超高密度水基钻井液加重剂研究.pdf

第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHN0L0GY Vo 1 ． 3 4 No ． 1 J a n ．2 0 1 2 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 2 0 1 0 0 5 4 0 3 超高密度水基钻井液加重剂研究 于 志 纲 温银 武 ， 高 燕 张 军 彭商 平 1 ． 四川仁智油 田技术服务股份 有限公 司 ， 四川绵阳6 2 1 0 0 0 ；2 ． 西 南石油大学研 究生部 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 引用格式 于志纲， 温银武， 高燕， 等 ． 超高密度水基钻井液加重剂研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 1 5 4 5 6 ． 摘要超高密度水基钻井液常规加重剂易引起黏度效应， 导致钻井液黏度过大失去流动性。采用表面活化和粒度级配的 方式对重晶石进行了优化。通过电势影响和流变性实验确定出表面活化剂 R AB 的最佳加量， 并在此基础上， 以经典堆积理 论 为基础 ， 采 用 D i n g e r - F u n k分布 方程 计算 出不同分布模数 下的粒度 范 围， 通过 大量 室 内实验 ， 确 定 出最佳粒度级 配。通过优 化生产工艺生产出工业级的特殊重晶石 ， 在四川地区多口高压深井气井进行了应用， 成功配制出超高密度水基钻井液 密度 ≥2 ． 6 5 g ／ c m 。现场应用结果表明， 以特殊重晶石加重的超高密度水基钻井液， 具有加重密度高、 流变性可控、 抗盐水侵等特点， 满足实际施工需要， 具有较高的推广价值。 关键词水基钻井液；超高密度 ；加重剂；重晶石活化；粒度级配 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A S t ud y o n we i g ht i ng a g e n t o f u l t r a - h i g h de ns i t y wa t e r - ba s e d dr i l l i n g flu i d YU Z h i g a n g ， WE N Y i n w u ， G A O Y a n ， Z H A N G J ， P E N G S h a n g p i n g 1 ． S i c h u a n R e n z h i Oi lfie l d T e c h n o l o g y S e r v ic e s C o ． ， L t d ． Mi a n y a n g 6 2 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． G r a d u a t e S c h o o l o fS o u t h w e s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n v e n t i o n a l we i g h t i n g a d mi x t u r e o f u l t r a h i g h d e n s i t y wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d ma y l e a d t o v i s c o s i ty e ffe c t s ， wh i c h me a n s t h a t t h e d ril l i n g fl u i d c o u l d l o s e i t s flo w p r o p e r t y d u e t o h i g h v i s c o s i t y ． I n t h i s p a p e r t h e p r o p e r t i e s o f b a rit e o p t i mi z e d b y u s i n g s u r f a c e a c t i v a t i o n a n d p a rt i c l e c l a s s i fi c a t i o n ． F i r s t t h e o p t i mu m d o s a g e o f s u r f a c t a n t R AB wa s d e t e r mi n e d a f t e r e x p e r i me n t s o f e l e c tr i c p o t e n t i a l e ffe c t a n d