加重劑類型對油基鉆井液性能的影響評價

岳超先， 熊漢橋， 蘇曉明， 莊嚴(yán)， 徐鵬

加重劑類型對油基鉆井液性能的影響評價

岳超先， 熊漢橋， 蘇曉明， 莊嚴(yán)， 徐鵬

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都610500）

岳超先，熊漢橋，蘇曉明，等.加重劑類型對油基鉆井液性能的影響評價[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）：83-86.

YUE Chaoxian， XIONG Hanqiao， SU Xiaoming，et al. Effects of different types of weighting agents on the performance of oil base drilling fl uids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：83-86.

油氣井鉆井成功在很大程度上取決于鉆井液的性能，而加重劑對鉆井液的性能有很大影響，不同加重劑配制的鉆井液在現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中效果不同。通過對毫微粉體、普通重晶石粉和微錳礦進(jìn)行粒度分析，配制油基鉆井液，測定鉆井液的黏度、API濾失量、泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)等性能，研究了不同加重劑對鉆井液性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：毫微粉體的顆粒最小，配制的鉆井液黏度最大，濾失造壁性差；普通重晶石粉配制的鉆井液潤滑性能不好，但受加量的影響??；微錳粉顆粒大，粒度分布廣，與普通重晶石粉混合使用后鉆井液的性能有明顯提高。

加重劑；油基鉆井液；濾失造壁性；潤滑性；流變性

研究不同加重劑類型對油基鉆井液性能的影響對提高油基鉆井液性能有著重要意義。筆者采用3種不同類型的加重劑對油基鉆井液進(jìn)行加重，且加重劑的用量不斷增加，對配制出的鉆井液進(jìn)行性能評價，研究加重劑的類型對鉆井液性能的影響[1-8]。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：普通重晶石粉，產(chǎn)地克拉瑪依；毫微粉體，產(chǎn)地貴州；微錳粉，產(chǎn)地塔里木；柴油；降濾失劑；增黏劑；乳化劑；潤濕劑。

實(shí)驗(yàn)器材：LA-950A2激光粒度分析儀；美國格雷斯公司生產(chǎn)的M3500-1低剪切泥漿黏度儀；青島同春生產(chǎn)的DWY電穩(wěn)定性測試儀；三聯(lián)濾失測定儀；高速攪拌機(jī)。

鉆井液配方為：320 mL柴油+2.6%主乳化劑+ 1.5%輔乳化劑+0.43%潤濕劑+2.05%有機(jī)土+0.6%降濾失劑+0.8%堿度調(diào)節(jié)劑+20%鹽水（20%氯化鈣）+加重劑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 3種加重劑的粒度分析

為了觀察3種加重劑的微觀形態(tài)，分別取3種加重劑少量置于0.6%六偏磷酸鈉溶液中，超聲分散5 min，用LA-950A2激光粒度分析儀分別測出3種加重劑的粒度分布情況?？芍?，普通重晶石和微錳粉的顆粒要比毫微粉體的顆粒大得多，毫微粉體的顆粒全部分布在5 μm以內(nèi)，平均粒徑為2.46 μm，屬于超細(xì)顆粒，D50和D90分別為1.093和1.85 μm。毫微粉體分布范圍窄，不均勻系數(shù)α為1.41，粒度分布均勻。分選系數(shù)S為1.14，分選性好。普通重晶石分布在10 μm內(nèi)的顆粒有37%，粒徑在10～20 μm的顆粒占43%，平均粒徑為17.1 μm，D50和D90分別為13.66 μm和40 μm。不均勻系數(shù)α為4.5，粒度分布比較均勻。分選系數(shù)S為1.72，分選性好。微錳粉分布范圍大，分布在10 μm內(nèi)的顆粒占40%，分布在10～100 μm的顆粒較多，達(dá)到58%，平均粒徑為22.34 μm，顆粒較粗。微錳粉的D50和D90分別為13.02和77 μm，不均勻系數(shù)α為9.8，粒度分布不均勻，分選系數(shù)為2.52，分選性中等。3種加重劑中精細(xì)加重劑的粒度分布最均勻，分選性最好。普通重晶石次之，微錳粉最差。

2.2 加重劑對鉆井液性能影響

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下分別用毫微粉體、重晶石粉和微錳粉對鉆井液進(jìn)行加重，且相同加重劑分別加入200、400、600 g，加重后鉆井液的密度如表1。測量不同加重劑在不同用量時的鉆井液性能，研究加重劑對鉆井液性能的影響。由表1可知，3種加重劑對鉆井液的密度影響效果差別不大，在加重劑用量相同時，鉆井液的密度基本一致。

