鉆井液用微粉化表面改性重晶石實驗研究

王帝，邱正松，苗海龍，，耿鐵，鐘漢毅，趙欣，范立君

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2.中海油田服務股份有限公司 油田化學研究院，河北 三河 065200；3.中國南海-麥克巴泥漿有限公司，廣東 深圳 518000)

在鉆遇高壓地層中，需要在鉆井液中引入重晶石等加重材料來平衡地層壓力。但是過量的加重材料會惡化鉆井液性能，無法實現鉆井液的流變性[1-5]、濾失性[6-8]以及沉降穩定性[9-10]之間的協同調控。20世紀90年代，Hanson等[11-12]首次提出了以超細重晶石解決重晶石的沉降問題。受此啟發，MI SWACO、Baker Hughes、Elkem、Schlumberger等均已開發出超細加重材料[13-17]，進行了廣泛應用[18-20]。然而，當鉆井液密度較高時，超細加重材料的強表面效應往往會導致流變性失控。為此，本文以機械力化學法研制了適用于高密度鉆井液的微粉化表面改性重晶石，探究了微粉化表面改性重晶石對流變性、濾失性及沉降穩定性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

重晶石，化學純；NaOH、Na2CO3均為分析純；膨潤土、降濾失劑SMC、抗高溫增黏劑Calovis、高溫穩定劑GWJ等均為工業品；表面改性劑，實驗室自制。

Hitachi s-4800型掃描電鏡；Bettersize2000激光粒度分布儀；NEXUS-870型傅里葉紅外光譜儀；DTG-1600H型熱重分析儀；Brookhaven Zeta電位分析儀；Malvern Panalytical X-射線衍射分析儀；WD-4型行星式研磨機；ZNN-D6型六速旋轉黏度計；SD-4型API濾失儀；SD-2型高溫高壓濾失儀；XGRL-4A型高溫滾子爐。

1.2 微粉化表面改性重晶石的制備

實驗以200目重晶石為原料，利用行星式球磨機，在研磨罐中加入50%質量分數的重晶石濃漿，并加入2%重晶石質量分數的表面改性劑，使用級配好的氧化鋯球作為研磨介質，以800 r/min的轉速進行研磨改性8 h，定時取樣，然后放入烘箱干燥(105 ℃)，可得改性粉體樣品。

1.3 基礎實驗漿的配制

由于高密度鉆井液體系中黏土礦物以及諸多處理劑的存在，極易掩蓋重晶石對高密度鉆井液性能的影響規律。在保證高密度實驗漿性能穩定的前提下應盡可能簡化配方，最大限度凸顯重晶石材料對鉆井液性能的影響。通過平行性實驗確定適用于高溫高密度鉆井液實驗漿的處理劑加量、合理pH范圍，構建了一種適用于重晶石加重的高密度實驗漿，并對密度為2.4 g/cm3的實驗漿進行實驗。

將一定質量分數的膨潤土分散在自來水中，密封養護24 h以達到完全水化。然后向膨潤土基漿內分別加入不同質量分數的處理劑以及不同級配的重晶石，并以10 000 r/min攪拌20 min，完成實驗漿的配制。

1.4 不同重晶石對高密度實驗漿性能的影響

為了探究微粉化表面改性重晶石的加重性能，將不同種類重晶石分別加重實驗漿至密度為 2.4 g/cm3，并探究其性能差異。設計實驗漿如下：

1#實驗漿：200目重晶石加重；2#實驗漿：微粉化表面改性重晶石加重；3#實驗漿：200目重晶石與微粉化重晶石(未改性)以7∶3的比例級配加重；4#實驗漿：200目重晶石與微粉化表面改性重晶石以 7∶3 的比例級配加重。

其中，微粉化重晶石(未改性)是指粒度與微粉化表面改性重晶石相同，但未進行表面改性的重晶石。

老化溫度為220 ℃，老化前后實驗漿流變性測試溫度為49 ℃，高溫高壓濾失實驗條件為150 ℃/3.5 MPa，中壓濾失量的測試條件為室溫/0.7 MPa，沉降穩定性的測試條件為老化后靜置24 h。

