粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究

韓成，張超，劉賢玉，王成龍，徐靖

(中海油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

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粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究

韓成，張超，劉賢玉，王成龍，徐靖

(中海油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

[摘要]流變性控制與維持是高密度鉆井液施工的關鍵技術難題。通過分析粒度級配對高密度鉆井液流變性的影響，確定出重晶石和鐵礦粉的最佳粒度級配，依據Aflred分布方程考察了分布模數對重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液流變性的影響。試驗結果表明，加重材料合理的粒度級配可顯著改善高密度鉆井液的流變性；當重晶石顆粒分布模數n=0.4，鐵礦粉顆粒分布模數n=0.6時，加重的高密度鉆井液的流變性較好，同時能保持較低的沉降密度差和高溫高壓濾失量。

[關鍵詞]粒度級配；高密度鉆井液；流變性；分布模數

隨著高溫高壓油氣勘探開發的深入，高密度鉆井液的研究與應用越來越廣泛[1，2]，重晶石和鐵礦粉是高密度鉆井液主要的加重材料。高密度鉆井液流變性控制已成為深井鉆井的關鍵技術[3]。目前，國內粒度級配理論主要用于改善水煤漿的流動性[4]，但在改善高密度鉆井液流變性的研究程度不夠，只是研究重晶石的不同粒度區間組合對高密度鉆井液性能的影響，未從顆粒分布模數分析最佳的粒度級配方式[5，6]。筆者根據Aflred分布方程，計算出高密度鉆井液加重材料重晶石和鐵礦粉在不同分布模數下各粒度區間內顆粒的百分數，然后考察了根據計算結果加重的高密度鉆井液的流變性能，旨在為高密度鉆井液的流變性控制提供參考。

1粒度級配理論基礎

Alfred方程是經典的連續堆積理論，是一種基于連續尺寸分布顆粒的級配理論。在20世紀70年代大力發展高濃度水煤漿時，Dinger和Funk對Andreasen方程進行了修正，從而提出了Alfred方程[7]：

式中，y為小于粒度d的含量，%；dL為最大粒度，μm；ds為最小粒度，μm；n為模數。

目前，粒度極配理論已廣泛用于高密度鉆井液流變性能研究。當高密度鉆井液中的小顆粒較少而大顆粒較多，或者小顆粒較多而大顆粒較少時，都會引起高密度鉆井液的加重材料顆粒之間的堆積程度，顯著影響高密度鉆井液流動相的體積分數，導致高密度鉆井液的黏度增大、流變性變差[8]。因此，在密度一定的條件下，高密度鉆井液有一最佳的粒度分布，使得適量的小顆粒完全充填在大顆粒空隙間，從而實現緊密堆積。

2粒度級配理論計算

根據GB/T5005確定75、45和6μm分別為加重材料顆粒尺寸節點，同時結合現場施工經驗，確定加重材料最大粒徑dL為106μm，最小粒度ds為0.3μm[9]。根據Aflred方程，計算分布模式n=0.1～0.8時各個粒度區間內顆粒的百分數，結果如表1所示。

3結果分析

表1　不同分布模數下加重材料顆粒粒度分布

選取目前深井超深井常用的聚磺鉆井液，其配方為3%膨潤土+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，將不同粒徑范圍的重晶石和鐵礦粉按照表1理論計算值，加重鉆井液密度至2.4g/cm3，經過150℃老化16h后，測量試驗漿性能。

3.1粒度級配對流變性的影響

將老化后的試驗漿冷卻至室溫，充分攪拌后測試流變性。根據六速旋轉黏度計測試的數據，繪制不同分布模數的重晶石和鐵礦粉的加重鉆井液流變曲線，如圖1所示。

圖1　加重材料按不同分布模數加重的高密度鉆井液流變曲線

由圖1可知，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的流變曲線均表現出塑性流體特征。在不同分布模數n下，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的流變曲線差異較大。當重晶石顆粒分布模數n=0.4、鐵礦粉顆粒分布模數n=0.6時，其各自加重的高密度鉆井液在相同剪切速率下對應的剪切應力較低。尤其是在高剪切速率下，效果更為明顯。

隨著分布模數n增大，重晶石和鐵礦粉粒徑45μm以上的粗顆粒含量增多，粒徑6μm以下的細顆粒含量減少。當重晶石顆粒級配分布模數為0.4，鐵礦粉顆粒級配分布模數為0.6，粒度級配效果較優，此時鉆井液粒度分布如圖2所示。由圖2可知，鉆井液粒度分布范圍寬，其D10在2μm左右，D50/D90均小于1/3，粗、細顆粒含量適當，小顆粒位于大顆?？障堕g起軸承作用，而大顆粒也由于小顆粒的支撐更容易流動，從而高密度鉆井液的流變性得到顯著改善。

高密度鉆井液的流變性由固、液兩相的物理和化學性質決定，同時由于重晶石和鐵礦粉的微觀形狀、密度及表面性質等方面的差異，也會對各自加重的高密度鉆井液的流變性產生影響，這也就解釋了重晶石和鐵礦粉顆粒最佳粒度分布模數不同的原因。

3.2粒度級配對沉降穩定性的影響

將各試驗漿充分攪拌后靜置24h后測量上下部密度差，結果如圖3所示。由圖3可知，隨著分布模數n增大，重晶石和鐵礦粉加重的高密度鉆井液的沉降密度差基本均呈現先減小后增大的趨勢。當分布模數n=0.3～0.4時，重晶石加重鉆井液沉降密度差保持在0.01g/cm3；當分布模數n=0.5～0.6時，鐵礦粉加重鉆井液的沉降密度差保持在0.02g/cm3。因此，重晶石和鐵礦粉在最優的分布模數下，其各自加重的高密度鉆井液沉穩穩定性也能保持較好。

圖2　高密度鉆井液粒度分布圖

圖3　不同分布模數下高密度鉆井液的沉降密度差

3.3粒度級配對高溫高壓濾失量的影響

測試重晶石和鐵礦粉加重的試驗漿的高溫高壓(150℃/3.5MPa)濾失量以及泥餅厚度，結果見表2。由表2可知，不同分布模數n下，重晶石和鐵礦粉對應的高溫高壓濾失量和泥餅厚度差別較大。當重晶石顆粒分布模數n=0.3～0.4，鐵礦粉顆粒分布模數n=0.6時，鉆井液固相粒度分布較寬，小顆粒對大顆粒的充填效果明顯，泥餅堆積程度高，因而其各自加重的高密度鉆井液高溫高壓濾失量和泥餅厚度較小。

表2　加重材料按不同分布模數加重的高密度鉆井液

4結論

1)加重材料合理的粒度級配可顯著改善高密度鉆井液的流變性。

2)加重材料粒度分布遵循Aflred分布方程時，當重晶石顆粒分布模數n=0.4，鐵礦粉顆粒分布模數n=0.6時，其加重的高密度鉆井液具有良好的流變性，同時也能保證高密度鉆井液具有較低的沉降密度差和濾失量。

[參考文獻]

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[9] 于志綱，溫銀武，高燕，等.超高密度水基鉆井液加重劑研究[J].石油鉆采工藝，2012，34(1)：54～56.

[編輯]辛長靜

[收稿日期]2016-02-17

[基金項目]國家科技重大專項(2016ZX05024-005)。

[作者簡介]韓成(1987-)，男，碩士，助理工程師，現主要從事鉆井液技術方面的研究工作；E-mail：hubeihancheng@163.com。

[中圖分類號]TE254

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)16-0018-03

[引著格式]韓成，張超，劉賢玉，等.粒度級配對高密度鉆井液性能的影響研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(16)：18～20.