重晶石对高密度水基钻井液性能的影响因素研究

马双政，张耀元，周广巍，王冠翔，南 源，陈 诚

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术湛江分公司,广东 湛江 524057）

重晶石对高密度水基钻井液性能的影响因素研究

马双政，张耀元，周广巍，王冠翔，南 源，陈 诚

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术湛江分公司,广东 湛江 524057）

本文分析了重晶石的粒径级配、化学螯合剂的作用对高密度水基钻井液性能的影响，不仅能够增强重晶石颗粒表面电位、亲水性、结构活性及稳定性，而且改性后的重晶石加入高密度水基钻井液后，具有较好的悬浮、降粘效果，研究结果表明：不同级配活化重晶石能够改善高密度水基钻井液的粘度和沉降稳定性。

粒径级配；化学螯合剂；高密度水基钻井液；沉降稳定性

海上某油田高压井在钻井过程中，使用高密度水基钻井液体系，泥浆密度达到1.70g·cm-3，在返排出来泥浆中出现许多泥球，从现场取回的泥球经室内实验鉴定其成分主要为重晶石（见表1）。重晶石发生沉淀根本原因是悬浮不了那么多重晶石，需要泥浆具有足够强结构力，即具有较高动切力和静切力，但当其大大超过了泥浆流变参数值范围时，严重影响钻井周期。“钻井液粘度”与“沉降稳定性”是相互矛盾的，如果控制不好，重晶石便会发生沉降，这与重晶石颗粒表面性质密切相关[1]，所以开展了活化重晶石对高密度水基钻井液性能影响研究。

表1 粘土矿物X射线衍射分析Tab.1 X-ray analysis of clay minerals

1 实验部分

1.1 主要实验设备

六速旋转粘度计（高温滚子加热炉均属美国范氏仪器公司）；API失水仪（高温高压失水仪均属青岛海通达专用仪器有限公司）；分析筛（200目，325目），（浙江五四仪器纱筛厂）；沉降稳定测试仪（武汉天仪海波仪器有限公司）。

1.2 主要试剂

重晶石，PLUS/KCl钻井液体系等，均为化学纯；十二烷基硫酸钠，硫酸钙，为分析纯。

1.3 重晶石性能品质分析

采用标准GBT5005-1994《钻井液用重晶石粉》对现场所用重晶石性能进行评价，重晶石粉性能评价是判断重晶石品质的重要方式。重晶石品质符合二级指标，影响其质量好坏主要指标是粘度效应。

表2 重晶石性能测试Tab.2 Performance test of barite

2 结果与讨论

2.1 重晶石的粘度效应影响因素分析

重晶石粘度效应主要是其粒径级配、表面性质等有密切关系，活化改性是将活化剂加入重晶石进行表面改性，处理后重晶石表面形成亲水复合表面层，表面ζ电位增大，重晶石颗粒之间斥力增大，颗粒间作用力减小，重晶石在钻井液的增粘性大大降低[2]；而重晶石的不同级配对其固相粒子间的相互作用也有着非常重要的影响。因此，为了分析重晶石的粘度效应的影响因素，开展了如下实验研究。

2.1.1 化学螯合剂成分比例影响 活化改性的核心将重晶石表面处理、活化剂的选取、配伍与处理等。按一定比例配制的螯合剂与重晶石混合，然后配制密度为2.50g·cm-3重晶石溶液测量表观粘度[3]。螯合剂中的十二烷基硫酸钠加量对重晶改性起着关键作用，根据图1曲线可确定其加量为3%螯合剂溶液（质量比）。

图1 螯合剂十二烷基硫酸钠加量对重晶石粘度效应影响Fig.1 Viscosity effect of the chelating agent alkyl sulfate on the barite

2.1.2 化学螯合剂与重晶石配比影响 为确保重晶石表面被化学螯合剂充分的改性，需对化学螯合剂与重晶石配比实验，结果见图2。

图2 螯合剂加量对重晶石粘度影响变化曲线Fig.2 Influence of chelating agent on viscosity curve of the barite