表1 不同加重劑不同用量的鉆井液密度

2.2.1 不同加重劑對鉆井液黏度的影響

筆者用3種加重劑配制鉆井液，將配制好的鉆井液放入測量杯中，在常溫下用M3500-1低剪切泥漿黏度儀測量鉆井液的黏度，結(jié)果見表2。從表2可知，鉆井液的表觀黏度隨著加重劑用量的增加而增加。這是因?yàn)橐话闱闆r下，隨著鉆井液中固相含量的增加，固體顆粒逐漸增多，顆粒的總表面積不斷增大，顆粒間的內(nèi)摩擦力也隨之增加。在加重劑用量相同的情況下，3種加重劑對鉆井液表觀黏度的影響也有較大差別。用毫微粉體配制的鉆井液表觀黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用普通重晶石和微錳粉配制的鉆井液。從3種加重劑的粒度分析可知，毫微粉體的顆粒最小，比表面積最大，對自由水的吸附能力最強(qiáng)，故黏度效應(yīng)最強(qiáng)，所以用毫微粉體配制的鉆井液具有最大的表觀黏度。而與毫微粉體相比，用量相同的情況下，普通重晶石和微錳粉的分散程度低，故黏度較小。一般情況下，與水基鉆井液相比，油基鉆井液的黏度更低，這是因?yàn)楸碛^黏度包括流體內(nèi)部由于摩擦作用所引起的黏度和黏土顆粒之間及高分子聚合物之間由于形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的黏度，而水基鉆井液流體內(nèi)部摩擦引起的黏度一般大于油基鉆井液。3種加重劑中，用毫微粉體配制的鉆井液表觀黏度大，攜帶巖屑能力強(qiáng)，有利于井眼凈化，可以用于配制對表觀黏度要求較大的鉆井液；而普通重晶石和微錳粉的粗顆粒含量較多，表觀黏度相對較小，有利于配制流動性好的鉆井液。

表2 不同加重劑不同用量的鉆井液表觀黏度 （mPa·s）

2.2.2 不同加重劑對鉆井液濾失造壁性的影響

為了研究3種加重劑對鉆井液濾失造壁性的影響，筆者對3種加重劑配制的鉆井液進(jìn)行API濾失實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著加重劑用量的增加，鉆井液泥餅厚度增加，泥餅滲流能力變大。相同用量的條件下，毫微粉體的泥餅厚而疏松，降濾失效果差，泥餅滲透率大。影響泥餅滲透率的因素主要包括鉆井液中固相粒子的粒度和粒度級配及粒子的濃度[1]。毫微粉體配制的鉆井液泥餅質(zhì)量差，泥餅滲透率大，是因?yàn)殡m然毫微粉體的黏度大且顆粒細(xì)小，但毫微粉體的粒度分布比較集中，顆粒分布窄，級配差，在濾失過程中不能很好地填充泥餅的孔隙，故濾失量大，形成的泥餅質(zhì)量差。而普通重晶石粉和微錳粉的泥餅相比，普通重晶石粉的泥餅質(zhì)量更好，這是因?yàn)椋胀ㄖ鼐念w粒中細(xì)粒子多，平均粒徑小，且分布范圍較寬。而微錳粉雖然顆粒分布范圍很大，但顆粒普遍偏大，平均粒徑偏大，顆粒級配不合理，不能較好充填一些小的孔隙。故普通重晶石粉的泥餅質(zhì)量好于微錳粉的泥餅質(zhì)量，其泥餅滲透率也小于微錳粉的泥餅滲透率。綜合來看，3種加重劑中普通重晶石粉的濾失造壁性最好，適合水敏強(qiáng)的地層或滲透率較高的砂巖地層的鉆井液配制。毫微粉體的濾失造壁性差，在使用時要注意調(diào)節(jié)和控制。

