微錳加重劑在鉆井液中的應用

張暉， 蔣紹賓， 袁學芳， 徐同臺， 王茜， 肖偉偉

（1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒84100；2.北京石大胡楊石油科技發展有限公司，北京102200）

隨著高溫高壓、大位移井、小井眼連續管鉆井、過油管旋轉鉆井和超深井不斷開發，鉆井過程必須適合窄的密度窗口和控制當量循環密度，因此要求鉆井液必須具備良好的流變性和較好的沉降穩定性，而且需符合環境保護要求，并具備減少對油氣層損害的特點[1]。目前固體加重劑主要有方鉛礦粉、鐵礦粉、重晶石、石灰石、微鈦鐵和微錳。常規高密度加重材料如重晶石和鐵礦粉，其加重高密度鉆井液存在沉降穩定性差、塑性黏度大等問題，容易聚集沉積，導致鉆井摩阻增大，甚至卡鉆，無法滿足高密度鉆井需求[2]，而且重晶石在甲酸鹽中會產生生物毒性大的游離鋇。研究人員從20世紀70年代就開始研究高密度微粉加重劑，因為微粉加重劑具有較高的比表面積和較好的懸浮性，能降低鉆井液的塑性黏度和低剪切速率黏度，能減少對鉆具的摩擦和沖蝕。起初研究的微粉加重劑主要是超細重晶石，但隨著深井和超深井開發，甲酸鹽鉆井液應用范圍越來越廣泛以及環保要求越來越嚴格，超細重晶石的應用范圍也越來越受到限制[3-4]。為此鉆井液用微錳加重劑的研究才得以發展，原因是微錳加重劑是一種無磁性、 硬度大、 比表面積大的球形顆粒[5-7]。微錳雖然彌補常規加重劑加重不足， 改善了高密度鉆井液的性能， 但這種微錳顆粒如果不是球狀， 那么其加重鉆井液的性能就不具備這樣的優勢。綜述了國內外微錳加重鉆井液的研究進展，分析了高密度鉆井液用加重劑的優點及存在的問題。

1 微錳理化性質

1.1 化學組分與理化性能[5-8]

利用X射線熒光元素分析儀器分析微錳化學組分，其結果見表1[8]。分析結果說明了微錳加重劑主要成分是Mn3O4。

微錳的理化性能包括密度、磁性、酸溶性和硬度。微錳密度比重晶石大，小于鐵礦粉。純微錳沒有磁性，錳礦有無磁性與雜質有關。微錳的莫氏硬度高于重晶石，可溶于有機和無機酸[5]，結果見表2。

表1 微錳顆粒的X射線熒光元素分析（XRF）

表2 不同加重劑的密度、酸溶性和莫氏硬度

1.2 顆粒形狀及粒度分布

通過掃描電鏡觀察可知，微錳顆粒形狀呈球形，見圖1[8-10]。使用Mastersizer 2000激光粒度分布儀測得，微錳的D50為 1.09 μm，D10為 0.40 μm，D90為2.87 μm，微錳粒徑小，粒度分布窄，而重晶石粒徑大，粒度分布寬，見圖2。因此，雖然微錳的莫氏硬度高于重晶石，但其對鉆具的磨損低于重晶石，主要是因為微錳具有很小的D90，且顆粒呈球形，而重晶石的D90較大，且是無規則顆粒。

1.3 Zeta電位

通過Zetasize電位儀測量了懸浮液中加重劑顆粒Zeta電位，結果如圖3所示。由圖3可知，隨著微錳懸浮液pH值從4.2增加至8.2，Zeta電位從正變為負，絕對值從5.0增加至29.0 mV，負電性急劇增加；繼續提高懸浮液pH值，Zeta電位趨于穩定在-30 mV左右，懸浮液趨于穩定[11]。

