加重剂对水基钻井液润滑性能影响的实验研究

通过粒度分布、扫描电镜、ZETA电位分析,考察了重晶石、活化重晶石、活化铁矿粉3种加重剂及其复配对钻井液加重到不同密度时对滤饼黏滞系数的影响。实验结果表明:高密度条件下,3种加重剂均有改善钻井液润滑性的作用,活化铁矿粉、活化重晶石、重晶石加重钻井液改善润滑性的临界密度分别为1.2、1.4和1.6 g/cm3;超过此密度的一定范围内,钻井液的润滑性均增强。复配加重比单独加重的润滑性效果更好。     

Effective Ways to Avoid Barite Sag and Technologies to Predict Sag in HPHT and Deviated Wells With a Case Study in One Iranian Reservoir

Abstract

Barite sag is an oilfield term used to describe significant density variations while circulating bottoms up after a trip, logging run, or other operations that require the mud to remain static for an extended period of time. Sag is caused by static or dynamic settling followed by slumping of the weighted material. Static sag, as the name suggests, is caused when circulation is stopped for an extended period of time and the weighting agents begin to settle under the influence of gravity. The authors present the most effective ways to avoid the occurrence of barite sag in high-pressure high-temperature drilling operations, and in high-angle wells beside a case study in Gachsaran formation in Ahwaz oil field of Iran. The ways involve replacing barite by other weighted materials such as ilmenite or manganese tetraoxide. The lower the Equivalent Circulating Density, the higher the rate of drilling operation as well as the lower pressure losses, especially in mud pumps. In this thesis, a new water-based mud formulation is introduced that uses polyanionic cellulose and xanthan gumas viscosifiers. By using a Brookfield viscometer (DV-II + Pro), viscosities of different muds at ultralow shear rates were measured. According to their rheological properties, a desirable mud formulation was developed.     

微细钛铁粉加重剂在钻井液中的应用

随着深水井、大位移井、高温高压井以及窄密度窗口井钻井作业的进行,对钻井液性能的要求越来越高,尤其是对高密度及超高密度钻井液的流变性、造壁性、沉降稳定性以及储层保护性能的要求,常规API重晶石加重的钻井液已经不能满足特殊井段的钻进需求,因此需寻求新型加重剂。近年来微细重晶石、微锰、微细钛铁粉等新型加重剂在现场使用取得较好的效果。通过对国内外文献的调研,研讨了微细钛铁粉的特性、微细钛铁粉对水基以及油基钻井液流变性、滤失造壁性和沉降稳定性的影响及该剂在高密度/超高密度水基/油基钻井液中的使用情况。得出:微细钛铁粉无论是用作水基还是油基钻井液的加重剂,或与API重晶石混合使用,钻井液流变性好,其酸溶性好,形成的泥饼更容易去除,沉降稳定性好,对储层损害程度低。该剂磁性可通过去除赤铁矿杂质得以解决;尽管其硬度高于重晶石,但由于其D₉₀为15 μm,因而其磨蚀性低于API重晶石。此外,由于微细钛铁粉颗粒分布集中（D₅₀≈5 μm）,高温高压滤失量稍高,可以通过加入一些粒径分布宽的酸溶性架桥颗粒来得到解决。整体上来说,微细钛铁粉用作钻井液加重剂是非常有前景的。该剂已在阿拉伯湾以及阿联酋等现场应用,取得了较好的结果。      

The Best Common Ways to Manage Barite Sag in HPHT and Deviated Operations With a Case Study in the Iran Oil Industry

