加重剂对水基钻井液润滑性能影响的实验研究.pdf

第 3 5卷 第 1 期 2 0 1 3年 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHN0LOGY V0 1 ． 3 5 No ．1 J a n ．2 0 1 3 文章编 号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 3 o l 一0 0 3 70 3 加重剂对水基钻井液润滑性能影响的实验研究 吴 新民 林 龙波 1 ． 西安石油大学石油工程学 院， 陕 西西安7 1 0 0 6 5 ； 张 喜 凤 张 晓 峰 2 ． 河南油田分公 司第一采油厂 ， 河南南阳4 1 1 3 0 0 引用格式吴新民， 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 37 39 ． 摘要通过粒度分布、 扫描电镜、 Z E T A电位分析 ， 考察了重晶石、 活化重晶石、 活化铁矿粉 3种加重剂及其复配对钻井液 加重到不同密度时对滤饼黏滞系数的影响。实验结果表明高密度条件下， 3种加重剂均有改善钻井液润滑性的作用， 活化铁 矿粉、 活化重晶石、 重晶石加重钻井液改善润滑性的临界密度分别为 1 ．2 、 1 ． 4和 1 ． 6 g ／ c m ；超过此密度的一定范围内， 钻井液的 润滑性均增强。复配加重比单独加重的润滑性效果更好。 关键词水基钻井液；加重剂；润滑性；黏滞系数；临界密度 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A Ex pe r i me n t a l s t ud y o n t he i n flu e nc e o f we i g h t i ng a dd i t i v e s o n l u br i c i t y o f wa t e r - ba s e d d r i l l i n g fl u i ds WU Xi n mi n ， L I N L 0 n g b 0 ， Z H A N G Xi n g ， Z H A N G X i a o f e n g z 1 ． C o l l e g e o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g ， Xi ’ a n P e t r o l e u m U n iv e r s i t y ， Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． No ． 1 Pl a n t ， He ’ n a n O i lfie l dC o m p a n y ， Na n y a n g4 1 1 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ， s c a n n i n g e l e c tr o n mi c r o s c o p e ， ZET A p o t e n t i a l ， t h e f r i c t i o n c o e f - fic i e n t s o f mu d c a k e s a r e i n v e s t i g a t e d wh e n wa t e r - b a s e d d ril l i n g fl u i d s a r e a d d e d t o d i f f e r e n t d e n s i t i e s b y t h r e e we i g h t i n g a d d i t i v e s o f b a r i t e ， a c t i v a t i o n b a rit e ， a c t i v a t i o n i r o n o r e p o wd e r a n d t h e i r c o mp l e x c o mb i n a t i o n ． T h e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r h i g h d e n s i t y , a l l t h e t h r e e we i g h t i n g a d d i t i v e s c a n e n h a n c e t h e l u b r i c i ty o f t h e d r i l l i n g fl u i d s ． T o i mp r o v e t h e l u b r i c i t y o f wa t e r - b a s e d dri l l i n g fl u i d s ， t h e c r i t i c a l d e n s i t i e s o f d r i l l i n g fl u i d s a d d e d b y b a r i t e ， a c t i v a t i o n b a r i t e a n d a c t i v a t i o n i r o n o r e p o wd e r a r e 1 ． 