圖1 微錳的掃描電鏡（SEM）微觀結構

圖2 微錳和重晶石的粒度分布

圖3 不同pH值下加重材料的ζ電位

1.4 沉降動力穩定性

使用MA2000型紅外掃描動態穩定測試儀（Turbiscan），測量了加重劑懸浮液的動力沉降穩定性，結果如圖4所示，透過率越高，動力沉降穩定性越差。從圖4可以看出，鐵礦粉顆粒在幾分鐘內就已經完全沉降，重晶石在200 min左右完全沉降，而微錳在400 min后仍然沒有完全沉降，說明微錳顆粒的沉降穩定性較好。原因是微錳顆粒小且呈球狀，而重晶石和鐵礦粉顆粒大，且外形不規則[11]。

圖4 不同加重材料在水中的動力沉降穩定性

2 微錳加重劑對鉆井液性能的影響

2.1 微錳對鉆井液密度及流變性能的影響

在鉆井工程設計中，需選擇合適的加重劑來控制鉆井液密度，避免井漏、井塌、溢流等井下復雜情況發生。加重劑密度、粒度及分布影響鉆井液密度與流變性。根據Furnas理論，顆粒之間的間隙越小，顆粒越容易緊密堆積，堆積體積越小。通過合理的粒度級配滿足顆粒緊密堆積，減小堆積體積，可提高鉆井液密度[12]。

在高密度鉆井液中，加重劑及其分散程度是2個影響鉆井液流變性能的重要因素[13-14]。一般地，加重劑含量越高，流變性越差；固相（如固相加重劑）分散程度越高，流變性越易于調控；顆粒越不規則，顆粒之間摩擦越大，流動性越差，流變性也就越差。與常規加重劑如重晶石相比，微錳加重劑顆粒呈球狀，比重晶石小，密度高于重晶石，能提供低塑性黏度，同時降低鉆井液的低剪切速率黏度。此外，在水基鉆井液中，由于微錳加重劑顆粒比表面積較大，顆粒容易聚集沉降，因此在鉆井液中需配合使用一定量的分散劑分散微錳顆粒；在油基鉆井液中，由于微錳顆粒親水，需加入一定量的潤濕劑和乳化劑，才能分散和懸浮微錳加重劑顆粒。

2.1.1 微錳加重劑對聚磺鉆井液流變性能的影響

選取目前深井和超深井鉆井常用的聚磺鉆井液為基礎配方，不同密度聚磺鉆井液的流變性能如圖5所示[11]。由圖5可知，隨聚磺鉆井液密度的增加，重晶石加重聚磺鉆井液的流變性能變化最快，當鉆井液密度超過2.4 g/cm3時，重晶石和鐵礦粉加重鉆井液的黏度已超出儀器量程，而微錳加重鉆井液的塑性黏度一直保持在較小值。這是由于微錳顆粒呈球形，而重晶石和鐵礦粉顆粒都是不規則的，顆粒形狀越規則，顆粒之間摩擦越小，鉆井液的塑性黏度越低。鐵礦粉的密度大于重晶石和微錳，當加重到相同的鉆井液密度時，鐵礦粉加重的鉆井液所含的固相最低，但在鉆井液密度大于2.4 g/cm3時，由于鐵礦粉顆粒不規則，顆粒之間摩擦增大，塑性黏度急劇增加，導致流變性變差。因此在高密度聚磺鉆井液中，從總體上來說，在鉆井液密度大于2.4 g/cm3時，微錳加重劑調節鉆井液的流變性要優于重晶石和鐵礦粉，主要體現在較低的表觀黏度和較低的塑性黏度；鉆井液密度小于2.4 g/cm3，微錳加重劑調節鉆井液的流變性要優于重晶石。

