高密度盐水钻井液重晶石优选新方法.pdf

第 3 0卷 第 1 期 2 0 1 3年1月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D V o 1 ． 3 0 No ． 1 J a n．2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 高密度盐水钻井液重晶石优选新方法 张洪霞 长城钻探钻井液公司，辽宁盘锦 张洪霞 ． 高密度盐水钻井液重晶石优选新方法 [ J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 l 3 ，3 0 1 1 4 ． 摘要针对复杂地质条件下深井高密度钻并液流变性调控难题，基于浓悬浮液流变性调控理论及实验研究， 提 出高密度钻井液的沉降稳定性与重晶石在连续介质中的聚结 分散特性有关，并利用近红外透射／ 反射光扫描技 术建立 了一种评价优选重晶石的新方法，即以重晶石浓悬浮液背散射谱图、稳定性参数及沉降速率表征颗粒的聚 结稳定性，作为优选重晶石的依据。利用该方法对粒度分布差别不大的广西与塔北重晶石进行 了评价。结果表 明， 塔北重晶石悬浮液的沉淀层背散射光强度不稳定、无规律，析水层透射光强度参差不齐，而广西重晶石沉淀层背 散射光及析水层透射光均匀变化 ； 塔北和广西重晶石的盐水悬浮液的稳定性参数分别为8 ． 4 2和 1 ．9 6 ，沉降速率分 别为3 ． 6 0和2 ． 6 9 mm／ h 。实验证明，由此筛选出的广西重晶石能有效改善高密度盐水钻井液的高温流变性及滤失 造壁性。该研究凸显了基础材料在高密度钻井液中的作用，对深井高密度高温钻井液技术成熟具有重要意义。 关键词高密度钻井液 ；重晶石 ； 流变性 ； 沉降稳定性 ； 近红外透射 ／ 反射技术 ； 聚结分散 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 30 1 - 0 0 0 1 0 4 0 引 言 目前，高密度钻井液流变性调控难题已成为制 约复杂地质条件下深井钻探效率的技术瓶颈之一。 高密度钻井液 2 ．3 0 ～2 ．5 0 g ／ c m 。 中重晶石体积含 量 达 3 5 ％～4 0 ％甚 至 4 0 ％ 以上 ，接 近流体 固相粒 子含量极限，体系中自由水的含量低，固相颗粒之 间的内摩擦力大，导致钻井液 自身的塑性黏度及结 构力高，流变性调控难度极大。在深井 ／ 超深井盐 膏层钻进时， 高密度钻井液面临高温、 石膏、 黏土、 高矿化度地层盐水的严重污染，常常出现持续增稠 甚至丧失流动性，诱发卡钻、窄密度窗口井漏等井 下复杂问题 ， 严重阻碍 了盐下油气藏勘探开发进程。 通过大量实验研究发现 ， 在配方相同的条件下 ， 用不同矿脉的重晶石配制出的高密度盐水钻井液性 能差异很大 某些重晶石产品在盐水 中极易聚集成 大团簇，然后迅速沉降到容器底部，另一些产品则 表现出较好的分散稳定性， 形成沉积层的时间较长； 后者配制出的高密度盐水钻井液具有良好的流动性 和重晶石沉降稳定性，而且高温高压滤失量易于调 控 ，这有利于突破高密度水基钻井液技术瓶颈 。于 是，课题组开始重新认识加重材料在高密度盐水钻 井液中的作用。鉴于传统的重晶石评价方法主要考 察重 晶石的纯度 、密度 、粒度 、碱土金属含量 以及 重 晶石悬浮液 的表观黏度 ，未注重重晶石颗粒在连 续介质中的分散与聚结特性，提出了一种评价重晶 石的新方法，即利用近红外透射 ／ 反射光扫描法分 析重 晶石颗粒在盐水 中的沉降稳定性 ，作为加重剂 选择和使用的依据。 1 近 红外透射／ 反射光扫描仪 测量原理 实验使用了 T u r b i S c a n 浓缩体系分散稳定性分 析仪 Ⅲ，该仪器运用多光反射技术 ，可对浓缩体系 进行直接测量而不需要稀释，直接表述分散体系的 真实状态。其基本工作原理如下 T u r b i S c a n的检测 基金项目 国家科技重大专项 “ 大型油气田及煤层气开发”之子课题 “ 复杂地质条件下深井钻井液与高温高压固井技 术研究” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 1 ． 0 0 4的部分研究内容。 作 者简 介 张洪 霞，1 9 6 8年 生， 中国石油 大学 北 京 油气井 化学工 程专 业工 学博士，主要从 事钻井 液和 油气层保 护技术方面 的研 究。