6 g ／ c m ，1 ．4 g ／ c m a n d 1 ． 2 g ／ c m ， r e s p e c t i v e l y ． T h e l u b r i c i t y o f t h e d r i l l i n g fl u i d s wi l l b e i mp r o v e d i n a c e r t a i n r a n g e b e y o n d t h e c r i t i c a l d e n s i ty． Co mp l e x c o mb i n a t i o n i s b e e r t h a n t h e e v e r y s i n g l e a d d i t i v e ． 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 ； we i g h t i n g a d d i t i v e ； l u b r i c i ty, f ric t i o n c o e ffic i e n t ； c r i t i c a l d e n s i t y 深井和超深井钻探时经常使用各种加重剂来提 高钻井液的密度 ， 由于高密度钻井液存在着固相高、 黏度高、 摩阻高等问题 。 ， 如何保证高密度钻井液 体 系具有 良好 流变性 、 低摩 阻等特性成为钻井现场 日益关注的问题 。马勇等人针对单一加重剂对水基 钻井液润滑性能影响开展 了一些研究 ， 而针对两 种加重剂混合使用的研究较少， 尤其是进行表面活 化处理的加重剂按一定比例混合使用对水基钻井液 润滑性能影响研究很少， 也缺乏详细的相关机理分 析。为此， 笔者采用钻井液滤饼的黏滞系数评价钻 井液 的润滑性能 ， 实验室进一步利用加重剂颗粒表 面微观结构 、 颗粒粒径及表面活性等特性进行机理 分析 ， 探讨 了加重剂含量及不同加重剂类型复配与 钻井液润滑性能之间的关系。 1 实验仪器 、 试 剂与方法 1 ． 1 实验仪器和试剂 主要仪器 N Z ． 2型滑板式滤饼黏滞系数测定 仪 青岛森欣机电设备有限公司 ， Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0 湿法型激光粒度仪， Z e t a s iz e r N a n o Z s 9 0 电位分析仪 作者简介吴新民， 1 9 6 4年生。主要从事储层保护、 油气田污水处理、 管道腐蚀与防护等方面的研究， 博士， 研究生导师， 教授。联 系人 林龙波 ， 电话 1 8 0 9 2 8 6 1 0 9 7 。E ma i l d l b ． wa n g 1 2 6 ． c o m。 3 8 石油钻采工艺2 0 1 3年 1月 第 3 5卷 第 1 期 英国马尔文仪器有限公司 ， Q u a n t a 2 0 0 环境扫描电 子显微镜 美国 F E I 。 主要试剂 重晶石 四川省彭州市长城节能公 司 ， 活化重 晶石 中国石油化学公司 ， 活化铁矿粉 新疆塔北泥浆材料厂 。 1 ． 2实验方法 1 配制 4 ％的水基钻井液原浆， 配方为 4 ％基 浆 0 ． 4 ％F A一 3 6 7 0 ． 1 ％XY． 2 7 0 ． 4 ％ J T 9 0 0 ， 并用 N Z ． 2 型滑板式滤饼黏滞系数测定仪测定其滤饼黏 滞系数。 2 选用重晶石 、 活化重晶石 、 活化铁矿粉 3种加 重剂， 分别利用激光粒度仪、 电位分析仪、 扫描电子 显微镜测其粒度分布、 Z E T A电位及表面微观形貌。 3 采用 3种加重剂将钻井液分别加重 到不 同 密度 1 ．2 、 1 ．4 、 1 ．6 、 1 ． 8 、 2 ．0 g ／ c m 。 后， 测定其滤饼黏 滞系数。 4 活化铁矿粉分别与重 晶石和活化重晶石按 2 l 复配 ， 将钻井液加重到不 同密度 1 ． 2 、 1 ． 4 、 1 ． 6 、 1 ． 8 、 2 ． 0 g ／ c m。 后测定其滤饼黏滞系数。 2 结果与讨 论 2 ． 1 原浆性能测试 采用密度计和N Z 一 2 型滑板式滤饼黏滞系数测 定仪分别测定原浆的密度为 1 ． 0 2 5 g ／ c m ， 黏滞系数 为 0 ． 0 9 6 3 。 2 ． 2 加重剂粒度分析 采用 Ma l v e r n公 司的 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0湿法型激 光粒度仪对实验采用的 3 种加重剂进行粒度分析， 其结果见 表 1 。从表 1 可 以看 出3种加重剂 中活 化铁矿粉粒度分布最均匀， 活化重晶石次之， 重晶石 最差。颗粒分散不均匀 ， 比表面积大 ， 会造成摩擦力 增大 。 表 1 粒度分析结果 2 ． 3 不 同加重剂对钻井液润滑性的影响 3 种加重剂将钻井液加重到不同密度时， 加重剂 对滤饼黏滞系数的影响见图 1 ， 可以看出， 随着密度 的增大， 滤饼黏滞系数先增加后下降， 说明在一定的 密度范围内， 重晶石、 活化重晶石和活化铁矿粉都有 改善钻井液润滑性的作用。