四氧化三锰水基钻井液润滑性能评价与研究.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 1 4年3月 钻井 液与 完井 液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_01 ． 3I NO． 2 M a r ．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 2 ． 0 0 2 四氧化三锰水基钻井液润滑性能评价与研究 韩成， 邱正松， 黄维安 巾同石油大学 华东 石油 程学院，山东青岛 韩成等 ． 四氧化三锰水基钻井液润滑性能评价与研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 2 6 - 8 ． 摘要采用 Z e t a电位分析仪、激光粒度仪、扫描电镜测定了四氧化三锰 、重晶石、铁矿粉的表面电荷、粒度分布 和微观形状， 对 比考察了3种加重剂加重的水基钻井液的极压润滑系数和泥饼黏滞系数。实验结果表明， 3种加重剂中， 四氧化三锰颗粒的表面电荷最高，在钻井液中的表面亲水性最强，其颗粒呈球形，粒度分布窄、粒径小、比表面积大， 颗粒的稳定性最强 ；因此四氧化三锰加重钻井液的极压润滑系数和泥饼黏滞系数最小 ；四氧化三锰、重品石、铁矿粉 加重钻井液泥饼润滑性改善的临界密度分别为 1 _ 3 、1 ． 5和 1 ． 5 g ／ c m ； 重晶石、铁矿粉与四氧化三锰复配能改善他们加 重钻井液的极压润滑性能及泥饼的润滑性能。分析其机理为四氧化三锰高的表面电荷使得颗粒分散均匀，降低了钻井液 流动的内摩擦力，合理的粒度分布能增加起轴承效应的粒子数量，球形颗粒能显著降低钻井液固相颗粒之间的摩擦力。 关键词 加重剂 ； 钻井液添加剂 ；四氧化三锰 ； 极压润滑系数 ； 泥饼黏滞系数 ； 润滑性 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 40 2 - 0 0 0 6 0 3 日益增多的高温高压井 、 大位移井、水平井等复 杂井钻井作业对钻井液润滑性提 了更高的要求 [ I - 2 ] ， 如何提高钻井液的润滑性 ，已成为复杂井钻井液工艺 面临的重要难题 。目前国外复杂井一般使用四氧化三 锰加重钻井液来改善钻井液的润滑性 ，减少了复杂事 故 的发生 『 3 ，中国对 四氧化三锰加重钻井液的研 究 报道较少。采用钻井液极压润滑系数和泥饼黏滞系数 评价了四氧化三锰 、重晶石 、铁矿粉加重钻井液的润 滑性 ，室内进一步利用四氧化三锰 、重晶石 、铁矿粉 颗粒表面电性 、粒度分布 、微观形貌等特性 ，探讨 了 四氧化 锰及其与重晶石 、铁矿粉复配加重改善钻井 液极压润滑性能与泥饼润滑性能的作用机理。 1 室 内实验 1 实验仪器。E P极压润滑仪 ； N Z 一 2型滑板式 泥饼黏滞系数测定仪 ； Z e t a s i z e 3 0 0 0电位分析仪 ； b e r t t e r s i z e r 2 0 0 0型激光粒度 仪 ；日立 S 一 4 8 0 0冷场发 射扫描电子显微镜。四氧化三锰重晶石，铁矿粉。 2 表面电荷分析。在质量分数为 l ％的 3 种加 重剂与蒸馏水的悬浮溶液中，滴加 N a O H稀溶液调 节 溶液 p H值 为 9 ． 0 ，经 过水浴振 荡器恒 温振 荡 2 h 后取部分悬 浮液，用 Z e t a s iz e r 3 0 0 0电位仪测量四 氧 化 i锰 、重 晶石 、铁 矿粉 颗 粒 的 Z e t a电位 分别 为 一 3 0 ． 5 、一 2 3 ． 8 、一 2 3 ． 6 mV，由此可知 ，四氧化 锰 颗粒表面电荷最高，相比重晶石、铁矿粉在钻井液体 系中表面亲水性最强 ，颗粒的稳定性最强。 3加 重 剂 粒度 分 析。 如 图 l ～ 罔 3所示 ， 四 氧化 锰、重晶石、铁矿粉的D 值分别为 0 ．2 2 9 、 1 8 ． 0 5 、 2 7 ． 6 2 g m， 比表面积分别为 1 1 ． 8 8 9 、 0 ． 4 3 8 、 0 ． 2 4 l m ／ g ，可见四氧化三锰要 比重晶石 、铁矿粉的粒度分 布窄 、粒径小 、比表面积大。 0 0 籁 8 0 鑫 6 0 4 0 2 0 噱 0 粒径， 岫 罔 1 四氧化 锰的粒度分布 0 8 ．8 巅 6 ．6 鑫 4 ．4 2 ．2 厘 0 ．0 凶 4微观形状。3种加重材料的扫描电子 显微镜 图片如图 4所示。