粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究

韓成，張超，劉賢玉，王成龍，徐靖

(中海油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

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粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究

韓成，張超，劉賢玉，王成龍，徐靖

(中海油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

[摘要]流變性控制與維持是高密度鉆井液施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。通過分析粒度級配對高密度鉆井液流變性的影響，確定出重晶石和鐵礦粉的最佳粒度級配，依據(jù)Aflred分布方程考察了分布模數(shù)對重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液流變性的影響。試驗結(jié)果表明，加重材料合理的粒度級配可顯著改善高密度鉆井液的流變性；當重晶石顆粒分布模數(shù)n=0.4，鐵礦粉顆粒分布模數(shù)n=0.6時，加重的高密度鉆井液的流變性較好，同時能保持較低的沉降密度差和高溫高壓濾失量。

[關(guān)鍵詞]粒度級配；高密度鉆井液；流變性；分布模數(shù)

隨著高溫高壓油氣勘探開發(fā)的深入，高密度鉆井液的研究與應(yīng)用越來越廣泛[1，2]，重晶石和鐵礦粉是高密度鉆井液主要的加重材料。高密度鉆井液流變性控制已成為深井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)[3]。目前，國內(nèi)粒度級配理論主要用于改善水煤漿的流動性[4]，但在改善高密度鉆井液流變性的研究程度不夠，只是研究重晶石的不同粒度區(qū)間組合對高密度鉆井液性能的影響，未從顆粒分布模數(shù)分析最佳的粒度級配方式[5，6]。筆者根據(jù)Aflred分布方程，計算出高密度鉆井液加重材料重晶石和鐵礦粉在不同分布模數(shù)下各粒度區(qū)間內(nèi)顆粒的百分數(shù)，然后考察了根據(jù)計算結(jié)果加重的高密度鉆井液的流變性能，旨在為高密度鉆井液的流變性控制提供參考。

1粒度級配理論基礎(chǔ)

Alfred方程是經(jīng)典的連續(xù)堆積理論，是一種基于連續(xù)尺寸分布顆粒的級配理論。在20世紀70年代大力發(fā)展高濃度水煤漿時，Dinger和Funk對Andreasen方程進行了修正，從而提出了Alfred方程[7]：

式中，y為小于粒度d的含量，%；dL為最大粒度，μm；ds為最小粒度，μm；n為模數(shù)。

目前，粒度極配理論已廣泛用于高密度鉆井液流變性能研究。當高密度鉆井液中的小顆粒較少而大顆粒較多，或者小顆粒較多而大顆粒較少時，都會引起高密度鉆井液的加重材料顆粒之間的堆積程度，顯著影響高密度鉆井液流動相的體積分數(shù)，導致高密度鉆井液的黏度增大、流變性變差[8]。因此，在密度一定的條件下，高密度鉆井液有一最佳的粒度分布，使得適量的小顆粒完全充填在大顆?？障堕g，從而實現(xiàn)緊密堆積。

2粒度級配理論計算

根據(jù)GB/T5005確定75、45和6μm分別為加重材料顆粒尺寸節(jié)點，同時結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，確定加重材料最大粒徑dL為106μm，最小粒度ds為0.3μm[9]。根據(jù)Aflred方程，計算分布模式n=0.1～0.8時各個粒度區(qū)間內(nèi)顆粒的百分數(shù)，結(jié)果如表1所示。

3結(jié)果分析

表1　不同分布模數(shù)下加重材料顆粒粒度分布

選取目前深井超深井常用的聚磺鉆井液，其配方為3%膨潤土+0.35%NaOH+0.5%PAC-lv+ 0.3%span-80+4%SPNH+2%SMP-1+3.5%SMC+1.2% SF-260+2.5% FT-A+2% Lube，將不同粒徑范圍的重晶石和鐵礦粉按照表1理論計算值，加重鉆井液密度至2.4g/cm3，經(jīng)過150℃老化16h后，測量試驗漿性能。

3.1粒度級配對流變性的影響

將老化后的試驗漿冷卻至室溫，充分攪拌后測試流變性。根據(jù)六速旋轉(zhuǎn)黏度計測試的數(shù)據(jù)，繪制不同分布模數(shù)的重晶石和鐵礦粉的加重鉆井液流變曲線，如圖1所示。

