微粉重晶石高密度钻井液性能研究.pdf

第 3 1 卷 第 1 期 2 0 1 4年1月 钻井 液与 完 井 液 DRI L LI NG F LUI D ＆ COM P L ET1 0N F LUI D Vo 1 ． 3 l N0 ． 1 J a n ．2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 4 微粉重晶石高密度钻井液性能研究 邱正松， 韩成， 黄维安， 庄峰， 高禹 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 邱正松等 ． 微粉重晶石高密度钻井液性能研究【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 1 2 1 5 ． 摘要 国外现场应用表明，微粉重晶石加重技术能很好地解决超深井复杂井钻井现场遇到的很多难题，但 目前中 国关于微粉重晶石加重技术的研究应用报道较少。考察了微粉重晶石、 普通重晶石、 铁矿粉加重的高密度钻井液流变性、 沉降稳定性、 润滑性， 研究了微粉重晶石高密度钻井液的储层保护技术， 进一步利用 3种加重材料的粒度分布、 表面电性、 微观形貌基本性质探讨 了微粉重晶石改善高密度钻井液性能的作用机理。实验结果表明，微粉重晶石加重高密度钻井 液黏度效应低，沉降稳定性与润滑性明显优于普通重晶石和铁矿粉高密度钻井液 ； 通过优选架桥粒子与降滤失剂可以 在一定程度上减轻储层伤害程度，满足各种复杂井对高密度钻井液的需要。 关键词微粉重晶石 ； 高密度钻井液 ； 复杂井 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 4 0 1 - 0 0 1 2 0 4 以传统加重材料加重的高密度钻井液体系流变性 与沉降稳定性矛盾突出[ 1-2 1 ，且高固相含量导致钻井 液摩阻较大，固相颗粒容易堵塞地层岩石孔喉，造成 储层伤害。国外从 2 0 世纪 7 0 年代中期就开始了对重 晶石进行超微改性处理研究 ，以解决高密度钻井液黏 度效应与沉降稳定性二者之间的平衡问题，且在现场 应用中，相对于传统加重材料加重的高密度钻井液表 现出明显 的优势 [ 3 - 4 ] ，目前 中国对于微粉重 晶石加重 技术的研究应用 的报道较少。 研究对 比了超微重晶石 、 普通重晶石、铁矿粉加重的高密度钻井液的流变性、 沉降稳定性、润滑性以及微粉重晶石高密度钻井液的 储层保护性能，且对相应的机理进行了探讨，为正确 应用微粉重晶石高密度钻井液提供依据与指导。 1 基本性质 l - 1 粒度分布 将少量微粉重晶石 G E MME B L A N C C h e mi c a l C o mp a n y ， 密度为 4 ． 3 0 g ／ c m 、 普通重晶石 胜利油 田钻井院， 密度为 4 ．2 8 g ／ c m 、 铁矿粉 安县华西矿 粉有 限公 司，密 度 为 5 ． 1 0 g ／ c m 置 于 0 ． 5 ％ 六 偏磷 酸钠水溶液中， 超声分散 5 m i n ， 用b e r t te r s i z e r 2 0 0 0 型激光粒度仪测量粒度分布。实验结果如图 1 所示， 微粉重晶石、普通重晶石、铁矿粉的平均粒径D 分 别为 2 ．4 2 3 、1 8 ．2 4 、4 3 ． 1 2岬 ，同时测得微粉重晶石、 普通重晶石、 铁矿粉的比表面积为 1 ．2 9 8 、 0 ．4 8 0 、 0 ． 1 2 5 I I l2 ／ g 。 可见微粉重晶石相对于普通重晶石和铁矿粉粒 径小， 粒度分布稍窄，比表面积大。 1 ． 2 表面电性 在质量分数为 1 ％的微粉重晶石、普通重晶石、 铁矿粉与水悬浮溶液 中，通过滴加 H S O 或 N a O H 稀溶液调节 p H值，水浴振荡器中恒温振荡 2 4 h 后取 部分悬浮液 ，随即用 z e t a s i z e 3 0 0 0电位仪测量悬浮液 中加重剂颗粒 z e t a电位，测量结果如图2 所示。可 以看出，碱性条件下，微粉重晶石 z e t a 电位的绝对 值明显大于普通重晶石、铁矿粉的 z e t a 电位 ，说明 微粉重晶石颗粒亲水性及分散性强于普通重晶石和铁 矿粉。 1 ． 