加重剂类型对油基钻井液性能的影响评价

岳超先， 熊汉桥， 苏晓明， 庄严， 徐鹏

加重剂类型对油基钻井液性能的影响评价

岳超先， 熊汉桥， 苏晓明， 庄严， 徐鹏

（西南石油大学石油与天然气工程学院，成都610500）

岳超先，熊汉桥，苏晓明，等.加重剂类型对油基钻井液性能的影响评价[J].钻井液与完井液，2017，34（1）：83-86.

YUE Chaoxian， XIONG Hanqiao， SU Xiaoming，et al. Effects of different types of weighting agents on the performance of oil base drilling fl uids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：83-86.

油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性能，而加重剂对钻井液的性能有很大影响，不同加重剂配制的钻井液在现场钻进过程中效果不同。通过对毫微粉体、普通重晶石粉和微锰矿进行粒度分析，配制油基钻井液，测定钻井液的黏度、API滤失量、泥饼摩阻系数等性能，研究了不同加重剂对钻井液性能的影响。实验结果表明：毫微粉体的颗粒最小，配制的钻井液黏度最大，滤失造壁性差；普通重晶石粉配制的钻井液润滑性能不好，但受加量的影响小；微锰粉颗粒大，粒度分布广，与普通重晶石粉混合使用后钻井液的性能有明显提高。

加重剂；油基钻井液；滤失造壁性；润滑性；流变性

研究不同加重剂类型对油基钻井液性能的影响对提高油基钻井液性能有着重要意义。笔者采用3种不同类型的加重剂对油基钻井液进行加重，且加重剂的用量不断增加，对配制出的钻井液进行性能评价，研究加重剂的类型对钻井液性能的影响[1-8]。

1 室内实验

实验材料：普通重晶石粉，产地克拉玛依；毫微粉体，产地贵州；微锰粉，产地塔里木；柴油；降滤失剂；增黏剂；乳化剂；润湿剂。

实验器材：LA-950A2激光粒度分析仪；美国格雷斯公司生产的M3500-1低剪切泥浆黏度仪；青岛同春生产的DWY电稳定性测试仪；三联滤失测定仪；高速搅拌机。

钻井液配方为：320 mL柴油+2.6%主乳化剂+ 1.5%辅乳化剂+0.43%润湿剂+2.05%有机土+0.6%降滤失剂+0.8%碱度调节剂+20%盐水（20%氯化钙）+加重剂。

2 实验结果与分析

2.1 3种加重剂的粒度分析

为了观察3种加重剂的微观形态，分别取3种加重剂少量置于0.6%六偏磷酸钠溶液中，超声分散5 min，用LA-950A2激光粒度分析仪分别测出3种加重剂的粒度分布情况。可知，普通重晶石和微锰粉的颗粒要比毫微粉体的颗粒大得多，毫微粉体的颗粒全部分布在5 μm以内，平均粒径为2.46 μm，属于超细颗粒，D50和D90分别为1.093和1.85 μm。毫微粉体分布范围窄，不均匀系数α为1.41，粒度分布均匀。分选系数S为1.14，分选性好。普通重晶石分布在10 μm内的颗粒有37%，粒径在10～20 μm的颗粒占43%，平均粒径为17.1 μm，D50和D90分别为13.66 μm和40 μm。不均匀系数α为4.5，粒度分布比较均匀。分选系数S为1.72，分选性好。微锰粉分布范围大，分布在10 μm内的颗粒占40%，分布在10～100 μm的颗粒较多，达到58%，平均粒径为22.34 μm，颗粒较粗。微锰粉的D50和D90分别为13.02和77 μm，不均匀系数α为9.8，粒度分布不均匀，分选系数为2.52，分选性中等。3种加重剂中精细加重剂的粒度分布最均匀，分选性最好。普通重晶石次之，微锰粉最差。

2.2 加重剂对钻井液性能影响

在相同的实验条件下分别用毫微粉体、重晶石粉和微锰粉对钻井液进行加重，且相同加重剂分别加入200、400、600 g，加重后钻井液的密度如表1。测量不同加重剂在不同用量时的钻井液性能，研究加重剂对钻井液性能的影响。由表1可知，3种加重剂对钻井液的密度影响效果差别不大，在加重剂用量相同时，钻井液的密度基本一致。

