钻井液用微粉化表面改性重晶石实验研究

王帝，邱正松，苗海龙，，耿铁，钟汉毅，赵欣，范立君

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中海油田服务股份有限公司 油田化学研究院，河北 三河 065200；3.中国南海-麦克巴泥浆有限公司，广东 深圳 518000)

在钻遇高压地层中，需要在钻井液中引入重晶石等加重材料来平衡地层压力。但是过量的加重材料会恶化钻井液性能，无法实现钻井液的流变性[1-5]、滤失性[6-8]以及沉降稳定性[9-10]之间的协同调控。20世纪90年代，Hanson等[11-12]首次提出了以超细重晶石解决重晶石的沉降问题。受此启发，MI SWACO、Baker Hughes、Elkem、Schlumberger等均已开发出超细加重材料[13-17]，进行了广泛应用[18-20]。然而，当钻井液密度较高时，超细加重材料的强表面效应往往会导致流变性失控。为此，本文以机械力化学法研制了适用于高密度钻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对流变性、滤失性及沉降稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

重晶石，化学纯；NaOH、Na2CO3均为分析纯；膨润土、降滤失剂SMC、抗高温增黏剂Calovis、高温稳定剂GWJ等均为工业品；表面改性剂，实验室自制。

Hitachi s-4800型扫描电镜；Bettersize2000激光粒度分布仪；NEXUS-870型傅里叶红外光谱仪；DTG-1600H型热重分析仪；Brookhaven Zeta电位分析仪；Malvern Panalytical X-射线衍射分析仪；WD-4型行星式研磨机；ZNN-D6型六速旋转黏度计；SD-4型API滤失仪；SD-2型高温高压滤失仪；XGRL-4A型高温滚子炉。

1.2 微粉化表面改性重晶石的制备

实验以200目重晶石为原料，利用行星式球磨机，在研磨罐中加入50%质量分数的重晶石浓浆，并加入2%重晶石质量分数的表面改性剂，使用级配好的氧化锆球作为研磨介质，以800 r/min的转速进行研磨改性8 h，定时取样，然后放入烘箱干燥(105 ℃)，可得改性粉体样品。

1.3 基础实验浆的配制

由于高密度钻井液体系中黏土矿物以及诸多处理剂的存在，极易掩盖重晶石对高密度钻井液性能的影响规律。在保证高密度实验浆性能稳定的前提下应尽可能简化配方，最大限度凸显重晶石材料对钻井液性能的影响。通过平行性实验确定适用于高温高密度钻井液实验浆的处理剂加量、合理pH范围，构建了一种适用于重晶石加重的高密度实验浆，并对密度为2.4 g/cm3的实验浆进行实验。

将一定质量分数的膨润土分散在自来水中，密封养护24 h以达到完全水化。然后向膨润土基浆内分别加入不同质量分数的处理剂以及不同级配的重晶石，并以10 000 r/min搅拌20 min，完成实验浆的配制。

1.4 不同重晶石对高密度实验浆性能的影响

为了探究微粉化表面改性重晶石的加重性能，将不同种类重晶石分别加重实验浆至密度为 2.4 g/cm3，并探究其性能差异。设计实验浆如下：

1#实验浆：200目重晶石加重；2#实验浆：微粉化表面改性重晶石加重；3#实验浆：200目重晶石与微粉化重晶石(未改性)以7∶3的比例级配加重；4#实验浆：200目重晶石与微粉化表面改性重晶石以 7∶3 的比例级配加重。

其中，微粉化重晶石(未改性)是指粒度与微粉化表面改性重晶石相同，但未进行表面改性的重晶石。

老化温度为220 ℃，老化前后实验浆流变性测试温度为49 ℃，高温高压滤失实验条件为150 ℃/3.5 MPa，中压滤失量的测试条件为室温/0.7 MPa，沉降稳定性的测试条件为老化后静置24 h。

2 结果与讨论

2.1 微粉化表面改性重晶石结构表征

2.1.1 扫描电镜分析 对200目重晶石及微粉化表面改性重晶石进行扫描电镜分析，结果见图1。

图1 200目重晶石与微粉化表面改性重晶石的微观形貌对比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

由图1可知，改性重晶石的颗粒尺寸显著降低，无较大颗粒，粒度分布较为均匀。同时改性重晶石与200目重晶石相比具有较高的球形度，改性重晶石的表面模糊且没有明显的解理面，体现了机械力和改性剂的协同作用。

2.1.2 红外光谱分析 为了验证改性剂的改性效果，利用索氏提取器去除吸附在重晶石表面的改性剂，以进一步观察改性剂是否存在。称取改性产品10 g，用滤纸包裹，放入索氏提取器中，称取100 mL丙酮作为萃取溶剂，安装萃取装置，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。然后对原料重晶石、改性剂和改性重晶石进行了红外光谱测试，并对结果进行了比较，结果见图2。

图2 改性剂、改性原料及改性产品的红外光谱曲线Fig.2 Infrared spectrum analysis of different barite

2.1.3 粒度分布测试 使用激光粒度分析仪比较200目重晶石和微粉化表面改性重晶石之间的粒度差异。将不同重晶石粉样品分别加入样品池中，使其遮光率达到15%，测试过程中一直保持超声分散，保证重晶石颗粒的分散性。实验结果见图3。

图3 不同重晶石的粒度对比Fig.3 Comparison of particle size distributionbetween different barite