2 結果與討論

2.1 微粉化表面改性重晶石結構表征

2.1.1 掃描電鏡分析 對200目重晶石及微粉化表面改性重晶石進行掃描電鏡分析，結果見圖1。

圖1 200目重晶石與微粉化表面改性重晶石的微觀形貌對比Fig.1 Micro morphology of different baritea、b.200目重晶石；c、d.微粉化表面改性重晶石

由圖1可知，改性重晶石的顆粒尺寸顯著降低，無較大顆粒，粒度分布較為均勻。同時改性重晶石與200目重晶石相比具有較高的球形度，改性重晶石的表面模糊且沒有明顯的解理面，體現了機械力和改性劑的協同作用。

2.1.2 紅外光譜分析 為了驗證改性劑的改性效果，利用索氏提取器去除吸附在重晶石表面的改性劑，以進一步觀察改性劑是否存在。稱取改性產品10 g，用濾紙包裹，放入索氏提取器中，稱取100 mL丙酮作為萃取溶劑，安裝萃取裝置，60 ℃萃取6 h，3次虹吸后完成萃取，在80 ℃的萃取管中干燥1 h，除去丙酮。然后對原料重晶石、改性劑和改性重晶石進行了紅外光譜測試，并對結果進行了比較，結果見圖2。

圖2 改性劑、改性原料及改性產品的紅外光譜曲線Fig.2 Infrared spectrum analysis of different barite

2.1.3 粒度分布測試 使用激光粒度分析儀比較200目重晶石和微粉化表面改性重晶石之間的粒度差異。將不同重晶石粉樣品分別加入樣品池中，使其遮光率達到15%，測試過程中一直保持超聲分散，保證重晶石顆粒的分散性。實驗結果見圖3。

圖3 不同重晶石的粒度對比Fig.3 Comparison of particle size distributionbetween different barite

由圖3可知，微粉化表面改性重晶石的粒徑遠小于200目重晶石。200目重晶石的D90約為 62 μm，D50約為19 μm。而改性產品的D90約為 2 μm，D50約為0.8 μm。這種粒度差異使改性產品可以改善鉆井液的沉降穩定性，降低循環當量密度，維護鉆井安全。

2.1.4 Zeta電位測試 應用Zeta電位測試儀分別測試了微粉化表面改性重晶石和200目重晶石的Zeta電位，實驗結果見表1。

表1 200目重晶石與微粉化表面改性重晶石Zeta電位對比Table 1 Zeta potential comparison between different barite

由表1可知，微粉化表面改性重晶石具有較高的Zeta電位絕對值，說明改性產品具有較好的膠體穩定性。

2.1.5 X射線衍射分析 圖4顯示了研磨0，2，4，6，8 h后重晶石改性產物的X射線衍射圖，各晶面衍射強度的變化是重晶石晶體結構變化的反應。

圖4 重晶石研磨不同時間的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of barite grinding at different time

由圖4可知，隨著濕磨時間的增加，重晶石各個晶面的衍射強度持續降低，最強峰對應的(021)表面下降最為顯著。這種現象是機械力導致晶體結構無序化和礦物傳統解理模式減弱的結果。隨著研磨程度的增加，重晶石的有序晶面減少，因此，沿(021)等相應晶面方向的衍射大大減少，導致衍射強度降低。

根據機械粉碎原理，細顆粒發生塑性變形，會導致粉體位錯的產生、增加和移動，并逐漸破壞晶體結構。因此，顆粒表面能的儲存是顆粒消耗輸入能量引起塑性變形的結果，并將隨著塑性變形的增加而加強，因此顆粒表面能的儲存是通過晶格畸變和非晶化來完成的。在濕磨過程中，顆粒表面的儲能使顆粒處于高能活化狀態，從而使機械力化學效應激活顆粒表面并產生化學活性點。由于斷裂鍵的不飽和度遠高于常規解理面上的不飽和鍵，因此它與周圍材料的反應有較強的補償趨勢，這為表面改性提供了反應基礎。

