高密度钻井液

新型钻井液加重材料

1 四氧化锰

贝克体斯公司使用专利加重材料---Micromax开发出了一种逆乳化钻井液。这种加重材料是四氧化锰，与重晶石颗粒相比，四氧化锰具有粒径小、颗粒呈球形的特点。由于球形颗粒的粒间摩擦很小，故钻井液的塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度比重晶石大得多，但其颗粒的尺寸却比重晶石小得多，这就意味着这些颗粒可以被弱结构的钻井液所支撑，同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。Micromax可以改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势，可在高温/高压井和小井眼中使用。对于高温/高压井，减轻沉降趋势和降低塑性粘度能大幅度缩短钻井时间，减少井下漏失。连续管钻井和过油管钻井的发展也为该钻井液的使用提供了潜在市场。

从健康与安全的角度来说，由于细颗粒尺寸和粉尘所带来的问题可以通过事先将加重材料与钻井液混合来避免。压井用的钻井液被运输到井场上，其中部分钻井液被油和盐水稀释成所需的钻井液密度。这一操作安全可靠，并能极大地简化采用非标准加重材料所带来的诸多问题。

超高密度钻井液

技术难点：

由于深井并底温度高，对高密度钻井液的处理异常复杂。经常陷人“加重一增稠—降粘一加重剂沉降—密度下降一再次加重”的恶性循环.影响钻井的正常进行，甚至可能引起严重卡钻事故。而本次研究的钻井液密度高达3.0.g/cm3.体系中的固相含量极高(若用重晶石作加重剂，其体积分数将大于60%)。体系的流变性和沉降稳定性之间的矛盾十分突出。C'hiligcrian G V等认为，重晶石的加重极限可以达到2. 64 g/ cm3，超过此极限，钻井液的流变性与沉降稳定性之间的矛盾将不可调和，出现顾此失彼的困难。显然，解决好密度为3.00 g/cm3钻井液的流变性和沉降稳定性之间的矛盾是超高密度钻井液研究成功的技术关键。

重晶石粉技术指标的研究

加重剂密度越大.钻井液中固相的体积分数就越小。Gary G R和Young Jr F S认为，方铅矿可将钻井液密度提高到3.85 g/cm3。但在中国，方铅矿尚未真正开发用于钻井行业。为此着重研究了重晶石。

1.重晶石粉密度

如果选用的重晶石密度大，则其在钻井液中的体积分数就较小.从而有利于改善钻井液流变性。在研究中选用了密度为4.4 g/cm''左右的重晶石粉。

2.重晶石粉的粒度

根据斯笃克斯定律，在重晶石粉密度一定的情况下况下，影响钻井液沉降稳定性的因素主要为重晶石粉粒度分布和钻井液液相粘度。二者必须相互协调，液相粘度太高影响钻井液流动性，太低则无法满足对钻井液沉降稳定性的要求;重晶石粒度太粗则沉降速率大，增加维持钻井液良好稳定性的难度.太细则钻井液流动性能难以调节。研究中发现，虽然Chiligcrian G V'等人提出了重晶石的理沦加重极限，但观点是建立在“重晶石各项技术指标均符合AYI标准”的基础上，对有特殊密度要求的钻井液，重晶石粒度可以不符合AP1标准。Briscoe B J等人认为，随着重晶石含量的增加。钻井液中粘土与重晶石颗粒间的相互作用存在三种方式，当重晶石的体积分数大于15%时，重晶石颗粒之间相互靠近，重晶石本身可能参与形成网状结构，从而增强了体系的凝胶强度(见图1>；而在密度为3. 00 g/cm3的钻井液中.重晶石的体积分数在60%以上，它在钻井液中形成的网状结构的强度不可忽视。

这样.重晶石粒度适度增粗后虽然一定程度上会使钻井液沉降稳定性变差，但其在钻井液中形成的微弱结构可以部分抵消这不良影响。围绕这一研究思路，经过试验确定了可配制密度为2. 92 ~ 3. 00 g/cm3'钻井液的重晶石粉粒度。