南图 4可知 ，四氧化 锰为四方晶 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 I 。 第一作者简介 韩成， 在读硕士研究生， 现在主要从事钻井液技术研究工作。 地址 山东省青岛技术经济开发区长江西路6 6 号； 邮政编码 2 6 6 5 8 0； 电话 1 3 6 4 6 4 2 9 8 5 8； E ma i l h u b e i h a n c h e n g 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 l 卷 第2 期 韩成等四氧化三锰水基钻井液润滑性能评价与研究 7 系尖 晶结构 ，颗粒呈球 形 ； 重晶石 为斜方晶系结构 ， 为长块状结构 ； 铁矿粉颗粒为四面体结构，形状极不 规则，且棱角分明。 籁 求 l瓜 魁 黧 母 氍 O 0 8 0 6 0 4 0 2 O 0 o o 8 0 6 0 4 0 2 0 0 l o I j ”p 皿 ， I D“ 1 8 ． 0 5 J f ，’ ， I ⋯ 川 ， r 一 州* 惜 r * } * I f I ⋯ I I I l l l 0 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 粒径／ u m 图2 重品石的粒度分布 D D _ 2 7．3 ．6 625 1 墨{ }二 l f 1l { 广 一一 。j j{ f 二 ． l l f l 1 3 6 I ， } r≯ 尊 9 ．咄 ⋯ j ⋯ ⋯{ }{ ； ； 料 i } ， I 、 二{ j 1 {雠 士 制 i ； 8 斗 ＼ 1 1 0 1 0 0 1 0 o 0 粒径， u m 铁矿粉的粒度分布 篡羹 3 ．6 鑫 z -4 1 ．2 厘 0 ． 0 凶 羹 4 ．2 鑫 z ．8 篓 1 ．4 庭 0 ,0 阴氧化i锰 6 0 0 0 0 倍重品石 1 0 0 0 0 倍 铁矿粉 2 0 0 0 倍 罔 4 加重材料扫描电镜图 5 不 同加重剂及其复配加重 对钻井液润滑性 的 影响。选取 目前钻井常用的聚磺钻井液 ，分别用加重 剂四氧化 锰 、重品石 、铁矿粉及他们 的复配物 四 氧化 锰分别与重晶石 、 铁矿粉按 1 1 复配 将钻井 液加重 到不 同密度 ，在 l 5 0 下热滚 l 6 h后 ，用极 压润滑仪 、泥饼黏滞系数测定仪测定钻井液的极压润 滑系数及泥饼黏滞系数， 实验结果如图 5 、 网 6 所示。 聚磺钻井液配方如下。 4 ％膨 润 土 基 浆 0 ． 1 5 ％Na OH 0 ． 2 5 ％KP AM 3 ％S MP l 3 ％S MC 2 ． 5 ％F T - l 2 ％ 润滑齐 0 R T 1 0 l 马勇 和吴新 民 ] 都 只使用滑板式泥饼黏滞 系 数测定 仪评 价重 品石加重水基钻井液泥饼 的润滑性 能，实验得到的泥饼润滑性能改善的临界密度分别为 1 ．4 、1 ．6 g ／ c m ，这一方面是F }1 于使用的重晶石、处理 剂等种类的不同导致一定的差异，另一方面也说明只 评价泥饼的润滑性来说 明钻井液的润滑性是不够 的。 由图 5 可知，随着钻井液密度的增大，四氧化 锰 、铁矿粉、重晶石加重钻井液的极压润滑系数都有 不 同程 度地增 大 ，当密度达到 1 ． 5 g ／ c m 时 ，钻井液 的极压润滑系数上升变快 ； 在相同的钻井液密度下 ， 四氧化 锰加重钻井液的极压润滑系数要小于重晶 石 、铁矿粉加重钻井液。分析原因主要为 ① 由Z e t a 电位分析结果可知，相同 p H值条件下 ，四氧化 锰 颗粒表 面 Z e t a电位最高 ，因而相 比重 品石 、铁矿粉 其在钻井液中的均匀性更好 ，钻井液流动时内摩擦 力 更低 ，润滑性相对更好 。② 由前面扫捕电镜和粒度分 布可知 ，四氧化 锰呈球形颗粒 ，颗粒粒径小 ，颗粒 在摩擦的过程中表现为滚动摩擦 ，因而极压润滑系数 最小 ； 铁矿粉颗粒棱角尖锐 、硬度较大 ，易对接触表 面产生微切削作用 ，因而极压润滑系数最大 ； 普通重 晶石 的层问滑动在一定程度上有利于减小摩擦系数 ， 因而其极压润滑系数处于四氧化三锰和铁矿粉之间。 O ． 1 8 酬 釜 o ． 1 4 酉 o ． 1 3 蘑 o ． 1 2 O ． 1 l 0 ． 1 O 一四氧化三锰 一重 晶石 p ／ g ／ m5 图 5 不同加重剂对钻井液极 润滑系数的影响 曦 由图 6可以看j 四氧化 锰 、重品石 、铁矿粉 加重钻井液泥饼润滑性能改善时的临界密度约为 1 ． 3 、 1 ． 