吳新民 林龍波 張喜鳳 張曉峰

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.河南油田分公司第一采油廠，河南南陽 411300）

深井和超深井鉆探時(shí)經(jīng)常使用各種加重劑來提高鉆井液的密度，由于高密度鉆井液存在著固相高、黏度高、摩阻高等問題［1-3］，如何保證高密度鉆井液體系具有良好流變性、低摩阻等特性成為鉆井現(xiàn)場日益關(guān)注的問題。馬勇等人針對單一加重劑對水基鉆井液潤滑性能影響開展了一些研究［3-4］，而針對兩種加重劑混合使用的研究較少，尤其是進(jìn)行表面活化處理的加重劑按一定比例混合使用對水基鉆井液潤滑性能影響研究很少，也缺乏詳細(xì)的相關(guān)機(jī)理分析。為此，筆者采用鉆井液濾餅的黏滯系數(shù)評價(jià)鉆井液的潤滑性能，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步利用加重劑顆粒表面微觀結(jié)構(gòu)、顆粒粒徑及表面活性等特性進(jìn)行機(jī)理分析，探討了加重劑含量及不同加重劑類型復(fù)配與鉆井液潤滑性能之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

主要儀器：NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測定儀（青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司），Mastersizer2000濕法型激光粒度儀，Zetasizer Nano Zs90電位分析儀（英國馬爾文儀器有限公司），Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡（美國FEI）。

主要試劑：重晶石（四川省彭州市長城節(jié)能公司），活化重晶石（中國石油化學(xué)公司），活化鐵礦粉（新疆塔北泥漿材料廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）配制4%的水基鉆井液原漿，配方為4%基漿 + 0.4%FA-367+0.1%XY -27+0.4% JT900，并用NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測定儀測定其濾餅黏滯系數(shù)。

（2）選用重晶石、活化重晶石、活化鐵礦粉3種加重劑，分別利用激光粒度儀、電位分析儀、掃描電子顯微鏡測其粒度分布、ZETA電位及表面微觀形貌。

（3）采用3種加重劑將鉆井液分別加重到不同密度（1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 g/cm3）后，測定其濾餅黏滯系數(shù)。

（4）活化鐵礦粉分別與重晶石和活化重晶石按2:1復(fù)配，將鉆井液加重到不同密度（1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 g/cm3）后測定其濾餅黏滯系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原漿性能測試

采用密度計(jì)和NZ-2型滑板式濾餅黏滯系數(shù)測定儀分別測定原漿的密度為1.025 g/cm3，黏滯系數(shù)為0.096 3。

2.2 加重劑粒度分析

采用Malvern公司的Mastersizer2000濕法型激光粒度儀對實(shí)驗(yàn)采用的3種加重劑進(jìn)行粒度分析，其結(jié)果見表1。從表1可以看出：3種加重劑中活化鐵礦粉粒度分布最均勻，活化重晶石次之，重晶石最差。顆粒分散不均勻，比表面積大，會(huì)造成摩擦力增大［4］。

表1 粒度分析結(jié)果

2.3 不同加重劑對鉆井液潤滑性的影響

3種加重劑將鉆井液加重到不同密度時(shí)，加重劑對濾餅黏滯系數(shù)的影響見圖1，可以看出，隨著密度的增大，濾餅黏滯系數(shù)先增加后下降，說明在一定的密度范圍內(nèi)，重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉都有改善鉆井液潤滑性的作用。重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉的臨界密度分別是1.6、1.4和1.2 g/cm3，并且在高密度條件下，活化鐵礦粉加重的鉆井液潤滑性要優(yōu)于重晶石與活化重晶石加重的鉆井液。

圖1 不同加重劑對濾餅黏滯系數(shù)的影響對比

分析原因主要為：（1）從顆粒表面形狀看，重晶石（莫氏硬度為3.5）顆粒大多呈層狀結(jié)構(gòu)（見圖2a），且硬度較小，在摩擦過程中，其層間滑動(dòng)有利于減輕摩阻［5］；活化后的重晶石微粒表面相比重晶石要相對平整光滑（圖2b）；而活化鐵礦粉莫氏硬度為5.5左右，鐵礦粉微粒經(jīng)活化后微粒表面光滑平整（圖2c），改善了鐵礦粉顆粒邊緣尖銳程度，有利于減輕摩擦；（2）活化鐵礦粉的密度（5.0 g/cm3）要大于活化重晶石和重晶石的密度，而活化重晶石的密度與重晶石的密度相差不大（4.2 g/cm3），對于加重到相同密度的鉆井液，活化鐵礦粉的用量要小，其鉆井液中固相顆粒也少，黏度、切力相對要小，鉆井液的流變性要好；（3）當(dāng)開始加入加重劑時(shí)，黏土對細(xì)顆粒有較強(qiáng)的包被作用，鉆井液顆粒粗于加重劑顆粒［6］，此時(shí)摩擦形式表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦，隨著加量增加，固相含量增大，導(dǎo)致黏滯系數(shù)增大。當(dāng)密度達(dá)到某一臨界值時(shí)，起軸承作用的粒子開始出現(xiàn)，此時(shí)黏滯系數(shù)出現(xiàn)峰值［4］；隨著加量增加，起軸承作用的粒子也隨著增加，滑動(dòng)摩擦逐漸轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，黏滯阻力減少，故出現(xiàn)隨加量的增加黏滯系數(shù)降低的現(xiàn)象。

