機土HMC－4在5＃白油中的增黏提切效果，結果見圖2。由圖1可以看出，隨著HMC－4質量濃度的增大，其膠體率隨著增大，但當質量濃度大于0．03g／ml后，膠體率增大緩慢。同樣由圖2可以看出，隨著HMC－4質量濃度的增大，120℃滾后表觀黏度 （μa）以及動切力 （τd）也隨著增大。

圖1 膠體率與HMC－4質量濃度的關系

圖2 表觀黏度、動切力與HMC－4質量濃度的關系

3 有機土HMC－4配制的全油基鉆井液性能

以5＃白油為基礎油，加入高成膠率有機土HMC－4及其他配套處理劑，配制出密度為1．5g／cm3的全油基鉆井液，其基本性能見表4。由表4可以看出，有機土HMC－4配制的全油基鉆井液具有較高的切力，一方面可以保持體系穩(wěn)定性，熱滾后不會發(fā)生重晶石沉降現象，另一方面可以提高鉆井液的攜巖能力；另外，配制的全油基鉆井液具有較低的濾失量，其API濾失量小于5ml。

鉆井液配方：5＃白油＋0．03g／ml有機土 HMC－4＋0．02g／ml增黏劑AOVIS－7＋0．02g／ml降濾失劑AOFLB＋0．02g／ml降濾失劑 AOFLC＋0．01g／ml潤濕劑 AOWET＋0．03g／ml穩(wěn)定劑 AOEST ＋0．005g／ml CaO＋重晶石。

表4 全油基鉆井液基本性能

4 結論與認識

1）現有商品有機土在芳香烴含量高的柴油中成膠性能非常好，膠體率可達90%以上，而在芳香烴含量低的5＃白油或氣制油中成膠性能則差，膠體率在10%以下。

2）采用干法工藝制備的有機土HMC－4在5＃白油中具有好的成膠性能，膠體率可達72%。

3）以5＃白油為基礎油，由有機土HMC－4配制的全油基鉆井液具有較高的切力和較低的濾失量，使鉆井液有好的穩(wěn)定性和攜巖性，可滿足鉆井工程要求。

［1］鄢捷年 ．鉆井液工藝學 ［M］．東營：中國石油大學出版社，2006．

［2］李春霞，黃進軍，高海洋，等 ．一種新型抗高溫有機土的研制及性能評價 ［J］．西南石油學院學報，2001，23（4）：54～56．

［3］曹杰，邱正松，徐加放，等 ．有機土研究進展 ［J］．鉆井液與完井液，2012，29（3）：81～84．