从图2曲线可得出，确定螯合剂加量为2%重晶石（质量比）。

2.1.3 重晶石的粒径级配影响 为了寻找粗细颗粒的较优配比，按照比例安排加重剂粒度级配实验[4]。实验结果可看出：间接级配方案较优，降低了重晶石所产生的粘度50%以上，粘度得到较大改善。

表3 不同级配方案重晶石的粘度效应Ta.3 Viscosity effect on the different gradation scheme of barite

2.2 重晶石对高密度水基钻井液性能的影响

通过泥浆性能实验说明，加入普通重晶钻井液的流变性能较差，API失水和HTHP失水较高，说明普通重晶石沉降比较严重；加入活化重晶钻井液的流变性能得到很大的改善，API失水和HTHP失水较低，说明重晶石沉降得到控制。活化后重晶石配制高密度水基钻井液形成的滤饼较薄，滤饼较致密且表面光滑，滤失量较低。PLUS/KCl钻井液配方：2%海水般土浆+0.25%Na2CO3+0.2%NaOH+0.3%PAC-LV+2%GBL+1.5%LSF+1.5%Lube+0.3%PLUS+0.1%XC+3%CaCO3+5%KCl+普通重晶石和活化重晶石加重至密度为1.8g·cm-3。

表4 重晶石类型对钻井液性能的影响Tab.4 Influence of barite type on the performance of drilling fluid

2.3 重晶石对高密度钻井液沉降稳定性的影响

PLUS/KCl钻井液体系的沉降稳定性为：150℃老化16h，老化后，搅拌15min，进行沉降稳定性测试，4h后，测定密度，测定结果见下表，以活化重晶加重的钻井液体系沉降稳定性比普通重晶石加重体系有明显提高，证明活化重晶石所吸附的活化剂具有一定的结构，相互影响抵消了部分由于密度差引起动力沉降，增大了钻井液体系沉降稳定性。

3 结论

通过重晶石对高密度水基钻井液性能的影响因素分析研究，得出以下结论：

表5 不同重晶石的钻井液沉降稳定性Tab.5 The Settlement stability of different barites in the drilling fluid

（1）化学螯合剂能有效降低重晶石的粘度效应；

（2）不同级配的重晶石对水基钻井液粘度具有较大影响，当重晶石颗粒间隙被充分充填即为间接级配，能有效降低水溶液的粘度效应；

（3）比较不同级配活化重晶石与普通重晶石加重钻井液后的悬浮性能及粘度均明显改善得到改善。

［1］ 李公让，赵怀珍，薛玉志，等.超高密度高温钻井液流变性影响因素研究［J］.钻井液与完井液，2009，26（1）：12-13.

［2］ 刘常旭，张茂奎，王平全，等.国内外高密度水基钻井液体系研究现状［J］.西部探矿，2006，121（5）：139-140.

［3］ 肖琴，满瑞林，杨萍，等.十二烷基硫酸钠改性重晶石的研究［J］.非金属矿，2013，36（2）：5.

［4］ 黄维安，邱正松，徐加放，等.重晶石粒度级配对加重钻井液流变性的影响［J］.钻井液与完井液，2010，27（4）：23-24.

Research on the influence factor of the barite to high density water-base drilling fluid performance

MAShuang-zheng，ZHANGYao-yuan，ZHOUGuang-wei，WANGGuan-xiang，NANYuan，CHENCheng
（Zhanjiang Co.，Banch，China National offshore Energy Development Co.，Ltd.，Zhanjiang 524057，China）

This paper analyzes the influence on the barite of particle size grading and Chemical chelating agent to the properties of high density water-base drilling fluid,which not only enhanced barite particles surface potential,hydrophilic,the structure activity and stability,but modified barite joined into high density water-base drilling fluid,it has good effect of suspension,viscosity,which testify different gradation activation at the barite which can improve high density water-base drilling fluid viscosity and stability of subsidence.

size grading；chemical chelating agent；high density drilling fluid；stability of subsidence

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171070

2017-09-13

马双政（1983-），男，工程师，硕士学位，油气井工程专业，主要从事钻井液与储层保护作业。