微錳礦粉與重晶石加重油基鉆井液差異性分析

吳若寧，孫枝青，艾先婷，張金元，楊 艷，劉 云，賀 康

（1.延長油田股份有限公司 勘探開發技術研究中心，陜西 延安 716000；2.長慶油田第一采油廠，陜西 延安 716000）

油基鉆井液具有良好的抗溫性、井壁穩定性等優點，已經成為超深井、長段水平井、頁巖油/氣井鉆井中的“利器”，但重晶石加重形成的油基鉆井液在應用中也暴露出了缺陷，如流變性和沉降穩定性矛盾突出、高密度下摩阻大、重晶石顆粒侵入儲層造成永久性損害等[1]。國外的室內研究和現場應用表明，微錳礦粉作為加重劑表現出黏度低、沉降穩定性好、摩阻低等優點[2-4]。我國微錳礦粉的生產量居世界首位，大部分用于電子工業生產錳鋅鐵氧體軟磁材料[5]。在石油工程領域，國內學者研究了微錳礦粉加重形成的水基鉆井液性能[6-10]。葉艷等[11]研究超微粉體加重高密度油基鉆井液性能，文中提及到了微錳礦粉，但是對重晶石油基鉆井液體系和微錳礦粉油基鉆井液體系性能的差異性未對比研究。岳超先等[12]研究了不同加重劑在同一加量下對油基鉆井液性能的影響。結果表明，采用不同加重劑在同一加量下配制的鉆井液密度不同，導致各項性能不同，因此對比存在一定局限性。本文以微錳礦粉和普通重晶石的粒度和微觀形態為基礎，對比分析密度相同的兩種體系的流變性、失水造壁性、潤滑性、沉降穩定性、儲層保護性，揭示重晶石與微錳礦粉加重形成的油基鉆井液性能的差異性，探究微錳礦粉在油基鉆井液中的適用性，以期為微錳礦粉在油基鉆井液中的應用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：重晶石（密度為4.34 g/cm3）、微錳礦粉（密度為4.80 g/cm3）、氯化鈣，四川正蓉實業有限公司；5#白油、主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑、潤濕劑、堿度調節劑（CaO）、有機土，湖北漢科新技術有限公司。

實驗儀器：LA-950A2型激光粒度分析儀，HORIBA有限公司；ZNN-D6B型電動六速黏度計、SD型泥漿失水量測定儀、NB-1型泥漿比重計、GJD-B21K高速變頻無級調速攪拌器、BGRL-3滾子加熱爐、NF-2泥餅黏滯系數測定儀、DW-2泥漿動態損害評價儀，青島同春石油儀器有限公司；人造裂縫巖心，實驗室自制；Quanta 450型環境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 實驗方法

（1）加重劑粒度分析：將少量加重劑置于質量分數為0.6%的偏磷酸鈉溶液中，超聲分散5 min，采用激光粒度分析儀測量其粒度分布。

（2）加重劑顆粒形狀分析：采用掃描電鏡分析微錳礦粉和重晶石的微觀形態。

（3）油基鉆井液體系配制（質量分數）：按照320 mL 5#白油（油水體積比為4∶1）+1.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+0.5%潤濕劑+3.0%有機土+3.0%降濾失劑+2.0%堿度調節劑+20.0%氯化鈣溶液+加重劑，分別用重晶石和微錳礦粉加重至所需密度。

（4）鉆井液性能測試：參照GB/T 16783.2—2012《石油天然氣工業鉆井液現場測試第2部分油基鉆井液》測試鉆井液老化后性能，老化條件為150℃下熱滾16 h。

2 結果與討論

2.1 加重劑分析

2.1.1 粒度分析 圖1為重晶石和微錳礦粉粒度分布曲線。從圖1可以看出，重晶石的粒徑大且分布范圍廣，微錳礦粉的粒徑小且分布范圍窄；重晶石的D50、D90分別為5.597 5、11.328 0 μm，微錳礦粉的D50、D90分別為0.740 8、1.148 7 μm。經計算可知，重晶石的比表面積為54 146 cm2/cm3，不均勻系數為24.70，重晶石的顆粒分布極不均勻，分選系數為1.97，分選性較好；微錳礦粉的比表面積為86 170 cm2/cm3，不均勻系數為1.58，分選系數為1.76，說明微錳礦粉的顆粒分布更加均勻，分選性更好。