Abstract

Barite sag is an oilfield term used to describe significant density variations while circulating bottoms up after a trip, logging run, or other operation that requires the mud to remain static for an extended period of time. Sag is caused by static or dynamic settling followed by slumping of the weighted material. Static sag, as the name suggests, is caused when circulating is stopped for an extended period of time, and the weighting agents begin to settle under the influence of gravity. Due to slumping, dynamic sag occurs frequently in inclined holes. However, the problem has been exacerbated by the increased frequently of high-angle wells with the associated increase in particle settling rate, which occurs in an inclined fluid column. The settling of solids is enhanced by convective currents created by density differences in the fluid across the annulus cross-section. This effect is frequently referred to as the Boycott effect. The authors present the most effective ways to avoid the occurrence of barite sag in high-pressure high-temperature drilling operations, and in high-angle wells beside a case study in Gachsaran formation in the Ahwaz oil field of Iran. The methods include replacing barite with other weighted materials such as ilmenite or manganese tetraoxide. The lower the Equivalent Circulating Density, the higher the rate of drilling operation as well as the lower pressure losses especially in mud pumps. The authors introduce a new water-based mud formulation that uses attapulgite and xanthan gum as viscosifiers. By using a Brookfield viscometer (DV-II + Pro), viscosities of different muds at ultralow shear rates were measured. According to their rheological properties, a desirable mud formulation was developed.     

加重剂对水基钻井液润滑性能的影响研究

为了定量研究加重剂影响水基钻井液润滑性能的一般规律，采用激光粒度仪测定了重晶石、钛铁矿、保护储层加重剂的粒度分布，考察了3种加重剂将水基钻井液加重到相同密度以及加重到不同密度时滤饼的摩擦系数。研究表明：高密度条件下，3种加重剂均有改善钻井液润滑性能的作用，保护储层加重剂的润滑效果最好；水基钻井液润滑性改善时，重晶石、钛铁矿、保护储层加重剂加重钻井液的临界加重密度分别为1.4、1.6和1.6 g/cm³；钻井液未加润滑剂时，超过此临界密度的一定范围内，钻井液体系的润滑性能均增强。     

微粉加重剂与普通重晶石复配加重油基钻井液性能

针对超高密度油基钻井液固相含量高给钻井液性能调控与维护带来不便的问题。用激光粒度分析仪和扫描电镜分析了微粉重晶石、微锰矿粉、普通重晶石的粒度分布和微观形态,研究了微粉加重材料与普通重晶石按不同比例复配加重得到的超高密度油基钻井液的性能变化,同时通过改变处理剂加量对超高密度油基钻井液加重配方进行了调控。研究结果表明,微粉加重材料与普通重晶石按不同比例复配后加重的超高密度油基钻井液具有良好的流变性、电稳定性和失水造壁性,微粉重晶石与普通重晶石的最优复配比例5:5~6:4,微锰矿粉与普通重晶石复配时,微锰矿粉所占复配比例越大,其体系性能越好。考虑到加重材料的成本,室内采用微粉重晶石与普通重晶石3:7、微锰矿粉与普通重晶石2:8的复配比例加重超高密度油基钻井液,在此基础上通过调节有机土和乳化剂的加量、改变内相来优化加重配方,形成了性能良好的超高密度油基钻井液体系。     

Evaluation of some vanillin-modified polyoxyethylene surfactants as additives for water based mud

Water-based drilling fluids are increasingly being used for oil and gas exploration and are generally considered to be more environmentally acceptable than oil-based or synthetic-based fluids. In this study, new types of vanillin-modified polyoxyethylene surfactants were evaluated as additives in water-based mud. Their rheological properties in water-based mud were investigated which included the apparent viscosity, the plastic viscosity, the yield point, the gel strength, the thixotropy as well as the filtration properties. Also, the effect of high temperature on the rheology of the formulated water based mud was studied. The tested ethoxylated non-ionic surfactants showed good results when utilized in the formulation of water-based mud.     

