(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266580)

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)向深部發(fā)展,深井、超深井鉆探數(shù)量日益增加,重晶石、鐵礦粉等傳統(tǒng)加重材料容易導(dǎo)致高密度鉆井液流變性差、沉降嚴(yán)重、摩阻大等問(wèn)題的發(fā)生[1-2]。近年來(lái),國(guó)外室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)四氧化三錳加重的高密度鉆井液體系表現(xiàn)出塑性黏度低、懸浮穩(wěn)定性良好、機(jī)械摩阻低等優(yōu)點(diǎn),從而大量替代重晶石加重鉆井液,很好地滿足了高溫高壓井、海洋深水井高密度鉆井液的需要[3-4]。國(guó)內(nèi)四氧化三錳的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量均居世界首位,但是主要用于電子、通訊、電腦、家用電器等領(lǐng)域[5],對(duì)四氧化三錳用作鉆井液加重材料的研究報(bào)道較少。為此,本文對(duì)比評(píng)價(jià)了四氧化三錳與傳統(tǒng)高密度加重材料的加重特性,系統(tǒng)論述了四氧化三錳用作鉆井液加重劑的可行性,為高密度鉆井液加重劑的研究開(kāi)發(fā)提供參考。

1 幾種加重劑的基本性質(zhì)

1.1 一般性能

依據(jù)鉆井液材料規(guī)范測(cè)試四氧化三錳、重晶石、鐵礦粉的密度、酸溶解度、莫氏硬度,并利用bettersize 2000激光粒度分布儀測(cè)試了加重材料的粒度分布以及比表面積,結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,四氧化三錳的密度介于重晶石和鐵礦粉之間,顆粒較小,比表面積較大。

1.2 表面電性

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的四氧化三錳、重晶石、鐵礦粉懸浮溶液中,通過(guò)滴加H2SO4或NaOH稀溶液調(diào)節(jié)pH值,水浴振蕩器中恒溫振蕩2 h后取部分懸浮液,隨即采用zetasize 3000電位儀測(cè)量懸浮液中加重劑顆粒電位,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,顆粒表面的ζ電位隨著pH值的增大而減小,同一pH值時(shí),四氧化三錳顆粒表面ζ電位小于重晶石和鐵礦粉,當(dāng)pH值大于8.4時(shí),四氧化三錳顆粒表面的ζ電位小于-30 mV。研究表明顆粒表面ζ電位在±30 mV之外時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)[6],這是由于四氧化三錳顆粒表面羥基的離子化使得負(fù)電性更強(qiáng),表面活性更高,在溶液中更穩(wěn)定。

表1 加重劑的一般性能Tab.1 General property of three weighting agents

圖1 不同pH值下加重材料的ζ電位Fig.1 Zeta potential of three weighting materials under different pH values

1.3 顆粒微觀形狀

3種加重材料的掃描電鏡結(jié)果如圖2所示,四氧化三錳顆粒形狀呈球形,重晶石顆粒呈塊狀,鐵礦粉顆粒形狀不規(guī)則,顆粒邊緣棱角較尖銳。

圖2 加重材料掃描電鏡Fig.2 SEM of three weighting materials

1.4 動(dòng)力穩(wěn)定性

利用MA2000型紅外掃描動(dòng)態(tài)穩(wěn)定測(cè)試儀Turbiscan,測(cè)量了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的加重材料水懸浮溶液的沉降動(dòng)力穩(wěn)定性,結(jié)果如圖3所示。鐵礦粉顆粒在幾分鐘內(nèi)就已經(jīng)完全沉降,重晶石在200 min左右完全沉降,經(jīng)過(guò)400 min后四氧化三錳仍然沒(méi)有完全沉降,可見(jiàn)四氧化三錳顆粒的沉降速率較小。

圖3 加重材料在水中動(dòng)力穩(wěn)定性Fig.3 Dynamic stability of three weighting materials in water

2 四氧化三錳高密度鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.1 流變?yōu)V失性

選取目前深井、超深井鉆井常用的聚磺鉆井液體系為基礎(chǔ)配方,分別用四氧化三錳、重晶石、鐵礦粉加重聚磺鉆井液密度到1.6、1.8、2.0、2.2、2.4g·cm-3,經(jīng)過(guò)150℃/16 h老化后,鉆井液性能如表2所示。

由表2可知,隨密度的增加,重晶石加重體系的黏度、切力增加最快,當(dāng)密度超過(guò)2.4g·cm-3時(shí),重晶石和鐵礦粉加重鉆井液的黏度已超出儀器量程,而四氧化三錳塑性黏度一直保持在較小值。這是由于四氧化三錳球形顆粒粒間摩擦較小,塑性黏度大幅度降低,鐵礦粉的密度大于重晶石和四氧化三錳,當(dāng)加重到相同的鉆井液密度時(shí),鐵礦粉加重體系所含的固含量最小,因而流變性優(yōu)于重晶石和四氧化三錳加重體系。

3種加重材料的API濾失量都小于5 mL,但是四氧化三錳加重體系的API濾失量稍大于傳統(tǒng)加重材料加重體系,一方面可能是由于四氧化三錳的比表面積大,容易吸附鉆井液處理劑,且隨著密度的增加,吸附量也增大,降濾失效果變差[7];另一方面可能由于四氧化三錳粒度分布窄,顆粒級(jí)配較差,對(duì)泥餅孔隙填充較差,導(dǎo)致濾失量增大。

表2 流變?yōu)V失性對(duì)比Tab.2 Comparison of rheology and filtration of three weighting material system

