李 偉 王平全 王 波 羅平亞 楊坤賓 蒲亮春

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，西安 710075 ；2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500)

近年來(lái)，隨著鉆井不斷加深，鉆探過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)井壁垮塌、縮徑、卡鉆、壓力激動(dòng)等鉆井工藝問(wèn)題。這些復(fù)雜工藝問(wèn)題主要受泥餅質(zhì)量的影響，為此研究泥餅質(zhì)量具有很大的實(shí)際意義。不同粒徑的重金石顆粒相互填充堆積效果不同，達(dá)到的密堆積程度迥異[1]，直接影響泥餅質(zhì)量。合理的粒徑搭配使得形成的泥餅密堆積程度更高，而泥餅的密堆積程度又對(duì)泥餅孔隙度、泥餅滲透率、泥餅強(qiáng)度、鉆井液濾失量、泥餅厚度、泥餅光滑度等具有很大影響[2]。密堆積程度較高的泥餅孔隙度小、滲透率小、強(qiáng)度高、厚度小、鉆井液濾失量低，體現(xiàn)為泥餅質(zhì)量?jī)?yōu)良。為了提高泥餅質(zhì)量，特研究不同粒徑顆粒間的相互組合，擬找出重金石的最佳復(fù)配方式。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：膨潤(rùn)土；Fv-2；SMP-II；SPNH；SMC；CaCO3；SM-1；無(wú)水碳酸鈉；密度為4.15 gcm3的普通重晶石(平均粒徑約為75 μm，200目)；密度為4.4 gcm3的0.89 μm重晶石。

儀器：目數(shù)為200目(75 μm)、250目(60 μm)、325目(46.2 μm)、400目(37.5 μm)的分選篩；JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；鉆井液用密度計(jì)；NGJ-2型數(shù)顯無(wú)級(jí)變速高速攪拌機(jī)；JJ-1型電動(dòng)攪拌機(jī)；GZX-DH-30×35型電熱恒溫干燥箱；GW300-PLC型數(shù)顯式滾子加熱爐；JY1001型電子天平；DL-Ⅱ型泥餅測(cè)試儀；GGS42-2A型高溫高壓濾失儀；RGPM-70脈沖法滲透率測(cè)試儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)用JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱使重晶石干燥，然后根據(jù)GB 5005-94鉆井液用重晶石粉的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，用分選篩對(duì)重晶石進(jìn)行篩選，得到足量的單一組段200目 — 250目、250目 — 325目、325目 — 400目重晶石待用。

(2)進(jìn)行基漿配制，取70 ℃蒸餾水10 L，加入5%膨潤(rùn)土，在電動(dòng)攪拌機(jī)下攪拌20 min，然后加入土量6%的無(wú)水碳酸鈉，持續(xù)攪拌120 min，將配制好的基漿放在室溫下密封護(hù)養(yǎng)24 h待用。

(3)將護(hù)養(yǎng)后的基漿置于電動(dòng)攪拌機(jī)下攪拌10 min，量取7 L待用，然后將量取的7 L基漿置于電動(dòng)攪拌機(jī)下攪拌配制成輕漿。

(4)量取6 000 mL輕漿，均分為12組，每組500 mL，然后在高速攪拌機(jī)下分別復(fù)配加重至2.5 gcm3，具體加重方式如表1所示。

(5)將加重后的鉆井液置于滾子加熱爐中老化(條件150 ℃、16 h)，然后測(cè)其濾失量、泥餅滲透率、泥餅厚度、泥餅強(qiáng)度等參數(shù)，以評(píng)價(jià)泥餅質(zhì)量。

表1 輕漿加重方式

注：1#— 5#為對(duì)照組，1#— 2#采用的是單一的重晶石，3#— 5#采用的是用分選篩篩選后單一組段的重晶石，6#— 12#為實(shí)驗(yàn)組，采用的是普通重晶石、0.89 μm重晶石與篩選組段重晶石復(fù)配，而為消去復(fù)配后各成分的質(zhì)量影響因素，特將復(fù)配重晶石的質(zhì)量比均定為1∶1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同復(fù)配方式對(duì)各項(xiàng)性能的影響

將老化后的鉆井液置于室溫下冷卻至室溫，發(fā)現(xiàn)均無(wú)沉淀，表明沉降穩(wěn)定性好；然后再在HTHP失水儀上測(cè)其半小時(shí)濾失量，取出所得的泥餅測(cè)其厚度、強(qiáng)度和滲透率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同復(fù)配重晶石對(duì)鉆井液性能的影響

注：濾失量為HTHP半小時(shí)濾失量，各組鉆井液基礎(chǔ)配方：5%土漿+0.3%Fv-2+5%SMP-II +5%SPNH+5% SMC+30%NaCl+1%SM-1

