新型高密度鉆井液加重劑的性能評價及應用

蔡 勇， 郭保雨， 何興華， 張雪松， 袁 麗， 劉均一， 王金利

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

流變性與沉降穩(wěn)定性之間的矛盾是高密度鉆井液的主要技術難點之一，而加重劑的性能是影響高密度鉆井液性能的重要因素，常規(guī)加重劑重晶石粉，粒徑通常在40～70 μm。實際應用中，雖能加重至2.60 g/cm3，但容易出現(xiàn)沉降穩(wěn)定性差、流變性難以調控等問題；鐵礦粉(密度4.9～5.3 g/cm3)加重后鉆井液中的固相含量雖然比采用重晶石加重時低，但是對鉆具和泥漿泵的磨損以及固相沉降都比較嚴重。常規(guī)加重劑一般密度不超過5.5 g/cm3，如加重到密度2.6 g/cm3以上，鉆井液固相含量最少也在50%以上，高固相含量可導致摩阻及扭矩增大、鉆井液性能維護難度增加等一系列問題[1-4]。

因此，為了改善上述問題，本文通過優(yōu)選廢鐵屑作為原材料，對其進行超微粉碎和表面改性，制取出密度大于6.5 g/cm3、D90值小于30 μm的高密度加重劑。該高密度加重劑具有密度高、粒徑小、不易團聚等特點，配制出的高密度鉆井液具有良好的流變性和沉降穩(wěn)定性，并在現(xiàn)場取得了良好的應用效果。

一、高密度加重劑的制備

使用廢鐵屑，采用預粉碎磨機粉碎、高頻雪崩式振動篩粒徑分級、脫磁機消磁、振動研磨機超細研磨等工藝流程，制備超微粉化的原材料。然后將80～100 g經過超微粉化的原材料加入到1 000 mL容器中，隨后依次加入20～30 mL有機溶劑、20～30 mL水、5～10 g表面活性劑、5～10 g助表面活性劑。攪拌1 h，利用微乳化法，進行充分反應后制得粉體加重劑微粒溶膠，最后經過分離洗滌并干燥，制取新型高密度加重劑(代號為SLJZJ)[5-7]。

二、高密度加重劑的室內性能評價

1. 加重劑成分分析

利用X-射線衍射分析了SLJZJ的主要成分為三氧化二鐵(Fe2O3)。

表1 不同加重劑的密度和粒徑對比

2. 加重劑密度和粒徑分析

由表1可知，與重晶石粉、鐵礦粉相比，SLJZJ具有密度高、粒徑小的優(yōu)點。

3. 加重劑微觀形貌對比

從圖1的對比表明，普通加重劑顆粒形貌極不規(guī)則，容易形成面-面或端-面連接，從而發(fā)生團聚導致流動性變差，而高密度加重劑SLJZJ的顆粒外形接近球體，不易團聚，有利于高密度鉆井液的流變性能調控。

圖1 不同加重劑外觀形貌對比

4. 不同加重劑鉆井液濾餅對比

利用掃描電鏡分別分析了重晶石與SLJZJ加重后形成的鉆井液濾餅。分析圖2可知，與重晶石加重鉆井液相比，利用SLJZJ加重的鉆井液能夠形成更加致密的濾餅，有助于改善高密度鉆井液的濾失造壁性能。這是由于SLJZJ顆粒的粒徑較小，呈近球狀，可以均勻分散在鉆井液體系中，其能夠與鉆井液封堵材料協(xié)同作用形成致密濾餅。

圖2 不同加重劑鉆井液濾餅的SEM照片

5. 加重劑的酸化實驗

5.1 加重劑的酸化實驗

取在100℃±5℃烘干的加重劑1 g，在80℃條件用15%HCl處理2 h，再烘干殘渣并稱重，可得到酸化率。

5.2 加重鉆井液的濾餅酸化實驗

配制密度1.05 g/cm3的基漿，用加重劑加重至1.30 g/cm3，取加重鉆井液濾餅(100℃±5℃烘干)1 g，在80℃條件下用15%HCl處理2 h，烘干殘渣并稱重，得到酸化率。