2.2 沉降穩(wěn)定性

將2.1節(jié)中的鉆井液實(shí)驗(yàn)漿充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h,其沉降穩(wěn)定性如圖4所示。由圖4可知,四氧化三錳加重體系上下密度差可以維持在0.01 g·cm-3,滿足高密度鉆井液的沉降穩(wěn)定性要求。雖然四氧化錳的密度比重晶石大,但其顆粒的尺寸卻比重晶石小,這意味著這些顆?？梢员蝗鯓?gòu)造的鉆井液所支持,在較低的切力下不會(huì)聚結(jié)沉降,因此四氧化三錳加重體系的沉降穩(wěn)定性優(yōu)于重晶石和鐵礦粉。

圖4 3種加重體系的沉降穩(wěn)定性對(duì)比Fig.4 Comparison of sedimentation stability of three weighting material systems

2.3 潤(rùn)滑性能

室內(nèi)采用EP極壓潤(rùn)滑儀、泥餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀評(píng)價(jià)了2.1節(jié)中鉆井液的潤(rùn)滑性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3潤(rùn)滑系數(shù)可知,四氧化三錳加重體系的潤(rùn)滑系數(shù)在0.11左右,明顯小于重晶石、鐵礦粉加重體系。從掃面電鏡可以看出,四氧化三錳呈球形顆粒,摩擦過(guò)程中表現(xiàn)為滾動(dòng)摩擦,因而潤(rùn)滑性能最好;鐵礦粉顆粒邊緣尖銳且硬度較大(莫氏硬度為6.2),易對(duì)接觸表面產(chǎn)生微切削作用,潤(rùn)滑性能較差;而重晶石顆粒大多呈層狀結(jié)構(gòu)且硬度較小,在摩擦過(guò)程中,其層間滑動(dòng)在一定程度上減輕摩擦磨損,因而潤(rùn)滑系數(shù)在四氧化三錳和鐵礦粉之間[8]。

由表3泥餅黏滯系數(shù)可知,高密度鉆井液隨著加重材料加量增加,泥餅黏滯系數(shù)都有所降低,這可能是由于隨著加重材料的加入,起軸承作用的小粒子也隨著增加,滑動(dòng)摩擦逐漸轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦,黏滯阻力減小[9]。相同密度條件下,四氧化三錳加重體系的泥餅黏滯系數(shù)要比重晶石、鐵礦粉稍低。

表3 潤(rùn)滑性對(duì)比Tab.3 Comparison of lubrication performance of three weighting material systems

2.4 抗溫性能

室內(nèi)評(píng)價(jià)了加入3種不同加重材料的鉆井液的抗溫性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,經(jīng)過(guò)180℃老化后,鐵礦粉加重體系讀數(shù)為2,沉降穩(wěn)定性較差,而四氧化三錳的黏度、切力都較重晶石加重體系低,雖然讀數(shù)只有5/4,但是沉降穩(wěn)定性相對(duì)于重晶石較好[10];經(jīng)過(guò)48 h老化后,重晶石黏度顯著增大,四氧化三錳與鐵礦粉加重體系的黏度、切力、濾失均能保持穩(wěn)定。綜合對(duì)比可知,四氧化三錳加重體系的抗溫性能較優(yōu)。

表4 抗溫耐溫性對(duì)比Tab.4 Comparison of temperature resistance of three weighting material systems

2.5 與其他加重材料的復(fù)配性能

高密度鉆井液加重劑的用量較大,加重材料價(jià)格的高低直接影響到鉆井液成本。目前四氧化三錳的市場(chǎng)價(jià)格較高,為得到成本低、綜合性能好的高密度鉆井液,考慮將四氧化三錳與傳統(tǒng)高密度加重材料復(fù)配加重,復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 加重材料復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Performance of complex weighting materials

從表5可知,復(fù)配在一定程度上改善傳統(tǒng)加重劑加重的高密度鉆井液的流變性和潤(rùn)滑性,這可能是由于四氧化三錳顆粒在有棱角的重晶石粗顆?；蚴氰F礦粉粗顆粒之間充填,相當(dāng)于充當(dāng)了球形的滾珠,減小了固相顆粒之間的摩擦,使體系的黏度、切力下降,此時(shí)的重晶石、鐵礦粉顆粒主要起支撐作用,球形顆粒的四氧化三錳主要起潤(rùn)滑作用,也優(yōu)化了鉆井液的潤(rùn)滑性能。

復(fù)配也可以降低四氧化三錳的濾失量,這可能是由于四氧化三錳的加量減小,對(duì)鉆井液處理劑的吸附量也減小,另外,一般隨著鉆井液密度的加大,會(huì)有一定量的加重劑替代黏土微粒參與泥餅的形成,導(dǎo)致泥餅的滲透率增大,但粒徑較小的四氧化三錳顆粒與粒徑較大的重晶石顆?；蜩F礦粉顆粒復(fù)配,形成合理的級(jí)配,在濾失過(guò)程中加重粒子選擇性地填充在各級(jí)顆粒形成的孔隙之中,與架橋粒子、磺化瀝青一起形成致密的泥餅,顯著降低體系A(chǔ)PI濾失量和高溫高壓濾失量。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)四氧化三錳與傳統(tǒng)高密度加重材料相比,可以顯著改善高密度鉆井液的流變性能、沉降穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性能、抗溫性能,是高密度鉆井液的理想加重材料。

(2)四氧化三錳與傳統(tǒng)高密度加重材料復(fù)配可以較好地避免單一加重材料的缺陷,改善高密度鉆井液的流變?yōu)V失性、沉降穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性,同時(shí)在一定程度上降低四氧化三錳加重鉆井液的成本。

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