表2顯示，復(fù)配重晶石對(duì)鉆井液泥餅質(zhì)量具有很大影響。根據(jù)表1的加重方式將12組鉆井液分為3個(gè)系列，研究復(fù)配重晶石對(duì)鉆井液泥餅質(zhì)量的影響。系列1：加重材料為單一類重晶石的1#— 5#，依次記點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5；系列2：普通重晶石與其余粒徑重晶石進(jìn)行復(fù)配的6#— 9#，按平均粒徑由大到依次記7#為點(diǎn)1、8#為點(diǎn)2、9#為點(diǎn)3、6#為點(diǎn)4；系列3：0.89 μm重晶石與其余粒徑重晶石復(fù)配的6#和10#— 12#，按平均粒徑由大到依次記6#樣為點(diǎn)1、10#為點(diǎn)2、11#為點(diǎn)3、12#為點(diǎn)4。再分別以各組鉆井液的濾失量、滲透率、泥餅厚度、泥餅強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，各組對(duì)應(yīng)點(diǎn)號(hào)為橫坐標(biāo)，繪制曲線，結(jié)果如圖1 — 圖4所示。系列1為單一類重晶石加重，幾乎都為全失水，所以視系列1的失水量為無(wú)窮大。

圖1 鉆井液濾失量曲線

圖2 泥餅滲透率曲線

圖3 泥餅厚度曲線

圖4 泥餅強(qiáng)度曲線

通過(guò)數(shù)據(jù)表2及趨勢(shì)圖1 — 圖4分析可知：

(1)鉆井液HTHP濾失量：1#— 5#為單一種類重晶石，幾乎都為全濾失，表明1#— 5#加入單一種類重晶石形成的泥餅滲透率較高；6#— 9#為API重晶石與其他不同粒徑重晶石復(fù)配而成，通過(guò)對(duì)比失水量大小發(fā)現(xiàn)6#(API重晶石與0.89 μm重晶石復(fù)配)復(fù)配方式得到的鉆井液濾失量最?。?#、10#— 12#為0.89 μm重晶石與其他不同粒徑重晶石復(fù)配而成，通過(guò)對(duì)比失水量大小發(fā)現(xiàn)11#(0.89 μm重晶石與250目 — 325目重晶石復(fù)配)復(fù)配方式得到的鉆井液濾失量最??；對(duì)比整個(gè)12組鉆井液濾失量知11#(0.89 μm重晶石與250目 — 325目重晶石復(fù)配)復(fù)配方式得到的鉆井液的失水造壁性最好。

(2)泥餅滲透率：對(duì)比12組鉆井液的泥餅滲透率知，1#— 5#單一種類重晶石加重得到的泥餅滲透率均大于用復(fù)配重晶石加重得到的泥餅滲透率，整個(gè)12組鉆井液泥餅滲透率以11#滲透率最低。

(3)泥餅厚度：通過(guò)12組鉆井液的泥餅厚度對(duì)比知，1#— 5#只加單一種類重金石加重得到的泥餅厚度遠(yuǎn)大于用復(fù)配重晶石加重得到的泥餅厚度，整個(gè)12組鉆井液泥餅以11#最薄。

(4)泥餅強(qiáng)度：對(duì)比12組鉆井液的泥餅強(qiáng)度知，1#— 5#單一種類重晶石加重得到的泥餅厚度小于用復(fù)配重晶石加重得到的泥餅強(qiáng)度，整個(gè)12組鉆井液泥餅以11#強(qiáng)度最高。

對(duì)比圖1 — 圖4中系列2和系列3發(fā)現(xiàn)，用0.89 μm重晶石與其余粒徑重晶石復(fù)配得到的泥餅質(zhì)量明顯優(yōu)于用普通重晶石與其余粒徑復(fù)配后得到的泥餅，而系列3中又以11#(0.89 μm重晶石:250目 — 325目重晶石)的失水量和滲透率最低、泥餅最薄、強(qiáng)度最高，泥餅質(zhì)量最好；系列2是以普通重晶石為基礎(chǔ)，用其余重晶石與之進(jìn)行復(fù)配，圖1 — 圖4中系列2的變化趨勢(shì)表明隨著復(fù)配重晶石的粒徑逐漸變小，泥餅濾失量、滲透率、厚度也逐漸變小、強(qiáng)度逐漸增大，泥餅質(zhì)量逐漸得到改善；系列3中以0.89 μm重晶石為基礎(chǔ)，用其余重晶石與之進(jìn)行復(fù)配，圖1 — 圖4中系列3的變化趨勢(shì)表明隨著復(fù)配重晶石的粒徑逐漸變小，泥餅濾失量、滲透率、厚度先變小后增大、強(qiáng)度先增大后減小，泥餅質(zhì)量先變好后變差。