加重剂对磁性对摩阻的影响及其机理探讨

在钻井施工中,用钛铁矿粉、氧化铁粉加重钻井液时,活动钻具的阻力比重晶石加重液高出许多,会出现连续阻卡现象,任何润滑措施都不理想。因此,用改进的试验方法研究了加重剂磁性对钻具摩阻的影响。结果表明,磁性是钛铁矿粉加重钻井液摩阻增加的主要原因,润滑剂不能从根本上解决这一问题。提出需要高密度钻井液的斜井和水平井应尽可能不使用具有磁性的加重剂。     

基于Alferd修正模型的高密度钻井液性能调控

针对深井高温高密度钻井液性能难以调控的问题,探讨了重晶石级配对高密度钻井液流变性和滤失性能的影响规律及作用机理。基于分形理论,对粉体堆积常用的Alfred方程进行修正,建立了适用于重晶石级配加重的粒度分布模型,计算了重晶石级配的理论最优配比,并通过实验验证了修正模型的可行性。实验表明,修正后的Alferd模型可以指导高密度钻井液的颗粒级配设计,确定加重材料最优级配比例。使用合理级配的重晶石加重,可以降低钻井液内部颗粒间的碰撞概率及储能模量,削弱体系的网架结构和流动阻力,并使重晶石的粒度分布更加合理,有利于形成致密泥饼,从而改善钻井液的流变性能和滤失性能。      

不同加重剂对超高密度钻井液性能的影响

针对超高密度钻井液中加重剂用量大、货源稀少、价格昂贵,或硬度较大、磨损钻具、具有毒性等问题,选择目前应用最广泛的重晶石粉和国外开发的微锰粉MicroMAX为加重剂,研究了其对钻井液性能的影响。分别用扫描电镜和激光粒度仪分析了重晶石粉和微锰粉的微观形态和粒度分布,并将其按一定比例复配为加重剂,配制出2.85~2.90 kg/L的超高密度钻井液,高温老化后进行流变性、滤失性和沉降稳定性的评价试验。试验结果表明:纯度较高的重晶石粉能够配制出具有良好流变性、悬浮稳定性的超高密度钻井液,且高温高压滤失量小;用重晶石粉和密度更高、粒径较小的微锰粉复配加重,高温老化后钻井液的黏度和动切力下降,流变性有一定改善,但高温高压滤失量增大。综合考虑钻井液性能、经济性和实用性,建议用性价比相对较高的重晶石粉为加重剂。用重晶石粉加重的2.75~2.89 kg/L的超高密度钻井液在官深1井三开井段进行了现场试验,安全钻进约745 m。      

超高密度钻井液技术

针对超高密度钻井液黏度不易控制、沉降稳定性差等难题,首先提出构建超高密度钻井液体系的方法和原则,并在此基础上以重晶石为加重材料,通过研发和优选关键处理剂,形成了密度大于2.75 kg/L的超高密度钻井液体系。该钻井液体系在高温高压下具有良好的流变性,高温高压滤失量小于10 mL,抗盐污染性能及沉降稳定性好,解决了超高密度钻井液流变性与沉降稳定性及高温高压滤失量控制的难题,确保了在高温高压下具有良好的流变性和悬浮稳定性。该钻井液在贵州官渡地区官深1井三开井段进行了现场应用,三开井段应用密度2.75～2.89 kg/L的超高密度钻井液安全钻进745.00 m,钻进过程中钻井液性能稳定,没有出现沉降现象。      

超高密度油基钻井液加重剂评价及现场应用

准噶尔盆地南缘区块古近系、白垩系、侏罗系等地层,压力系数高达2.40～2.65 g/cm3,为了保障异常高压地层的安全钻进,急需研发性能优异的超高密度油基钻井液。使用环境扫描电子显微镜和激光粒度分析仪,分析了普通重晶石、微粉锰矿和微粉重晶石的微观形态和粒度分布。分析了微粉加重剂降低钻井液黏度的原理,实验评价出配制超高密度油基钻井液加重剂最佳复配方案为普通重晶石∶微粉锰矿=7∶3。优化出超高密度油基钻井液的配方,评价其高温沉降稳定性能、抗水污染性能。实验结果显示,配制的超高密度油基钻井液具有好的高温沉降稳定性,静恒温24 h,上下密度差值为0.01～0.02g/cm3,静恒温120 h,上下密度差值为0.10～0.14 g/cm3,上下密度差值小;具有好的抗水污染性能,能抗15%以内的水污染。现场应用表明:密度为2.65 g/cm3的超高密度油基钻井液在钻进过程中,全程钻井液性能表现良好,井下安全正常。      