2.2 微粉化表面改性重晶石對鉆井液性能的影響

2.2.1 微粉化表面改性重晶石的基礎性能評價 為了證明微粉化表面改性重晶石在鉆井液中的適用性，首先對微粉化表面改性重晶石的抗溫性能及流變性能進行評價。

將微粉化表面改性重晶石配制成密度為 2.4 g/cm3的重晶石濃漿，以260 ℃老化，老化前后的流變性能見表2。

表2 微粉化表面改性重晶石性能評價Table 2 Performance evaluation of micronization surface modified barite

由表2可知，微粉化表面改性重晶石可抗 260 ℃ 高溫，并且具有良好的流變性。

2.2.2 不同重晶石對高密度實驗漿性能的影響 實驗結果見表3。

表3 不同重晶石加重實驗漿的性能對比Table 3 Comparison of properties of different barite weighted drilling fluids

由表3中表觀黏度和塑性黏度來看，單獨使用200目重晶石加重的1#實驗漿的流變性較差，而微粉化表面改性重晶石加重的2#實驗漿具有更小的表觀黏度與塑性黏度，且表觀黏度的降黏效率為45%。并且老化后2#實驗漿與1#實驗漿相比具有稍高的動切力，這說明微粉化表面改性重晶石的引入并未影響實驗漿的網架結構。3#實驗漿的流變性能優于1#實驗漿，說明通過合理的級配，同樣可以改善鉆井液的流變性能。但是4#實驗漿的流變性能優于3#實驗漿，說明微粉化表面改性重晶石與常規微粉化重晶石相比，可以更好地通過與常規粒度重晶石復配改善流變性。而4#實驗漿與2#實驗漿相比，流變性能的差異并不顯著，說明通過合理的級配，減少加重材料中微粉化表面改性重晶石的用量，同樣可以改善其加重鉆井液的流變性能。以上實驗數據表明，微粉化表面改性重晶石不僅可以降低重晶石本身的黏度效應，而且可以在降低表觀黏度的基礎上，削弱由顆粒間的碰撞引起的塑性黏度，提高鉆井液的膠體穩定性。

通常情況下，微粉化重晶石會惡化鉆井液的濾失性能，這是因為微粉化重晶石具有極高的比表面積，會吸附鉆井液中的降濾失劑分子，從而使降濾失劑無法與黏土作用形成良好的濾餅。而四組實驗漿的濾失性能分別為2#>4#>1#>3#，這是由于微粉化表面改性重晶石具有極小的粒度，小顆粒可以形成致密濾餅。同時微粉化表面改性重晶石表面形成水化膜，也可以減少對降濾失劑的吸附，從而改善鉆井液的濾失性能。

由表中數據可知，與其他三組實驗漿相比，微粉化表面改性重晶石加重的實驗漿具有最好的沉降穩定性，其次為級配重晶石加重的實驗漿，1#實驗漿的沉降穩定性最差。根據Stokes公式，顆粒的沉降與顆粒尺寸和液相黏度相關，而顆粒尺寸的相關性更大，占主導地位。2#實驗漿的沉降顆粒的粒徑最小，所以沉降穩定性最好。

3 結論

(1)以重晶石為原料，實驗室自制改性劑為改性材料，采用機械力化學改性方法研制了一種適用于高溫高密度鉆井液加重使用的微粉化表面改性重晶石。

(2)微粉化表面改性重晶石可顯著改善高溫高密度鉆井液的流變性能，對實驗漿的降黏效率為45%，并且改性產品可兼顧濾失性與沉降穩定性，實現高溫高密度鉆井液主要性能的協同調控。并且微粉化表面改性重晶石可與普通重晶石復配使用，同樣可以改善鉆井液性能。

(3)微粉化表面改性重晶石通過降低重晶石本身的表面效應，削弱顆粒間碰撞引起的塑性黏度，從而改善鉆井液的流變性能。同時由于微粉化表面改性重晶石的粒徑較小，可以使其優化鉆井液泥餅質量，降低重晶石沉降。