表3 不同加重劑在不同用量下對鉆井液性能的影響

2.2.3 不同加重劑對鉆井液潤滑性的影響

鉆井液的潤滑性能通常包括泥餅的潤滑性能和鉆井液本身的潤滑性能，鉆井液的潤滑性能對鉆井工作影響很大，特別是鉆超深井、大斜度井、水平井和叢式井時。泥餅的摩阻系數(shù)是評價鉆井液潤滑性主要指標(biāo)之一[3]，用NZ-3型泥餅黏滯系數(shù)測定儀對3種加重劑加重鉆井液濾失后的泥餅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量其摩阻系數(shù)，其結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，3種加重劑的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)隨著加重劑用量的增加而增加。在現(xiàn)場生產(chǎn)中，大部分油基鉆井液的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)在0.08～0.09之間，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，用量為200和400 g的微錳粉和毫微粉體的鉆井液的潤滑性是符合要求的。但是增加用量至600 g時，2者的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)大幅度增加，潤滑性急劇減小，不利于鉆進(jìn)工作的進(jìn)行。所以在使用微錳粉和毫微粉體對鉆井液進(jìn)行加重時要注意加重劑的用量不宜過大。如果因?yàn)槠渌蛐枰尤氪罅考又貏?，則需要在鉆井液中加入潤滑劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則可能因潤滑性能不好而造成鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大，起下鉆困難，甚至發(fā)生黏附卡鉆和斷鉆具事故。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通重晶石粉的泥餅?zāi)ψ璐?，潤滑性能差，不適合對深井超深井的鉆井液進(jìn)行加重。但普通重晶石用量的增加對鉆井液潤滑性能的影響較小，所以比較適合對加重劑需要較多的鉆井液體系。

圖1 不同加重劑的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)

2.2.4 2種加重劑復(fù)配對鉆井液性能的影響

綜合上述的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3種加重劑中毫微粉體的效果比較差，所以在復(fù)配的時候不考慮毫微粉體與其他重晶石的復(fù)配，只將普通重晶石和微錳粉按照1︰1的比例進(jìn)行復(fù)配，測定復(fù)配后鉆井液的各種性能，研究2種重晶石復(fù)配后對鉆井液的性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 普通重晶石和微錳粉復(fù)配（1︰1）后的鉆井液性能

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，復(fù)配后的鉆井液黏度大小介于微錳粉和普通重晶石粉單獨(dú)使用時的鉆井液黏度大小之間，沒有明顯的變化，說明微錳礦和重晶石粉的復(fù)配對鉆井液黏度的大小影響不大。在鉆井液的濾失造壁性方面，可以看到，復(fù)配后鉆井液的API濾失量遠(yuǎn)小于2種重晶石粉單獨(dú)使用時的濾失量，且泥餅厚度更小，滲流能力差，有更好的濾失造壁性。其原因是2種加重劑復(fù)配后，鉆井液固相顆粒級配更加合理，在濾失過程中，固體顆粒能更好地填充泥餅孔隙，使泥餅更加致密。2種加重劑的復(fù)配對鉆井液的潤滑性也有很大影響。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，復(fù)配后的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其單獨(dú)使用時的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)，且其用量的增加使得摩阻系數(shù)減小。這說明2種加重劑復(fù)配后有利于提高鉆井液的潤滑性，有利于鉆進(jìn)工作的進(jìn)行。這是因?yàn)閺?fù)配后微錳粉中的小顆粒充填到普通重晶石的大顆?？障吨衅鸬捷S承作用，將內(nèi)摩擦力中的部分滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，大幅減小了內(nèi)摩擦力，使得鉆井液的潤滑性大大提高。綜合看來，微錳粉和普通重晶石粉在對鉆井液進(jìn)行加重時，混合使用的效果在各方面均好于其單獨(dú)使用的效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，2種加重劑的混合使用更能滿足現(xiàn)場要求，有利于更好更快地完成鉆井任務(wù)。

3 結(jié)論與建議

1. 3種加重劑中，毫微粉體配制的鉆井液黏度大，有利于攜帶、懸浮巖屑和井眼凈化，但不利于地面除砂，影響鉆速的提高。

2.普通重晶石粉和微錳粉配制的鉆井液有良好的濾失造壁性，能控制井壁穩(wěn)定、保護(hù)儲層，適合對水敏地層或滲透率較高砂巖地層的鉆井液加重。

3.普通重晶石粉配制的鉆井液潤滑性能差，但其用量的增加對潤滑性能的影響小，可以用來配制對潤滑性要求不高的高密度鉆井液。毫微粉體和微錳粉配制的鉆井液潤滑性能好，適合深井、超深井的鉆井液配制，但其用量不宜過大，否則潤滑性能會急劇下降。

4.在鉆井液的配制過程中，將普通重晶石粉和微錳粉混合使用能大大提高鉆井液的性能，滿足現(xiàn)場需要，有利于鉆井工作的進(jìn)行。

[1]王琳， 林永學(xué)， 楊小華， 等. 不同加重劑對超高密度鉆井液性能的影響[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2012， 40（3）： 48-53.