3.重晶石粉的粘度效应

超高密度钻井液中重晶石含量很高，如果重晶石粘度效应高，必然严重影响钻井液的流变性，使之不易控制通过对30多家厂商的重晶石进行分析，结合超高密度钻井液技术要求，确定用于配制超高密度钻井液的重晶石粘度效应为:在加硫酸钡前后的粘度变化必须小于50 mPa.s。

4.重晶石粉碱土金属含量

碱土金属含量是反映重晶石成矿纯度的一个重要指标，含量如果高则会严重影响钻井液的流变性.因此要求用于配制超高密度钻井液的重晶石的碱土金属含量必须为零。

5.高效稀释剂与重晶石粉表面性质研究

Cafe和Rebb等人认为，在碱性环境中，重晶石表面带微弱负电。另一方面，在碱性环境中重晶石粉表面离子处于不平衡状态，可吸附其他物质。根据法扬斯法规则，处于碱性环境中带负电的重晶石表面能吸附高价的阳离子，如Fe2+、A13+和Ti4+。这些被吸附的金属离子的原子具有空轨道，可接受配位体，具有络合能力，可与-OH ,-COOH等给电子基团产生络合吸附。这样，重晶石的表面弱负电性会因吸附高价离子而有所加强，重晶石在钻井液中的静电斥力增大，有利于钻井液沉降稳定性的改善，也利于弥补因重晶石颗粒变粗给钻井液沉降稳定性带来的负面影响。经过室内研究一种类似于铁铬木质素磺酸盐、带有Fe2+、A13+和Ti4+络合离子的稀释剂DQG-1可以显著地改变重晶石的表面性质，见表1和表2。

由表1可以说明，未加入DQG-1时，重晶石的表面ξ电势为-8mV，而DQG-1浓度仅为0.4%时，重晶石表面电势则可增至-13.28mV。DQG-1在钻井液中的加量可达到10%以上，这对配置超高密度钻井液是极为有利的。可使DQG-1大分子吸附于重晶石表面，形成有一定厚度的水化膜.重via } }:ro粒的表观体积增大，增大其在钻井液中的沉降阻力.使其动力稳定性增强。研究中还发现，1)L2G-1对重晶石具有一定的分散作用。由表2可以看出，如果不加1)QG-1.重晶石粒度的平均粒径和粒径中值较大.峰值也大，但随着IX}(}-1的加人，重晶石颗粒变细，平均粒径和粒径中值变小，峰值也变小.说明I)QG-1的加人，使原来凝聚在一起的重晶石颗粒分散开了，斥力加大了，体系趋于稳定的可能性加大了。此外，DQG-1不仅具有极强的稀释能入·同时具有良好的降滤失能力(见表3)，这对官3井下部深井钻进要求钻井液具有较小的滤失量极为有利。在表3中，井浆与各种稀释液按6:魂的比例混合。然后用重晶石加重到密度为2. 5 g/cm3.再加人5男的i} 1-Cl，然后测定体系的性能。井浆性能:密度为2. ,i6 }!cm';不流动.无法测漏斗粘度;滤失量为8 mL.泥饼厚度为10 mm;膨润土含量为'? :i到I.，固相含量为55%；含油5%，含水35%。稀释液配方如下（括号内数据为稀释液浓度）

1# SMT:NaOH=3:1(8%)

2# SMK:NaOH=5:1(8%)

3 #FCLS:NaOH=3:1(8%)

4 #XY-27:NaOH=10:1(8%)

5 #SMC:NaOH=5:1(10%)

6 #SMT:SMC:NaOH=2:1:0.5(10%)

7 #FCLS:SMP:NaOH=2:1:0.5(10%)

8#DQG-1:NaOH=6:1(25%)