圖2 不同加重劑的掃描電鏡照片

2.4 加重劑復(fù)配對鉆井液潤滑性能的影響

活化鐵礦粉與重晶石或活化重晶石的比例為2:1時(shí)的效果較好［7］，以下加重劑配比按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2:1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3，可以看出，在一定密度范圍內(nèi)，加重劑復(fù)配加重時(shí)鉆井液濾餅黏滯系數(shù)要優(yōu)于單獨(dú)加重。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)鉆井液中活化鐵礦粉與重晶石或活化重晶石同時(shí)存在時(shí)，此時(shí)活化鐵礦粉主要起支撐作用，而重晶石和活化重晶石主要起潤滑作用，優(yōu)化了鉆井液的潤滑性能，從而降低了濾餅黏滯系數(shù)。

圖3 不同加重劑及復(fù)配對濾餅黏滯系數(shù)影響對比

活化鐵礦粉與活化重晶石復(fù)配加重濾餅黏滯系數(shù)優(yōu)于活化鐵礦粉與重晶石復(fù)配，其主要原因?yàn)椋海?）活化鐵礦粉與活化重晶石的平均粒徑接近程度要優(yōu)于活化鐵礦粉與重晶石，所以在同一比例復(fù)配情況下，前者復(fù)配的顆粒分布要比后者均勻，在鉆井液體系中均勻性更好，有利于減小鉆井液流動(dòng)的摩擦力；（2）活化重晶石是重晶石通過物理化學(xué)作用在其表面包裹具有一定構(gòu)型的基團(tuán)，以降低細(xì)顆粒表面的活化能與阻滯效應(yīng)，使加重材料與水分子之間隔離，減少水分子的吸附，而且使重晶石間的摩擦轉(zhuǎn)換成活性劑間的相互作用，降低內(nèi)摩擦［8-9］；（3）顆粒表面電位愈高，其表面親水性增強(qiáng)，在清水中的沉降速度降低［10-11］，顆粒的分散體系愈穩(wěn)定。由Zeta電位儀測得3種加重劑的電位，重晶石為–17.6 mV、活化重晶石為–29.7 mV、活化鐵礦粉為–23.8 mV。相比重晶石，活化重晶石在鉆井液體系中均勻性更好，鉆井液流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力要低，其黏度、切力也要低［12-14］，潤滑性相對要好；（4）相比重晶石，活化重晶石在常溫與高溫條件下有較好的抑制增稠效果，活化重晶石加重漿具有很低的塑性黏度和動(dòng)切力，良好的流動(dòng)性［11］。

3 結(jié)論

（1）高密度條件下，重晶石，活化重晶石和活化鐵礦粉均有改善鉆井液潤滑性的作用。

（2）重晶石、活化重晶石和活化鐵礦粉改善鉆井液潤滑性的臨界密度分別為1.6 g/cm3、1.4 g/cm3、1.2 g/cm3，超過此臨界密度時(shí)，其鉆井液潤滑性均有變好的趨勢。

（3）兩種加重劑的復(fù)配加重要好于單種加重劑的加重效果，而且活化鐵礦粉與活化重晶石配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2:1）時(shí)，鉆井液潤滑效果最好。

［1］鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2001.

［2］艾貴成，喻著成，李喜成，等.高密度水基鉆井液流變性控制技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：45-48.

［3］董悅，蓋姍姍，李天太，等.固相含量和密度對高密度鉆井液流變性影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（4）：36-40.

［4］馬勇，崔茂榮，楊冬梅，等.加重劑對水基鉆井液潤滑性能的影響研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（10）：58-60.

［5］肖國章，趙國仙，韓勇.重晶石和鐵礦粉對套管磨損的實(shí)驗(yàn)研究［J］.鉆井液與完井液，2007，24（5）：74-75.

［6］張明，李天太，趙金省，等.高密度鉆井液粒度分布特征研究［J］.鉆采工藝，2011，34（4）：83-85.

［7］張喜鳳，李天太，施里宇，等.深井抗高溫高密度鹽水鉆井液實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，22（5）：37-40.

［8］趙素麗，常連玉，蔡利山.活化鐵礦粉技術(shù)及其效果評價(jià)［J］.鉆井液與完井液，2007，24（S0）：78-81.

［9］雷紹民，龔文琪，宋安強(qiáng)，等.重晶石提純及表面改性研究［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2004，24（4）：21-27.

［10］DARLEY H C H, GRAY G R.Composition and properties of drilling and completion fl uids［M］. 5-th edition. Gulf Publishing Company, 1988.

［11］賈鐸，潘慧芳.活化重晶石可改善重泥漿的流動(dòng)性和動(dòng)力穩(wěn)定性［J］.鉆井液與完井液，1995，12（5）：1-5.

［12］沈偉，李銀素，張菊芬，等.抗鹽鈣抗高溫的活化重晶石 PF-BAR A［J］.鉆井液與完井液，2001，18（1）：1-2.

［13］岳前升，黃熠.高密度鉆井液在緬甸合作區(qū)塊中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（5）：56-59.

［14］常連玉.巴什托油氣田高密度鉆井液技術(shù)研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：49-52.