微細鈦鐵粉加重劑在鉆井液中的應用

王茜， 馬昭華， 袁學芳， 徐同臺， 張暉， 張瑞芳

（1.中國石油塔里木油田分公司工程研究院，新疆庫爾勒84100；2.北京石大胡楊石油科技發展有限公司，北京102200）

0 引言

近年來密度不小于4.2 g/cm3的重晶石面臨貨源減少和成本增加的問題，10年前美國石油學會將密度為4.1 g/cm3的重晶石作為了補充加重劑，由于較低密度重晶石存在雜質，使得鉆井液性能發生了較大變化[1]；此外，隨著鉆井條件的不斷變化，對鉆井液性能的要求也越來越高，尤其是在窄密度窗口井、高溫高壓井、大位移井以及深水井鉆進過程中對鉆井液性能的要求更高，需要鉆井液具有更高的密度、更好的流變性、更好的沉降穩定性以及對儲層損害程度低等。目前使用的重晶石已經不能滿足以上要求，有時會遇到以下問題，重晶石發生沉降，流變性不好控制，鉆井過程中重晶石顆粒被磨細，導致儲層堵塞和靜切力的升高[3]，由于重晶石在甲酸鹽鹽水中溶解度高，所產生的鋇離子有毒，從而限制其在甲酸鹽鉆井液中使用。因此，尋求新型加重劑迫在眉睫。

在過去的幾十年里人們嘗試用赤鐵礦、方鉛礦、菱鐵礦和天青石等礦物，將他們按照API重晶石細度磨細，用作加重劑，取得一定效果，但仍存在一定的問題。近年來，研究人員將目標轉移到微細重晶石、微錳、微細鈦鐵礦等新型加重劑。早在20世紀70年代左右，由于鈦鐵粉的密度約為4.6 g/cm3，大于重晶石，且鈦鐵粉的酸溶性比較好，因而鈦鐵粉開始用作鉆井液加重劑。但是由于鈦鐵粉莫氏硬度在5.0～5.5之間，粒度較大的鈦鐵粉顆粒會對鉆柱以及地面設備造成一定的磨蝕，另外鈦鐵礦中伴生的赤鐵礦具有一定的磁性，這會干擾測井作業，加之鈦鐵粉成本相對較高，阻止了其大規模推廣應用。為了克服鈦鐵礦上述弱點，研究人員將其細化處理，并發現當鈦鐵粉中粒徑大于45μm的顆粒含量不超過2.5%時，其磨蝕性會很小，甚至比API重晶石低60%[2]，可通過降低其中赤鐵礦的含量達到使鈦鐵粉消磁的目的[4]。由于鈦鐵粉具有一定的硬度，在循環過程中不會被磨細，可以重復使用[5]；此外，當微細鈦鐵粉的D50值在5μm左右時，可以提高其在高密度鉆井液中的沉降穩定性，尤其是在鉆水平井、大壓差井、深水井和小井眼井過程中優勢尤為突出[6]。通過對國內外文獻調研，研討了微細鈦鐵礦在鉆井液中的應用性能。

1 微細鈦鐵粉的理化性質

1.1 礦物成分及形狀和粒度分布

微細鈦鐵粉密度約為4.6 g/cm3，莫氏硬度為5.0～5.5，磁性物質的質量分數小于0.3%時可以防止磁性阻尼。通過X-射線衍射分析得出，鈦鐵粉樣品的礦物組分主要是三氧化二鐵（46.08%）與二氧化鈦（44.42%），還含少量氧化鎂（4.39%）與二氧化硅（2.88%）及微量氧化錳（0.30%）、氧化鈣（0.35%）、三氧化二鋁（0.72%）等。

加重劑的顆粒形狀及粒度分布對其加重的鉆井液性能有較大影響。微鈦鐵粉顆粒形態為圓弧鈍化，其圓形度為0.9。微細鈦鐵粉粒度分布很集中，峰值為 6 μm 左右，D10=1.7 μm，D50=5 μm，D90=12.6μm；通過 BET法測定，其比表面積為1.5 m2/g[1]。

1.2 磨蝕性

鈦鐵粉的莫氏硬度為5.0～5.5，若直接使用會對設備以及管柱造成磨蝕。但如將鈦鐵粉磨細，可降低它對設備的磨蝕性。采用2種方法評價了各種加重劑粉對設備以及管柱的磨蝕性[2]。