3 颗粒形状 微粉重晶石、普通重晶石、铁矿粉扫描电镜如图 基金项目 国家自然基金 5 1 3 7 4 2 3 3 ； 全国大学生创新训练项目 2 0 1 3 1 0 4 2 5 0 1 1 o 第一作者简介 邱正松， 2 0 0 1 年获 中国石油大学 华东 博士学位， 现在主要从事井壁稳定理论及应用、 钻井液处理剂研发、 油气层保护等教学科研工作。地址 山东省青岛市经济技术开发区长江西路 6 6 号中国石油大学 华东 工科楼 B 5 2 1 韩成收 ； 邮政编码 2 6 6 5 8 0； E - m a i l q i u z s 6 3 s i n a ． G o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 钻井液与 完井液 2 0 1 4年 1月 晶石加重 的钻井液密度差为 0 ． 0 1 ～0 ． 0 2 g ／ e m ，明显 小于普通重晶石、铁矿粉加重的高密度钻井液的上下 密度差 。 表 1 不同加重材料加重后的钻井液沉降稳定性能 加重材料 Ap l g ／ c m3 分析原因 ①由于微粉重晶石颗粒表面经过改性 ， Z e t a 电位明显大于普通重晶石，微粉重晶石颗粒之间 的排斥力增大，减小了微粉重晶石聚集沉降的机会 ， 并且其表面有一定厚度的水化膜，增大了重晶石颗粒 的表观体积，同时增大了微粉重晶石颗粒在水基钻井 液中的沉降阻力，增强了微粉重晶石的动力稳定性 ； ②由粒度分布可知， 微粉重晶石颗粒粒径要比密度相 近的普通重晶石颗粒粒径小得多，根据斯托克斯沉降 公式 ，在相同钻井液配方 、加重材料颗粒密度相同的 条件下，粒径小，沉降速率慢 ； 而铁矿粉的密度大、 颗粒粒径也大，因此其沉降稳定性最差。 2 ． 3 润滑 性 室内采用 E P 极压润滑仪测定钻井液的润滑性能， 实验结果 如图 5所示。微粉重 晶石加重的钻井液润 滑系数在 0 ． 1 0 1 ～0 ． 1 1 6之间，普通重晶石加重钻井 液的润滑系数在 0 ． 1 2 4 “- -“ 0 ． 1 3 8 之间，铁矿粉加重钻 井液的润滑系数在 0 ． 1 4 6 ～0 ． 1 6 6 之间，由图5 可知， 微粉重晶石加重体系的润滑性能明显优于普通重晶石 和铁矿粉加重的体系。 _徽粉重晶石 _普通重 晶石 O． 1 6 籁0 l 2 o ．0 8 窭O ．0 4 O．0 O p f 锄 图 5 不同加重剂加重钻井液的润滑性能 分析原因 由粒度分布实验测得的比表面积结果 可知，微粉重晶石颗粒比表面积大， 对金属表面以及 井壁有很强的附着力。 因此在井壁形成片状膜的同时， 又能光滑井壁 ，从而降低了钻井液摩阻，且由扫描电 镜图片可知 ， 微粉重晶石颗粒形状较为规则 ， 粒径小 ， 近似为球形，在摩擦过程中也部分表现为滚动摩擦， 可进一步提高钻井液的润滑性能，因此润滑性能优于 普通重晶石高密度钻井液体系， 铁矿粉为多面体形状， 且棱角尖锐，阻碍滑动，因而铁矿粉高密度钻井液的 润滑性能较差 [ 5 ] 。 2 ． 4 储层保护性能 钻井液固相和滤液侵入储层是造成储层损害的主 要原因【6 】 ，由超微重晶石粒度分布可知，微粉重晶石 颗粒粒径小 ，颗粒有可能随着滤液进入储层导致永久 性伤害，研究微粉重晶石加重钻井液体系的储层保护 性能具有重要意义 [ 7 】 。 室 内通过实验优选 降滤失剂，在 降低 A P I 滤 失量及高温高压滤失量基础上，继续优选架桥粒子 C a C O ，以进一步降低微粉重晶石高密度钻井液滤液 中固相粒子含量，优选实验结果如表 2 所示。 表 2 添加优选 C a C O 前后微粉重晶石高密度钻井液的性能 注 钻井液密度为 2 ． 4 e d c m ； 老化条件为 1 5 0℃、1 6 h； 高温高压滤失量测量条件为 1 5 0℃、3 ． 5 MP a ； 钻井液配方为 2 ％膨润土 0 ． 3 ％Na OH0 ．4 ％P AC ． L V 4 ％S P N H 4 ％S MP ． 1 3 ． 5 ％S MC 0 ． 5 ％X Y - 2 7 4 ％白沥青 2 ％润滑剂 L u b e 微粉重 晶石。 为研究优选架桥粒子 C a C O 的封堵效果，室内 测试了 1 钻井液浆体以及 1 、2 钻井液高温高压滤 液 的粒度分布 ，如图 6 所示。