复配重晶石对水基钻井液泥饼质量的影响

李 伟 王平全 王 波 罗平亚 杨坤宾 蒲亮春

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司，西安 710075 ；2.西南石油大学石油工程学院，成都 610500)

近年来，随着钻井不断加深，钻探过程中经常出现井壁垮塌、缩径、卡钻、压力激动等钻井工艺问题。这些复杂工艺问题主要受泥饼质量的影响，为此研究泥饼质量具有很大的实际意义。不同粒径的重金石颗粒相互填充堆积效果不同，达到的密堆积程度迥异[1]，直接影响泥饼质量。合理的粒径搭配使得形成的泥饼密堆积程度更高，而泥饼的密堆积程度又对泥饼孔隙度、泥饼渗透率、泥饼强度、钻井液滤失量、泥饼厚度、泥饼光滑度等具有很大影响[2]。密堆积程度较高的泥饼孔隙度小、渗透率小、强度高、厚度小、钻井液滤失量低，体现为泥饼质量优良。为了提高泥饼质量，特研究不同粒径颗粒间的相互组合，拟找出重金石的最佳复配方式。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

实验药品：膨润土；Fv-2；SMP-II；SPNH；SMC；CaCO3；SM-1；无水碳酸钠；密度为4.15 gcm3的普通重晶石(平均粒径约为75 μm，200目)；密度为4.4 gcm3的0.89 μm重晶石。

仪器：目数为200目(75 μm)、250目(60 μm)、325目(46.2 μm)、400目(37.5 μm)的分选筛；JC101型电热鼓风干燥箱；钻井液用密度计；NGJ-2型数显无级变速高速搅拌机；JJ-1型电动搅拌机；GZX-DH-30×35型电热恒温干燥箱；GW300-PLC型数显式滚子加热炉；JY1001型电子天平；DL-Ⅱ型泥饼测试仪；GGS42-2A型高温高压滤失仪；RGPM-70脉冲法渗透率测试仪。

1.2 实验方法

(1)用JC101型电热鼓风干燥箱使重晶石干燥，然后根据GB 5005-94钻井液用重晶石粉的相关标准[3]，用分选筛对重晶石进行筛选，得到足量的单一组段200目 — 250目、250目 — 325目、325目 — 400目重晶石待用。

(2)进行基浆配制，取70 ℃蒸馏水10 L，加入5%膨润土，在电动搅拌机下搅拌20 min，然后加入土量6%的无水碳酸钠，持续搅拌120 min，将配制好的基浆放在室温下密封护养24 h待用。

(3)将护养后的基浆置于电动搅拌机下搅拌10 min，量取7 L待用，然后将量取的7 L基浆置于电动搅拌机下搅拌配制成轻浆。

(4)量取6 000 mL轻浆，均分为12组，每组500 mL，然后在高速搅拌机下分别复配加重至2.5 gcm3，具体加重方式如表1所示。

(5)将加重后的钻井液置于滚子加热炉中老化(条件150 ℃、16 h)，然后测其滤失量、泥饼渗透率、泥饼厚度、泥饼强度等参数，以评价泥饼质量。

表1 轻浆加重方式

注：1#— 5#为对照组，1#— 2#采用的是单一的重晶石，3#— 5#采用的是用分选筛筛选后单一组段的重晶石，6#— 12#为实验组，采用的是普通重晶石、0.89 μm重晶石与筛选组段重晶石复配，而为消去复配后各成分的质量影响因素，特将复配重晶石的质量比均定为1∶1。

2 实验结果

2.1 不同复配方式对各项性能的影响

将老化后的钻井液置于室温下冷却至室温，发现均无沉淀，表明沉降稳定性好；然后再在HTHP失水仪上测其半小时滤失量，取出所得的泥饼测其厚度、强度和渗透率，结果见表2。