1）API RP 13I/ISO 10416葉片法。測量旋轉過程中懸浮在加重鉆井液中葉片質量的損失，結果見圖1。由圖1可以看出，對于API度赤鐵礦和鈦鐵粉，隨著實驗時間的增加，磨蝕速率逐漸減小，其葉片質量減小速率均大于2 mg/min；對于API重晶石，其磨蝕速率先減小，1 h以后基本保持不變，此時葉片質量減小速率在1 mg/min左右；而對于微細處理過的赤鐵礦和鈦鐵粉，其磨蝕率都遠小于API重晶石的磨蝕速率。該實驗結果表明，對赤鐵礦和鈦鐵粉進行微細處理，其磨蝕性急劇降低，可低于API重晶石的磨蝕性。

圖1 API RP 13I/ISO 10416葉片法測不同加重劑磨蝕性

2）Multi-Media 磨蝕測試。此方法主要是測量金屬銷的質量損失。因為鉆井液在整個容器中是隨著轉盤旋轉的，因此固定的金屬銷與鉆井液會有相對摩擦。旋轉托盤的轉速在60～2 000 r/min之間可調。實驗結果表明：在整個實驗過程中，無論是API重晶石還是微細重晶石，其葉片質量損耗基本相等；但采用API鈦鐵粉加重的鉆井液中葉片質量損耗比微細鈦鐵粉加重的鉆井液中大很多；用API赤鐵礦加重的鉆井液中葉片質量損耗最大。此實驗結果同樣得出：API顆粒度的鈦鐵粉、氧化鐵粉對設備的磨蝕性均比API重晶石大，尤其是赤鐵礦粉的磨蝕最大；但是經過微細處理后鈦鐵粉和赤鐵礦，其磨蝕量大大減小，微細鈦鐵粉的磨蝕性還低于微細重晶石的磨蝕性。

圖2 Multi-Media 磨蝕測試儀對加重劑磨蝕性實驗結果

1.3 Zeta電位分析[1]

采用45 g去離子水和0.05 g微細鈦鐵粉配制成微細鈦鐵粉懸浮液，測定其Zeta電位，見表1。由表1可知，隨著懸浮液pH值從4.23增加至7.3，Zeta電位從正變為負，絕對值從2.5增加至29.44 mV，負電性急劇增加，繼續提高pH值，Zeta電位趨于穩定在-30 mV左右，懸浮液趨于穩定

1.4 酸溶性

鈦鐵礦可溶于鹽酸、硫酸、磷酸和大部分有機酸。鈦鐵礦在酸中的溶解率與酸濃度、鈦鐵粉濃度、鈦鐵粉顆粒大小和溫度等因素有關。

表1 不同pH值下微細鈦鐵粉懸浮液的Zeta電位

1）不同類型酸溶液對溶解速率的影響[5]。采用10%HCl、20%HEDTA和20%EDTA酸 溶 液 ，在149 ℃、2.1 MPa下與鈦鐵粉反應16 h，測溶液中鐵和鈦的含量，結果見圖3。

圖3 鈦鐵粉中在不同類型酸中的溶解率

由圖3可知，在10%的鹽酸溶液中，反應到6 h，溶液中鐵含量為93%左右，隨著反應時間的增加，鐵的含量基本保持不變；同樣反應到6 h，溶液中鈦的含量從20%降到10%左右，隨著反應時間繼續增加，其含量保持不變；在20%HEDTA和20%EDTA溶液中，隨著反應時間的增加，鐵和鈦的含量均在增加。上述實驗表明，鈦鐵粉在鹽酸中的溶解速率與溶解率比HEDTA和EDTA大很多。采用鹽酸來去除鉆井過程中形成的泥餅及進入地層中的鈦鐵粉是一種有效的方法。