加重剂对抗高温超高密度柴油基钻井液性能的影响

在塔里木盆地库车山前钻遇库姆格列木群盐膏地层时,要求采用抗高温超高密度油基钻井液,该钻井液必须具有良好流变性、低的高温高压滤失量、良好的封堵性与动、静沉降稳定性。研讨了不同类型加重剂对抗160℃超高密度柴油基钻井液性能的影响;采用重晶石（ρ=4.2 g/cm3）、重晶石（ρ=4.3 g/cm3）、氧化铁粉、Microdense等单一加重剂配制超高密度柴油基钻井液,钻井液性能无法全面满足钻井工程的需要;采用具有超微细、高密度、球形等特点的MicroMax加重的超高密度柴油基钻井液拥有非常好的流变性能和良好的沉降稳定性,但无法控制钻井液的高温高压滤失量;当重晶石和MicroMax按60∶40比例复配时,可配制出性能良好的超高密度（2.4～3.0 g/cm3）抗高温柴油基钻井液,能满足库车山前钻进高压盐水层与易漏地层的需求。      

高密度钻井液加重材料沉降问题研究进展

钻井液的密度对于地层的压力控制至关重要,而流变性和沉降稳定性控制是高密度钻井液技术存在的主要技术难点之一。传统的加重材料,例如API重晶石在高密度钻井液中存在严重的沉降问题,对钻完井作业造成严重影响。不同粒径、形貌和比重的加重材料对改善高密度钻井液的流变性和沉降稳定性有不同的作用。综述了对API重晶石沉降问题的研究现状以及作为替代API重晶石的微粉加重材料的研究进展。国内外的室内研究与现场应用表明,高密度的微粉加重材料可有效解决高密度钻井液的沉降稳定性问题,并且具有降低摩阻、当量循环密度等优点。但是,微粉加重材料也存在固相控制、泥饼清除困难,微粉颗粒团聚的缺点,研究学者针对这些问题已展开大量研究,并提出相应解决办法。      

有利于改进水包油钻井液性能的固体乳化剂的研制及应用

在水基泥浆中加入5—12%矿物油(或柴油)所形成的水包油钻井液已在胜利油田广泛应用于防止卡钻的发生。但在某些情况下,这种泥浆体系的乳化稳定性不能满足钻井作业的需要。为了克服这一缺点,研制出一种颗粒极细并具有特殊润湿性(弱亲水)的固体乳化剂,并已成功地应用于改进乳状液的稳定性和钻井液的其它性能。 在提出该项技术之前,对各种不溶于水的微细固体颗粒对水包油乳状液稳定性的影响进行了较深入的研究。这些颗粒状物质包括膨润土、有机土、高岭石粉、重晶石粉、两种颗粒尺寸不同的碳酸钙粉、两种具有不同润湿性的硅石粉以及新研制的固体乳化剂。为评价这些微粒对乳化稳定性的贡献,分别开展了乳状液稳定性实验和液滴聚并实验。使用静置12h后乳状液的体积和油/水滴的半衰期作为乳状液稳定性的评价指标。实验结果显示,对于给定的油/水体系,乳状液类型和稳定性取决于固体颗粒的类型、尺寸、浓度和润湿性,以及是否有表面活性剂存在。与其它类型的颗粒相比,固体乳化剂的微粒可为水包油乳状液提供最有效的稳定性。同时实验中发现,在某些情况下,固体乳化剂微粒还能有效地稳定油包水乳状液,因为其润湿性接近于中性。 目前,使用新研制的固体乳化剂稳定的水包油乳化泥浆已经成为胜利油田钻定向井和水平     

超高密度水基钻井液加重剂研究

超高密度水基钻井液常规加重剂易引起黏度效应,导致钻井液黏度过大失去流动性。采用表面活化和粒度级配的方式对重晶石进行了优化。通过电势影响和流变性实验确定出表面活化剂（RAB）的最佳加量,并在此基础上,以经典堆积理论为基础,采用Dinger-Funk分布方程计算出不同分布模数下的粒度范围,通过大量室内实验,确定出最佳粒度级配。通过优化生产工艺生产出工业级的特殊重晶石,在四川地区多口高压深井气井进行了应用,成功配制出超高密度水基钻井液（密度≥2.65 g/cm3）。现场应用结果表明,以特殊重晶石加重的超高密度水基钻井液,具有加重密度高、流变性可控、抗盐水侵等特点,满足实际施工需要,具有较高的推广价值。     

