加重劑對(duì)水基鉆井液潤(rùn)滑性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

吳新民 林龍波 張喜鳳 張曉峰

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.河南油田分公司第一采油廠，河南南陽(yáng) 411300）

深井和超深井鉆探時(shí)經(jīng)常使用各種加重劑來(lái)提高鉆井液的密度，由于高密度鉆井液存在著固相高、黏度高、摩阻高等問題［1-3］，如何保證高密度鉆井液體系具有良好流變性、低摩阻等特性成為鉆井現(xiàn)場(chǎng)日益關(guān)注的問題。馬勇等人針對(duì)單一加重劑對(duì)水基鉆井液潤(rùn)滑性能影響開展了一些研究［3-4］，而針對(duì)兩種加重劑混合使用的研究較少，尤其是進(jìn)行表面活化處理的加重劑按一定比例混合使用對(duì)水基鉆井液潤(rùn)滑性能影響研究很少，也缺乏詳細(xì)的相關(guān)機(jī)理分析。為此，筆者采用鉆井液濾餅的黏滯系數(shù)評(píng)價(jià)鉆井液的潤(rùn)滑性能，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步利用加重劑顆粒表面微觀結(jié)構(gòu)、顆粒粒徑及表面活性等特性進(jìn)行機(jī)理分析，探討了加重劑含量及不同加重劑類型復(fù)配與鉆井液潤(rùn)滑性能之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

主要儀器：NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀（青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司），Mastersizer2000濕法型激光粒度儀，Zetasizer Nano Zs90電位分析儀（英國(guó)馬爾文儀器有限公司），Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡（美國(guó)FEI）。

主要試劑：重晶石（四川省彭州市長(zhǎng)城節(jié)能公司），活化重晶石（中國(guó)石油化學(xué)公司），活化鐵礦粉（新疆塔北泥漿材料廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）配制4%的水基鉆井液原漿，配方為4%基漿 + 0.4%FA-367+0.1%XY -27+0.4% JT900，并用NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定其濾餅黏滯系數(shù)。

（2）選用重晶石、活化重晶石、活化鐵礦粉3種加重劑，分別利用激光粒度儀、電位分析儀、掃描電子顯微鏡測(cè)其粒度分布、ZETA電位及表面微觀形貌。

（3）采用3種加重劑將鉆井液分別加重到不同密度（1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 g/cm3）后，測(cè)定其濾餅黏滯系數(shù)。

（4）活化鐵礦粉分別與重晶石和活化重晶石按2:1復(fù)配，將鉆井液加重到不同密度（1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 g/cm3）后測(cè)定其濾餅黏滯系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原漿性能測(cè)試

采用密度計(jì)和NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀分別測(cè)定原漿的密度為1.025 g/cm3，黏滯系數(shù)為0.096 3。

2.2 加重劑粒度分析

采用Malvern公司的Mastersizer2000濕法型激光粒度儀對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的3種加重劑進(jìn)行粒度分析，其結(jié)果見表1。從表1可以看出：3種加重劑中活化鐵礦粉粒度分布最均勻，活化重晶石次之，重晶石最差。顆粒分散不均勻，比表面積大，會(huì)造成摩擦力增大［4］。

表1 粒度分析結(jié)果

2.3 不同加重劑對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的影響

3種加重劑將鉆井液加重到不同密度時(shí)，加重劑對(duì)濾餅黏滯系數(shù)的影響見圖1，可以看出，隨著密度的增大，濾餅黏滯系數(shù)先增加后下降，說(shuō)明在一定的密度范圍內(nèi)，重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉都有改善鉆井液潤(rùn)滑性的作用。重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉的臨界密度分別是1.6、1.4和1.2 g/cm3，并且在高密度條件下，活化鐵礦粉加重的鉆井液潤(rùn)滑性要優(yōu)于重晶石與活化重晶石加重的鉆井液。