2）鹽酸濃度對溶解速率的影響[1]。在同一顆粒尺寸下，隨著鹽酸濃度的增加，鈦鐵粉中鐵的溶解量增加，如圖4所示。

圖4 酸濃度對鈦鐵粉溶解速率的影響

3）粒徑對酸溶速率的影響[1]。鈦鐵粉粒徑對酸溶速率的影響見圖5。

圖5 鈦鐵粉粒徑對酸溶速率的影響

由圖5可以得出，當鈦鐵粉顆粒尺寸為70 μm時，隨著反應時間的增加，鐵的溶解速率呈直線上升趨勢；當鈦鐵粉顆粒尺寸為18 μm時，隨著反應時間從0增加到80 min，鈦鐵粉中鐵的溶解速率急劇上升，溶解率達到60%左右，隨著時間繼續增加，鐵的溶解率變化不大；當顆粒尺寸為5 μm時，隨著反應時間從0增加到60 min后，鈦鐵粉的溶解量急劇上升，增到60%以上，隨著反應時間的繼續增加，鐵的溶解率呈直線增加，當反應達240 min時，鐵的溶解率達到90%以上。

1.5 生物毒性[1]

鈦鐵粉生物毒性低，不流動，無生物聚集和毒性，在北海地區可安全使用。研究表明：①鈦鐵粉的重金屬含量比重晶石更低，并且具有更好的生物可用性；②比目魚在含有鈦鐵粉的環境中飼養時不會影響比目魚的死亡率或出生率；③當比目魚暴露在含有重晶石的環境中，其肝臟和血液中鉛和鋇的濃度會增加，而在含有鈦鐵礦的環境中沒有觀察到這一現象的出現。

2 加重劑對鉆井液性能的影響

通過分別采用微錳、微細鈦鐵粉、API重晶石加重相同配方、相同密度的水基與油基鉆井液來研討3類加重劑對鉆井液性能的影響。

2.1 加重劑對水基鉆井液性能的影響

1#、2#和3#配方均為密度為2.1 g/cm3KCl/聚合物鉆井液，基漿相同，加重劑分別采用微錳、微細鈦鐵粉與API重晶石，具體配方如下[1]。

基漿：475 g水+12 g增黏劑+1 g NaOH+9.8 g降濾失劑+7.8 g 聚合物降濾失劑+10 g 分散劑+0.5 g NaHSO3

1#配方：基漿+974 g微錳

2#配方：基漿+1 015 g 微鈦鐵粉

3#配方：基漿+1 100 g API重晶石

將鉆井液在150 ℃老化16 h后，冷卻至50 ℃測性能。實驗結果表明，分別用微錳、微細鈦鐵粉以及API重晶石加重的鉆井液塑性黏度分別為38、42和53 mPa s；動切力分別為8.5、6.0和7.5 Pa；高溫高壓濾失量分別為17、32和20 mL；靜沉降因子分別為0.510、0.524和0.532，用微細鈦鐵粉加重的鉆井液靜放后有32 mL的清液析出，API重晶石加重的鉆井液清液為25 mL，而用微錳加重的鉆井液清液只有8 mL。

4#、5#和6#配方均為密度為2.3 g/cm3KCl/聚合物鉆井液，基漿相同，加重劑分別采用微錳、微細鈦鐵粉與API重晶石，具體如下[7]。

基漿：320 g水+4 g淀粉+0.75 g KOH+6 g陰離子纖維素+60 g KCl+14 g 分散劑

12 g增黏劑+1 g NaOH+9.8 g 降濾失劑+7.8 g聚合物降濾失劑+10 g 分散劑+0.5 g NaHSO3

4#配方：基漿+850 g微錳

5#配方：基漿+904 g 微鈦鐵粉

6#配方：基漿+988 g API重晶石

將鉆井液在80 ℃老化16 h后，冷卻至50 ℃測性能。測得分別用微錳、微細鈦鐵粉以及API重晶石加重的鉆井液熱滾后塑性黏度分別為20、44和54 mPa s；動切力分別為8.5、2.0和2.0 Pa；高溫高壓濾失量分別為9.2、10.0以及5.6 mL；靜沉降因子分別為0.501、0.511和0.570。

通過上述實驗可知，用微細鈦鐵粉加重的KCl/聚合物水基鉆井液表觀黏度介于微錳和API重晶石加重鉆井液之間；動切力比用微錳加重的鉆井液低，與API重晶石加重的鉆井液相近；高溫高壓濾失量比用API重晶石加重的鉆井液大，與微錳加重的鉆井液相近；沉降穩定性比用API重晶石加重的鉆井液好，與微錳加重的鉆井液相近。