由图 6 a 、 b可知 ， 1 实验浆高温高压滤液中固相颗粒与 1 实验浆体系 的粒度分布相近，说明微粉重晶石颗粒随着滤液一起 滤过滤纸。由图6 a 、 C 可知，添加优选 C a C O 后，体系高温高压滤液中固相颗粒的D 。 。 0 ． 7 5 2 p ,m， 与微粉重晶石高密度钻井液体系颗粒的D 。 O ． 7 9 6 lx m 相差不大，说明架桥粒子 C a C O 阻止了微粉重晶石 高密度钻井液体系中的绝大部分固相颗粒滤过滤纸。 室 内还 选 取 2块 人 造 岩 心 ，对 添 加架 桥 粒 子 C a C O 前后的微粉重晶石钻井液体系储层保护效果进 行评价，实验结果如表 3 所示，超微重晶石高密度钻 井液在加入架桥粒子后，渗透率恢复值 由6 5 ．2 ％上 升到 9 0 ．2 ％，岩心渗透率恢复值得到提高， 储层保护 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 1 期 邱正松等微粉重晶石高密度钻井液性能研究 性能得到一定程度的改善。 薰 鑫 6 0 o 盘2 0 嚓 0 慕 鑫 6 0 4 o 2 0 哺 ’ 0 0 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 粒径／ I m a a 1 实验浆体 O 熏 鑫 6 0 4 0 2 0 嚓 ’ 0 0 ． 1 l 1 0 1 0 0 1 0 0 0 粒径／ 哪 b 1 实验浆的高温高压滤液 1 ． 8 厘 0 0 ． ． 0 9 凶 1 ． 4 厘 8 凶 0 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 粒 C 2 实验浆的高温高压滤液 图 6 添加优选 C a C O ， 前后的浆体及 高温高压滤液的粒度分布曲线 表 3 添加优选 C a CO ， 前后微粉重晶石 高密度钻井液的储层保护效果 1 ． 8 扈 8 3凶 3 结论 与认 识 1 ． 相对于普通重晶石及铁矿粉加重技术 ，微粉重 晶石加重技术能很好地解决高密度钻井液流变性与沉 降稳定性之间的矛盾，且钻井液摩阻低 ，微粉重晶石 是复杂井高密度钻井液理想的加重材料。 2 ． 微粉重晶石颗粒可能会随着滤液侵入储层引起 储层伤害， 使用微粉重晶石时， 需考虑储层保护性能， 通过优选降滤失剂以及架桥粒子减轻储层伤害程度。 参 考 文 献 [ 1 ] 蔡利山，胡新 中，刘四海，等 ． 高密度钻井液瓶颈技术 问题分析及发展趋势探讨 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ， 2 4 增 刊 3 8 ． 4 4 ． Ca i Li s h a n，Hu Xi n z h o n g，Li u S i h a i ，e t a 1 ． Hi g h d e n s i t y d r i l l i n g flu i d s b o t t l e n e c k t e c h n o l o g i e s a n d t h e p r o g r e s s e s t h e r e o f [ 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 0 7 ，2 4 S 3 8 ． 4 4 ． [ 2 ] 张军，罗健生， 彭商平 ， 等 ． 川东北地区抗高温超高密度 钻井液研究 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ，2 6 2 3 9 ． 4 2 ． Z h a n g J u n，L u o J i ang s h e n g， P e n g S h a n g p i n g ，e t a 1 ． A s t u d y o n t h e h i g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i ty d r i l l i n g fl u i d s f o r u s e i n n o r t h e a s t s i c h u an[ 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 0 9 ， 2 6 2 3 9 4 