圖5 加重劑對不同密度水基聚磺鉆井液流變性能的影響

2.1.2 微錳加重劑對油基鉆井液流變性能的影響

選取礦物油為基礎油，不同密度油基鉆井液的流變性能如圖6所示[15]。由圖6可知，在油基鉆井液中，一般加重劑顆粒表面是親水型，因此密度越高，為了更好地分散加重劑，那么乳化劑和潤濕劑的加量就越大，塑性黏度和表觀黏度都會相應增大。因為在油基鉆井液中，鉆井液黏度和動切力隨著固相分散形成架橋網狀結構增多而增大。所以，油基鉆井液密度越高，固相含量越高，微錳在鉆井液中的分散程度決定鉆井液的表觀和塑性黏度。

選取礦物油為基礎油，分別用微錳和重晶石加重油基鉆井液密度到1.60 g/cm3和2.10 g/cm3，鉆井液流變性能如表3所示[5]。由表3可知，在油基鉆井液中，微錳加重鉆井液的表觀黏度和塑性黏度都低于重晶石加重的鉆井液。原因是微錳密度高于重晶石，加重至相同鉆井液密度，重晶石相對加量大，而且重晶石形狀不規則，所以重晶石加重的油基鉆井液的塑性黏度和表觀黏度較大，而微錳粒徑比重晶石小，在油基鉆井液中，固相分散形成網狀結構強度相對就穩定，所以微錳加重油基鉆井液的動切力相對重晶石加重的油基鉆井液稍大。

圖6 微錳加重劑對不同密度油基鉆井液流變性能的影響

表3 微錳和重晶石加重不同密度油基鉆井液的流變性能

2.2 微錳加重劑對鉆井液濾失性能的影響

在高密度鉆井液中，加重劑顆粒較粗時，它不參與濾餅形成，對濾失量和濾餅質量的影響不大。隨著細顆粒含量的增加，顆粒級配好，濾失量降低，顆粒級配差，濾失量增加。不同加重劑對聚磺鉆井液濾失性能的影響見表4[11]，對油基鉆井液高溫高壓濾失性能的影響如表5所示[5]。

由表4可知，在甲酸鉀鉆井液中，密度越高，濾失量相對就大，3種加重材料的 API濾失量都小于5 mL，但微錳加重鉆井液的 API濾失量稍高于重晶石加重鉆井液。由表5可知，在油基鉆井液中，密度越高，濾失量相對變大，2種加重材料的高溫高壓濾失量都小于3 mL，但微錳加重鉆井液的高溫高壓濾失量稍大于重晶石加重鉆井液。可能原因：由于微錳粒度分布窄，顆粒級配較差，對泥餅孔隙填充較差，導致濾失量增大。為了降低鉆井液濾失量，不僅使用分散劑充分分散微錳，還需加入一定量的橋堵劑進行顆粒級配。

表4 加重劑對聚磺鉆井液API濾失性能的影響

表5 加重劑對油基鉆井液HTHP濾失性能的影響

2.3 微錳加重劑對鉆井液潤滑性能的影響

水基鉆井液加重到某一臨界密度前，濾餅的摩擦系數隨著加重劑加量的增加而增大，鉆井液的潤滑性降低；超過此值后的一定范圍內，濾餅的摩擦系數開始減小，鉆井液的潤滑性增強，即潤滑性先降低后增加。其原因有以下幾點：純度、粒度分布、顆粒形狀和“滾珠”效應。一般地，加重劑雜質含量越大，鉆井液潤滑性能越差；加重劑粒度分布越不均勻，鉆井液潤滑性能越差；加重劑形狀越不規則，鉆井液潤滑性能越差；加重劑“滾珠”效應越不明顯，鉆井液潤滑性能越差。用極壓潤滑儀測定鉆井液的極壓潤滑系數，實驗結果如圖7所示[16]。由圖7可知，微錳加重鉆井液的極壓潤滑系數最低，鐵礦粉加重鉆井液的最高。原因是微錳的粒度分布最均勻，重晶石次之，鈦鐵礦最差；微錳加重劑顆粒形狀為球形，有利于滑動，摩阻較小，而重晶石與鈦鐵礦顆粒形狀為不規則，有礙滑動；微錳顆粒顆粒小，單位體積顆粒數多，起“滾珠”效應的粒子數多，接觸點增多，摩擦阻力就少。