圖1 重晶石和微錳礦粉粒度分布曲線

2.1.2 微觀形態 圖2為重晶石和微錳礦粉的掃描電鏡圖片。從圖2可以看出，微錳礦粉加重劑的顆粒呈圓球形，大的球形顆粒少，小的球形顆粒多，整體來看，形態規則，分布比較均勻；重晶石為斜方晶結構，顆粒棱角分明，呈塊狀、層狀結構，普通形態極不規則，顆粒分布不均勻，大小顆粒均存在。

圖2 重晶石和微錳礦粉的掃描電鏡圖片

2.2 加重劑對油基鉆井液性能的影響

2.2.1 流變性 用重晶石和微錳礦粉分別將油基鉆井液加重至不同密度，考察加重劑對油基鉆井液流變性的影響，結果見圖3。

圖3 加重劑對油基鉆井液流變性的影響

從圖3可以看出，隨著密度的增加，重晶石體系和微錳礦粉體系的黏度和動切力均呈增加的趨勢，主要是因為隨著密度的升高，兩種體系中的固相質量分數增加，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間的摩擦力增強，顆粒之間形成的空間網架結構的能力增強，從而引起鉆井液的黏度和動切力呈增加的趨勢，這是兩種體系的共同之處。從圖3（a）和圖3（b）可以看出，當密度為1.40～1.80 g/cm3時，隨著體系密度的升高，兩種體系的表觀黏度和塑性黏度沒有呈現出明顯的差別，主要是因為在低密度條件下，加重劑對油基鉆井液的黏度不起主導作用；當密度大于1.80 g/cm3時，兩種體系的黏度呈現出了明顯的差異，主要表現為：鉆井液從高密度到超高密度的過程中，重晶石體系的黏度呈明顯上升趨勢，表觀黏度由62 mPa·s增加至130 mPa·s，上升率為109%，塑性黏度由52 mPa·s增加至110 mPa·s，上升率為112%，微錳礦粉體系的表觀黏度由62 mPa·s增加至95 mPa·s，上升率為53%，塑性黏度由45 mPa·s增 加 至78 mPa·s，上升 率為73%，重晶 石體系黏度的上升幅度遠高于微錳礦粉體系。主要是由微錳礦粉和重晶石的微觀結構所致，微錳礦粉的圓球狀顆粒結構減少了固相顆粒之間、固相與液相之間的摩擦，而重晶石顆粒微觀形態多為棱角狀，此結構加大了顆粒之間以及顆粒與液相之間的作用力，因此在高密度條件下微錳礦粉體系的黏度低于重晶石體系的黏度。從圖3（c）可以看出，隨著密度的增加，重晶石體系的動切力變化較大，微錳礦粉體系的動切力變化處在合理的范圍內，合適的動切力有利于鉆井過程中的井眼凈化。綜合分析，微錳礦粉加重配制的高密度油基鉆井液具有低黏高切的特性，流變性優于重晶石加重形成的高密度油基鉆井液。

2.2.2 失水造壁性 對不同加重劑所配制的油基鉆井液的失水造壁性進行了評價，結果見表1。由表1可知，隨著密度升高，兩種體系的失水量上升，泥餅厚度增加，泥餅滲透率增大。分析原因：在低密度條件下鉆井液主要靠降濾失劑吸附黏土顆粒形成致密的泥餅，隨著密度升高，體系中加重劑含量增多，一部分加重劑代替黏土和降濾失劑參與泥餅的形成，導致泥餅不致密，失水量增大。兩種體系中微錳礦粉體系的失水量大于重晶石體系。隨著密度的增加，微錳礦粉體系的失水量增加幅度大。當密度為2.60 g/cm3時，微錳礦粉體系的失水量為6.5 mL，重晶石體系的失水量為3.5 mL，說明微錳礦粉加重劑不利于控制鉆井液失水。分析原因：重晶石粒徑分布廣泛且顆粒不規則，大顆粒和小顆粒同時存在，顆粒分選性差，在泥餅的形成過程中大顆粒起“搭橋”作用，小顆粒起“填充”作用，大顆粒間堆積的空隙被小顆粒充填，形成的泥餅致密；微錳礦粉加重劑顆粒分布窄，顆粒分選性好，顆粒級配不合理，且呈球狀，球狀顆粒堆積空隙大，因此濾失形成的泥餅疏松、滲透率高，導致失水量增大，建議在微錳礦粉中復配重晶石來降低失水量，提高泥餅質量[12-13]。