2.2 加重劑對油基鉆井液性能的影響

2.2.1 對密度為1.6 g/cm3油基鉆井液性能的影響

7#、8#和9#配方均為密度為1.6 g/cm3油基鉆井液，基漿相同，加重劑分別采用微錳、微細鈦鐵粉與API重晶石，具體如下。

基漿：301 g礦物油+12/10/8 g氨基潤濕劑+9 g乳化劑+5 g有機土+9 g石灰+18 g降濾失劑+2 g聚合物降濾失劑+25 g CaCl2+95 g水

7#配方：基漿+528 g微錳

8#配方：基漿+556 g 微鈦鐵粉

9#配方：基漿+603 g API重晶石

將鉆井液在150 ℃老化16 h后，冷卻至50 ℃測性能。由實驗數據可以得出，分別用微錳，微細鈦鐵粉以及API重晶石加重的油基鉆井液，熱滾后表觀黏度分別為 22.5、21.5、30.5 mPa s；塑性黏度分別為18、20和27 mPa s；動切力分別為4.5、1.5和3.5 Pa；高溫高壓濾失量分別為1.0、4.0和1.0 mL；靜沉降因子分別為0.511、0.506和0.540。采用微錳，微細鈦鐵粉加重的密度1.6 g/cm3油基鉆井液流變性與沉降穩定性均優于API重晶石加重的油基鉆井液，微細鈦鐵粉加重的鉆井液高溫高壓濾失量稍高。

2.2.2 對密度為1.9 g/cm3的抗高溫油基鉆井液性能的影響

10#和11#配方均為密度為1.9 g/cm3油基鉆井液，基漿相同，加重劑分別采用微細鈦鐵粉與API重晶石，具體如下。

基漿：242.5 g礦物油+3/9 g改性鋰皂石增黏劑+3/6 g 改性凹凸棒石增黏劑+30/28 g石灰+30/15 g聚酰胺抗高溫主乳化劑+25/15 g改性酰胺-胺抗高溫輔乳化劑+24.5 g去離子水+8 g CaCl2（97%）+23/25 g有機褐煤抗高溫降濾失劑+1.8/1.5 g抗高溫分散劑

10#配方：基漿+700 g 微鈦鐵粉

11#配方：基漿+740 g API重晶石

分別用微細鈦鐵粉及API重晶石加重的密度為1.9 g/cm3的油基鉆井液在150 ℃熱滾后，塑性黏度分別為25和36 mPa s；動切力分別為2.5和0.5 Pa；動沉降系數分別為0.308和0.500；高溫高壓濾失量分別為3.5和2.2 mL。采用微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液流變性能與沉降穩定性均優于API重晶石加重的油基鉆井液，2種鉆井液的高溫高壓濾失量相接近。

2.2.3 對密度為2.1 g/cm3油基鉆井液性能的影響[1]

12#、1 3#和14#配方均為密度為2.1 g/cm3油基鉆井液，基漿相同，加重劑分別采用微錳、微細鈦鐵粉與API重晶石，具體如下。

基漿：313.3 g礦物油+18/16/14 g潤濕劑+14 g乳化劑+1.6/1.6/1.3 g有機土+16 g石灰+16.8 g降濾失劑+7.2 g聚合物降濾失劑+2.4 g分散劑+31 g CaCl2+104.5 g水

12#配方：基漿+1 106 g 微鈦鐵粉

13#配方：基漿+1 186 g 微鈦鐵粉

14#配方：基漿+1 277 g API重晶石

分別使用微錳、微細鈦鐵粉及API重晶石加重的鉆井液密度為2.1 g/cm3油基鉆井液在150 ℃熱滾后塑性黏度分別為34、56和58 mPa s；動切力分別為7、1和3 Pa；高溫高壓濾失量分別為2.2、5.0和1.0 mL；靜沉降因子分別為0.506、0.508和0.522；靜放時表層清液分別為10、8.0和49 mL。用微錳、微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液流變性與沉降穩定性均優于API重晶石加重的油基鉆井液，重晶石加重的油基鉆井液，熱滾后性能不穩定，上部清液高達49 mL，微細鈦鐵粉加重的鉆井液高溫高壓濾失量稍高，這是由于其比較集中的粒度分布導致，可以通過加入可酸溶的細粉碳酸鈣作為橋堵劑解決。