通過實驗對比可知，SLJZJ的酸化率大于90%和青石粉相當，高于鐵礦粉(80%)和鈦鐵礦(35%)，遠高于重晶石粉(8%)。SLJZJ的高酸化率，有利于后期作業(yè)的酸化解堵，保護油氣層，這也是該加重劑的主要優(yōu)點之一。

三、高密度鉆井液的配方研究

經過實驗，優(yōu)化出2.3～3.0 g/cm3高密度鉆井液，配方為：1%～2%膨潤土+0.1%～0.2%NaOH+0.1%～0.2%高分子聚合物+ 0.5%～1%抑制劑+5%～7%抗高溫降濾失劑+3%～5%防塌劑+1%～2%降黏劑+5%～7%潤滑劑+10%～20%無機鹽+0.3%～0.5%表面活性劑+重晶石粉+SLJZJ。

1. 常規(guī)性能及抗高溫性能評價

由表2看出，鉆井液在180℃高溫下熱滾后性能穩(wěn)定，流變性良好，沒有發(fā)生高溫增稠和膠凝現(xiàn)象， 且鉆井液的API濾失量和HTHP濾失量均較低且變化不明顯。而老化溫度在200℃時，流變性能和濾失量變化明顯，由此可知該高密度鉆井液體系抗溫可達180℃。

2. 沉降穩(wěn)定性評價

將高密度鉆井液攪勻，倒入500 mL量筒至滿刻度，靜置48 h后，取2/5處鉆井液用密度計測量上層鉆井液密度，取4/5處鉆井液用密度計測量下層鉆井液密度。同時取上述鉆井液，經180℃/16 h滾動靜置48 h后，采用上述同樣的方法測量上下層鉆井液密度。

表3的測量結果表明，在高溫前后，2#高密度(3.0 g/cm3)鉆井液48 h上下密度差值均小于0.08 g/cm3，且無析水現(xiàn)象，顯示出良好的沉降穩(wěn)定性。

和重晶石粉相比，SLJZJ密度高且粒徑小，因此在加重到相同密度時，采用SLJZJ和重晶石粉復配加重的鉆井液具有更低的固相含量和更小的粒徑，從而隨著鉆井液密度的增高，其表現(xiàn)出比單純使用重晶石粉越來越優(yōu)良的沉降穩(wěn)定性。

表3 不同密度高密度鉆井液沉降穩(wěn)定性評價實驗

3. 潤滑性能評價

鉆井過程中存在高壓差時極易發(fā)生壓差卡鉆，這對高密度鉆井液的潤滑防卡能力提出了更高的要求。室內測定了不同高密度下該鉆井液體系的潤滑性能[8],由表4可知，在不同高密度下，該鉆井液體系均表現(xiàn)出良好的潤滑性能，有助于降低鉆井和起下鉆摩阻，對防止壓差卡鉆等復雜事故的發(fā)生和安全鉆井具有重大意義[8]。

表4 高密度鉆井液潤滑性評價實驗

4. 抗污染能力評價

由表5可知，向高密度鉆井液體系中混入CaSO4，當其含量在1%以內，隨著CaSO4含量的增加，其漏斗黏度、流變性、濾失造壁性和沉降穩(wěn)定性均未發(fā)生明顯變化，而CaSO4含量達到2%時，其漏斗黏度、流變和濾失性能明顯變差，可見該體系能抗1% CaSO4。

從表6可知，向高密度體系中加入明化鎮(zhèn)土時，當土含量在2%以內，隨著土含量的增加，其漏斗黏度、流變性、濾失量和沉降穩(wěn)定性未發(fā)生明顯變化，而土含量達到3%時，其漏斗黏度、流變性能和濾失變化明顯，可以看出該高密度鉆井液抗土侵能力達到2%。

