新型钻井液加重材料概述

刘兆华 段国庆

摘 要：随着复杂钻井作业的日益增多，传统的加重材料已经无法满足全部的作业需求，于是对钻井液加重材料提出了新的需求。本文概述了目前常用的新型钻井液加重材料的特性和应用情况。

关键词：钻井液;加重剂;微锰加重剂;钛铁粉

随着全世界油气资源的逐渐枯竭，为了获取更多的油气资源，油气公司也面临着更大的挑战。深水井、超深水井、超大位移井、高温高压井等高难度钻井作业逐年增多。这些高难度的钻井作业往往伴随着各种挑战，包括窄密度窗口、井壁不稳定、重晶石沉降、扭矩过高、井眼清洁、ECD过高等一系列可能导致钻井成本升高的问题。复杂的钻探环境对钻井液的性能也有着更高的要求。传统的加重材料重晶石由于存在粘度效应高，悬浮性差，摩擦阻力大，破坏储层等问题，已经不能完全满足目前的钻探需求。为此，各个公司及科研机构也不断探索和研发新型的加重材料。本文通过调研国内外的研究情况，发现新型的钻井液加重材料主要有微锰粉、钛铁粉、方铅矿、液体加重材料等。

1、微锰加重剂

微锰加重剂的主要成分是四氧化三锰，密度为4.8g/cm3。微锰加重剂是一种颗粒小、无磁性、硬度大、比较面积大的球形颗粒。经过特殊工艺加工，它的粒径在0.5-2μm，粒径分布均匀，且颗粒是规则的球体，比表面积达2～4m2/g，易于悬浮[1]。微锰加重剂的莫氏硬度高，颗粒不易磨蚀分散，同时圆球度高，颗粒间摩擦小。相比重晶石等常规加重剂，它具如下优点：

（1）良好的沉降稳定性;微锰加重剂颗粒的比表面积大，在相同的流变性能下，比传统的重晶石等加重材料颗粒更容易悬浮。在静切力很低的钻井液中也能长时间悬浮，不会产生沉降的现象。

（2）良好的润滑性;微锰颗粒是强度很高的球形颗粒，可以有效降低钻井液内部摩擦的同时可以在钻具和井壁间起到固体润滑剂的作用，对于降低扭矩效果明显，适用于大位移井和水平井的钻进。

（3）良好的流变性;微锰加重剂是形状规则的微米级球形颗粒，颗粒间的摩擦力非常小，及时在很高密度的情况下也能保持很低的塑性粘度和动切力，可以有效降低ECD，可以很好的应用于窄密度窗口的钻井作业。

（4）良好的储层保护特性;微锰加重剂为微米级的球形颗粒，进入地层孔隙后非常容易返排，而且它可以近乎100%酸溶，所以可以通过酸化来进一步解堵，几乎不会对储层产生损害。非常适合高温高压储层的加重材料。

由于微锰加重剂的良好性能，最近几年越来越多的被用作复杂钻井作业的钻井液加重剂。中海油服曾在印尼的高温高压项目和南海的深水钻井作业中使用微锰加重剂作为储层钻开液的加重材料，均取得了很好的效果[2]。但是由于微锰加重剂价格昂贵，所以目前很难在常规钻井液中普及应用。

2、钛铁粉

钛铁粉由钛铁矿经研磨而成，其密度为4.6 g/cm3。由于其密度高，早在 20 世纪 70 年代左右，钛铁粉就曾被用作钻井液加重剂。但是由于其硬度很高，莫氏硬度在 5.0～5.5 之间，大颗粒的钛铁粉会对钻井设备产生磨损。而且，由于钛铁矿中含有少量具有磁性的赤铁粉，会对测井设备产生影响，导致测井数据失真。由于上述不利因素，钛铁粉没有被大面积用作钻井液加重剂。

近几年，研究人员发现，经过多次研磨和细化处理，可以将钛铁粉处理成直径很小的球形颗粒，其磨蚀性会被很大程度的降低。此外，可以将钛铁矿中的赤铁矿成分分离出来，从而消除其磁性。经过特殊处理后的钛铁粉有如下优点：

（1）密度高：钛铁粉的密度为4.6 g/cm3。

（2）硬度高：莫氏硬度在 5.0～5.5 之间，可以长时间使用，不会被磨细分散到钻井液中，粘度效应低，可以有效控制ECD。

（3）球形：易于悬浮在钻井液中，不易沉降。钻具的磨阻小，降低扭矩。

（4）酸溶：可以用于储层钻开液。

国内王茜[4]等总结发现微细钛铁粉颗粒形态为圆弧钝化， 其圆形度为 0.9 ; 磁性物质的质量分数小于0.3%时， 可以有效消除钛铁粉对测作业的影响;通过降低颗粒粒径可以降低磨蚀性，45 ?m 以上的颗粒低于 2.5% 时，其磨蚀性比重晶石低 60%;溶液Zeta 电位在 -30 mV 左右，可以有效悬浮微细钛铁粉颗粒;微细钛铁粉在 10%HCl 中溶解率可高达 90%以上。

超微钛铁粉的首次应用是美 国 西 方 石 油 公 司在阿联酋的一项非常规井勘探中[3]。该井采用氯化钠聚合物钻井液， 设计最高密度1.90 g/cm3，实际钻探过程中钻遇高压地层，使用超微钛铁粉将密度提高至 2.35 g/cm3。虽然实际钻井液密度远超出设计密度， 但现场钻井液性能稳定，说明超微钛铁粉可以很好的应用于高密度钻井液。

挪威埃肯（ELKEM）公司已经研发出了成熟的超微钛铁矿产品Microdense。

3、方铅矿

方铅矿是由金属铅和硫的化合物，呈黑褐色，密度可达7.4-7.7g/cm3，可用于配置超高密度的钻井液。但是由于方铅矿矿源很少，价格昂贵，只有在地层压力极高的情况下才會考虑使用。滇黔桂石油勘探局曾经在官3井的作业中使用了方铅矿，钻井液密度高达3.0g/cm3[5]。

4、可溶性盐加重剂

可溶性盐加重剂包括无机盐类，如氯化钙、溴化钙、溴化锌等，有机盐类，如甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯。可溶性盐类加重剂可以有效降低钻井液的固相含量，有利于流变性控制及提高机械钻速。无机盐类加重剂存在材料配伍性差，腐蚀性高等缺点。有机盐类加重剂配伍性相对较好，腐蚀性较低，但是成本较高。

综上所述，目前新型的惰性固体加材料包括微锰加重剂、钛铁粉和方铅矿。其中微锰加重剂和钛铁粉优点明显，具有相对广阔的应用前景。液体加重材料由于其环境成本等限制因素，虽然一直都在使用，但是目前很难大范围推广。

参考文献

[1] 张晖， 蒋绍宾， 袁学芳， 等. 微锰加重剂在钻井液中的应用[J]. 钻井液与完井液， 2018， 35（1）： 1-7.

[2] 王雪松， 张荣， 向雄， 等. 使用微粉重晶石的高密度钻井液体系在 LD10-1-1 井的应用[J]. 石化技术， 2015 （2015 年 10）： 75-76.