圖7 加重劑對不同密度鉆井液潤滑系數的影響

2.4 微錳加重劑對鉆井液沉降穩定性的影響

鉆井液沉降是指鉆井液中高密度固相或加重劑下沉而引起的鉆井液密度變化，包括靜態沉降和動態沉降。沉降穩定性是反映鉆井液中固體顆粒沉降的重要指標，而沉降類型、固相沉降速率和顆粒聚集大小與固相顆粒磁性、顆粒比表面、形狀、大小和表面電荷以及污染物有關。不同密度鉆井液沉降穩定性如圖8所示[11]。

圖8 加重劑對不同密度鉆井液沉降穩定性的影響

由圖8可知，重晶石和鐵礦粉加重的聚磺鉆井液的上下密度差都大于0.02 g/cm3，而微錳加重的上下密度差可以維持在0.01 g/cm3。原因是微錳顆粒不但密度比重晶石大，而且顆粒粒徑比重晶石小，雖然鈦鐵礦粉的密度大于微錳，但是其顆粒粒徑大于微錳，相比之下，維持微錳顆粒在鉆井液穩定所需切力就小。因此，微錳加重鉆井液的沉降穩定性優于重晶石和鐵礦粉。

在高密度鉆井液中，需加入分散劑防止固相顆粒集聚沉降，提高鉆井液的沉降穩定性。分散劑的種類和使用環境不同，效果也不一樣，那么這些因素間接地影響鉆井液的沉降穩定性。國外研究者研究了不同分散劑對微錳加重水基鉆井液沉降穩定性的影響，實驗結果見圖9。隨著鉆井液密度增加，顆粒的沉降穩定系數逐漸變大，但沉降穩定性就越差。說明分散劑能提高鉆井液穩定性，但分散劑種類不同，效果也不一樣。原因是分散劑在鉆井液中起到分散顆粒作用，防止顆粒集聚沉降[13]。

圖9 不同分散劑對鉆井液沉降穩定性的影響

有研究者研究了不同污染物對微錳加重水基鉆井液沉降穩定性的影響，結果見圖10。其中水泥漿影響最大，其次是巖鹽。原因是這些污染物一方面抑制鉆井液中處理劑性能，另一方面會壓縮雙電層，使顆粒之間距離降低，促使顆粒聚集沉降[13]。

圖10 水泥漿和巖鹽對微錳加重鉆井液沉降穩定性的影響

2.5 微錳加重劑對鉆井液泥餅清除的影響

高密度鉆井液形成的泥餅中大部分固相是加重劑，所以加重劑的清除效率直接影響到泥餅的清除效率。由于重晶石不能酸溶，清除重晶石只能選擇鰲合法，而微錳可酸溶，清除微錳可使用有機酸或無機酸。用不同濃度的鹽酸對密度為1.54 g/cm3的微錳加重鉆井液濾餅進行酸浸實驗，結果如圖11所示。從酸浸效率上得出，10%鹽酸酸浸泥餅的效果最好。微錳是一種強氧化劑，低濃度鹽酸不會被微錳氧化產生氯氣，而微錳與濃度高于10%鹽酸反應產生氯氣，因此實際應用不選擇濃度高于10%鹽酸酸溶微錳[17]。

2.6 微錳加重劑鉆井液對儲層保護的影響

近年來，在完井作業中，人們發現重晶石加重鉆井液對儲層傷害很大，原因是重晶石隨鉆井液進入儲層孔道或裂縫，堵塞油氣通道，而這種傷害去除代價太高。由于微錳可酸溶，微錳堵塞的孔道或裂縫，可通過酸化疏通，從而提高產油率[18-19]。