3 微細鈦鐵粉與API重晶石復配對鉆井液性能的影響[2]

3.1 4.1 g/cm3重晶石與微細鈦鐵粉按93∶7復配

由于高密度重晶石礦源減少，現場開始采用4.1 g/cm3的重晶石作為主要加重劑，為了提高其性能，采用密度為4.1 g/cm3的重晶石與微細赤鐵礦粉或微細鈦鐵粉按93∶7的比例混合加重鉆井液至密度1.9 g/cm3。基漿配方如下。

156.5 g柴油+4 g有機土+3 g石灰+8 g乳化劑+44 g鹽水+5 g降濾失劑+429 g加重劑+25 g固相顆粒

由實驗數據可知，用93%的4.1 g/cm3重晶石與7%的微細鈦鐵粉或微細赤鐵礦粉加重的油基鉆井液，流變性相差不大；用密度為4.2 g/cm3的重晶石加重的油基鉆井液沉降穩定性最差，混入7%的微細赤鐵礦粉的加重劑，鉆井液沉降穩定性最好，混入7%的微細鈦鐵粉，鉆井液沉降穩定性居于兩者之間；只用4.2 g/cm3的重晶石加重的油基鉆井液高溫高壓濾失量最小，約為4 mL；混入7%的微細赤鐵礦粉，鉆井液濾失量最大，約為14 mL；而混有7%的微細鈦鐵粉，鉆井液高溫高壓濾失量居于兩者之間，約為8 mL。

3.2 3.9 g/cm3重晶石與微細加重劑按1∶1復配

由于高密度重晶石礦源減少，現場開始采用3.9 g/cm3的重晶石作為主要加重劑，為了提高其性能，采用密度為3.9 g/cm3的重晶石與微細赤鐵礦粉/微細鈦鐵粉按1∶1的比例混合加重油基鉆井液，至密度為2.16 g/cm3。具體配方如下。

基漿：134/130/130 g柴油+2.5 g有機土+1.5 g第二類有機土+6 g石灰+10 g主乳化劑+0/2/2 g輔乳化劑+37.5/36.5/36.5 g鹽水+8 g降濾失劑+2 g增黏劑+15 g固相顆粒0/2.5/1.25 g分散劑

15#配方：基漿+540.4 g 加重劑（密度為4.2 g/cm3的重晶石）

16#配方：基漿+542.0 g加重劑（3.9 g/cm3重晶石∶微細赤鐵礦粉＝1∶1）

17#配方：基漿+542.0 g重晶石（3.9 g/cm3重晶石∶微細鈦鐵粉＝1∶1）

通過實驗數據可知，用密度為4.2 g/cm3的重晶石加重的油基鉆井液黏度比用密度為3.9 g/cm3的重晶石和微細赤鐵礦粉或微細鈦鐵粉按1∶1混合加重的油基鉆井液稍微高一點，動切力基本一致；用4.2 g/cm3的重晶石加重的油基鉆井液高溫高壓濾失量最大，約為8.5 mL，其次是密度為3.9 g/cm3的重晶石與微細鈦鐵粉按1∶1混合加重，約為7.0 mL，而密度為3.9 g/cm3的重晶石與微細赤鐵礦粉按1∶1混合加重的油基鉆井液高溫高壓濾失量最低，約為5 mL。

4 微細鈦鐵粉加重鉆井液泥餅溶解率

微細鈦鐵粉主要成分是鈦和鐵的氧化物，其酸溶性高。用微細鈦鐵粉加重鉆井液，所形成的泥餅可以用一些酸液進行清洗，使其對儲層的損害降低到最低程度。為了降低鉆完井過程中工作液對儲層的損害，對鉆完井液泥餅進行一系列酸溶實驗，通過最終泥餅在巖心表面的附著量來評價不同酸對泥餅的溶解能力[5]。采用直徑為50.8 mm、厚度為25.4 mm的巖心作為砂盤，通過高溫高壓濾失儀形成泥餅。分別用20%HEDTA和5%H C l溶液進行酸溶實驗，泥餅在酸溶液中浸泡16 h，計算最終泥餅的酸溶率。從實驗數據可以得出，采用微細鈦鐵粉加重的鉆井液泥餅在20%HEDTA中浸泡16 h后，泥餅溶解率為48%，而其余4塊巖心做平行實驗，在5%HCl溶液中浸泡16 h后，溶解率接近100%。實驗表明用微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液形成的泥餅在20%HEDTA中的溶解率很低，而在5%HCl中溶解率很高，接近100%，見圖6。