表1 不同加重剂不同用量的钻井液密度

2.2.1 不同加重剂对钻井液黏度的影响

笔者用3种加重剂配制钻井液，将配制好的钻井液放入测量杯中，在常温下用M3500-1低剪切泥浆黏度仪测量钻井液的黏度，结果见表2。从表2可知，钻井液的表观黏度随着加重剂用量的增加而增加。这是因为一般情况下，随着钻井液中固相含量的增加，固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，颗粒间的内摩擦力也随之增加。在加重剂用量相同的情况下，3种加重剂对钻井液表观黏度的影响也有较大差别。用毫微粉体配制的钻井液表观黏度远远大于用普通重晶石和微锰粉配制的钻井液。从3种加重剂的粒度分析可知，毫微粉体的颗粒最小，比表面积最大，对自由水的吸附能力最强，故黏度效应最强，所以用毫微粉体配制的钻井液具有最大的表观黏度。而与毫微粉体相比，用量相同的情况下，普通重晶石和微锰粉的分散程度低，故黏度较小。一般情况下，与水基钻井液相比，油基钻井液的黏度更低，这是因为表观黏度包括流体内部由于摩擦作用所引起的黏度和黏土颗粒之间及高分子聚合物之间由于形成空间网架结构所引起的黏度，而水基钻井液流体内部摩擦引起的黏度一般大于油基钻井液。3种加重剂中，用毫微粉体配制的钻井液表观黏度大，携带岩屑能力强，有利于井眼净化，可以用于配制对表观黏度要求较大的钻井液；而普通重晶石和微锰粉的粗颗粒含量较多，表观黏度相对较小，有利于配制流动性好的钻井液。

表2 不同加重剂不同用量的钻井液表观黏度 （mPa·s）

2.2.2 不同加重剂对钻井液滤失造壁性的影响

为了研究3种加重剂对钻井液滤失造壁性的影响，笔者对3种加重剂配制的钻井液进行API滤失实验，得到实验结果见表3。从实验结果可以看出，随着加重剂用量的增加，钻井液泥饼厚度增加，泥饼渗流能力变大。相同用量的条件下，毫微粉体的泥饼厚而疏松，降滤失效果差，泥饼渗透率大。影响泥饼渗透率的因素主要包括钻井液中固相粒子的粒度和粒度级配及粒子的浓度[1]。毫微粉体配制的钻井液泥饼质量差，泥饼渗透率大，是因为虽然毫微粉体的黏度大且颗粒细小，但毫微粉体的粒度分布比较集中，颗粒分布窄，级配差，在滤失过程中不能很好地填充泥饼的孔隙，故滤失量大，形成的泥饼质量差。而普通重晶石粉和微锰粉的泥饼相比，普通重晶石粉的泥饼质量更好，这是因为，普通重晶石的颗粒中细粒子多，平均粒径小，且分布范围较宽。而微锰粉虽然颗粒分布范围很大，但颗粒普遍偏大，平均粒径偏大，颗粒级配不合理，不能较好充填一些小的孔隙。故普通重晶石粉的泥饼质量好于微锰粉的泥饼质量，其泥饼渗透率也小于微锰粉的泥饼渗透率。综合来看，3种加重剂中普通重晶石粉的滤失造壁性最好，适合水敏强的地层或渗透率较高的砂岩地层的钻井液配制。毫微粉体的滤失造壁性差，在使用时要注意调节和控制。

表3 不同加重剂在不同用量下对钻井液性能的影响

2.2.3 不同加重剂对钻井液润滑性的影响

钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液本身的润滑性能，钻井液的润滑性能对钻井工作影响很大，特别是钻超深井、大斜度井、水平井和丛式井时。泥饼的摩阻系数是评价钻井液润滑性主要指标之一[3]，用NZ-3型泥饼黏滞系数测定仪对3种加重剂加重钻井液滤失后的泥饼进行实验，测量其摩阻系数，其结果见图1。从图1可以看出，3种加重剂的泥饼摩阻系数随着加重剂用量的增加而增加。在现场生产中，大部分油基钻井液的泥饼摩阻系数在0.08～0.09之间，从实验结果来看，用量为200和400 g的微锰粉和毫微粉体的钻井液的润滑性是符合要求的。但是增加用量至600 g时，2者的泥饼摩阻系数大幅度增加，润滑性急剧减小，不利于钻进工作的进行。所以在使用微锰粉和毫微粉体对钻井液进行加重时要注意加重剂的用量不宜过大。如果因为其他原因需要加入大量加重剂，则需要在钻井液中加入润滑剂进行调节，否则可能因润滑性能不好而造成钻具回转阻力增大，起下钻困难，甚至发生黏附卡钻和断钻具事故。实验结果表明，普通重晶石粉的泥饼摩阻大，润滑性能差，不适合对深井超深井的钻井液进行加重。但普通重晶石用量的增加对钻井液润滑性能的影响较小，所以比较适合对加重剂需要较多的钻井液体系。