表1 加重劑對鉆井液失水造壁性的影響

2.2.3 潤滑性 對不同加重劑形成的油基鉆井液體系的潤滑性進行了實驗，結果見圖4。

圖4 加重劑對泥餅黏滯系數的影響

從圖4可以看出，在同一密度下，微錳礦粉體系的潤滑性優于重晶石體系的潤滑性；在低密度條件下，微錳礦粉體系的潤滑性和重晶石體系的潤滑性差異性小，主要是因為加重劑的含量少，此時兩種體系的摩擦均為滑動摩擦；在高密度條件下，兩種體系潤滑性能差異明顯，主要表現為：隨著密度的增加，微錳礦粉體系的泥餅黏滯系數先降低后增加，但仍小于重晶石體系，而重晶石體系的泥餅黏滯系數逐漸增加。這是因為在高密度條件下，加重劑顆粒參與泥餅的形成并占主導地位，微錳礦粉呈球形顆粒，圓球形顆粒在摩擦的過程中起“滾珠軸承”作用，將摩擦形式轉換為滾動摩擦，重晶石顆粒不規則，在摩擦中沒有起軸承作用的粒子，摩擦形式仍然為滑動摩擦。

2.2.4 沉降穩定性 采用量筒法，考察了重晶石體系和微錳礦粉體系對油基鉆井液沉降穩定性的影響，實驗結果見圖5。

圖5 加重劑對油基鉆井液沉降穩定性的影響

根據斯托克斯沉降定律[14]，在液體介質中，固體顆粒沉降速度：

式中，μ為沉降速度，m/s；r為固體顆粒的半徑，m；ρ為固體顆粒的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；η為介質黏度，Pa·s；ρ0為流體介質密度，kg/m3。

從式（1）可以看出，顆粒的沉降速度與介質黏度成反比，與顆粒自身的半徑的平方成正比。在同一油基鉆井液配方下，微錳礦粉體系的沉降穩定性優于普通重晶石體系，主要是因為微錳礦粉加重劑的粒徑小，固體顆粒下沉的速度慢。此外，當顆粒的直徑小于5 μm時，液體中存在布朗運動，顆粒半徑愈小，布朗運動愈劇烈，因此微錳礦粉體系中微小顆粒的布朗運動對溶膠的動力穩定性發揮至關重要的作用[14]。而重晶石大顆粒多，下沉速度快，體系中小于5 μm的粒子較少，發生布朗運動的劇烈程度低。

2.2.5 儲層保護性能 室內采用泥漿動態損害評價儀，在酸溶和未酸溶兩種方式下進行巖心傷害評價，結果見表2。未酸溶實驗程序為：煤油驅替—油基鉆井液反驅—煤油驅替；酸溶實驗程序為：煤油驅替—油基鉆井反驅—酸液反驅—煤油驅替。由表2可知，在未酸溶和酸溶的條件下，重晶石體系的返排壓差大于微錳礦粉體系，滲透率恢復率小于微錳礦粉體系。在未酸溶的條件下，微錳礦粉的微球結構很容易返排[15]，裂縫滲流通道在壓差的作用下得以修復，因此較重晶石體系有較高的滲透率恢復率。在酸溶條件下，微錳礦粉體系的滲透率恢復率遠高于重晶石體系，這主要是由于兩種加重劑的酸溶性所致，微錳礦粉自身具有較高的酸溶性，而重晶石不溶于酸。與重晶石體系相比，微錳礦粉體系具有良好的儲層保護性能，尤其是裂縫性儲層。

表2 天然人造裂縫巖心傷害評價結果

3 結論

（1）與重晶石相比，微錳礦粉加重形成的油基鉆井液具有良好的流變性、潤滑性、沉降穩定性，且在高密度油基鉆井液中，微錳礦粉加重劑的優勢更加明顯，不足之處在于失水量大，濾失形成的泥餅質量差。

（2）微錳礦粉易返排、易酸化，微錳礦粉體系的滲透率恢復率高于重晶石體系，具有良好的儲層保護性能，建議在高壓裂縫性儲層鉆井完井液中使用酸溶性微錳礦粉加重劑。

（3）將重晶石、微粉重晶石、微錳礦粉按照最優復配比例配制高密度、超高密度油基鉆井液，利用合理顆粒級配來降低微錳礦粉加重高密度鉆井液時的失水量是今后的研究方向。