地 址 辽宁省盘锦 市兴隆 台区长城钻探钻 井液 公司 ；邮政编码 1 2 4 0 1 0；电话 0 4 2 7 7 2 9 7 1 0 9 ／ 1 3 9 9 8 7 8 5 8 6 0； E ma i l z h a n g h o n g x i a 9 1 9 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 1月 探头是由一个近红外线脉冲光源 波长为 8 8 0 n m 和 2 个同步检测器 一个透射光检测器和一个反射 光检测器 组成 ，实验时 ，将样 品装入一支特制透 明玻璃试管 中，试管高为 1 5 0 mm，而稳定性分析 仪最多只能测 6 5 mm高度 ，因此 ，样 品高度应低于 6 5 mm，一般装到 5 0mm左右 。 由于不同悬浮液对光线有不同的透射率和反射 率，同一种悬浮液的沉降稳定性随时间而变化，其 对光线的透射率和反射率也不同，T u r b i S c a n 稳定 性分析仪就是根据这一基本原理进行测量。放人样 品后，近红外线脉冲光源发出的光线直接射到样品 上，一部分光线穿透样品，由透射光监测器接收 ； 而另一部分光线则反射 回来 ，由反射光监测器接收。 这 2个检测器将接收到的光线 的不同强弱转换为数 据信号，这些数据是监测器接收到的光线强弱与原 发射光线强弱 的一个 比值 ，以百分 比形式给 出。检 测探头或是选择样品槽中一个固定位置检测，或是 在 5 5 m m样品槽高度上，由下至上每移动 4 0 m 进行一次扫描，采集透射光及背散射光的数据。最 后这些数据反馈到计算机上，由仪器附带的软件将 其绘制成扫描谱图或输出参数，因此， 研究人员可 根据图谱及输出参数对样品的稳定性进行分析。 T u r b i S c a n按 照预先设计 的时问程序进行扫描 ， 在同一张图上显示不同扫描时间的谱线轮廓以进行 对比。将样品管中的悬浮液分为清液层 、沉淀层和 中间层。随着静置时间延长，样 品管上部透射光逐 渐增强、背散射光强度减弱的区域为清液层 ，表示 悬浮液上部出现了澄清液 ； 样品底部背散射光逐渐 增强的区域为沉淀层，表示随颗粒的沉降固相浓度 增加 ； 清液层和沉淀层之 间为 中间过渡层 ，如图 1 所示 。 稳定性 参数是为 了使样 品 比较 起来更方 便而 设定的参数。它是在给定 的时间，通过对样品动态 稳定 曲线 s t a b i l i t y k i n e t i c s曲线 积分得到的。而 s t a b i li t y k i n e t i c s 曲线是根据下式计算得到的 L H 式中， s c a n l h 和s c a n e／ h 分别是相邻2 次扫描 的沉积层厚度 ，H为沉积层总厚度 ，d l是整个扫描 过程的偏差值 。所 以，稳定性参数越小 ，则样品越 稳定。 I l { j j { { } ～ j J { { 一鑫 ； 一盟 ～ ⋯ ～ 豢 装 薏 羹 l 织 { r 图 1 悬浮液背散射谱图 2 实验 方法及 结果分 析 2 ． 1 实验方法 1 浓悬浮液的配制。首先配制出一定体积的 2 5 ％Na C 1 溶液作为基液 ，测量其密度 ，记为 P ； 量 取体积为 的N a C 1 溶液，计算出将盐水基液密度 提高到 P ， 2 ． 3 0 g ／ c m 时需要的重晶石质量 m ； 在 高速搅拌条件下，将重晶石粉加入盐水基液中，配 制出密度为 2 ． 3 0 g ／ c m 的重晶石 ／ 盐水浓悬浮液。 2 沉降稳定性测量。首先将 T u r b i S c a n 浓缩体 系分散稳定性分析仪开机预热 ，将盛装样品的专用 试管洗净、烘干 ； 把搅拌好的浓悬浮液样品缓慢倒 入试管至刻度处 ，再将不慎沾到试管壁上的液体擦 干净，以免影响实验结果 ； 最后，将试管放入仪器， 并打开仪器的随机附带软件界面，输入测量参数， 如扫描高度、测定时间间隔等，然后开始扫描，测 量该悬浮液在 6 h内的沉降稳定性。 2 ． 2 结果与讨论 1 2种重晶石的沉降稳定性。图 2和图 3 分别 为塔北重晶石与广西重晶石的扫描谱图。从 2 种悬 浮液扫描谱 图可以看出，悬浮液在测量时段内分为 了 2层 ，一层是透射光部分的析水层 ，另一层是背 散射光部分的沉淀层。塔北重晶石悬浮液的沉淀层 背散射光强度不稳定、无规律，析水层透射光强度 参差不齐，表明塔北重晶石颗粒在沉降过程中粒径 变化较大，稳定性差 ； 而广西重晶石沉淀层背散射 光及析水层透射光均匀变化 ，表 明广西重晶石分散 稳定性 明显优于前者 。 