粒度级配对高密度钻井液性能的影响研究

韩成，张超，刘贤玉，王成龙，徐靖

(中海油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)



粒度级配对高密度钻井液性能的影响研究

韩成，张超，刘贤玉，王成龙，徐靖

(中海油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

[摘要]流变性控制与维持是高密度钻井液施工的关键技术难题。通过分析粒度级配对高密度钻井液流变性的影响，确定出重晶石和铁矿粉的最佳粒度级配，依据Aflred分布方程考察了分布模数对重晶石和铁矿粉加重的高密度钻井液流变性的影响。试验结果表明，加重材料合理的粒度级配可显著改善高密度钻井液的流变性；当重晶石颗粒分布模数n=0.4，铁矿粉颗粒分布模数n=0.6时，加重的高密度钻井液的流变性较好，同时能保持较低的沉降密度差和高温高压滤失量。

[关键词]粒度级配；高密度钻井液；流变性；分布模数

随着高温高压油气勘探开发的深入，高密度钻井液的研究与应用越来越广泛[1，2]，重晶石和铁矿粉是高密度钻井液主要的加重材料。高密度钻井液流变性控制已成为深井钻井的关键技术[3]。目前，国内粒度级配理论主要用于改善水煤浆的流动性[4]，但在改善高密度钻井液流变性的研究程度不够，只是研究重晶石的不同粒度区间组合对高密度钻井液性能的影响，未从颗粒分布模数分析最佳的粒度级配方式[5，6]。笔者根据Aflred分布方程，计算出高密度钻井液加重材料重晶石和铁矿粉在不同分布模数下各粒度区间内颗粒的百分数，然后考察了根据计算结果加重的高密度钻井液的流变性能，旨在为高密度钻井液的流变性控制提供参考。

1粒度级配理论基础

Alfred方程是经典的连续堆积理论，是一种基于连续尺寸分布颗粒的级配理论。在20世纪70年代大力发展高浓度水煤浆时，Dinger和Funk对Andreasen方程进行了修正，从而提出了Alfred方程[7]：

式中，y为小于粒度d的含量，%；dL为最大粒度，μm；ds为最小粒度，μm；n为模数。

目前，粒度极配理论已广泛用于高密度钻井液流变性能研究。当高密度钻井液中的小颗粒较少而大颗粒较多，或者小颗粒较多而大颗粒较少时，都会引起高密度钻井液的加重材料颗粒之间的堆积程度，显著影响高密度钻井液流动相的体积分数，导致高密度钻井液的黏度增大、流变性变差[8]。因此，在密度一定的条件下，高密度钻井液有一最佳的粒度分布，使得适量的小颗粒完全充填在大颗粒空隙间，从而实现紧密堆积。

2粒度级配理论计算

根据GB/T5005确定75、45和6μm分别为加重材料颗粒尺寸节点，同时结合现场施工经验，确定加重材料最大粒径dL为106μm，最小粒度ds为0.3μm[9]。根据Aflred方程，计算分布模式n=0.1～0.8时各个粒度区间内颗粒的百分数，结果如表1所示。

3结果分析

表1　不同分布模数下加重材料颗粒粒度分布

选取目前深井超深井常用的聚磺钻井液，其配方为3%膨润土+0.35%NaOH+0.5%PAC-lv+ 0.3%span-80+4%SPNH+2%SMP-1+3.5%SMC+1.2% SF-260+2.5% FT-A+2% Lube，将不同粒径范围的重晶石和铁矿粉按照表1理论计算值，加重钻井液密度至2.4g/cm3，经过150℃老化16h后，测量试验浆性能。

3.1粒度级配对流变性的影响

将老化后的试验浆冷却至室温，充分搅拌后测试流变性。根据六速旋转黏度计测试的数据，绘制不同分布模数的重晶石和铁矿粉的加重钻井液流变曲线，如图1所示。

图1　加重材料按不同分布模数加重的高密度钻井液流变曲线

由图1可知，重晶石和铁矿粉加重的高密度钻井液的流变曲线均表现出塑性流体特征。在不同分布模数n下，重晶石和铁矿粉加重的高密度钻井液的流变曲线差异较大。当重晶石颗粒分布模数n=0.4、铁矿粉颗粒分布模数n=0.6时，其各自加重的高密度钻井液在相同剪切速率下对应的剪切应力较低。尤其是在高剪切速率下，效果更为明显。