圖6 泥餅在HEDTA和HCl中溶解實物圖

5 微細鈦鐵粉對儲層滲透率的影響[8]

5.1 滲透率恢復率實驗

對于一種新型處理劑，尤其是固體顆粒含量較大的加重劑來說，評價其對儲層滲透率恢復值的影響程度至關重要。實驗中所用的鉆井液是用微細鈦鐵粉加重的1.11 g/cm3的油基鉆井液，通過不同濃度鹽酸溶液去除泥餅前后測定滲透率，用來研究不同濃度鹽酸是否對滲透率恢復率有一定的貢獻。由于高密度鉆井液中固體含量太大，在巖心驅替過程中可能會堵塞3 mm的管線，因此實驗使用了密度為1.11 g/cm3的油基鉆井液作為污染液體進行污染實驗。具體鉆井液配方如下，其塑性黏度為8 mPa s，動切力為2.5 Pa，靜切力為0.5/1.5 Pa/Pa。

242.5 g礦物油+ 6.0 g增黏劑1（改性鋰蒙脫石）+6.0 g增黏劑2（凹凸棒土）+28.0 g石灰+15.0 g主乳化劑（聚酰胺）+15.0 g輔乳化劑（改性酰胺）+24. 5 g去離子水+8.0 g氯化鈣（97%）+25.0 g抗高溫主降濾失劑有機褐煤+1.5 g抗高溫輔助降濾失劑聚脂肪酸+100.0 g鈦鐵粉

實驗所選取的巖心是Berea砂巖巖心，初始滲透率分別為67、48和50 mD，巖心直徑為38.1 mm，長度為152.4 mm。實驗過程中用5 mL/min的平流泵注入流體，首先注入5%NH4Cl溶液，然后注入10%（V/V）的互溶劑，接著注入5%鹽酸，最后注入5%NH4Cl溶液。其他實驗只改變鹽酸的濃度。隨著鹽酸濃度的增加，用酸液驅替之后巖心截面前后的壓差在逐漸減小，甚至到負數，說明隨著酸濃度從5%增加到10%和15%，巖心滲透率恢復率在逐漸增大，分別為74.63%、90.91%和103.28%（酸洗前巖心滲透率恢復率分別為71.64%、76.36%和67.21%）。實驗結果表明，5%鹽酸酸浸，不足以全部消除微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液對巖心的損害；當采用10%和15%鹽酸溶液，可消除微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液對巖心的損害；酸浸時間應超過2 h。

5.2 流出酸液中沉淀物EDS分析

上述實驗酸洗過程中流出液體中有一些沉淀物，而且在注入互溶劑的過程中沒有沉淀物，只是在注入酸液的過程中出現了沉淀物，見圖7。用元素分析儀對此沉淀物進行分析得出：該沉淀物中氧元素、硅元素和鋁元素濃度很高，主要來自于巖心內部骨架中的物質；其次是鐵元素，含有少量鎂元素、氯元素、鉀元素、鈦元素以及鎳元素，見表2。

表2 沉淀物中各元素濃度 %

圖7 流出酸液中的沉淀物

6 微細鈦鐵粉加重鉆液在現場的應用

6.1 在阿拉伯灣上扎庫木油田的應用

阿聯酋石油公司ZADCO在阿拉伯灣上扎庫姆油田的碳酸鹽巖儲層進行超大位移井作業。之前采用含 CaBr2鹽水相低毒油基鉆井液，CaCO3作為可酸化加重劑，最深鉆達7 620 m。但鉆井過程存在較大的摩阻和扭矩，而且濾餅中的CaCO3過多，導致問題加劇。為了克服以上難點，采用易于酸化、相同鉆井液密度下固相含量更低的超微鈦鐵粉代替CaCO3。采用超微鈦鐵粉的原因：能夠鉆進更深部的儲層，提高接觸面，提高產量；減小摩阻和扭矩；降低循環當量密度；儲層低損害/可修復；減少非作業時間；減少加重劑沉降；提高機械鉆速。

