复配重晶石对水基钻井液性能的影响.pdf

第 3 1 卷 第 1期 2 0 1 4年1月 钻井液与 完 井液 DRI LL I NG F LUI D COMP LE TI ON F L UI D v0 1 ． 3 1 NO ． 1 J a n ．2 0 1 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 1 ． 0 0 5 复配重晶石对水基钻井液性能的影响 王平全 ， 杨坤宾 ， 朱涛 ， 谢青清 ， 黄芸 1 ． 西南石油大学石油工程学院，成都 ； 2 ． 西南石油大学化学化工学院，成都 王平全等 ． 复配重晶石对水基钻井液性能的影响 【 J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 1 6 1 9 ． 摘要通过研究单一种类重晶石和复配重 晶石对钻井液性能的影响，发现利用多粒径重晶石复配后的混合材料加 重得到的钻井液性能优于所有未经复配的单一种类重晶石加重得到的钻井液液性能 ； 平均粒径不同的重晶石经复配后 使钻井液的性能得到极大改善，为此加重颗粒应先复配再进行加重 ； 复配重晶石间粒径差过大或过小都会使钻井液流 变性变差，应取一个合适值，以0 ． 8 9 m和 4 6 ～6 0 m范围内的粒径差值最佳。 关键词 复配重晶石 ； 粒径 ； 水基钻井液 ； 钻井液性能 ； 泥饼质量 中图分类号T E 2 5 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 40 1 0 0 1 0 4 随着钻井技术的不断发展，钻探深度不断加深， 要求提高钻井液的密度。现今钻井液密度最高可以加 重至 3 ．0 g ／ c m。 ，其固相含量高达 6 0 ％，所以研究钻 井液中固相对钻井液陛能的影响尤为重要。不同粒径 的重晶石的比表面不同，导致重晶石对自由水的吸附 作用有差异，影响钻井液的性能。在钻井液流动过程 中颗粒间的摩擦方式是滑动摩擦或是滚动，造成的黏 度效应截然不同。同时不同粒径的重晶石颗粒相互填 充堆积效果不 同，达到 的密堆积程度迥异 [ 1 - 3 ] ，直接 影响泥饼质量。合理的粒径搭配使得形成的泥饼紧密 堆积程度更高，从而使得泥饼孔隙度小、渗透率小、 强度高、厚度小、钻井液滤失量低，体现为泥饼质量 优良[4 ] 。为此，研究单一重晶石和复配重晶石对钻井 液黏度和泥饼质量的影响，以确定其影响方式，找出 最佳的组合方式。 1 实验 部分 1 ． 1 实验药品与仪器 膨 润 土 ，F V一 2，S MP 一 1 1，S P NH，Ca CO ， S M． 1 ，S MC ，无水碳酸钠，密度为 4 ． 1 5 g ／ c m 。 的普 通重晶石 平均粒径约为 7 5 u m， 2 0 0目 ， 密度为 4 ． 4 g ／ e m 。 的 0 ．8 9 m重 晶石，目数为 2 0 0目 7 5 m 、 2 5 0 目 6 0 m 、3 2 5 目 4 6 ． 2 m 、4 0 0 目 3 7 ． 5 m的分选筛， J C 1 0 1 型电热鼓风干燥箱，钻井液 用密度计，N G J ． 2 型数显无级变速高速搅拌机，J J ． 1 型电动搅拌机，Z N N D 6 型六速旋转黏度计，J Y1 0 0 1 型电子天平，G Z X ． D H ． 3 0 3 5 型 电热恒温干燥箱， G W3 0 0 一 P L C型数显式滚子加热炉。 1 ． 2 实验方法 1 用 J C 1 0 1 型电热鼓风干燥箱将重晶石干燥， 然后根据 GB 5 0 0 5 9 4钻井液用重 晶石粉 的相关标 准 [5 1 ，用分选筛对重晶石进行筛选，得到单一组段 6 0 ～7 5 m、4 6 ． 2 ～6 0 ． 0 m、3 7 ． 5 ～4 6 ． 2 m重 晶 石 各 7 k g 。 2 基浆的配制 取 7 0℃蒸馏水 1 0 L ，加入 5 ％ 膨润土，在电动搅拌机下搅拌 2 0 min ，然后加入质 量为 6 ％土量的无水碳酸钠，持续搅拌 1 2 0 ra i n ，将 配制好的基浆放在室温下养护 2 4 h 待用。 3 将养护后的基浆置于电动搅拌机下搅拌 l 0 mi n ，量取 7 L待用，然后将量取的 7 L基浆置于电 动搅拌机下搅拌配制成轻浆。 4 量取 6 0 0 0 mL轻浆，均分为 l 2 组，每组 5 0 0 m L，然后在高速搅拌条件下用不同粒径的重晶 石分别加重至 2 3窒 ／ c II l 3 ， 具体加重方式如表 1 所示。 