微粉重晶石改善钻井液性能室内研究.pdf

第 3 1 卷 第 4期 2 0 1 4年7月 钴井液与 完井液 DRI L LI NG F LUI D COM P LE TI ON F L UI D V0 1 ． 31 NO． 4 J ul y 2 01 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 7 微粉重晶石改善钻井液性能室内研究 王建华 ， 季一辉 ， 张忠民 ， 闫丽丽 ， 王立辉 ， 冯杰 ， 李爽 1 ．中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 ； 2 ．中国石油大学 北京 石油工程学院 ，北京 ； 3 ．中国石油勘探开发研究院油田化学所 ， 北京 王建华等 ． 微粉重晶石改善钻井液性能室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 4 2 3 ． 2 5 ． 摘要为了改善钻井液的流变性和沉降稳定性，制备出了粒径 D 。 。 小于 5 g n a 的微粉重晶石。分别在大位移水 基钻井液和深井油基钻井液配方中进行 了性能评价，室内实验结果表明，与A P I 重晶石加重钻井液相比，用微粉重晶 石和AP I 重晶石混合加重的水基钻井液和油基钻井液塑性黏度更低，动切力更大，能明显降低钻井液当量循环压耗， 在水基钻井液 中极压润滑系数能降低 8 ％ 以上，用其加重的高密度油基钻井液具有更好的沉降稳定性。因此，微粉重 晶石是大位移井和高温高压深井理想 的加重材料 。 关键词微粉重晶石 ； 流变性 ； 沉降稳定性 ； 高密度钻井液 中图分类号T E 2 5 4 ． 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 4 0 4 ． 0 0 2 3 0 3 随着石油资源需求的增加，超大位移水平井和高 温高压地层 的钻探迅速增加 ，井下的高温、高压等复 杂条件严重影响了钻井液的性能。在高密度油基钻井 液中 ，重 晶石 的质量分数可达 7 0 ％ 以上 ，流变性 的 恶化及沉降问题也更为突出。随着水平位移的增加， 摩阻和循环压耗将显著增加，地层存在漏失和卡钻 的风险。微粉重 晶石是指粒径小于 1 0岬 的重晶石 ， 平 均粒径是 AP I 重 晶石的 1 ／ 1 0 。与 A P I 重 晶石加重 钻井液相比， 微粉重晶石加重钻井液的塑性黏度更低， 能降低摩阻 ； 但钻井液的动切力高，加上粒径小，具 有更好的沉降稳定性 ； 且 由于颗粒尺寸小 ，更容易反 排 ，故对储层伤害较小。 目前微粉重晶石已在国外数 百口井中应用 ， 其中最高密度为2 ,2 g ／ c m ，最高井底 温度为 2 0 7。 C，最大测深为 l 1 6 8 0 m，但 中国无论是 理论研究还是现场应用都较少 [ 1 - 6 ] 。 1 实验 方法 1 ． 1 微粉重晶石制备方法 将符合 AP I 标 准的重 晶石 、水和改性材料磨砂 3 h ，经干燥、粉碎得到微粉重 晶石，其 D 。 为 2 ．9 岬 ，D9 。 为 4 ． 5 g m，扫描 电镜 图见 图 1 。 图 1 微粉重晶石扫描电镜图 5 0 0 0 1 ． 2 沉降稳定性测试方法 采用稳定性分析测试仪判断钻井液沉降稳定性 ， 其原理是采用近红外光作为光源，有一个透射光检测 器和一个背散射光检测器。随着时间的变化 ，由于样 品的不稳定性，透射光和背散射光都会发生变化，这 说明样品颗粒 的粒 径和 或 浓度发生了变化。对于 重晶石来说，透射光的强度是随着颗粒粒径的增大而 增加， 背散射光的强度是随着颗粒粒径的增大而降低； 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划课题 “ 海上大位移井钻井液关键技术研究” 2 0 1 2 AA 0 9 1 5 0 2 o 第一作者简介 王建华， 2 0 0 8年获中国石油大学 北京 油气井工程专业博士学位， 现主要从事钻井液与储层保护工作。地址 北京市海淀区学院路2 0号实验 5区4 0 7房间 钻井液所 ；邮政编码 1 0 0 0 8 3； 电话 1 3 7 1 7 9 2 0 8 2 8； E ma i l w j h d r i c n p c ． t o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钴井液与完井液 2 0 1 4年 7月 透射光的强度随体系的固相体积百分比浓度的增加而 降低 ，而背散射光的强度随体系的固相体积百分比浓 度的增加而增强 。这样通过背散射光的强度就可 以反 映体系中固相颗粒的分布及粒径变化，进而表征体系 的沉降稳定性。 2 微粉重晶石加重钻井液性能评价 2 ． 