新型鉆井液加重材料概述

劉兆華 段國慶

摘 要：隨著復(fù)雜鉆井作業(yè)的日益增多，傳統(tǒng)的加重材料已經(jīng)無法滿足全部的作業(yè)需求，于是對鉆井液加重材料提出了新的需求。本文概述了目前常用的新型鉆井液加重材料的特性和應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：鉆井液;加重劑;微錳加重劑;鈦鐵粉

隨著全世界油氣資源的逐漸枯竭，為了獲取更多的油氣資源，油氣公司也面臨著更大的挑戰(zhàn)。深水井、超深水井、超大位移井、高溫高壓井等高難度鉆井作業(yè)逐年增多。這些高難度的鉆井作業(yè)往往伴隨著各種挑戰(zhàn)，包括窄密度窗口、井壁不穩(wěn)定、重晶石沉降、扭矩過高、井眼清潔、ECD過高等一系列可能導(dǎo)致鉆井成本升高的問題。復(fù)雜的鉆探環(huán)境對鉆井液的性能也有著更高的要求。傳統(tǒng)的加重材料重晶石由于存在粘度效應(yīng)高，懸浮性差，摩擦阻力大，破壞儲(chǔ)層等問題，已經(jīng)不能完全滿足目前的鉆探需求。為此，各個(gè)公司及科研機(jī)構(gòu)也不斷探索和研發(fā)新型的加重材料。本文通過調(diào)研國內(nèi)外的研究情況，發(fā)現(xiàn)新型的鉆井液加重材料主要有微錳粉、鈦鐵粉、方鉛礦、液體加重材料等。

1、微錳加重劑

微錳加重劑的主要成分是四氧化三錳，密度為4.8g/cm3。微錳加重劑是一種顆粒小、無磁性、硬度大、比較面積大的球形顆粒。經(jīng)過特殊工藝加工，它的粒徑在0.5-2μm，粒徑分布均勻，且顆粒是規(guī)則的球體，比表面積達(dá)2～4m2/g，易于懸浮[1]。微錳加重劑的莫氏硬度高，顆粒不易磨蝕分散，同時(shí)圓球度高，顆粒間摩擦小。相比重晶石等常規(guī)加重劑，它具如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）良好的沉降穩(wěn)定性;微錳加重劑顆粒的比表面積大，在相同的流變性能下，比傳統(tǒng)的重晶石等加重材料顆粒更容易懸浮。在靜切力很低的鉆井液中也能長時(shí)間懸浮，不會(huì)產(chǎn)生沉降的現(xiàn)象。

（2）良好的潤滑性;微錳顆粒是強(qiáng)度很高的球形顆粒，可以有效降低鉆井液內(nèi)部摩擦的同時(shí)可以在鉆具和井壁間起到固體潤滑劑的作用，對于降低扭矩效果明顯，適用于大位移井和水平井的鉆進(jìn)。

（3）良好的流變性;微錳加重劑是形狀規(guī)則的微米級球形顆粒，顆粒間的摩擦力非常小，及時(shí)在很高密度的情況下也能保持很低的塑性粘度和動(dòng)切力，可以有效降低ECD，可以很好的應(yīng)用于窄密度窗口的鉆井作業(yè)。

（4）良好的儲(chǔ)層保護(hù)特性;微錳加重劑為微米級的球形顆粒，進(jìn)入地層孔隙后非常容易返排，而且它可以近乎100%酸溶，所以可以通過酸化來進(jìn)一步解堵，幾乎不會(huì)對儲(chǔ)層產(chǎn)生損害。非常適合高溫高壓儲(chǔ)層的加重材料。

由于微錳加重劑的良好性能，最近幾年越來越多的被用作復(fù)雜鉆井作業(yè)的鉆井液加重劑。中海油服曾在印尼的高溫高壓項(xiàng)目和南海的深水鉆井作業(yè)中使用微錳加重劑作為儲(chǔ)層鉆開液的加重材料，均取得了很好的效果[2]。但是由于微錳加重劑價(jià)格昂貴，所以目前很難在常規(guī)鉆井液中普及應(yīng)用。