随着分布模数n增大，重晶石和铁矿粉粒径45μm以上的粗颗粒含量增多，粒径6μm以下的细颗粒含量减少。当重晶石颗粒级配分布模数为0.4，铁矿粉颗粒级配分布模数为0.6，粒度级配效果较优，此时钻井液粒度分布如图2所示。由图2可知，钻井液粒度分布范围宽，其D10在2μm左右，D50/D90均小于1/3，粗、细颗粒含量适当，小颗粒位于大颗粒空隙间起轴承作用，而大颗粒也由于小颗粒的支撑更容易流动，从而高密度钻井液的流变性得到显著改善。

高密度钻井液的流变性由固、液两相的物理和化学性质决定，同时由于重晶石和铁矿粉的微观形状、密度及表面性质等方面的差异，也会对各自加重的高密度钻井液的流变性产生影响，这也就解释了重晶石和铁矿粉颗粒最佳粒度分布模数不同的原因。

3.2粒度级配对沉降稳定性的影响

将各试验浆充分搅拌后静置24h后测量上下部密度差，结果如图3所示。由图3可知，随着分布模数n增大，重晶石和铁矿粉加重的高密度钻井液的沉降密度差基本均呈现先减小后增大的趋势。当分布模数n=0.3～0.4时，重晶石加重钻井液沉降密度差保持在0.01g/cm3；当分布模数n=0.5～0.6时，铁矿粉加重钻井液的沉降密度差保持在0.02g/cm3。因此，重晶石和铁矿粉在最优的分布模数下，其各自加重的高密度钻井液沉稳稳定性也能保持较好。

图2　高密度钻井液粒度分布图

图3　不同分布模数下高密度钻井液的沉降密度差

3.3粒度级配对高温高压滤失量的影响

测试重晶石和铁矿粉加重的试验浆的高温高压(150℃/3.5MPa)滤失量以及泥饼厚度，结果见表2。由表2可知，不同分布模数n下，重晶石和铁矿粉对应的高温高压滤失量和泥饼厚度差别较大。当重晶石颗粒分布模数n=0.3～0.4，铁矿粉颗粒分布模数n=0.6时，钻井液固相粒度分布较宽，小颗粒对大颗粒的充填效果明显，泥饼堆积程度高，因而其各自加重的高密度钻井液高温高压滤失量和泥饼厚度较小。

表2　加重材料按不同分布模数加重的高密度钻井液

4结论

1)加重材料合理的粒度级配可显著改善高密度钻井液的流变性。

2)加重材料粒度分布遵循Aflred分布方程时，当重晶石颗粒分布模数n=0.4，铁矿粉颗粒分布模数n=0.6时，其加重的高密度钻井液具有良好的流变性，同时也能保证高密度钻井液具有较低的沉降密度差和滤失量。

[参考文献]

[1]蔡利山，林永学，杨小华，等.官深1井超高密度钻井液技术[J].石油学报，2013，34(1)：169～177.

[2] 蔡利山，胡新中，刘四海，等.高密度钻井液瓶颈技术问题分析及发展趋势探讨[J].钻井液与完井液，2007，24(Z1)：38～44.

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[5] 周成华，王平全，王进涛，等.不同级配活化铁矿粉对高密度水基钻井液黏度效应的影响[J].钻井液与完井液，2008，25(1)：21～23+26.

[6] 赵福，王平全，刘常旭，等.不同粒径的加重材料对水基钻井液黏度效应的影响[J].钻井液与完井液，2008，25(3)：74～76.

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[8] 郝丽芳，王永刚，熊楚安.煤颗粒分布对油煤浆流变特性的影响[J].煤炭学报，2007，32(2)：190～193.

[9] 于志纲，温银武，高燕，等.超高密度水基钻井液加重剂研究[J].石油钻采工艺，2012，34(1)：54～56.

[编辑]辛长静

[收稿日期]2016-02-17

[基金项目]国家科技重大专项(2016ZX05024-005)。

[作者简介]韩成(1987-)，男，硕士，助理工程师，现主要从事钻井液技术方面的研究工作；E-mail：hubeihancheng@163.com。

[中图分类号]TE254

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)16-0018-03

[引著格式]韩成，张超，刘贤玉，等.粒度级配对高密度钻井液性能的影响研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(16)：18～20.