圖1　加重材料按不同分布模數(shù)加重的高密度鉆井液流變曲線

由圖1可知，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的流變曲線均表現(xiàn)出塑性流體特征。在不同分布模數(shù)n下，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的流變曲線差異較大。當重晶石顆粒分布模數(shù)n=0.4、鐵礦粉顆粒分布模數(shù)n=0.6時，其各自加重的高密度鉆井液在相同剪切速率下對應(yīng)的剪切應(yīng)力較低。尤其是在高剪切速率下，效果更為明顯。

隨著分布模數(shù)n增大，重晶石和鐵礦粉粒徑45μm以上的粗顆粒含量增多，粒徑6μm以下的細顆粒含量減少。當重晶石顆粒級配分布模數(shù)為0.4，鐵礦粉顆粒級配分布模數(shù)為0.6，粒度級配效果較優(yōu)，此時鉆井液粒度分布如圖2所示。由圖2可知，鉆井液粒度分布范圍寬，其D10在2μm左右，D50/D90均小于1/3，粗、細顆粒含量適當，小顆粒位于大顆?？障堕g起軸承作用，而大顆粒也由于小顆粒的支撐更容易流動，從而高密度鉆井液的流變性得到顯著改善。

高密度鉆井液的流變性由固、液兩相的物理和化學性質(zhì)決定，同時由于重晶石和鐵礦粉的微觀形狀、密度及表面性質(zhì)等方面的差異，也會對各自加重的高密度鉆井液的流變性產(chǎn)生影響，這也就解釋了重晶石和鐵礦粉顆粒最佳粒度分布模數(shù)不同的原因。

3.2粒度級配對沉降穩(wěn)定性的影響

將各試驗漿充分攪拌后靜置24h后測量上下部密度差，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著分布模數(shù)n增大，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的沉降密度差基本均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當分布模數(shù)n=0.3～0.4時，重晶石加重鉆井液沉降密度差保持在0.01g/cm3；當分布模數(shù)n=0.5～0.6時，鐵礦粉加重鉆井液的沉降密度差保持在0.02g/cm3。因此，重晶石和鐵礦粉在最優(yōu)的分布模數(shù)下，其各自加重的高密度鉆井液沉穩(wěn)穩(wěn)定性也能保持較好。

圖2　高密度鉆井液粒度分布圖

圖3　不同分布模數(shù)下高密度鉆井液的沉降密度差

3.3粒度級配對高溫高壓濾失量的影響

測試重晶石和鐵礦粉加重的試驗漿的高溫高壓(150℃/3.5MPa)濾失量以及泥餅厚度，結(jié)果見表2。由表2可知，不同分布模數(shù)n下，重晶石和鐵礦粉對應(yīng)的高溫高壓濾失量和泥餅厚度差別較大。當重晶石顆粒分布模數(shù)n=0.3～0.4，鐵礦粉顆粒分布模數(shù)n=0.6時，鉆井液固相粒度分布較寬，小顆粒對大顆粒的充填效果明顯，泥餅堆積程度高，因而其各自加重的高密度鉆井液高溫高壓濾失量和泥餅厚度較小。

表2　加重材料按不同分布模數(shù)加重的高密度鉆井液

4結(jié)論

1)加重材料合理的粒度級配可顯著改善高密度鉆井液的流變性。

2)加重材料粒度分布遵循Aflred分布方程時，當重晶石顆粒分布模數(shù)n=0.4，鐵礦粉顆粒分布模數(shù)n=0.6時，其加重的高密度鉆井液具有良好的流變性，同時也能保證高密度鉆井液具有較低的沉降密度差和濾失量。

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[編輯]辛長靜

[收稿日期]2016-02-17

[基金項目]國家科技重大專項(2016ZX05024-005)。

[作者簡介]韓成(1987-)，男，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事鉆井液技術(shù)方面的研究工作；E-mail：hubeihancheng@163.com。

[中圖分類號]TE254

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)16-0018-03

[引著格式]韓成，張超，劉賢玉，等.粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(16)：18～20.