5 、1 ． 5 g ／ c m。 ； 相同钻井液密度时，四氧化 锰加重 的钻井液泥饼黏滞系数小于重晶石 、铁矿粉加重的钻 井液 ，随着钻井液密度增大到一定大小时 ，泥饼黏滞 系数都有下降的趋势，说明在高密度条件下，四氧化 l一锰 、 重晶石、 铁矿粉都能改善钻井液泥饼的润滑性。 这是冈为随着加重剂加量增大到一定程度 ，起轴承作 用的粒子逐渐出现，且轴承粒子数 目随之增加，颗粒 摩擦逐渐转化为滚动摩擦，泥饼黏滞阻力减小 【7 ] ，含 球形四氧化三锰颗粒的泥饼黏滞阻力更小。 3 叭 图 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻井液与 完井 液 2 0 1 4年 3月 由图 5 、图 6 还可以看 出，四氧化三锰与重晶石 、 铁矿粉复配可以不同程度地降低重晶石、铁矿粉加重 钻井液的极压润滑系数和泥饼黏滞系数。分析其主要 原因为，当钻井液中的四氧化三锰与重晶石或铁矿粉 同时存在时，四氧化三锰小粒径颗粒可以充填在较大 的重晶石或铁矿粉颗粒之 间，四氧化三锰颗粒在重晶 石或是铁矿粉粗颗粒之间相当于充当了球形滚轮 如 图7 所示 ，减小了固相颗粒之间的摩擦力，此时的 重晶石或铁矿粉颗粒主要起支撑作用 [8 】 ，四氧化三锰 颗粒主要起润滑作用，优化了钻井液的润滑性能 ； 四 氧化三锰与重晶石、铁矿粉复配，改善了重晶石、铁 矿粉的粒度分布，合理的粒度分布能增加起 “ 轴承” 效应的粒子数量， 起 “ 轴承”效应的粒子增多，接触 点增多，减小了泥饼黏滞阻力。因而四氧化三锰与重 晶石 、铁 矿粉复配，可 以在一定程度上改善重晶石 或铁矿粉加重钻井液的极压润滑性能和泥饼的润滑性 能。 四氧化三锰与重晶石复配 四氧化三锰与铁矿粉复配 图 7 四氧化三锰与重晶石 、铁矿粉复配颗粒充填模型 2 结论 与认 识 1 ． 分别用 四氧化 三锰 、重 晶石 、铁矿粉加重水 基钻井液的极压润滑系数，随着钻井液密度的增大逐 渐增大。 2 ． 在高密度条件下 ，四氧化三锰 、重晶石、铁矿 粉均能改善钻井液泥饼的润滑性能。在相同钻井液密 度下，四氧化三锰加重水基钻井液的极压润滑性能及 泥饼的润滑性能都明显优于重晶石或铁矿粉加重的水 基钻井液。 3 ． 四氧化三锰高的表面电荷使其颗粒分散均匀， 降低钻井液流动的内摩擦力， 合理的粒度分布能增加 起轴承效应的粒子数量， 球形颗粒能显著降低钻井液 固相颗粒之间的摩擦力。因而，加重剂的表面电荷、 粒径分布、 颗粒形貌对钻井液的润滑性具有显著影响。 参 考 文 献 [ 1 】 蔡利山，林永学，王文立 ． 大位移井钻井液技术综述 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 3 1 1 3 ． Ca i Li s h a n，Li n Yo n g x u e， W a n g W e nl i ． Re v i e w o f d r i l l i n g fl u i d s f o r e x t e n d e d r e a c h we l l [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 1 0 ，2 7 3 1 ． 1 3 ． [ 2 ] 于会援 ，张来斌，樊建春．深井超深井中套管磨损机理 及实验研究发展综述 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 4 ． 7 ． Yu Hu i y u a n， Z h a n g La i bi n， F a n J i a n c h u n． S u m ma r y o f c a s i n g we a r me c h a n i s m a n d t e s t r e s e a r c h i n d e e p u l t r a d e e p we l l [ J ] ． O i l F i e ME q u ip m e n t ，2 0 0 6 ，3 5 4 4 - 7 ． [ 3 】 A1 一 Ya mi S A，Na s r - E 1 - Di n A H，A 1 一 Ma j e d A A，e t a 1 ． An i n n o v a t i v e ma n g a n e s e t e t r o x i d e ／ k c l wa t e r - b a s e d d r i l l - i n f l u i d for h t ／ h p w e