图 4为 2种重晶石悬浮液 6 h内的动态稳定曲 线。利用 T u r b i S c a n的计算软件得到广西重晶石 ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0 卷 第 1 期 张洪霞高密度盐水钻井液重晶石优选新方法 3 盐水悬 浮液 的稳定性参数 为 1 ． 9 6 ，塔北重晶石 ／ 盐 水悬浮液的稳定性参数为 8 ．4 2； 另外，计算出广西 重晶石与塔北重晶石在盐水 中的沉降速率分别为 2 ． 6 9 mm／ h和 3 ． 6 0 mm／ h 。总之 ，2种重 晶石的扫描 谱图及输出参数存在明显差异，广西重晶石在 2 5 ％ 盐水中的沉降稳定性明显优于塔北重晶石。因此， 选择广西重晶石作为钻井液加重材料。 1 0 ％ 餐 s％ 奏 。 蝌- 5 ％ ．1 0 ％ 魁 0 嬖-2 0 ％ 鏊4 o ％ 缸 6 O ％ 柏 ％ 羹2 0 ％ 勰 O 蝌 ．1 o ％ 0 檗一5 * 蓥_】 靶 ． 1 5 ％ 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 样品槽高度／ 珈 Ⅲ 塔北重晶石悬浮液背散射谱图 0 1 0 2 0 3 0 4 o 5 0 样品槽高 度／ Jm 图 3 广西重晶石悬浮液背散射谱图 1 4． 0 0 1 2 ． 0 o 1 0 ． 0 0 8 肿 摹6 肿 4 ． 0 0 2 ． 0 0 0 ／ ／ 塔 北 重 晶 石 ／ ／ 广 西 重 晶 石 f ／ 图 4 2种重晶石悬浮液的动态稳定曲线 2 不同重晶石对高密度盐水钻井液性能的影 响。对于密度为 2 ．3 5 g ／ c m 的欠饱和盐水钻井液体 系，在其他组分及加量完全一致的条件下，分别采 用广西重晶石和塔北重晶石作加重剂，通过测量高 温热滚前后钻井液性能，评估、验证了加重剂筛选 方法的有效性。实验配方及结果如下。 1 2 2 ％ 夏 子 街 土0 ． 3 ％P AC L V 9 ％GJ L ． 2 1 ％G儿一 4 2 ％S P NH 2 ％ 聚合醇 7 ％K Cl 2 2 ％Na C l Na OH p H 9 ． 5广 西重 晶石 塔北重 晶石 表 l 不同重晶石对高密度钻井液性能的影响 注 老化条件为 1 7 0℃、1 6 h； 凡 伽． 的实验温度为 1 7 0 q C。 通过重复性实验观察，2 种重晶石对高密度盐 水钻井液性能的影响表现为 ①塔北重晶石加重体 系热滚前后，出现明显沉淀，罐底的沉积物为一种 触稠体，剪切力越大，钻井液越稠，而广西重晶石 粉加重的钻井液没有沉淀现象 ； ②塔北重晶石加重 体系热滚前流变参数很小，热滚后却明显增大，特 别是静切力增幅更大，而广西重晶石加重体系热滚 前后流变参数变化不大 ，略有上扬 ； ③广西重晶石 对高密度钻井液的滤失造壁性的贡献很突出，大量 的重复实验结果表明，1 7 0℃高温高压滤失量低于 1 0 m L是常态，很少有大的波动，而塔北重晶石加 重体系的流变性和滤失造壁』生 难以兼顾。 上述实验结果表明，重晶石品质是导致高密度 盐水钻井液高温后增稠的一个重要因素 ，这也初步 验证了重晶石筛选新方法的有效性。 3 重晶石筛选新方法的建立。近年来 ，中国 的一些专家和学者对加重材料 的特性给予 了关 注 ， 提出合理的重晶石粒度级配可有效降低流变性的 调控难度。①赵福[2 通过实验得出以下结论 粒径 为 0 ．0 5 0 0 ． 0 6 5 m m的活化重晶石对黏度效应的影 响最大 ，这一级 配范 围内的加 重剂含量越大 ，钻 井液的表观黏度就越大； 粒径为 0 ．0 4 0 0 ． 0 6 5 m m 的活化重晶石对表观黏度的影响最小。②黄维 针对密度为 2 ． 2 ～2 ． 4 c m3 的钻井液 ，确定了重晶石 粉 的最优粒度配比为 0 ． 1 5 4 ～0 ． 0 3 8 mm 小于 O ．0 3 8 mm 为 3 4 6 6 。③李公让[4 ]认为，高固相含 量条件下 ，粗颗粒尺寸 比处理剂分子尺寸大 得 多 ， 很多处理剂与颗粒表面结合后形成以粗颗粒为核心 的毛球，当粗颗粒含量高于一定程度后，这些毛球 之 间相互作用 ，搭 建成结构 ，而且形状不规则的粗 颗粒之间的摩擦阻力大大增加，这是造成颗粒粒度 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