表2 不同复配重晶石对钻井液性能的影响

注：滤失量为HTHP半小时滤失量，各组钻井液基础配方：5%土浆+0.3%Fv-2+5%SMP-II +5%SPNH+5% SMC+30%NaCl+1%SM-1

表2显示，复配重晶石对钻井液泥饼质量具有很大影响。根据表1的加重方式将12组钻井液分为3个系列，研究复配重晶石对钻井液泥饼质量的影响。系列1：加重材料为单一类重晶石的1#— 5#，依次记点1、点2、点3、点4、点5；系列2：普通重晶石与其余粒径重晶石进行复配的6#— 9#，按平均粒径由大到依次记7#为点1、8#为点2、9#为点3、6#为点4；系列3：0.89 μm重晶石与其余粒径重晶石复配的6#和10#— 12#，按平均粒径由大到依次记6#样为点1、10#为点2、11#为点3、12#为点4。再分别以各组钻井液的滤失量、渗透率、泥饼厚度、泥饼强度为纵坐标，各组对应点号为横坐标，绘制曲线，结果如图1 — 图4所示。系列1为单一类重晶石加重，几乎都为全失水，所以视系列1的失水量为无穷大。

图1 钻井液滤失量曲线

图2 泥饼渗透率曲线

图3 泥饼厚度曲线

图4 泥饼强度曲线

通过数据表2及趋势图1 — 图4分析可知：

(1)钻井液HTHP滤失量：1#— 5#为单一种类重晶石，几乎都为全滤失，表明1#— 5#加入单一种类重晶石形成的泥饼渗透率较高；6#— 9#为API重晶石与其他不同粒径重晶石复配而成，通过对比失水量大小发现6#(API重晶石与0.89 μm重晶石复配)复配方式得到的钻井液滤失量最小；6#、10#— 12#为0.89 μm重晶石与其他不同粒径重晶石复配而成，通过对比失水量大小发现11#(0.89 μm重晶石与250目 — 325目重晶石复配)复配方式得到的钻井液滤失量最小；对比整个12组钻井液滤失量知11#(0.89 μm重晶石与250目 — 325目重晶石复配)复配方式得到的钻井液的失水造壁性最好。

(2)泥饼渗透率：对比12组钻井液的泥饼渗透率知，1#— 5#单一种类重晶石加重得到的泥饼渗透率均大于用复配重晶石加重得到的泥饼渗透率，整个12组钻井液泥饼渗透率以11#渗透率最低。

(3)泥饼厚度：通过12组钻井液的泥饼厚度对比知，1#— 5#只加单一种类重金石加重得到的泥饼厚度远大于用复配重晶石加重得到的泥饼厚度，整个12组钻井液泥饼以11#最薄。

(4)泥饼强度：对比12组钻井液的泥饼强度知，1#— 5#单一种类重晶石加重得到的泥饼厚度小于用复配重晶石加重得到的泥饼强度，整个12组钻井液泥饼以11#强度最高。

对比图1 — 图4中系列2和系列3发现，用0.89 μm重晶石与其余粒径重晶石复配得到的泥饼质量明显优于用普通重晶石与其余粒径复配后得到的泥饼，而系列3中又以11#(0.89 μm重晶石:250目 — 325目重晶石)的失水量和渗透率最低、泥饼最薄、强度最高，泥饼质量最好；系列2是以普通重晶石为基础，用其余重晶石与之进行复配，图1 — 图4中系列2的变化趋势表明随着复配重晶石的粒径逐渐变小，泥饼滤失量、渗透率、厚度也逐渐变小、强度逐渐增大，泥饼质量逐渐得到改善；系列3中以0.89 μm重晶石为基础，用其余重晶石与之进行复配，图1 — 图4中系列3的变化趋势表明随着复配重晶石的粒径逐渐变小，泥饼滤失量、渗透率、厚度先变小后增大、强度先增大后减小，泥饼质量先变好后变差。