5 将加重后的钻井液置于滚子加热炉中老化 1 5 0℃、1 6h ，然后测其性能 。 基金项目 塔里木油田公司局级项目 “ 高温高密度盐水钻井液流变性、 造壁性控制原理与效果可行性研究” 2 0 1 0 1 0 1 0 0 1 5 3 o 第一作者简介 王平全，教授，1 9 6 3 年生，2 0 0 2年毕业于西南石油大学石油工程学院，现在主要从事钻井液科研与教学工 作。地址 四川省成都市新都区西南石油大学石油工程学院 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0； E - ma i l w p q 6 4 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 1 期 王平全等复配重晶石对水基钻井液性能的影响 1 7 表 1 轻浆加重方式 2实验 结果及 分 析 2 ． 1 不同粒径重晶石复配后对钻井液流变性的影响 将老化后的钻井液静置冷却至室温， 发现无沉淀， 表明沉降稳定性好。将冷却后的钻井液加热至 4 0℃， 使用六速旋转黏度计测量复配重晶石加重后钻井液的 表观黏度、塑性黏度和结构黏度，结果见表 2 。 表 2 复配重晶石对钻井液黏度的影响 配方 m A Pa V ／ ．s m P P a V ／ ． s Y P P a ／ 配方 I I l P A a V ／ ．s m P Pa V ／ ．s Y P P a ／ 1 1 3 7 9 6 4 1 7 1 1 5 8 4 31 2 1 3 3 9 6 3 9 8 1 0 9 7 9 3 0 3 1 2 7 9 1 3 6 9 9 6 7 0 2 6 4 1 4 7 1 0 6 4 1 1 O 8 2 5 6 2 2 5 1 1 7 3 4 4 2 9 6 1 1 9 8 7 3 2 1 2 1 0 2 7 7 2 5 注 钻 井 液 配 方 5 ％膨 润 土 0 ． 3 ％F v ． 2 5 ％S MP ． I I 5 ％S P NH 5 ％S MC 3 0 ％Na C1 1 ％S M． 1 。 由实验结果可知 ①对比分析 1 2 组数据发现， 加重材料经复配后钻井液的流变性均优于复配前，5 加重材料 粒径为 0 ．8 9 u m的重晶石 其六速旋转黏 度计读数超量程 ； ② 1 ～5 加重材料是单一种类重 晶石，随着加重材料粒径的减小，钻井液表观黏度和 塑性黏度均有先变好后变差的趋势，其中以4 6 ． 2 ～ 6 0 u m重晶石作为加重材料时钻井液流变性最好， 表明使用单一种类重晶石加重时，使用平均粒径在 4 6 ．2 ～6 0 m范围内的重晶石效果最好 ； ③从 6 ～9 的数据可知， 普通重晶石与不同粒径的其他重晶石复 配后使钻井液流变性得到较大改善，其中以 0 ． 8 9 g m 重晶石作为复配材料得到的钻井液流变性最好，随着 复配材料粒径的减小，颗粒平均粒径与普通重晶石平 均粒径差值越大，钻井液流变性越好 ； ④ 9 ～1 2 的 数据说明，0 ． 8 9 I．tm重晶石与其他不同粒径重晶石复 配后 ，随着复配材料粒径 的减小 ，钻井液流变性先变 好后变差，其中以4 6 ．2 ～6 0 m重晶石和 0 ． 8 9 m重 晶石的复配钻井液流变性最好 。 由此得出结论 ①平均粒径不同的重晶石经复配 后使钻井液的流变J生 得到极大改善，为此，要得到流 变性较好的钻井液，加重颗粒应先复配再进行加重 ； ②复配颗粒间粒径差值不应过大也不应过小，应取一 个合适的值 ，以 0 ． 8 9 k tm和4 6 -2 ～6 0 g m范围内的颗 粒间的粒径差值最佳。③ 6 ～9 的实际变化趋势图 应为图 1 所示，6 ～9 的曲线没有出现先变好后变差 的趋势，是因为实验原材料所限，不能提供粒径在 0 ． 8 9 ～3 7 ． 5 u m之 间的重晶石 ，与普通重 晶石达到最 佳的粒径差。如图 l 所示，普通重晶石与不同粒径的 其他重晶石复配后，钻井液的表观黏度趋势应为红色 虚线所示，但是因缺少平均粒径在 0 ．8 9 ～3 7 ． 5 kt m之 间的重晶石， 无法得到虚线中的点，不能在曲线中体 现出随着复配材料粒径的减小，颗粒平均粒径与普通 重晶石平均粒径差值越大，钻井液流变性先变好后变 差的趋势，只能体现出实线所示钻井液流变性越来越 好 的趋势。 1 6 o l 4 O 1 2 0 1 0 0 8 O 6 0 4 0 2 0 O 复配重晶石加重钻井液配方 图 1 6 ～9 加重钻井液的表观黏度实际趋势图 2 ． 2 不同粒径重晶石复配后对钻井液泥饼质量的 影响 将老化后的钻井液置于室温下冷却至室温，发现 均无沉淀，表明沉降稳定性好。