超高密度高温钻井液流变性影响因素研究

针对超高密度高温钻井液固相含量高、流变性难以控制这一难题,实验研究了膨润土浆流变性的影响规律,然后以新研制的超高密度高温钻井液为对象,研究了重晶石粒度级配与自由水含量对其流变性的影响,并通过正交实验对超高密度高温钻井液配方进行了优化.研究表明,配制超高密度钻井液需要严格控制膨润土用量;重晶石的粒度分布明显影响钻井液的流变性和滤失性;自由水含量与钻井液的黏度紧密相关,重晶石加量对自由水含量影响最大.     

重晶石粒度级配改善高密度水基钻井液流变性研究

高密度水基钻井液固相含量高,流变性调控难度大,选择常用的重晶石作为加重剂,研究了重晶石粒度级配对高密度水基钻井液流变性的影响。在理论分析和室内试验基础上,确定了多级级配和两级级配方案,考察了两种方案加重钻井液后流变性能变化。试验结果表明,合理粒度级配后重晶石的固相黏度效应降低,钻井液流变性明显改善,与采用未分级重晶石加重钻井液相比,多级级配和两级级配方案配制的钻井液塑性黏度最多分别降低了19%和17%,最优粒度级配为多级级配(37μm):(20μm)1,两级级配(53μm):(37μm)=1:1;重晶石粒度两级级配方式更适用于实际操作。     

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。      

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。     

重晶石粒度级配对加重钻井液流变性的影响

利用粒度分级的重晶石粉,对重晶石粉粒度级配对加重钻井液性能的影响进行了研究。首先通过分析粉末颗粒堆积理论获得了理论重晶石粉粒度级配方案,进而通过实验考察了不同的重晶石粉粒度配比对加重钻井液流变性的影响。结果表明,钻井液密度越高,重晶石粉粒度级配对钻井液流变性的影响越明显;理论级配公式所计算配比与实验所得配比比较接近;通过优化重晶石粉粒度级配可以改善加重钻井液的流变性,通过实验和分析得到重晶石粉最优粒度配比为:(0.154～0.038mm)∶(小于0.038mm)为34∶66。     

微粉重晶石改善钻井液性能室内研究

为了改善钻井液的流变性和沉降稳定性,制备出了粒径（D90）小于5 μm 的微粉重晶石。分别在大位移水基钻井液和深井油基钻井液配方中进行了性能评价,室内实验结果表明,与API 重晶石加重钻井液相比,用微粉重晶石和API 重晶石混合加重的水基钻井液和油基钻井液塑性黏度更低,动切力更大,能明显降低钻井液当量循环压耗,在水基钻井液中极压润滑系数能降低8% 以上,用其加重的高密度油基钻井液具有更好的沉降稳定性。因此,微粉重晶石是大位移井和高温高压深井理想的加重材料。      

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。      

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。      

微粉重晶石高密度钻井液性能研究

国外现场应用表明,微粉重晶石加重技术能很好地解决超深井复杂井钻井现场遇到的很多难题,但目前中国关于微粉重晶石加重技术的研究应用报道较少。考察了微粉重晶石、普通重晶石、铁矿粉加重的高密度钻井液流变性、沉降稳定性、润滑性,研究了微粉重晶石高密度钻井液的储层保护技术,进一步利用3种加重材料的粒度分布、表面电性、微观形貌基本性质探讨了微粉重晶石改善高密度钻井液性能的作用机理。实验结果表明,微粉重晶石加重高密度钻井液黏度效应低,沉降稳定性与润滑性明显优于普通重晶石和铁矿粉高密度钻井液;通过优选架桥粒子与降滤失剂可以在一定程度上减轻储层伤害程度,满足各种复杂井对高密度钻井液的需要。     

国外HTHP水基钻井液的研究进展

综述了国外高温高压（HTHP）水基钻井液的研究进展。简介了技术原理和各类HTHP水基钻井液,其中包括盐水基、重晶石加重和四氧化三锰加重HTHP水基钻井液。侧重介绍了甲酸盐基HTHP水基钻井液的原理、技术发展及应用。对重晶石加重和四氧化三锰加重HTHP水基钻井液,重点介绍了控制体系流变性、稳定性和滤失量。还给出了在德国北部、美国塔斯卡卢萨、印尼那图那海、北海、沙特阿拉伯、中国南海等油田的现场应用结果。     