2.2 结果与分析

固相颗粒粒径均一或颗粒尺寸范围分布很窄时，颗粒粒径集中，小颗粒对大颗粒的充填效果不明显，堆积密度低；相反，当固相颗粒粒度组成为多粒径段时，固相颗粒在堆积时小颗粒对大颗粒填充效果明显，形成的泥饼堆积密度高[4-5]。颗粒堆积密度低则泥饼孔隙度大，而孔隙度大则使泥饼渗透率高、滤失量大，同时孔隙度大的泥饼内部结构强度低。因此粒度组成单一的重晶石加重得到的泥饼质量明显差于复配重晶石加重得到的泥饼。

当以不同的方式复配时，大小颗粒的粒径差不同，小颗粒对大颗粒的填充效果不同，泥饼的堆积密度也将不同[6]。那么当小颗粒的半径刚好等于晶孔半径时，小颗粒对晶孔的填充效果最佳，堆积密度最高，达到理想填充效果；当小颗粒的半径大于晶孔半径时，小颗粒将对大颗粒形成的结构产生一个向外的“撑力”，对晶格产生破坏，堆积密度降低；当小颗粒的半径较小时，小颗粒在晶孔中容易“渗漏”不能很好滞留，但是相对于晶孔半径的大小，小颗粒的半径一般不会太小，所以小颗粒在晶孔中的“渗漏”现象较少，堆积密度相对于理想充填密度会有所降低但是不会太大。系列2中形成晶体结构的重晶石为普通重晶石，即晶孔半径为定值，而其余复配颗粒与普通重晶石粒径差相对较小，小颗粒的半径相对于晶孔的半径较大，对晶体结构具有“撑力”作用，但是随着粒径差逐渐增大，“撑力”作用逐渐减小，堆积密度逐渐增大，泥饼质量逐渐变好。系列3中的复配颗粒粒径差较大，具有“渗漏”现象，但是随着粒径差逐渐变小“渗漏”现象先逐渐减少，后逐渐增加，堆积密度先逐渐增加后逐渐减小。这是因为基础颗粒为0.89 μm重晶石，只能作为填充颗粒，即填充颗粒粒径为定值，而与之复配的颗粒才是形成晶体结构的“骨架”颗粒。随着“骨架”颗粒半径的逐渐减小，晶孔半径也会逐渐减小，当晶孔半径减小到一定程度时，若再减小“骨架”颗粒的半径，0.89 μm重晶石对晶孔就会产生“撑力”作用反而降低堆积密度。在所有复配方式中以系列3中的点3为最佳，即用0.89 μm重晶石与250目 — 325目重晶石复配最佳。

3 结 语

单一重晶石粒度组成单一，范围窄，加重得到的泥饼质量差，且粒度分布越集中泥饼质量越差。

复配重晶石粒度分布较广，小颗粒的填充效果明显，得到的泥饼质量远优于单一类重晶石。

当复配重晶石中的小颗粒粒径比大颗粒间的空隙大时，小颗粒对大颗粒将产生一个向外的“撑力”破坏大颗粒间的结构，导致堆积密度大幅降低，使得泥饼质量大幅变差。

当复配重晶石中的小颗粒粒径小于大颗粒间的空隙时，小颗粒在空隙中会有少许的“渗漏”现象，导致堆积密度产生小幅降低，使得泥饼质量小幅变差。

各组复配重晶石中，用0.89 μm重晶石与250目 — 325目重晶石进行复配时，小颗粒对大颗粒向外推挤现象和“渗漏”现象最弱，得到的堆积密度最高，泥饼质量最好。

[1] 赵波，周志华.密堆积与中学化学中的晶体结构[J].化学教育，2006(8):16-18.

[2] 黄柏宗.紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系[J].钻井液与完井液，2001,18(6):1-9.

[3] GB 5005-94.钻井液用重晶石粉[S].

[4] 朱宝林，黄新.连续粒径水泥颗粒在浆体中的堆积密度[J].建筑材料学报，2006,9(4)：447-452.

[5] 黄新，龙队宗，袁润章.复合水泥粒径分布对强度影响的初步探讨[J].中国建材科技，2000,9(5)：18-21.

[6] 侯再恩，张可村.堆积颗粒系统中颗粒级配的优化[J].高校应用数学学报A辑，2005，20(4):409-416.