然后再在高温高压滤 失仪上测其 3 0 m i n 滤失量，取出所得的泥饼测其厚 度、强度和渗透率，结果见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 钴井液与完 井液 2 0 1 4年 1 月 表 3 不同复配重晶石对钻井液性能的影响 由表 3 分析知 ① 1 ～5 为单一种类重晶石， 几乎都为全滤失，说明单一种类重晶石滤失量极大 ； 6 ～9 为 AP I 重 晶石与其他不 同粒径重 晶石复配而 成，通过对比滤失量大小发现 9 复配方式得到的钻 井液滤失量最小 ； 9 ～1 2 为 0 ． 8 9 u m重晶石与其他 不同粒径重晶石复配而成，1 1 复配方式得到的钻井 液滤失量最小 ； 对比全部 1 2 组钻井液滤失量可知， 1 1 复配方式得到的钻井液的滤失造壁性最好。②对 比 1 2 组钻井液的泥饼渗透率知，1 ～5 单一种类重 晶石加重得到的泥饼渗透率均大于用复配重晶石加重 得到的泥饼渗透率，1 1 渗透率最好。③ 1 ～5 单一 种类重晶石加重得到的泥饼厚度远大于用复配重晶石 加重得 到的泥饼厚度 ，全部 1 2组钻 井液泥饼 以 l l 最薄。④ l ～5 单一种类重晶石加重得到的泥饼强 度小于用复配重晶石加重得到 的泥饼强度 ，全部 1 2 组钻井液泥饼以 1 1 强度最高。即以4 6 ．2 ～6 0 g m重 晶石和 0 ．8 9 u m重晶石复配作加重剂的钻井液泥饼质 量最好。 2 ． 3 结果分析 固相加重材料粒径较小时颗粒间距越小，接触 几率越大，产生的内摩擦力就越大， 致使钻井液的黏 度越大 [6 -7 ] o同时固相颗粒粒径越小，比表面积越大， 表面的吸附水越多，钻井液中的自由水则越少 [8 ] ，流 变性越差，表观黏度就越大，所以使用单一种类重晶 石作为加重材料配制钻井液，颗粒粒径不宜过小。但 颗粒较大时，固相颗粒较难运动，钻井液难于流动， 体现为表观黏度较大， 所以固相颗粒也不宜过大，为 此单一粒径加重颗粒不宜过大也不宜过小，过大或 过小都会造成钻井液流变性差的现象 [9 -1 0 ] 如表 2 中 1 ～5 所示。因此，欲得到流变性较好的钻井液，应 使用合适的粒径，其大小为4 6 ．2 ～6 0 g m。 不同粒径重晶石复配后，粒径小的一类复配颗粒 位于大颗粒空隙间，能够起到轴承作用，将内摩擦力 中的部分滑动摩擦方式转变为滚动摩擦方式，大幅减 小内摩擦阻力，使钻井液表观黏度急剧减小，有利于 改善钻井液流变性 ，如表 2中 6 ～l 2 所示 。而不 同 的复配方式中，大、小颗粒的粒径差不同，小颗粒于 大颗粒空隙间起到的轴承效应也将不同。在大颗粒粒 径一定的情况下，大颗粒间的空隙大小是确定的。此 时，当在大颗粒空隙间起轴承作用的小颗粒粒径过大 时，小颗粒易撑开大颗粒，破坏大颗粒间的结构， 不 宜流变性的改善，当在大颗粒空隙间起轴承作用的小 颗粒粒径过小时，小颗粒间的接触机会加大，且产生 滚动摩擦的几率减小， 不宜流变性的改善，为此重晶 石在复配时 ，复配材料间的粒径差不宜过大也不宜过 小，应取合理的差值，根据表 2 这一差值应以 0 ． 8 9 m和4 6 ． 2 ～6 0 g m范围内的粒径差值最佳。同时固 相颗粒粒度组成单一或范围很窄时，颗粒粒径集中程 度很高，小颗粒对大颗粒的填充效果不明显，堆积密 度低，相反，当固相颗粒粒度组成为多粒径段时，固 相颗粒在堆积时小颗粒对大颗粒填充效果明显，得到 的泥饼堆积密度高[1 1- 12 ] 堆积密度低的泥饼孑 L 隙度大， 而孑 L 隙度大带来的后果是泥饼渗透率高、滤失量大， 同时孑 L 隙度大的泥饼内部镂空较大，结构不强，强度 低。所以粒度组成单一的单一类重晶石加重得到的泥 饼质量明显差于复配重晶石加重得到的泥饼质量。而 不 同的复配方式中，大、小颗粒 的粒径差不同，小颗 粒对大颗粒的填充效果不同，泥饼的堆积密度也将不 同。如若将大颗粒堆积形成的结构看为晶格，大颗粒 与大颗粒之间堆积形成 的空 隙看为晶孔 [ 1 0 ] o那么 当 小颗粒的半径刚好等于晶孔半径时，小颗粒对晶孔的 填充效果最佳，堆积密度最高，达到理想填充效果 ； 当小颗粒的半径大于晶孔半径时，小颗粒对晶格将会 产生一个向外的 “ 撑力” ，对晶格产生破坏，使得晶 格松散，堆积密度降低 ； 当小颗粒的半径较小时，小 颗粒在晶孔中容易 “ 渗漏”不能很好地滞留，但是 相对于晶孔半径的大小，小颗粒的半径一般不会太 小，所以小颗粒在晶孑 L 中的 “ 渗漏”现象较少，堆积 密度相对于理想填充密度会有所降低但是不会太大。