图1 不同加重剂的泥饼摩阻系数

2.2.4 2种加重剂复配对钻井液性能的影响

综合上述的一系列实验结果可以看出，3种加重剂中毫微粉体的效果比较差，所以在复配的时候不考虑毫微粉体与其他重晶石的复配，只将普通重晶石和微锰粉按照1︰1的比例进行复配，测定复配后钻井液的各种性能，研究2种重晶石复配后对钻井液的性能影响。实验结果见表4。

表4 普通重晶石和微锰粉复配（1︰1）后的钻井液性能

从实验结果来看，复配后的钻井液黏度大小介于微锰粉和普通重晶石粉单独使用时的钻井液黏度大小之间，没有明显的变化，说明微锰矿和重晶石粉的复配对钻井液黏度的大小影响不大。在钻井液的滤失造壁性方面，可以看到，复配后钻井液的API滤失量远小于2种重晶石粉单独使用时的滤失量，且泥饼厚度更小，渗流能力差，有更好的滤失造壁性。其原因是2种加重剂复配后，钻井液固相颗粒级配更加合理，在滤失过程中，固体颗粒能更好地填充泥饼孔隙，使泥饼更加致密。2种加重剂的复配对钻井液的润滑性也有很大影响。如实验结果所示，复配后的泥饼摩阻系数远远小于其单独使用时的泥饼摩阻系数，且其用量的增加使得摩阻系数减小。这说明2种加重剂复配后有利于提高钻井液的润滑性，有利于钻进工作的进行。这是因为复配后微锰粉中的小颗粒充填到普通重晶石的大颗粒空隙中起到轴承作用，将内摩擦力中的部分滑动摩擦转变为滚动摩擦，大幅减小了内摩擦力，使得钻井液的润滑性大大提高。综合看来，微锰粉和普通重晶石粉在对钻井液进行加重时，混合使用的效果在各方面均好于其单独使用的效果，在实际生产中，2种加重剂的混合使用更能满足现场要求，有利于更好更快地完成钻井任务。

3 结论与建议

1. 3种加重剂中，毫微粉体配制的钻井液黏度大，有利于携带、悬浮岩屑和井眼净化，但不利于地面除砂，影响钻速的提高。

2.普通重晶石粉和微锰粉配制的钻井液有良好的滤失造壁性，能控制井壁稳定、保护储层，适合对水敏地层或渗透率较高砂岩地层的钻井液加重。

3.普通重晶石粉配制的钻井液润滑性能差，但其用量的增加对润滑性能的影响小，可以用来配制对润滑性要求不高的高密度钻井液。毫微粉体和微锰粉配制的钻井液润滑性能好，适合深井、超深井的钻井液配制，但其用量不宜过大，否则润滑性能会急剧下降。

4.在钻井液的配制过程中，将普通重晶石粉和微锰粉混合使用能大大提高钻井液的性能，满足现场需要，有利于钻井工作的进行。

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Effects of Different Types of Weighting Agents on the Performance of Oil Base Drilling Fluids

YUE Chaoxian, XIONG Hanqiao, SU Xiaoming, ZHUANG Yan, XU Peng
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500)

The success of oil and gas well drilling depends to a large extent on the performance of drilling fl uid, whichis greatly affectedby the weighting agent used. A drilling fl uid weighted with different weighting agents will perform quite differently during drilling. In laboratory studies, a micron powder barite, a conventional barite and a micro powder manganese mineral used in formulating drilling fl uid samples were analyzed for their particle sizes. The viscosity, API fi lter loss and friction coeff i cient of mud cake of the three drilling fl uids were measured to study the effects of weighting agent on the performance of drilling fl uid. It was shown that the micron powder barite had the fi nest particle sizes and the drilling fl uid formulated with this barite had the highest viscosity, and mud cake of poor quality was formed. Drilling fl uid formulated with the conventional barite had poor lubricity. The manganese mineral had bigger particle sizes and wider particle size distribution.A drilling fl uid formulated with the manganese mineral and conventional barite had performance that was obviously improved.

Weighting agent; Oil base drilling fl uid; Filtration and mud cake quality; Lubricity; Rheology

TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0083-04

2016-10-8；HGF=1701N2；编辑 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.015

岳超先，1991年生，西南石油大学油气井工程在读硕士研究生，主要从事钻井液完井液和储层保护的研究工作。电话18200291372；E-mail：869988043@qq.com。