表5 抗CaSO4污染能力評價

四、現(xiàn)場應用

1. 高密度鉆井液現(xiàn)場應用情況

元陸175井為三開井，完鉆井深為4 710 m。其中三開為段長900 m、井徑215.9 mm的高壓井段，實測井底溫度142℃。高密度鉆井液的現(xiàn)場配制及維護處理要點如下：

(1)進入三開井段后，根據配方：上部井漿+0.1%～0.2%聚合物+0.5%～1%抑制劑+5%～7%抗高溫降濾失劑+2%～3%防塌劑+0.5%～1%降黏劑+5%～7%潤滑劑+10%～20%無機鹽+0.3%～0.5%表面活性劑+重晶石粉+高密度加重劑，逐步將體系轉化成高密度鉆井液[9-10]。由表7可以看到，鉆至3 890 m,加重到2.36 g/cm3后，鉆井液仍具有良好的流變、濾失及高溫穩(wěn)定性能。

表7 元陸175井不同密度鉆井液性能對比

(2)該井段高密度鉆井液維持密度在2.30～2.45 g/cm3，漏斗黏度75～90 s, 塑性黏度50～60 mPa.s, 動切力13～20 Pa， API濾失量小于2 mL，HTHP(150℃，3.5 MPa)濾失量小于10 mL，在高溫高壓下顯示出了良好的流變性、高溫穩(wěn)定性和濾失造壁性能?，F(xiàn)場配制2.45 g/cm3高密度鉆井液時，先采用重晶石粉加重至密度2.20 g/cm3，然后再采用密度6.5 g/cm3新型高密度加重劑繼續(xù)加重至最高密度2.45 g/cm3。鉆進過程中使用好固控設備，控制鉆井液中的劣質固相含量，并及時補充高密度加重劑，維護密度平衡；同時及時補充抗高溫防塌降濾失劑、潤滑劑等，確保鉆井液的高溫穩(wěn)定性。

2. 高密度儲備重漿配制情況

現(xiàn)場配制150 m3密度2.70 g/cm3的高密度儲備重漿，先采用重晶石粉加重至2.20 g/cm3，然后再采用6.5 g/cm3高密度加重劑SLJZJ繼續(xù)加重至儲備重漿要求密度(2.70 g/cm3)。具體配方為：上部井漿+2%～3%抗溫降濾失劑+0.5%～1%降黏劑+重晶石粉+SLJZJ。常溫和經過150℃/16 h老化試驗的儲備重漿，API濾失量分別為2.2 mL、2.4 mL，HTHP(150℃，3.5 MPa)濾失量分別為9.8 mL、10.6 mL，塑性黏度分別為78 mPa.s、72 mPa.s, 動切力分別為22 Pa、19 Pa，48 h上下密度差分別為0.03 g/cm3、0.04 g/cm3。顯示出了良好的流變性能和沉降穩(wěn)定性能?，F(xiàn)場放置30 d，性能穩(wěn)定，很好的滿足了現(xiàn)場對應急儲備重漿的要求。

3. 現(xiàn)場應用效果

高密度條件下，優(yōu)良的鉆井液性能確保了該井的安全快速鉆進，該井三開高密度井段平均井徑擴大率僅為3.13%，平均機械鉆速較臨井提高20%。后期酸化后儲層表皮系數由2.08降到0.96，試氣日產量較臨井提高了10%，取得了良好的應用效果。

五、結論與認識

(1)相比于重晶石粉等常規(guī)加重劑，新型高密度加重劑SLJZJ具有密度大、粒徑小、不易團聚、沉降穩(wěn)定性好、可酸化等優(yōu)良特性。

(2)室內和現(xiàn)場應用表明，以SLJZJ和重晶石粉復配加重的高密度鉆井液體系在相同密度下，其固相含量降低明顯。該體系具有優(yōu)良的流變性和沉降穩(wěn)定性，抗高溫及降濾失效果良好，可滿足深井復雜井對高密度鉆井液的要求，具有較好的推廣應用前景。

(3)在前期研究和應用的基礎上，需要優(yōu)化和完善該新型高密度加重劑的表面改性工藝，以進一步提高其沉降穩(wěn)定性和潤滑性能。