圖1 不同加重劑對(duì)濾餅黏滯系數(shù)的影響對(duì)比

分析原因主要為：（1）從顆粒表面形狀看，重晶石（莫氏硬度為3.5）顆粒大多呈層狀結(jié)構(gòu)（見圖2a），且硬度較小，在摩擦過(guò)程中，其層間滑動(dòng)有利于減輕摩阻［5］；活化后的重晶石微粒表面相比重晶石要相對(duì)平整光滑（圖2b）；而活化鐵礦粉莫氏硬度為5.5左右，鐵礦粉微粒經(jīng)活化后微粒表面光滑平整（圖2c），改善了鐵礦粉顆粒邊緣尖銳程度，有利于減輕摩擦；（2）活化鐵礦粉的密度（5.0 g/cm3）要大于活化重晶石和重晶石的密度，而活化重晶石的密度與重晶石的密度相差不大（4.2 g/cm3），對(duì)于加重到相同密度的鉆井液，活化鐵礦粉的用量要小，其鉆井液中固相顆粒也少，黏度、切力相對(duì)要小，鉆井液的流變性要好；（3）當(dāng)開始加入加重劑時(shí)，黏土對(duì)細(xì)顆粒有較強(qiáng)的包被作用，鉆井液顆粒粗于加重劑顆粒［6］，此時(shí)摩擦形式表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦，隨著加量增加，固相含量增大，導(dǎo)致黏滯系數(shù)增大。當(dāng)密度達(dá)到某一臨界值時(shí)，起軸承作用的粒子開始出現(xiàn)，此時(shí)黏滯系數(shù)出現(xiàn)峰值［4］；隨著加量增加，起軸承作用的粒子也隨著增加，滑動(dòng)摩擦逐漸轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，黏滯阻力減少，故出現(xiàn)隨加量的增加黏滯系數(shù)降低的現(xiàn)象。

圖2 不同加重劑的掃描電鏡照片

2.4 加重劑復(fù)配對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能的影響

活化鐵礦粉與重晶石或活化重晶石的比例為2:1時(shí)的效果較好［7］，以下加重劑配比按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2:1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3，可以看出，在一定密度范圍內(nèi)，加重劑復(fù)配加重時(shí)鉆井液濾餅黏滯系數(shù)要優(yōu)于單獨(dú)加重。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)鉆井液中活化鐵礦粉與重晶石或活化重晶石同時(shí)存在時(shí)，此時(shí)活化鐵礦粉主要起支撐作用，而重晶石和活化重晶石主要起潤(rùn)滑作用，優(yōu)化了鉆井液的潤(rùn)滑性能，從而降低了濾餅黏滯系數(shù)。

圖3 不同加重劑及復(fù)配對(duì)濾餅黏滯系數(shù)影響對(duì)比

活化鐵礦粉與活化重晶石復(fù)配加重濾餅黏滯系數(shù)優(yōu)于活化鐵礦粉與重晶石復(fù)配，其主要原因?yàn)椋海?）活化鐵礦粉與活化重晶石的平均粒徑接近程度要優(yōu)于活化鐵礦粉與重晶石，所以在同一比例復(fù)配情況下，前者復(fù)配的顆粒分布要比后者均勻，在鉆井液體系中均勻性更好，有利于減小鉆井液流動(dòng)的摩擦力；（2）活化重晶石是重晶石通過(guò)物理化學(xué)作用在其表面包裹具有一定構(gòu)型的基團(tuán)，以降低細(xì)顆粒表面的活化能與阻滯效應(yīng)，使加重材料與水分子之間隔離，減少水分子的吸附，而且使重晶石間的摩擦轉(zhuǎn)換成活性劑間的相互作用，降低內(nèi)摩擦［8-9］；（3）顆粒表面電位愈高，其表面親水性增強(qiáng)，在清水中的沉降速度降低［10-11］，顆粒的分散體系愈穩(wěn)定。由Zeta電位儀測(cè)得3種加重劑的電位，重晶石為–17.6 mV、活化重晶石為–29.7 mV、活化鐵礦粉為–23.8 mV。相比重晶石，活化重晶石在鉆井液體系中均勻性更好，鉆井液流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力要低，其黏度、切力也要低［12-14］，潤(rùn)滑性相對(duì)要好；（4）相比重晶石，活化重晶石在常溫與高溫條件下有較好的抑制增稠效果，活化重晶石加重漿具有很低的塑性黏度和動(dòng)切力，良好的流動(dòng)性［11］。

3 結(jié)論

（1）高密度條件下，重晶石，活化重晶石和活化鐵礦粉均有改善鉆井液潤(rùn)滑性的作用。

（2）重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉改善鉆井液潤(rùn)滑性的臨界密度分別為1.6 g/cm3、1.4 g/cm3、1.2 g/cm3，超過(guò)此臨界密度時(shí)，其鉆井液潤(rùn)滑性均有變好的趨勢(shì)。

（3）兩種加重劑的復(fù)配加重要好于單種加重劑的加重效果，而且活化鐵礦粉與活化重晶石配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2:1）時(shí)，鉆井液潤(rùn)滑效果最好。

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