l l s [ R] ． S P E 1 1 0 6 3 8 ， 2 0 0 7 ． [ 4 】 Bi a l y E 1 M，Mo h s e n M ，E z e l l G R，e t a 1 ． U t i l i z a t i o n o f n o n d a ma g i n g d r i l l i n g fl u i d c o mp o s e d o f p o t a s s i u m f o r ma t e b r i n e and mang ane s e t e t r a o x i d e t o d ri l l s an d s t o n e f o r ma t i o n i n t i g h t g a s r e s e r v o i r [ R ] ． S P E 1 4 7 9 8 3 ．2 0 1 1 ． [ 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 ． M a Yo n g，Cu i Ma o r o n g，Ya n g 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 ti 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 s [ J ] ．N a t u r a l G a s I n d u s t r y， 2 0 0 5 ， 2 5 1 0 58 ． 6 0． [ 6 ] 吴新民， 林龙波 ，张喜凤 ，等 ． 加重剂对水基钻井液润滑 性能影响的实验研究 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 1 3 ，3 5 1 3 7． 3 9． Wu Xi n mi n ，Li n L o n g b o ，Zh a n g Xi f e n g ，e t a 1 ．Ex p e r i me n t a l s t u d y o n t h e i nfl u e n c e o f we i g h t i n g a d d i t i ve 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 s [ J ] ． O i l Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y，2 0 1 3 ，3 5 1 3 7 - 3 9 ． [ 7 】 黄维安，邱正松，钟汉毅，等 ． 高密度钻井液加重剂的 研究 [ J ] ． 国外油田工程，2 0 1 0 ，2 6 8 3 7 4 0 ． Hu a n g We i a n ，Qi u Z h e n g s o n g ，Z h o n g Ha n y i ，e t a 1 ． R e s e a r c h o n h i g h - d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d we i g h t i n g a g e n t [ J 】 ． F o r e i g n O i l F i e ME n g i n e e r i n g ，2 0 1 0 ，2 6 8 3 7 4 0 ． [ 8 ] 肖国章，赵国仙，韩勇 ． 重晶石和铁矿粉对套管磨损的 实验研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 5 7 4 ． 7 5 ． Xi a o Gu o z h ang，Zh a o Gu o x i an ，Han Yo n g ． Ex p e ri me n t s o n t h e a b r a s i o n o f c a s i n g s b y b a r i t e and i r o n o r e p o wd e r s [ J ] ． Dr i l l i n gF 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 5 7 4 - 7 5 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 1 1 ． 1 2 ；HG F 1 4 0 2 F 4 ；编辑付瑚颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m