r h e l o g y b e h a v i o r ； f u r t h e rm o r e ， o n t h e b a s i s o f c l a s s i c a l a c c u mu l a t i o n t h e o r y a n d p l e n ty o f l a b o r a t o ry e x p e r i me n t s ， t h e p a rti c l e s i z e r a n g e s u n d e r d i ff e r e n t mo d u l u s a n d t h e o p t i mu m p a r t i c l e c l a s s i fi c a t i o n we r e c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e d i s t r i b u t i o n e q u a t i o n o f D i n g e r - F u n k ． A n i n d u s t r i a l s p e c i fi c b a r i t e wa s p r o d u c e d b y a d j u s t i n g a n d o p t i mi z i n g p r o d u c t i o n p r o c e s s a n d t h e n w a s a p p l i e d i n t o s e v e r a l d e e p we l l s w i t h u l tr a h i g h p r e s s u r e i n S i c h u a n a r e a ． F i n a l l y , t h e u l t r a h i g h d e n s i ty wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d wi t h t h e d e n s i ty o f g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o 2 ． 6 5 g ／ c m 、i s s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d o n s i t e ． T h e a p p l i e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e u l t r a h i g h d e n s i t y wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d wi t h s p e c i a l b a r i t e h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f we i g h t e d h i g h d e n s i ty, e a s y c o n t r o l l e d r h e l o g y b e h a v i o r , a n d a n t i - s a l t wa t e r i n va s i o n r e s i s t a nt ． I t c a n s a t i s f y t h e a c tu a l r e q ui r e m e nt o f pr a c t i c a l d r i l l i n g o pe r a t i o n． a nd t h us wo rth po pu l a r i z i n g． Ke y wo r d s wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d ； u l t r a h i g h d e n s i ty； we i g h t i n g a g e n t ； b a r i t e a c t i v a t i o n ； p a r t i c l e c l a s s i fi c a t i o n 重晶石性价比高、 来源广泛， 是 目前常规钻井液 最为常用的加重剂之一， 加重钻井液最高密度可达 3 ． 0 0 g ／ c m 。 当钻井 液密度达 到 2 ． 5 0 g ／ e m 时固相 含量接近 4 7 ％， 而在钻进条件下 由于钻屑的混入 ， 固 相分数会轻松达到或超过 5 0 ％。随着重晶石含量的 s D iJ ， 钻井液中固相含量急剧增加， 引起钻井液的黏 度 、 切力增大 1 。 ] ， 其他加重剂如钛铁矿等也是如此。 