2、鈦鐵粉

鈦鐵粉由鈦鐵礦經(jīng)研磨而成，其密度為4.6 g/cm3。由于其密度高，早在 20 世紀(jì) 70 年代左右，鈦鐵粉就曾被用作鉆井液加重劑。但是由于其硬度很高，莫氏硬度在 5.0～5.5 之間，大顆粒的鈦鐵粉會(huì)對鉆井設(shè)備產(chǎn)生磨損。而且，由于鈦鐵礦中含有少量具有磁性的赤鐵粉，會(huì)對測井設(shè)備產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測井?dāng)?shù)據(jù)失真。由于上述不利因素，鈦鐵粉沒有被大面積用作鉆井液加重劑。

近幾年，研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次研磨和細(xì)化處理，可以將鈦鐵粉處理成直徑很小的球形顆粒，其磨蝕性會(huì)被很大程度的降低。此外，可以將鈦鐵礦中的赤鐵礦成分分離出來，從而消除其磁性。經(jīng)過特殊處理后的鈦鐵粉有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）密度高：鈦鐵粉的密度為4.6 g/cm3。

（2）硬度高：莫氏硬度在 5.0～5.5 之間，可以長時(shí)間使用，不會(huì)被磨細(xì)分散到鉆井液中，粘度效應(yīng)低，可以有效控制ECD。

（3）球形：易于懸浮在鉆井液中，不易沉降。鉆具的磨阻小，降低扭矩。

（4）酸溶：可以用于儲(chǔ)層鉆開液。

國內(nèi)王茜[4]等總結(jié)發(fā)現(xiàn)微細(xì)鈦鐵粉顆粒形態(tài)為圓弧鈍化， 其圓形度為 0.9 ; 磁性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%時(shí)， 可以有效消除鈦鐵粉對測作業(yè)的影響;通過降低顆粒粒徑可以降低磨蝕性，45 ?m 以上的顆粒低于 2.5% 時(shí)，其磨蝕性比重晶石低 60%;溶液Zeta 電位在 -30 mV 左右，可以有效懸浮微細(xì)鈦鐵粉顆粒;微細(xì)鈦鐵粉在 10%HCl 中溶解率可高達(dá) 90%以上。

超微鈦鐵粉的首次應(yīng)用是美 國 西 方 石 油 公 司在阿聯(lián)酋的一項(xiàng)非常規(guī)井勘探中[3]。該井采用氯化鈉聚合物鉆井液， 設(shè)計(jì)最高密度1.90 g/cm3，實(shí)際鉆探過程中鉆遇高壓地層，使用超微鈦鐵粉將密度提高至 2.35 g/cm3。雖然實(shí)際鉆井液密度遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)密度， 但現(xiàn)場鉆井液性能穩(wěn)定，說明超微鈦鐵粉可以很好的應(yīng)用于高密度鉆井液。

挪威?？希‥LKEM）公司已經(jīng)研發(fā)出了成熟的超微鈦鐵礦產(chǎn)品Microdense。

3、方鉛礦

方鉛礦是由金屬鉛和硫的化合物，呈黑褐色，密度可達(dá)7.4-7.7g/cm3，可用于配置超高密度的鉆井液。但是由于方鉛礦礦源很少，價(jià)格昂貴，只有在地層壓力極高的情況下才會(huì)考慮使用。滇黔桂石油勘探局曾經(jīng)在官3井的作業(yè)中使用了方鉛礦，鉆井液密度高達(dá)3.0g/cm3[5]。

4、可溶性鹽加重劑

可溶性鹽加重劑包括無機(jī)鹽類，如氯化鈣、溴化鈣、溴化鋅等，有機(jī)鹽類，如甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫?？扇苄喳}類加重劑可以有效降低鉆井液的固相含量，有利于流變性控制及提高機(jī)械鉆速。無機(jī)鹽類加重劑存在材料配伍性差，腐蝕性高等缺點(diǎn)。有機(jī)鹽類加重劑配伍性相對較好，腐蝕性較低，但是成本較高。

綜上所述，目前新型的惰性固體加材料包括微錳加重劑、鈦鐵粉和方鉛礦。其中微錳加重劑和鈦鐵粉優(yōu)點(diǎn)明顯，具有相對廣闊的應(yīng)用前景。液體加重材料由于其環(huán)境成本等限制因素，雖然一直都在使用，但是目前很難大范圍推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 張暉， 蔣紹賓， 袁學(xué)芳， 等. 微錳加重劑在鉆井液中的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2018， 35（1）： 1-7.

[2] 王雪松， 張榮， 向雄， 等. 使用微粉重晶石的高密度鉆井液體系在 LD10-1-1 井的應(yīng)用[J]. 石化技術(shù)， 2015 （2015 年 10）： 75-76.