2 ． [ 3 ] R e a g a n J a me s ， Ol e I a c o b P r e b e n s e n ，O y s t e i n R a n d e b e r g ． Re d u c i n g r i s k b y u s i n g a u n i q u e o i l - b a s e d d ril l i n g fl u i d f o r a n o f f s h o r e c a s i n g d i r e c t i o n a l d ri l l i n g o p e r a t i o n [ R ] ． I A DC | s PE 1 1 2 5 2 9．2 0 0 8 ． [ 4 ] Mi c h e l G r e g o i r e ，Mi k e H o d d e r ，S h u a n g j i u P e n g ，e t a 1 ． S uc c e s s f u l d r i l l i n g o f a d e v i a t e d，u l t r a h t h p we l l u s i n g a mi c r o n i z e d b a r i t e fl u i d [ R ] ． S P E ／ 1 A DC 1 1 9 5 6 7 ，2 0 0 9 ． [ 5 ] 马勇，崔茂荣 ，杨冬梅，等 ． 加重剂对水基钻井液润滑 性能的影响研究 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 5 ，2 5 1 0 5 8 - 6 0 ． Ma Yo n g，Cu i M a o r o ng，Ya ng Do n g me i ，e t a 1 ．S t u d y o n i n fl u e n c e o f h e a v y we i g h t a d d i t i v e s o n l u b r i c i t y o f wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． N a t u r a l G a s l n d u s t r y ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 0 5 8 6 O ． [ 6 】 王建华 ， 鄢捷年 ， 郑曼，等 ． 钻井液固相和滤液侵入储层 深度的预测模型 [ J ] ． 石油学报，2 0 0 9 ，3 0 6 9 2 3 9 2 6 ． W a n g J i a n h u a ，Ya n J i e n i a n， Z h e n g M a n， e t a 1 ． P r e d i c t i o n mo d e l for i n v a s i o n r a d i u s o f s o l i d s a n d fil t r a t e i n dri l l i n g fl u i d s[ J ] ． Ac t aP e t r o l e i S i n i c a ，2 0 0 9 ，3 0 6 9 2 3 - 9 2 6 ． [ 7 ] Ni l s K g e s o n L o e ， R u s s e l l Wa t s o n ， Ol e I a c o b P r e b e n s e n ， e t a 1 ． Fo r ma t i o n - d a ma g e o b s e r v a t i o n s o n o i l - b a s e d - flu i d s y s t e ms we i g h t e d wi t h t r e a t e d mi c r o n i z e d b a r i t e[ R ] ． S P E 1 0 7 8 0 2， 2 0 0 7 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 9 ． 2 5 ；HG F 1 4 0 1 F 3 ；编辑付明颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m