国内学者针对这一问题进行 了多方面的尝试工 作， 也取得了一定的效果， 但在实际应用过程中效果 仍然不理想 L 4 -6 j随着深井高压、 超高压油气藏的逐 项 目基金 中石化重点科研 项 目 “ 川 西深 井提 高钻井速度配套技 术” 编号 P 0 8 0 3 0 部 分研 究 内容 。 作者简介于志纲， 1 9 8 0 年生。2 0 0 6 年毕业于西南石油大学应用化学专业， 主要从事钻井液技术方面研究与应用工作， 硕士， 工程师。 E ma i l y z g s wp u 1 6 3 ．c o m。 于志纲等超高密度水基钻井液加重剂研究 5 5 步开发 ， 超高密度钻井液将普遍使用 。因此 ， 有必要 针对重 晶石的表面活性 和粒度级 配进行深入研究 ， 以此完善超高密度水基钻井液的综合性能。 1 重晶石活化 1 ． 1 基本配方 通过大量室 内实验 ， 优选 出以烷基磺酸钠 、 烷基 苯磺酸钠 、 烷基酚 聚氧 乙烯醚 、 山梨糖醇酐油酸酯 、 石油磺酸盐等表面活性材料 为主的活化剂配方 ， 简 称 R AB。 1 ． 2 加量确定 对活性加重剂进行了电动电势、 流变性、 沉降稳 定性实验 ， 以此确定活化剂 R A B的最佳用量 。 1 ． 2 ． 1 电动 电势影响室温下 ， 将 1 0 g活化重 晶石 溶于 5 0 m L蒸馏水中， 采用电泳仪高速振荡 1 0 m i n ， 对不 同活化剂加量 的重 晶石 的电泳淌度进 行 了测 定 ， 并计算出相应 的电动电势 见 图 1 o 3 5 3 O 柰2 5 恶 2 o 1 5 1 4 0 l 3 0主 I 2 0 桴 l l o 1 O 0 O ． 1 0 ． 2 0-3 0 ． 4 0．5 O ． 6 活性剂 加量／ ％ 活化剂加量与电动电势和塑性黏度的关系 由图 1 可以看 出， 随着活化剂加量 的增加 ， 电动 电势得到大 幅提高 ， 但呈现出先增大后降低的趋势 ， 其拐点处活化剂加量为 0 ．2 ％。因此， 由电动电势最 大确定的活化剂最佳用量为 0 ． 2 ％。 1 ． 2 ． 2 流 变性影响室内采用密度 4 ． 2 0 g ／ c m 的活 化重晶石 符合 G B ／ T 5 0 0 5 钻井液材料规范 配制成密度 2 ． 5 0 g ／ c m。 的超高密度钻井液 ， 并在 1 2 0 条件下 老化 1 6 h， 然后在 6 0 条件下 ， 测定钻井 液的塑性黏度， 老化基浆为聚磺钻井液， 以下实验均 同。实验结果见图 1， 可 以看 出， 随着活化剂加量 的 提高 ， 活化重晶石加重的超 高密度钻井液 的塑性黏 度明显降低 ， 但活化剂加量超过 0 ．2 ％时， 塑性黏度 变化就不明显 了， 但体 系均较稳定 ， 没有出现下沉严 重现象。结合前面电动电势实验结果， 确定活化重 晶石活化剂最佳用量是 0 ． 2 ％。 2 粒度级配 通过适当的粒度级配选择加重材料的粒径， 合 理地控制加重材料的加量， 可以保证钻井液流变性 等工程性能满足施工需要。 2 ． 1 理论计算 通过 2 0 世纪 7 0年代修正的 D i n g e r - F u n k 分布 方程可计算出理论粒度分布的百分含量， 从而确定 粗细颗粒的较优配比， 理论计算公式为 一CPFT 1 1 0 0 D T 一 ⋯ 式 中， C P F 7 1 为小 于颗 粒尺寸节点 D 的含量 ；D 为 最大颗粒尺寸；D 为最小颗粒尺寸；n为分布模数。 根据 GB ／ T 5 0 0 5以及前人研究 的结果 l 5 J ， 确定 7 5／a m、 4 5 m、 6／a m分别为超高密度加重剂重晶石 的颗粒尺寸节点， 即D值；同时， 结合现场施工经验 和重晶石加工工艺， 分别确定 D 为 l 0 6 t r n 1 5 0目 ， Ds 为 0 - 3／a m。 经过大量计算， 分别求出不同分布模数条件下 的粒度级配 见表 1 o 表 1 不同分布模数对应不同尺寸颗粒百分含量 根据经典堆积理论推断 ， 分布模数最佳 范围为 0 ．3 3 ～ 0 ．5 0 ， 同时 G B ／ T 5 0 0 5 要求小于 6 “ m的颗粒要 小于 3 0 ％， 初步确定 3 样品为重点考察样品。 2 ． 2实验验证 按 照表 1 计 算出来 的颗粒 尺寸分布 ， 采用小型 雷蒙机对高密度重 晶石 密度为 4 ． 2 0 g ／ c m 进行 了 加工， 分别制造出不同粒度级配的系列重晶石， 并进 行活化 ， 最后配制出 5 种密度为2 ． 5 0 g ／ c m 的超高密 度钻井液。 2 ． 2 ． 1 流变性如 图 2 ， 重 晶石颗粒越粗 ， 超高密度 钻井液的塑性黏度越低 ， 颗粒越细塑性黏度越 高， 导 致流变 性变差。其 中 3 样品塑性黏度降低率达到 4 6 ％， 后几个样 品降低幅度均不高 。 