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 1 期 王平全等复配重晶石对水基钻井液性能的影响 1 9 4 6 ． 2 ～6 0 m重 晶石和 0 ． 8 9 m重晶石进行复配 ，大 小颗粒合理颗粒间的 “ 撑力”和 “ 渗漏”现象最小 ， 得到的泥饼质量最好 。 3 结论 1 ． 颗粒粒径对钻井液流变性有影响 ，粒径不宜过 大也不宜过小，应取合适的值。 2 ． 复配重晶石间的粒径大小对钻井液性能的改善 效果有很大影响，复配重晶石间粒径差过大或过小都 会使钻井液流变性变差，以 0 ． 8 9 m和 4 6 ．2 ～6 0 m 范围内的重晶石粒径差值最佳。 3 ． 单一重晶石粒度组成单一、范围窄，加重得到 的泥饼质量差，且粒度分布越集中，泥饼质量越差， 而复配重晶石粒度分布较广， 小颗粒的填充效果明显， 得到的泥饼质量远好于单一类重晶石。 4 ． 当复配重晶石中的大、小颗粒粒径复配不合理 时，易于出现 “ 撑力”作用和 “ 渗漏”现象，都不利 于紧密堆积， 使得泥饼质量变差。 [ 2 】 [ 3 】 [ 4 ] 参 考 文 献 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 ． Yu Zh i g a n g， W e n Yi n wu， Ga o Ya n， e t a 1 ． S t u d y o n we i g h t i n g a g e n t 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 [ J ] ． Oi 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 2 ， 3 4 1 5 4 ． 5 6 ． 王富华 ，王瑞和，刘江华 ，等 ． 高密度水基钻井液高温 高压流变性研究 [ J ] ． 石油学报 ，2 0 1 0 ，3 1 2 3 0 6 ． 3 1 0 ． W a n g F u h u a，W a n g Ru i h e，Li u J i a n g h u a，e t a 1 ． S t u d y o n r h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f 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 a t h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e r e s e a r c h [ J ] ． A c t a P叻 f S i n i c a ，2 0 1 0 ，3 1 2 3 0 6 ． 3 1 0 ． 赵波，周志华 ． 密堆积与中学化学中的晶体结构 [ J ] ． 化学 教育，2 0 0 6 ，8 1 6 - 1 8 ． Zh a o Bo ． Zh o u Zh i h u a ． Cl o s e p a c k i n g c r y s t a l s t r u c t u r e o f c h e mi s t r y i n mi d d l e s c h o o l [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f C h e m i c a l Ed u c a t i o n，2 0 0 6， 8 1 6 - 1 8 ． 黄柏宗 ． 紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系 [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 6 1 - 9 ． Hu a n g Ba i z o n g ． T h e ma t e r i a l s a n d p r o c e s s s y s t e m o f we l l c e me n t a t i o n b y c l o s e p a c k i n g t h e o r y [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 0 1 ，1 8 6 1 ． 9 ． [ 5 ] G B 5 0 0 5 9 4 ． 