KL2-H1水平井高密度饱和盐水混油钻井液技术

KL2-H1井是西气东输2007年在克拉区块的一口水平井.该井三开段为高压盐膏层,四开段为白云岩高压气层;钻井液密度为2.00～2.25 g/cm<'3>,压井液密度为2.40 g/cm<'3>,使用混10%～15%原油基液,固相含量相对高,且容量限低,同时由于带POWVER或MWD定向工具钻进,只能使用重晶石加重,使得钻井液的流变性较差,现场施工困难.经过室内实验,研究出了一套适用于现场要求和用重晶石加重的流变性较好的高密度饱和盐水钻井液和压井液配方.现场应用表明,该钻井液的各项性能均能很好地满足钻进要求.     

井浆改造固井隔离液的评价与应用

随着川渝地区高温深井、超深井勘探开发的发展,固井时水泥浆与钻井液相容性差的问题日益突出,极易导致固井注水泥浆时出现变稠、结块的问题。通过对水泥浆与钻井液接触污染因素分析、研究,合成了由井浆改造不排放抗污染隔离液GLJ。经室内评价和现场投井应用表明,隔离液GLJ现场配制简单、方便,只需将隔离剂直接加入现场钻井液中即可,可减少新增液体量、钻井液加重剂等材料用量,减轻现场储存压力;GLJ具有较好的流变性、悬浮稳定性,可根据现场施工对隔离液GLJ的流变性能参数要求进行调整,具有良好的抗温性能,井筒中长时间静置不会导致隔离液GLJ重晶石沉淀;GLJ与水泥浆具有良好的配伍性,各种比例混合流体的高温高压稠化实验240 min内体系稠度值未大于40 Bc;隔离液GLJ对钻井液性能影响小,施工结束后循环罐中剩余隔离液GLJ和井筒中返出隔离液GLJ均可混入井浆中作为钻井液继续使用,减轻了现场废弃液的排放及处理量,具有良好的经济效益和社会效益。      

加重剂类型对油基钻井液性能的影响评价

油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性能,而加重剂对钻井液的性能有很大影响,不同加重剂配制的钻井液在现场钻进过程中效果不同。通过对毫微粉体、普通重晶石粉和微锰矿进行粒度分析,配制油基钻井液,测定钻井液的黏度、API滤失量、泥饼摩阻系数等性能,研究了不同加重剂对钻井液性能的影响。实验结果表明:毫微粉体的颗粒最小,配制的钻井液黏度最大,滤失造壁性差;普通重晶石粉配制的钻井液润滑性能不好,但受加量的影响小;微锰粉颗粒大,粒度分布广,与普通重晶石粉混合使用后钻井液的性能有明显提高。      

保护储层与环境的深水钻井液室内研究

深水区域的油气资源极为丰富,已成为勘探开发的重点。但深水钻井面临低温、安全密度窗口窄、存在水合物及浅层流、井眼稳定等技术难题,对深水钻井液提出了更高的要求。研究配制了一种深水水基钻井液:在海水中分别加入了适量的优质膨润土、增黏剂、降滤失剂、防塌剂及水合物抑制剂。室内试验结果表明,该钻井液能够有效抑制水合物的形成,加重后的流变性好,抗侵污能力较强,抗钻屑达10%,抗NaCl达15%,抗CaCl2达0.3%;热滚回收率高,抑制性强,在相同条件下与合成基钻井液的热滚回收率相等;保护油气层的效果好,其渗透率恢复率可达90%以上;其所选用的处理剂及配制的钻井液的EC50值均大于10000 mg/L,无生物毒性,可以满足海洋深水钻井的要求。