由图3可知，微粉化表面改性重晶石的粒径远小于200目重晶石。200目重晶石的D90约为 62 μm，D50约为19 μm。而改性产品的D90约为 2 μm，D50约为0.8 μm。这种粒度差异使改性产品可以改善钻井液的沉降稳定性，降低循环当量密度，维护钻井安全。

2.1.4 Zeta电位测试 应用Zeta电位测试仪分别测试了微粉化表面改性重晶石和200目重晶石的Zeta电位，实验结果见表1。

表1 200目重晶石与微粉化表面改性重晶石Zeta电位对比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较高的Zeta电位绝对值，说明改性产品具有较好的胶体稳定性。

2.1.5 X射线衍射分析 图4显示了研磨0，2，4，6，8 h后重晶石改性产物的X射线衍射图，各晶面衍射强度的变化是重晶石晶体结构变化的反应。

图4 重晶石研磨不同时间的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of barite grinding at different time

由图4可知，随着湿磨时间的增加，重晶石各个晶面的衍射强度持续降低，最强峰对应的(021)表面下降最为显著。这种现象是机械力导致晶体结构无序化和矿物传统解理模式减弱的结果。随着研磨程度的增加，重晶石的有序晶面减少，因此，沿(021)等相应晶面方向的衍射大大减少，导致衍射强度降低。

根据机械粉碎原理，细颗粒发生塑性变形，会导致粉体位错的产生、增加和移动，并逐渐破坏晶体结构。因此，颗粒表面能的储存是颗粒消耗输入能量引起塑性变形的结果，并将随着塑性变形的增加而加强，因此颗粒表面能的储存是通过晶格畸变和非晶化来完成的。在湿磨过程中，颗粒表面的储能使颗粒处于高能活化状态，从而使机械力化学效应激活颗粒表面并产生化学活性点。由于断裂键的不饱和度远高于常规解理面上的不饱和键，因此它与周围材料的反应有较强的补偿趋势，这为表面改性提供了反应基础。

2.2 微粉化表面改性重晶石对钻井液性能的影响

2.2.1 微粉化表面改性重晶石的基础性能评价 为了证明微粉化表面改性重晶石在钻井液中的适用性，首先对微粉化表面改性重晶石的抗温性能及流变性能进行评价。

将微粉化表面改性重晶石配制成密度为 2.4 g/cm3的重晶石浓浆，以260 ℃老化，老化前后的流变性能见表2。

表2 微粉化表面改性重晶石性能评价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 ℃ 高温，并且具有良好的流变性。

2.2.2 不同重晶石对高密度实验浆性能的影响 实验结果见表3。

表3 不同重晶石加重实验浆的性能对比Table 3 Comparison of properties of different barite weighted drilling fluids

由表3中表观黏度和塑性黏度来看，单独使用200目重晶石加重的1#实验浆的流变性较差，而微粉化表面改性重晶石加重的2#实验浆具有更小的表观黏度与塑性黏度，且表观黏度的降黏效率为45%。并且老化后2#实验浆与1#实验浆相比具有稍高的动切力，这说明微粉化表面改性重晶石的引入并未影响实验浆的网架结构。3#实验浆的流变性能优于1#实验浆，说明通过合理的级配，同样可以改善钻井液的流变性能。但是4#实验浆的流变性能优于3#实验浆，说明微粉化表面改性重晶石与常规微粉化重晶石相比，可以更好地通过与常规粒度重晶石复配改善流变性。而4#实验浆与2#实验浆相比，流变性能的差异并不显著，说明通过合理的级配，减少加重材料中微粉化表面改性重晶石的用量，同样可以改善其加重钻井液的流变性能。以上实验数据表明，微粉化表面改性重晶石不仅可以降低重晶石本身的黏度效应，而且可以在降低表观黏度的基础上，削弱由颗粒间的碰撞引起的塑性黏度，提高钻井液的胶体稳定性。

通常情况下，微粉化重晶石会恶化钻井液的滤失性能，这是因为微粉化重晶石具有极高的比表面积，会吸附钻井液中的降滤失剂分子，从而使降滤失剂无法与黏土作用形成良好的滤饼。而四组实验浆的滤失性能分别为2#>4#>1#>3#，这是由于微粉化表面改性重晶石具有极小的粒度，小颗粒可以形成致密滤饼。同时微粉化表面改性重晶石表面形成水化膜，也可以减少对降滤失剂的吸附，从而改善钻井液的滤失性能。

由表中数据可知，与其他三组实验浆相比，微粉化表面改性重晶石加重的实验浆具有最好的沉降稳定性，其次为级配重晶石加重的实验浆，1#实验浆的沉降稳定性最差。根据Stokes公式，颗粒的沉降与颗粒尺寸和液相黏度相关，而颗粒尺寸的相关性更大，占主导地位。2#实验浆的沉降颗粒的粒径最小，所以沉降稳定性最好。

3 结论

(1)以重晶石为原料，实验室自制改性剂为改性材料，采用机械力化学改性方法研制了一种适用于高温高密度钻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显著改善高温高密度钻井液的流变性能，对实验浆的降黏效率为45%，并且改性产品可兼顾滤失性与沉降稳定性，实现高温高密度钻井液主要性能的协同调控。并且微粉化表面改性重晶石可与普通重晶石复配使用，同样可以改善钻井液性能。

(3)微粉化表面改性重晶石通过降低重晶石本身的表面效应，削弱颗粒间碰撞引起的塑性黏度，从而改善钻井液的流变性能。同时由于微粉化表面改性重晶石的粒径较小，可以使其优化钻井液泥饼质量，降低重晶石沉降。