钻井液用重晶石粉 ． GB 5 0 0 5 9 4 ． Ba r i t e p o wd e r f o r d r i l l i n g flu i d ． [ 6 ] 梅宏，张克勤 ． 重晶石的黏度效应和细颗粒含量 [ J ] ． 钻井 液与完井液，1 9 9 6 ，1 3 5 4 2 ． 4 4 ． Me i Ho n g，Z h ang Ke q i n ． T h e v i s c o s i ty e f f e c t o f b a r i t e and fi n e p a r t i c l e c o n t e n t [ 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 ． 1 9 9 6 ，1 3 5 4 2 ． 4 4 ． [ 7 ] 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 O 5 8 ． 6 0 ． Ma 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 we i g h t i n g a g e n t o n l u b r i c a t i n g p r o p e rty o f wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ．Na t u r a l G a s I n d u s t r y ，2 0 0 5 ， 2 5 1 0 5 8 ． 6 0 ． [ 8 ] 李公让，赵怀珍，薛玉志，等 ． 超高密度高温钻井液流 变性影响因素研究 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 1 1 2 ． 1 5 ． Li Go n g r a n g，Zh a o h u a i z h e n，Xu e Yu z h i ，e t a 1 ． S t u d y o n t h e i n fl u e n c e f a c t o r s 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 ’ S r h e o l o g i c a l p r o p e r t y [ 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 0 9 ，2 6 1 1 2 - 1 5 ． [ 9 ] 李静 ，董慧茹，刘国文 ． 改善粒度级配提高大同水煤浆 的稳定性 [ J ] ． 北京化工人学学报，2 0 0 2 ，2 9 1 9 3 ． 9 5 ． Li J i n g， Do n g Hu i r u，Li u Gu o we n ． I mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f t h e Da To n g c o a l wa t e r s l u r r y b y i mp r o v e t he s i z e d i s t r i b u t i o n [ J ] ．J o u r n a l of B e ij i n g U n i v e r s i ty of C h e mi c a l T e c h n o l o gy ，2 0 0 2 ，2 9 1 9 3 - 9 5 ． [ 1 O ]侯再恩 ，张可村 ． 堆积颗粒系统中颗粒级配的优化 [ J ] ． 高 校应用数学学报 A辑，2 0 0 5 ，2 0 4 4 0 9 ． 4 1 6 ． Ho u Z a i e n，Z h a n g Ke c u n ． T h e o p t i mi z i n g o f s i z e d i s t r i b u t i o n i n p a r t i c l e s a c c u mu l a t i o n s y s t e m[ J ] A p p l i e d Ma t h e m a t i c s a J o u r n a l ofC h i n e s e U n i v e r s i ty，2 0 0 5 ，2 0 4 4 0 9 - 4 1 6 ． [ 1 1 ]朱宝林，黄新，郭晔，等 ． 连续粒径水泥颗粒在浆体中 的堆积密度 [ J ] ． 建筑材料学报，2 0 0 6 ，9 4 4 4 7 - 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