l 2 O 呻1 0 O 刍 8 0 6 O 冀4 0 剽2 0 O }- ，- ．- ．_ ，- ． 1 2 3 4 5 样品编号 图 2不同粒度级 配的重晶石与 塑性黏度的关 系 5 6 石油钻采工艺2 0 1 2年 1月 第 3 4卷 第 1 期 2 ． 2 - 2 沉降稳 定性从表 2实验数据可 以看 出， 随 着重晶石颗粒尺寸的增大， 体系的沉降稳定性变差， 甚至出现老化后开罐下沉的现象 。其中从 3 样品开 始， 沉降 2 4 h 后出现分层沉降现象。 表 2 不同粒度重晶石配制的钻井液沉降稳定性 样品 密度 ／ g c m 2 4 h密度差／ g c m 观察实验现象 综合 图 2和表 2分析 ， 确定活化重 晶石最佳粒 度级配为 3 样 品， 即超高密度水基钻井液加重剂 的 最佳 技术指标 为 重 晶石 密度 大于 4 ． 2 0 g ／ c m3 , 7 5 g m筛余量为 1 0 ％ - 1 2 ％， 4 5 g m筛余量 2 3 ％ - 2 7 ％， 小于 6 u m 的颗粒为 2 4 ％- 3 0 ％。 3 现场应用 利用研究出的特殊重晶石在四川地 区多 口高压 深井进行了现场试验 。现场配制 出密度 2 ． 6 5 g ／ c m 以上的钻井液 ， 在长达 1 年多的试用期间 ， 多次经历 盐水侵， 但性能一直保持稳定， 没有出现沉积阻卡等 现象。室 内对实钻过程 中的超高密度钻井液取样进 行 了分析 ， 从图 3可见 ， 经工业化生产出的重晶石的 粒度范围与小样相差较小 ， 基本符合理论计算。 粒径， u m 图 3 钻井液粒径分布图 密度为 2 ． 6 5 g ／ c m 表 3为河坝地 区某井实钻钻井液性能 ， 可 以看 出， 施工过程 中的超高密度钻井液性能可控 ， 各项参 数满足施_T需要 。 表 3 实钻钻井液性能 室内采用 7 4 0 0 型高温高压流变仪对取回的现 场井浆进行了高温高压流变性分析 实验条件 3 ． 5 MP a ， 1 0 0 r ／ mi n ， 8 0 ～ 1 2 0 c C 。从流变性实验结果可 以看出， 温度对超高密度钻井液的影响较小 。 4 结论与建议 1 研制出活化剂 R A B， 适 当调整其加量 ， 可 以 有效改善重晶石表面活性， 降低超高密度钻井液塑 性黏度。 2 以经典堆积理论为基础， 采用 D i n g e r - F u n k 分 布方程计 算 出超高密度钻井液用重 晶石粒度范 围， 并通过室 内实验 ， 确定 出最佳 粒度级配 ， 提 出超 高密度水基钻井液用重晶石粉技术指标。 3 采用特殊重 晶石加重 的超高密度水基钻井 液 ， 在现场应用过程 中性能稳定， 满足施工需要 ， 具 有较高的推广价值。 4 当钻井液密度超过 2 ． 5 0 g ／ c m 时， 旋转 黏度 计 6 0 0 ～ 2 0 0转读数易超过仪器量 程 ， 致使传统流 变 性评价模式不再适用。建议针对超高密度钻井液建 立一套新的评价模式。 参考文献 [ 1 ] 张斌， 张明， 李天太， 等 ． 高密度钻井液滤失量影响因素 定量评价 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 o 5 5 2 5 5 ． [ 2] 艾贵成， 喻著成， 李喜成， 等 ． 高密度水基钻井液流变性 控制技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 3 4 5 4 8 ． [ 3] 董悦， 盖姗姗， 李天太， 等 ． 固相含量和密度对高密度 钻井液流变性影响的实验研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 4 3 6 ． 4 0 ． [ 4] 沈伟 ， 李银素， 张菊芬， 等 ． 抗盐钙抗高温的活化重晶石 P F B AR A[ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 0 1 ， 1 8 1 1 - 5 ． [ 5 ] 赵福 ， 王平全， 刘长旭， 等 ． 不同粒径的加重剂对水基钻 井液黏度效应的影响[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 3 7 4 76． [ 6 ] 匡韶华， 蒲晓林， 罗兴树， 等 ． 超高密度有机盐钻井液流 变性和滤失量控制技树 J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 30 43 ． [ 7 ] GB ／ T 5 0 0 5 ． 2 0 0 1 ． 钻井液材料规范 [ S]． 修 改稿收到 日期 2 0 1 1 1 2 - 0 7 [ 编辑朱伟 ]