高密度钻井液加重剂的研究

高密度钻井液加重剂的研究

黄维安等:高密度钻井液加重剂的研究 37

高密度钻井液加重剂的研究

黄维安 邱正松 钟汉毅(中国石油大学石油工程学院)刘震寰(美国威德福公司中国天津分公司)

1 3 铁矿石粉[1]

铁矿物种类繁多,目前已发现的铁矿物和含铁矿物约300余种,其中常见的有170余种。但在当前技术条件下,具有工业利用价值的主要是磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。可用于钻井液加重剂的主要为铁矿粉和钛铁矿粉,前者的主要成分为Fe2O3,密度4 9~5 3g/cm;后者的主要成分为TiO2!Fe2O3,密度4 5~5 1g/cm,均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均大于重晶石,故可用于配制密度更高的钻井液。如果将某种钻井液加重至某一给定的密度,当选用铁矿粉时,加重后钻井液中的固相含量(常用体积分数表示)显然要比选用重晶石时低一些。加重后固相含量低有利于流变性能的调控和提高钻速。此外,由于铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性,因此可应用于需进行酸化的产层。由于这两种加重材料的硬度约为重晶石的2倍,耐研磨,在使用中颗粒尺寸保持较好,所以损耗率低。但另一方面,对钻具、钻头和泥浆泵的磨损也较为严重。1 4 方铅矿粉[1]

方铅矿是硫化物中很著名的矿物,它由金属元素铅和非金属元素硫组成,分子式为PbS。方铅矿粉一般呈黑褐色,由于其密度高达7 4~7 7g/cm3,可用于配制超高密度钻井液,以控制地层出现异常高压。由于该加重剂的成本高、货源少,一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。如我国滇黔桂石油勘探局在官3井上使用了方铅矿,配制出密度为3 0g/cm3的超高密度钻井液。1 5 可溶性盐加重剂

可用于钻井液加重剂的可溶性盐包括无机盐和有机盐,与惰性不溶固体加重剂相比,可溶性盐钻井液加重剂能降低钻井液中固相含量,有利于流变性调控和提高机械钻速,但成本较高,对钻具的腐蚀性强,使用中一般要加入缓蚀剂。无机盐有氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钙和溴化锌,其中溴化锌饱和溶液的密度达2 3g/cm。有机盐有甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯,其中饱和溶液的密度达2 3g/cm3。与无机盐相比,有机盐与其他处理剂的配3

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摘要 随着勘探开发向纵深发展,深井、超深井钻探数量增加,高密度钻井液加重剂的研究必将越来越受到重视。钻井液中最常用的加重剂是重晶石,其他还包括密度

较低的碳酸钙,密度高的铁矿粉、四氧化锰和方铅矿粉等。加重剂的加入使钻井液固相含量增加,从而导致钻井液的流变性、滤失造壁性和润滑性变差。基于 堆积理论 ,通过优化加重剂粒径级配可改善高密度钻井液的流变性;通过对加重剂表面进行改性,可以改善加重剂的悬浮性和降低对流变性的影响。通过 实时 分离、回收,可以大大降低高密度钻井液的成本和减少钻井液废弃物。加重剂的加重性能优化以及经济高效回收再利用技术将是高密度钻井液加重剂研究的发展趋势。

关键词 深井 钻井液 高密度 加重剂 表面改性

DOI:10 3969/j.issn.1002 641X 2010 8 010

1 几种典型加重剂

1 1 重晶石粉

重晶石为含钡硫酸盐矿物,化学成分为65 7%BaO、34 3%SO3,密度在4 3~4 7g/cm3之间,是制取钡和钡化合物的最重要的工业矿物原料。由于重晶石密度大、硬度适中、化学性质稳定、不溶于水和酸、无磁性和毒性,早在20世纪20年代就被用作石油和天然气钻井液的加重剂。它一般用于加重密度不超过2 30g/cm3的钻井液,目前仍然是全世界应用最广泛的钻井液加重剂。1 2 石灰石粉

石灰石粉的主要成分为CaCO3,密度为2 7~2 9g/cm。易与盐酸等无机酸发生反应,生成CO2、H2O和可溶性盐,因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用,以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低,一般只能用于配3

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高密度钻井液加重剂的研究

38 国外油田工程第26卷第8期(2010 8)