鉆至儲層頂部3 900 m時，在鉆井液中加入超微鈦鐵粉，鉆井液具有以下特點：鉆井液密度為1.3 g/cm3，塑性黏度低（5 mPa s，鄰井鉆井液塑性黏度大于30 mPa s）；當量循環密度比鄰井低0.1 g/cm3；平均機械鉆速高達460 m/d，而鄰井約為365 m/d，提高了25%；平均每口井比鄰井節約3 d時間，還未包括因此而減少的非作業時間（NPT）。第1口井鉆達9 418 m；第2口井鉆至9 632 m（此前記錄是 7 620 m），水平段 6 000 m（之前最長的水平段為4 100 m），最大限度提高了井筒與油層的直接接觸面，從而提高產油率。該井未酸化，油井產量達到預期的2倍。

6.2 在阿聯酋 Diyab 非常規勘探井的應用

Al Hosn Gas (AHG)是美國西方石油公司(OXY)和阿布扎比國家石油公司(ADNOC)的合資公司。AHG在阿聯酋Diyab（阿布扎比以西250 km）進行的一項非常規井勘探中，首次使用超微鈦鐵粉。采用超微鈦鐵粉的目的：降低鉆井液固相含量；如取心時發生卡鉆，可以采用泡酸解卡；降低循環當量密度；可用來配制超高密度鉆井液。

該井采用NaCl聚合物鉆井液，計劃將鉆井液密度從1.72 g/cm3逐漸提升到1.90 g/cm3，然而在鉆探過程中遇到高壓地層，加入超微鈦鐵粉提高密度至2.35 g/cm3。雖然實際鉆井液密度遠超出設計密度，但性能并未發生較大波動，成功完成鉆井任務，說明超微鈦鐵粉可以用于從低密度加重到高密度。由于第1口井使用效果良好，已開始采用微鈦鐵粉鉆第2口井。

7 結論

1.微細鈦鐵粉其主要成分是鈦和鐵的氧化物；該劑密度約為4.6 g/cm3，莫氏硬度為5.0～5.5；粒度分布集中，D50=5 μm，D90=12.6 μm；通過BET法測定，其比表面積為1.5 m2/g；微細鈦鐵粉顆粒形態為圓弧鈍化，其圓形度為0.9；其中磁性物質含量小于0.3%（質量分數），從而防止磁性阻尼，消除磁性對測井作業的影響。

2.通過對鈦鐵粉進行微細處理，其磨蝕性急劇降低，粒徑大于45 μm的顆粒含量低于2.5%時，其磨蝕性很低，比API重晶石低60%。

3.隨著微細鈦鐵粉懸浮液pH值從4.23增加至7.3，其Zeta電位從正變為負，絕對值從2.5增加至29.44 mV，負電性急劇增加。繼續提高懸浮液pH值，Zeta電位趨于穩定在-30 mV左右，懸浮液趨于穩定。

4.微細鈦鐵粉在10%HCl中溶解率可高達90%以上，遠高于在20%HEDTA和20%EDTA中的溶解速度與溶解率。

5.鈦鐵粉生物毒性低，不流動，無生物聚集和毒性，比目魚在含有鈦鐵粉的環境中飼養時，不會影響比目魚的死亡率或出生率。

6.用微細鈦鐵粉、微錳加重的高密度抗高溫水基、油基鉆井液的流變性與沉降穩定性均優于用API重晶石加重的鉆井液；微細鈦鐵粉加重的鉆井液的高溫高壓濾失量稍高，可以加入可酸溶的細目CaCO3來解決。

7.采用微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液污染滲透率分別為67、48和50 mD的Berea砂巖巖心后，5%鹽酸酸浸，不足以全部消除鉆井液對巖心的損害；經10%鹽酸驅替后，巖心滲透率恢復率可達90%以上；經15%鹽酸驅替之后，巖心滲透率恢復率超過100%。酸浸時間應超過2 h。

8.微細鈦鐵粉加重的油基鉆井液已在阿拉伯灣上扎庫木油田應用。現場實踐表明，該鉆井液流變性能好，降低當量循環密度0.1 g/cm3，提高了機械鉆速，提高油井產量。微細鈦鐵粉加重的密度為2.35 g/cm3的聚合物鉆井液已在阿聯酋Diyab探井中應用，鉆井液性能穩定，井下情況正常。