1 不同重品石加重水基钻井液的性能 为 降低成 本 ，使用不 同混 合 比例 的 AP I 重 晶石 和微粉重晶石复合物 ，加重大位移井的钻井液。钻井 液性能见表 1 。 表 1 不 同重 晶石加重钻井液性能评价 g ／ p c m m Pa | S H Pa | 咖3 P a f P a m L H m L E P 石 条件 ～ 注 热滚条件为 1 0 0。 C、1 6 h； 钻井液配方 2 ％膨润土 0 ． 2 ％N a 2 C O O ． 5 ％K P A M 0 ． 1 5 ％XC 1 ％L V - P A C 1 ％KC I 重 晶石 ； 1 、2 、3 、4 重晶石 中 AP I 重 晶石与微粉重 晶石 的复 配比例分别为 1 0 、3 1 、2 1 、1 1 。 由表 1 可 以看 出，与用 AP I 重 晶石加重 的钻 井 液相比，复配不 同比例微粉重 晶石加重 的钻井液塑性 黏度 、高温高压滤失量和摩擦系数更低 。塑性黏度和 摩擦系数低可以降低钻井液的当量循环密度，降低了 漏失风险。 2 ． 2 不同比例重晶石加重高密度油基钻井液 采用不同比例 A P I 重晶石和微粉重晶石复合物 加重的高密度油基钻井液性 能见表 2 。由表 2可以看 出，随着加重材料中微粉重晶石含量的增加，高密度 油基钻井液流变性能、热稳定性都有明显改善 ，表观 黏度、塑性黏度和高温高压滤失量大幅度降低，动切 力 和破乳 电压有所升高 ，钻井液性能得到明显改善。 根 据 F u ma s 理论 【 4 ] ，微粉重 晶石 与 A P I 重晶石混合 使用，细颗粒就可以分散在粗颗粒之间，加上处理剂 的作用 ，可减轻粗颗粒间搭桥 ，降低切力和黏度 ，增 加体系的稳定性。重晶石通过合理的粒度级配满足颗 粒紧密堆积，就可以减小堆积体积，一方面增加了体 系的稳定性、降低摩阻，另一方面提高体系加重密度 的极限。 表 2 不同重晶石加重钻井液性能 译每 渡 D |P v | Y P | Gd| F I _ H T H P ／ E S ／ 品条件g ／ c m3 mP a ． s P a 0 6 ／ P 3 P a ／ P a mL V 注 热滚条件为 1 8 0。 c、1 6 h； 钻井液配方 3 6 0 mL柴 油 4 5 ％ 主乳 1 ． 5 ％提切剂 2 ％有机土 4 ％降滤失剂 4 0 mL C a C 1 2 溶液 3 ％C a O重晶石。 2 ． 3 高密度油基钻井液沉降稳定性测定 使用近红外扫描分散稳定性分析测试仪测量沉降 稳定性 ，分别测试 1 、2 与 3 样 品热滚前在 常温 以 及热滚后在 1 5 0。 C 下的沉降稳定性。根据不同时刻样 品背散射光强度可以计算出顶部澄清层和底部沉淀层 厚度 ，从而表征体系的沉降程度。 顶部分层厚度变化曲线是描述样品分层厚度随时 间的变化关系，通过对样品的背散射光强度曲线进行 计算可 以得到。图 2为分界面高度与样 品液面高度 的 百分比随时间的变化曲线 。可见 ，用微粉重 晶石能改 善高密度油基钻井液沉降稳定性。 t／ mi n 图 2 顶部分层厚度与时间的变化 由图 2可 以看 出，随着时 间的增加 ，样 品产生 分层，分界面高度逐渐下降 ； 1 样 品在高温老化 1 8 0 rai n后分层速度明显增加 ，2 样品的分层速度开 始和常温下没有区别 ，到了2 6 0 rai n 后，分层速度开 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷 第 4期 王建华等 微粉重晶石改善钻井液性能室内研 究 2 5 始明显增加 ， 3 样品的分层速度最慢 ， 且分层不明显。 由此可以看出，在高温下， 钻井液的分层速度从快到 慢依次为 l 、2 、3 。图3 为沉积层厚度随时间的变 化 曲线 。 0 5 0 1 o o 1 50 2 O 0 2 5 0 t ／ mi n 图3 底部沉淀层厚度随时间变化曲线 由图 3 可知，常温下钻井液的沉淀层厚度为 0 ， 高温下 ，沉淀层厚度 随时间增加而增加。其 中 3 重 晶石加重的钻井液的沉淀层厚度最小 ，1 样品沉淀层 厚度最大，可见使用微粉重晶石能够明显改善高密度 油基钻井液在高温下的沉降稳定性 。 3 结论及建议 1 ． 制备 出粒径 D。 。 小于 5 g m 的微 粉重晶石 ， 能明显改善水基钻井液和高密度油基钻井液性能。 2 ． 与 AP I 重 晶石 加重 的钻井液相 比，微粉重 晶 石 和 AP I 重晶石混合加 重的水基钻井 液和油基钻井 液塑性黏度更低，动切力更大，能明显降低钻井液当 量循环压耗 。 3 ． 近红外扫描分散稳定性分析测试仪分析结果表 明，在常温下钻井液沉降稳定性较好，在高温下重晶 石更容易沉降，而微粉重晶石能改善高密度油基钻井 液沉降稳定性。 4 ． 微粉重晶石相较于传统的加重材料性能优异， 与其他加重材料合理配 比，可以很好地应用在超大位 移水平井和高温高压地层。 [ 2 ] [ 3 】 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 】 参 考 文 献 J o h n Le e ， Da r yl C u l l u m ， J i m F r i e d h e i m ， e t a 1 ． A Ne w S B M f o r Na r r o w Ma r g i n E x t e n d e d R e a c h D r i l l i n g [ C ] ．S P E 1 51 4 69． M o h a m e d A1 一 Ba g o u r y，Ch ris S t e e l e ． A n e w ，a l t e r n a t i v e we i g h t i n g ma t e r i a l for d ri l l i n g f l u i d s [ C ] ．S P E 1 5 1 3 3 1 ． 王建华 ，王立辉 ，杨海军，等．钻井液用微粉重晶石研 制及性能评价 [ C ] ．北京 石油工业出版社，2 0 1 3 3 5 7 ． Wa n g J i a n h u a ，Wa n g L i h u i ，Ya n g Ha i j u n，e t a 1 ．T h e d e v e l o p me n t a nd p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f m i c r o n i z e d b a r i t e f o r d r i l l i n g fl u i d [ C ] ．B e ij i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 1 3 3 5 7 ．． 黄维安，邱正松，徐加放，等．重晶石粒度级配对加重 钻井液流变性的影响 [ J ] ．钻井液与完井液， 2 0 1 0 ， 2 7 4 2 3 2 5． Hu a n g We i a n，Qi u Z h e n g s o n g，Xu J i a f a n g，e t a 1 ． Ef f e c t o f p a r t i c a l s i z i n g b a r i t e o n we i g h t e d d r i l l i n g flu i d t h e o l o g y [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ．2 0 1 0 ．2 7 4 2 3 ． 2 5 ． 刘浩 ，乌效鸣，蔡记华 ，等．一种评价加重泥浆沉降稳 定性的测试装置研究 [ J 】 ．工程地球物理学报 ， 2 0 1 0 ， 7 2 2 6 1 ． 2 6 4 ． L i u Ha o，W u Xi a o m i n g， Ca i J i h u a ， e t a 1 ． A n e w t e s t i n g d e v i c e o f e v a l u a t i n g t h e s t a b i l i t y o f we i g h t e d mu d [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o J ’ E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s ，2 0 1 0 ，7 2 2 6 1 2 6 4 ． 王健 ，彭芳芳 ，徐同台，等 ． 钻井液沉降稳定性测试与 预测方法研究进展 【 J 1 ．钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 5 7 9 83 ． W a n g J i a n ， P e n g Fa n g n g，Xu T o n g t a i ， e t a 1 ． Re s e a r c h p r o g r e s s O i l t e s t i n g a n d p r e d i c t i n g m e t h o d s f o r s e t t l i n g s t a b i l i t y o f d r i l l i n g fl u i d [ J ] ．Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 2 ，2 9 5 7 9 ． 8 3 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 5 0 6；H GF 1 4 0 4 C 7 ；编辑 王超 曰里 醯噬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m