重晶石、 活化重晶石和 活化铁矿粉 的临界密度分别是 1 ． 6 、 1 ． 4和 1 ． 2 g ／ c m ， 并且在高密度条件下， 活化铁矿粉加重的钻井液润 滑性要优于重晶石与活化重晶石加重的钻井液。 钻井液密度／ g ‘ c m 图 1 不同加重剂对滤饼黏滞系数的影响对比 分析原 因主要为 1 从颗粒表面形状看 ， 重 晶石 莫氏硬度为 3 ．5 颗粒大多呈层状结构 见图 2 a ， 且 硬度较小 ， 在摩擦过程中 ， 其层间滑动有利于减轻摩 阻 ；活化后 的重 晶石微粒 表面相 比重 晶石要相 对平整光滑 图2 b ；而活化铁矿粉莫氏硬度为 5 ．5 左右 ， 铁矿粉微粒经活化后微粒表 面光 滑平整 图 2 c ， 改善了铁矿粉颗粒边缘尖锐程度， 有利于减轻摩 擦； 2 活化铁矿粉的密度 5 ．0 g ／ c m。 要大于活化重 晶石和重晶石 的密度 ， 而活化重晶石 的密度与重晶 石 的密度相差不大 4 ． 2 g ／ c m ， 对于加重到相 同密 度的钻井液， 活化铁矿粉的用量要小， 其钻井液中固 相颗粒也少 ， 黏度、 切力相对要小 ， 钻井液 的流变性 要好 ； 3 当开始加入加重剂时， 黏土对细颗粒有较强 的包被作用 ， 钻井液颗粒粗于加重剂颗粒 ， 此时摩 擦形式表现为滑动摩擦 ， 随着加量增加 ， 固相含量增 大， 导致黏滞系数增大。当密度达到某一临界值时， 起轴承作用的粒子开始出现， 此时黏滞系数出现峰 值 ；随着加量增加， 起轴承作用的粒子也随着增 加 ， 滑动摩擦逐渐转化为滚动摩擦 ， 黏滞阻力减少 ， 故出现随加量的增加黏滞系数降低的现象。 圈■■ a 重 晶石 b 活化重晶石 c 活化铁矿粉 图 2 不同加 重剂的扫描 电镜 照片 2 ． 4 加重剂复配对钻井液润滑性能的影响 活化铁矿粉与重晶石或活化重晶石的比例为 2 1 时的效果较好 J ， 以下加重剂配比按质量分数 2 1 进行实验。实验结果见 图 3 ， 可以看 出， 在一定 吴新民等 加重剂对水基钻 井液润滑性能影响的实验研 究 3 9 密度范围内， 加重剂复配加重时钻井液滤饼黏滞系 数要优于单独加重。其主要原 因为 当钻井液 中活 化铁矿粉与重 晶石或活化重晶石 同时存在 时， 此 时 活化铁矿粉主要起支撑作用 ， 而重晶石和活化重 晶 石主要起润滑作用 ， 优化了钻井液 的润滑性能 ， 从而 降低了滤饼黏滞系数。 钻井液密度／ g ’ c m 图 3 不 同加重剂及复 配对 滤饼黏滞 系数 影响对比 活化铁矿粉与活化重晶石复配加重滤饼黏滞系 数优于活化铁矿粉与重晶石复配， 其主要原因为 1 活化铁矿粉与活化重晶石 的平均粒径接近程度要优 于活化铁矿粉与重 晶石 ， 所 以在 同一 比例复配情 况 下 ， 前者复配 的颗粒分布要 比后者均匀 ， 在钻井液体 系 中均匀性更好 ， 有利于减小钻井液流动的摩擦力 ； 2 活化重晶石是重晶石通过物理化学作用在其表 面包裹具有一定构型的基 团， 以降低细颗粒表面的 活化能与阻滞效应 ， 使加重材料与水分子之 间隔离 ， 减少水分子的吸附， 而且使重晶石问的摩擦转换成 活性剂间的相互作用， 降低内摩擦 ； 3 颗粒表面 电位愈高， 其表面亲水性增强， 在清水中的沉降速度 降低 _ 】 “ J ， 颗粒的分散体系愈稳定。由Z e t a电位仪 测得 3种加重剂 的电位 ， 重晶石为 一 1 7 ． 6 mV、 活化重 晶石为 _ 2 9 ． 7 mV、 活化铁矿粉为 _ 2 3 ． 8 mV。相 比重 晶石， 活化重晶石在钻井液体系中均匀性更好 ， 钻井 液流动时内摩擦力要低 ， 其黏度 、 切力也要低 ， 润滑性相对要好； 4 相 比重晶石 ， 活化重晶石在常 温与高温条件下有较好的抑制增稠效果， 活化重晶 石加重浆具有很低的塑性黏度和动切力， 良好的流 动性 。 3 结论 1 高密度条件下 ， 重晶石 ， 活化重晶石和活化铁 矿粉均有改善钻井液润滑性的作用。 2 重晶石 、 活化重晶石和活化铁矿粉改善钻井 液润滑性的临界密度分别为 1 ． 6 g ／ c m 、 1 ． 4 g ／ c m 、 1 ． 2 g ／ c m ， 超过此临界密度时， 其钻井液润滑性均有变 好的趋势 。 3 两种加重剂的复配加重要好于单种加重剂的 加重效果 ， 而且 活化铁矿粉与活化重 晶石配 比 质 量分数 2 1 时， 钻井液润滑效果最好。 参考文献 [ 1 ] 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M]． 东营石油大学出版社， 20 01 ． [ 2] 艾责成， 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] 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_ v - 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