圖11 鹽酸對1.54 g/cm3微錳加重鉆井液濾餅的酸浸效果

2.6.1 微錳加重水基鉆井液對儲層保護的影響

微錳是一種高密度鉆井液用加重劑，在鉆井過程中，與其他封堵材料一起進入儲層孔道或裂縫，協同起封堵作用，達到保護儲層目的。在完井過程中通過酸溶，疏通微錳堵塞的孔道和裂縫，減少對儲層的損害；此外，微錳的超微球形結構很容易返排，因此未經酸化就可達較高的滲透率恢復值。

以1.50 g/cm3微錳加重甲酸鉀鉆井液，選取軸向巖心，在實驗室中模擬微錳入侵過程以及評估損害程度，借助環境掃描電鏡觀察（ESEM）研究固體入侵分析、固體損壞的類型和位置[20]。實驗測得巖心滲透率恢復值可達66%，見圖12。

圖12 微錳甲酸鹽鉆井液入侵巖心的環境掃描電鏡

圖13 在鹽水軀替之后巖心的環境掃描電鏡圖

從圖13可以看見，被微錳堵塞的巖心孔喉，基本被鹽水軀替液清除了，說明微錳對儲層的傷害可以清除[21]。

2.6.2 微錳加重油基鉆井液對儲層保護的影響

目前，在高密度油基鉆井液中，密度越大，加重劑沉降越嚴重，那么高密度油基鉆井液在鉆低孔特低滲裂縫性儲層，微粉加重劑（例如超細重晶石、微錳等）容易沉降進入裂縫，堵塞裂縫，對儲層造成一定程度的傷害。與重晶石相比，微錳顆粒小，比表面積大，只需較低切力就能懸浮，而且泥餅酸溶清除微錳效率高，滲透率恢復率高。因此，微錳加重油基鉆井液對儲層傷害低于重晶石。

3 微錳加重劑鉆井液的現場應用

鉆進科威特的侏羅紀地層的深井鉆井液長期使用重晶石加重。然而，重晶石對儲層有很大傷害，導致石油開采減產。含油高的油基鉆井液也會影響成像測井質量，最終測井無法確定儲層的微裂縫。為了解決這些問題，使用微錳甲酸鉀水基鉆井液基本能保持鉆井液性能不變。在12口應用井的鉆進過程中，沒有任何鉆井遇阻和井眼劃眼現象，也沒有遇到清洗井眼問題[19]。

在殼牌Cormorant North油田的過油管旋轉鉆井（TTRD）中，Franks and Marshall等人使用微錳加重油基鉆井液[10]。常用的加重材料（如重晶石）會引起很高的當量循環密度（ECD）。為了解決這個問題，必須使用低塑性黏度且密度符合要求的鉆井液。減少重晶石加重的常規鉆井液的塑性黏度，會增加顆粒的沉降趨勢，在過油管旋轉鉆井（TTRD）中也是難以改變的。微錳用于油基鉆井液中，由于它尺寸較小，表現出最低的沉降趨勢。

4 結論

1．用微錳加重的高密度抗高溫水基、油基鉆井液的流變性能、動/靜沉降穩定性、潤滑性能均優于用API重晶石加重的鉆井液。

2．微錳在鉆井過程中，與鉆井液中其他封堵材料一起進入儲層孔道或裂縫，協同封堵材料起封堵作用，減少鉆井液及濾液滲入儲層；在完井過程中，通過酸溶，疏通堵塞的孔道和裂縫，減少對儲層的損害；此外，微錳的超微球形結構很容易返排，因此未經酸化就可達較高的滲透率恢復值。

3．微錳加重甲酸鉀鉆井液在科威特12口深井應用，而油基微錳加重鉆井液已在Cormorant North油田過油管鉆井應用。現場實踐表明，微錳加重的高密度與超高密度鉆井液具有流變性能好、當量循環密度低、機械鉆速高、油井產量高等特點。

參 考 文 獻

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