性能更佳,特别是甲酸铯钻井完井液体系更是近年发展起来的新型高效的高温高压储层钻井完井液体系。

cm3,而实验所使用的钛铁矿密度为4 5g/cm3,含有杂质;重晶石与保护储层加重剂的密度均接近标准水平,纯度较好。

(2)粒度分布:三种加重剂中保护储层加重剂的粒度分布最均匀,重晶石次之,钛铁矿最差,其比表面积(0 9693m/mL)最大。

(3)颗粒表面形状:重晶石与保护储层加重剂颗粒表面均为球形,有利于滑动,摩阻较小。而钛铁矿颗粒表面为四面体,有碍滑动。

(4) 轴承 效应:随着加重剂加量的增大,滤饼的摩擦系数随着增大,达到某一值后随加量的增加而降低。主要是因为开始加入加重剂时,粒径为10 m的小颗粒起主要作用。随着加量的增加,比表面积加大,导致摩擦系数增大。当密度达到某一临界值时,起 轴承 效应的粒子出现,并代替小粒子起主要作用,此时 轴承 效应粒子少,承受压力大,摩擦系数出现峰值。随着加量的增加,起 轴承 效应的粒子也随着增多,接触点增多,摩擦阻力减小,故出现随加量的增加摩擦系数减小的情况。

2 3 加重剂的黏度效应

随着加重剂加量增加,钻井液中固相含量增加,引起钻井液的黏度、切力增大,特别是超高密度钻井液中加重剂含量很高,使得钻井液塑性黏度急剧增大。高密度钻井液流变性变差的原因主要为:高密度钻井液体系属于较稠的胶体悬浮体系,本身具有固相含量大、固相颗粒分散程度高、钻井液体系中自由水量少、钻屑的侵入和积累不易清除等特点。超高密度钻井液塑性黏度的调控目前是一个世界性难题,其原因如下:高密度水基钻井液自身的特点以及不可避免地受到外来物质的侵污: 高固相含量使黏度增高;#高固相粒子分散使黏度增高; 固相粒子间相互作用使黏度增高;%对外来物质的侵污敏感性更强。

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2 加重剂对钻井液性能影响及其机理

2 1 加重剂对钻井液滤失造壁性的影响

加重剂颗粒较粗时,它不参与滤饼形成,对滤失量和滤饼质量的影响不大。随着细颗粒含量的增加,滤失量增加。

在钻井实践中,高密度水基钻井液体系与低密度水基钻井液体系造壁性控制因素的相同之处在于,都是控制和维护对形成良好滤饼有利的钻井液内部固相粒子浓度、分散度、级配以及良好的滤饼润滑性;不同之处则是需要更加重视调整、改善内滤饼性质。如果不能形成较大幅度减小渗透率的内滤饼,固相颗粒则只能在岩石表面原始物性基础上桥塞并逐级填充,因缺少桥塞深度和程度,难以形成薄而致密的外滤饼。显然,内滤饼的质量参数显著影响外滤饼上的滤失量。2 2 加重剂对钻井液润滑性的影响

为了定量研究加重剂影响水基钻井液润滑性能的一般规律,马勇采用激光粒度仪测定了重晶石、钛铁矿、保护储层加重剂的粒度分布,考察了三种加重剂将水基钻井液加重到相同密度以及加重到不同密度时滤饼的摩擦系数。研究表明,高密度条件下,三种加重剂均有改善钻井液润滑性能的作用,保护储层加重剂的润滑效果最好。水基钻井液润滑性改善时,重晶石、钛铁矿、保护储层加重剂加重钻井液的临界加重密度分别为1 4、1 6和1 6g/cm3;钻井液未加润滑剂时,超过此临界密度的一定范围内,钻井液体系的润滑性能均增强。

采用MICROTRAC激光粒度仪对实验选用的三种加重剂进行粒度分析,结果可以看出,重晶石、钛铁矿、保护储层加重剂三种加重剂中,保护储层加重剂的粒度分布最均匀,重晶石次之,钛铁矿最差。颗粒分散不均匀,比表面积大,会造成摩阻力增大。

水基钻井液加重到某一临界密度前,滤饼的摩擦系数随着三种加重剂加 …… 此处隐藏：6616字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……