2.2 結(jié)果與分析

固相顆粒粒徑均一或顆粒尺寸范圍分布很窄時(shí)，顆粒粒徑集中，小顆粒對(duì)大顆粒的充填效果不明顯，堆積密度低；相反，當(dāng)固相顆粒粒度組成為多粒徑段時(shí)，固相顆粒在堆積時(shí)小顆粒對(duì)大顆粒填充效果明顯，形成的泥餅堆積密度高[4-5]。顆粒堆積密度低則泥餅孔隙度大，而孔隙度大則使泥餅滲透率高、濾失量大，同時(shí)孔隙度大的泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。因此粒度組成單一的重晶石加重得到的泥餅質(zhì)量明顯差于復(fù)配重晶石加重得到的泥餅。

當(dāng)以不同的方式復(fù)配時(shí)，大小顆粒的粒徑差不同，小顆粒對(duì)大顆粒的填充效果不同，泥餅的堆積密度也將不同[6]。那么當(dāng)小顆粒的半徑剛好等于晶孔半徑時(shí)，小顆粒對(duì)晶孔的填充效果最佳，堆積密度最高，達(dá)到理想填充效果；當(dāng)小顆粒的半徑大于晶孔半徑時(shí)，小顆粒將對(duì)大顆粒形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)向外的“撐力”，對(duì)晶格產(chǎn)生破壞，堆積密度降低；當(dāng)小顆粒的半徑較小時(shí)，小顆粒在晶孔中容易“滲漏”不能很好滯留，但是相對(duì)于晶孔半徑的大小，小顆粒的半徑一般不會(huì)太小，所以小顆粒在晶孔中的“滲漏”現(xiàn)象較少，堆積密度相對(duì)于理想充填密度會(huì)有所降低但是不會(huì)太大。系列2中形成晶體結(jié)構(gòu)的重晶石為普通重晶石，即晶孔半徑為定值，而其余復(fù)配顆粒與普通重晶石粒徑差相對(duì)較小，小顆粒的半徑相對(duì)于晶孔的半徑較大，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)具有“撐力”作用，但是隨著粒徑差逐漸增大，“撐力”作用逐漸減小，堆積密度逐漸增大，泥餅質(zhì)量逐漸變好。系列3中的復(fù)配顆粒粒徑差較大，具有“滲漏”現(xiàn)象，但是隨著粒徑差逐漸變小“滲漏”現(xiàn)象先逐漸減少，后逐漸增加，堆積密度先逐漸增加后逐漸減小。這是因?yàn)榛A(chǔ)顆粒為0.89 μm重晶石，只能作為填充顆粒，即填充顆粒粒徑為定值，而與之復(fù)配的顆粒才是形成晶體結(jié)構(gòu)的“骨架”顆粒。隨著“骨架”顆粒半徑的逐漸減小，晶孔半徑也會(huì)逐漸減小，當(dāng)晶孔半徑減小到一定程度時(shí)，若再減小“骨架”顆粒的半徑，0.89 μm重晶石對(duì)晶孔就會(huì)產(chǎn)生“撐力”作用反而降低堆積密度。在所有復(fù)配方式中以系列3中的點(diǎn)3為最佳，即用0.89 μm重晶石與250目 — 325目重晶石復(fù)配最佳。

3 結(jié) 語(yǔ)

單一重晶石粒度組成單一，范圍窄，加重得到的泥餅質(zhì)量差，且粒度分布越集中泥餅質(zhì)量越差。

復(fù)配重晶石粒度分布較廣，小顆粒的填充效果明顯，得到的泥餅質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于單一類重晶石。

當(dāng)復(fù)配重晶石中的小顆粒粒徑比大顆粒間的空隙大時(shí)，小顆粒對(duì)大顆粒將產(chǎn)生一個(gè)向外的“撐力”破壞大顆粒間的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致堆積密度大幅降低，使得泥餅質(zhì)量大幅變差。

當(dāng)復(fù)配重晶石中的小顆粒粒徑小于大顆粒間的空隙時(shí)，小顆粒在空隙中會(huì)有少許的“滲漏”現(xiàn)象，導(dǎo)致堆積密度產(chǎn)生小幅降低，使得泥餅質(zhì)量小幅變差。

各組復(fù)配重晶石中，用0.89 μm重晶石與250目 — 325目重晶石進(jìn)行復(fù)配時(shí)，小顆粒對(duì)大顆粒向外推擠現(xiàn)象和“滲漏”現(xiàn)象最弱，得到的堆積密度最高，泥餅質(zhì)量最好。

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