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。      

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。      

抗高温钻井液增黏剂的研制及应用

以N-乙烯基己内酰胺为温敏性单体,对苯乙烯磺酸钠为亲水性单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,采用自由基胶束乳液聚合法研制出了一种抗高温钻井液聚合物增黏剂.通过正交试验确定了最佳合成条件,借助元素分析、凝胶色谱分析、热重分析和急性生物毒性实验分别表征了该增黏剂的元素组成、相对分子质量、热稳定性和EC₅₀值,研究了其在水基钻井液中的增黏性能及温敏特性,探讨了增黏机理,优化出了一套适用于环渤海湾地区的可排放水基低密度抗高温钻井液体系,并进行了现场试验.结果表明:该聚合物增黏剂具有优异的增黏性能、热稳定性及温敏特性,在淡水基浆和盐水基浆中经220℃、16h老化后的表观黏度保持率分别为90.81% 和95.95%,EC₅₀值为15.529×10⁴mg/L,满足可排放海水基钻井液技术要求;新研制出的聚合物增黏剂在环渤海湾地区冀东油田深部潜山储层现场的成功应用表明该处理剂能够在深部超高温地层、低膨润土含量及低密度钻井液体系中有效发挥增黏作用,同时也有效地解决了以大量消耗常规磺酸盐共聚物等钻井液处理剂为代价的钻井液日常性能维护问题.     

抗160℃超高密度柴油基钻井液体系

由于油气勘探开发逐步向深层、非常规等油气藏发展,要求采用抗高温超高密度油基钻井液钻进,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。研讨了抗160℃超高密度柴油基钻井液配方。通过大量实验得出,采用重晶石加重,无法配制出具有良好流变性能与动沉降稳定性能的超高密度柴油基钻井液;形成了抗160℃密度为2.4～3.0 g/cm3超高密度柴油基钻井液配方为,0#柴油与25%氯化钙盐水的质量比为90∶10,加入有机土+0.8%主乳化剂+1%辅乳化剂+1%润湿剂+5%降滤失剂+3% CaO+加重剂（重晶石∶MicroMax为6∶4）,其中有机土加量随钻井液密度增加而下降,密度为2.4、2.6、2.8和3.0 g/cm3的柴油基钻井液,最佳有机土加量分别为1%、0.5%、0.3%、0。      

密度对油基钻井液性能的影响

随着高密度油基钻井液被使用的越来越多,高密度时油基钻井液表现出的性能不稳定也逐渐被现场工程师发现。研究了密度对油基钻井液性能的影响,以及不同密度下温度、剪切时间、油水比、有机土、CaCl₂浓度和劣质固相对油基钻井液性能的影响。研究结果表明,重晶石能增加油基钻井液的黏度和切力,提高钻井液的乳化稳定性;油基钻井液的破乳电压和重晶石的加入量呈线性关系;在高密度时,油基钻井液的表观黏度受温度、油水比、有机土和劣质固相的影响程度比低密度时大;破乳电压在高密度时受油水比、CaCl₂浓度和有机土的影响比低密度时大。综上可知,密度的增加不仅单独对油基钻井液性能造成影响,还提高了油基钻井液对其它因素的敏感性。因此在使用高密度油基钻井液时,要加强对现场钻井液性能的监控和调节。      

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。      

钻井离心机流场特性及重晶石回收效率分析

针对超深井高密度钻井液中重晶石的回收效率问题,将钻井液考虑为液-固-固流体模型,分析了离心机内流场的瞬态变化过程以及多种因素对重晶石和有害固相分布的影响,并对重晶石的回收效率进行了分析。分析结果表明：离心机沉渣池重晶石的体积分数远大于有害固相,轴向速度在离心机溢流口处达到最大;随着钻井液黏度的增大,沉渣池重晶石的回收效率明显降低,溢流口的重晶石体积分数呈现上升的趋势;随着转速和重晶石粒径的增大,沉渣池重晶石体积分数逐渐升高,溢流口返出的重晶石体积分数呈现下降趋势;粒径对重晶石的回收效率有很大影响。所得结论可以为钻井液中重晶石的回收与有害固相物的去除提供理论指导。