WANG Lin， Lin Yongxue， Yang Xiaohua， et al. Effects of weighting agent on ultra-high density drilling fluid’s performance[J].Petroleum Drilling Techniques，2012， 40（3）： 48-53.

[2]黃維安， 邱正松， 鐘漢毅， 等. 高密度鉆井液加重劑的研究[J]. 國外油田工程， 2010（ 8）： 37-40.

HUANG Weian，QIU Zhengsong，ZHONG Hanyi，et al.Study of high density drilling fluid weighting agent[J]. Abroad Oil Field Engineering，2010（ 8）： 37-40.

[3]趙長新， 張長花， 李建， 等. 甲酸鹽及有機(jī)鹽鉆井液基液的潤滑性[J]. 鉆井液與完井液， 2012， 29（2）：27-29.

ZHAO Changxin， ZHANG Changhua， LI Jian. Study on lubricating performance of formate and organic salt drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2012， 29（2）： 27-29.

[4]黃維安， 邱正松， 徐加放， 等. 重晶石粒度級配對加重鉆井液流變性的影響[J]. 鉆井液與完井液，2010， 27（4）： 23-25.

HUANG Weian， QIU Zhengsong，XU Jiafang ， et al. Effect of partical sizing barite on weighted drilling fluid rheology[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2010，27（4）： 23-25.

[5]趙素麗， 常連玉， 蔡利山. 活化鐵礦粉技術(shù)及其效果評價[J]. 鉆井液與完井液， 2007， 24（S1）：78-81.

ZHAO Suli，CHANG Lianli， Cai Lishan.et al.Evaluation of activated iron ore powder technology and its effect[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2007， 24（S1）：78-81.

[6]魏繼軍，張洪印，李連江，等.低密度高強(qiáng)度水泥漿體系研究與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液，2013， 30（4）：59-62.

WEI Jijun， ZHANG Hongyin，LI Lianjiang， et al. Research and application of low density and high strength cement slurry system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（4）：59-62.

[7]趙福， 王平全， 劉常旭，等. 不同粒徑的加重劑對水基鉆井液黏度效應(yīng)的影響[J]. 鉆井液與完井液， 2008， 25（3）：74-76.

Zhao Fu， Wang Pingquan， Liu Changxu， et al. The effect of weighting agents of different particle sizes on the viscosity of water base drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2008.

[8]陳鵬， 王新海， 董櫻花，等. 泥餅形成預(yù)測模型及影響因素分析[J]. 斷塊油氣田， 2012， 19（4）：522-525.

Chen Peng， Wang Xinhai， Dong Yinghua， et al. Prediction model of filter cake buildup and its influential factor[J]. Fault-Block Oil & Gas Field， 2012， 19（4）：522-525.

Effects of Different Types of Weighting Agents on the Performance of Oil Base Drilling Fluids

YUE Chaoxian, XIONG Hanqiao, SU Xiaoming, ZHUANG Yan, XU Peng
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500)

The success of oil and gas well drilling depends to a large extent on the performance of drilling fl uid, whichis greatly affectedby the weighting agent used. A drilling fl uid weighted with different weighting agents will perform quite differently during drilling. In laboratory studies, a micron powder barite, a conventional barite and a micro powder manganese mineral used in formulating drilling fl uid samples were analyzed for their particle sizes. The viscosity, API fi lter loss and friction coeff i cient of mud cake of the three drilling fl uids were measured to study the effects of weighting agent on the performance of drilling fl uid. It was shown that the micron powder barite had the fi nest particle sizes and the drilling fl uid formulated with this barite had the highest viscosity, and mud cake of poor quality was formed. Drilling fl uid formulated with the conventional barite had poor lubricity. The manganese mineral had bigger particle sizes and wider particle size distribution.A drilling fl uid formulated with the manganese mineral and conventional barite had performance that was obviously improved.

Weighting agent; Oil base drilling fl uid; Filtration and mud cake quality; Lubricity; Rheology

TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0083-04

2016-10-8；HGF=1701N2；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.015

岳超先，1991年生，西南石油大學(xué)油氣井工程在讀碩士研究生，主要從事鉆井液完井液和儲層保護(hù)的研究工作。電話18200291372；E-mail：869988043@qq.com。