新型鉆井液加重材料概述

劉兆華 段國慶

摘 要：隨著復雜鉆井作業的日益增多，傳統的加重材料已經無法滿足全部的作業需求，于是對鉆井液加重材料提出了新的需求。本文概述了目前常用的新型鉆井液加重材料的特性和應用情況。

關鍵詞：鉆井液;加重劑;微錳加重劑;鈦鐵粉

隨著全世界油氣資源的逐漸枯竭，為了獲取更多的油氣資源，油氣公司也面臨著更大的挑戰。深水井、超深水井、超大位移井、高溫高壓井等高難度鉆井作業逐年增多。這些高難度的鉆井作業往往伴隨著各種挑戰，包括窄密度窗口、井壁不穩定、重晶石沉降、扭矩過高、井眼清潔、ECD過高等一系列可能導致鉆井成本升高的問題。復雜的鉆探環境對鉆井液的性能也有著更高的要求。傳統的加重材料重晶石由于存在粘度效應高，懸浮性差，摩擦阻力大，破壞儲層等問題，已經不能完全滿足目前的鉆探需求。為此，各個公司及科研機構也不斷探索和研發新型的加重材料。本文通過調研國內外的研究情況，發現新型的鉆井液加重材料主要有微錳粉、鈦鐵粉、方鉛礦、液體加重材料等。

1、微錳加重劑

微錳加重劑的主要成分是四氧化三錳，密度為4.8g/cm3。微錳加重劑是一種顆粒小、無磁性、硬度大、比較面積大的球形顆粒。經過特殊工藝加工，它的粒徑在0.5-2μm，粒徑分布均勻，且顆粒是規則的球體，比表面積達2～4m2/g，易于懸浮[1]。微錳加重劑的莫氏硬度高，顆粒不易磨蝕分散，同時圓球度高，顆粒間摩擦小。相比重晶石等常規加重劑，它具如下優點：

（1）良好的沉降穩定性;微錳加重劑顆粒的比表面積大，在相同的流變性能下，比傳統的重晶石等加重材料顆粒更容易懸浮。在靜切力很低的鉆井液中也能長時間懸浮，不會產生沉降的現象。

（2）良好的潤滑性;微錳顆粒是強度很高的球形顆粒，可以有效降低鉆井液內部摩擦的同時可以在鉆具和井壁間起到固體潤滑劑的作用，對于降低扭矩效果明顯，適用于大位移井和水平井的鉆進。

（3）良好的流變性;微錳加重劑是形狀規則的微米級球形顆粒，顆粒間的摩擦力非常小，及時在很高密度的情況下也能保持很低的塑性粘度和動切力，可以有效降低ECD，可以很好的應用于窄密度窗口的鉆井作業。

（4）良好的儲層保護特性;微錳加重劑為微米級的球形顆粒，進入地層孔隙后非常容易返排，而且它可以近乎100%酸溶，所以可以通過酸化來進一步解堵，幾乎不會對儲層產生損害。非常適合高溫高壓儲層的加重材料。

由于微錳加重劑的良好性能，最近幾年越來越多的被用作復雜鉆井作業的鉆井液加重劑。中海油服曾在印尼的高溫高壓項目和南海的深水鉆井作業中使用微錳加重劑作為儲層鉆開液的加重材料，均取得了很好的效果[2]。但是由于微錳加重劑價格昂貴，所以目前很難在常規鉆井液中普及應用。

2、鈦鐵粉

鈦鐵粉由鈦鐵礦經研磨而成，其密度為4.6 g/cm3。由于其密度高，早在 20 世紀 70 年代左右，鈦鐵粉就曾被用作鉆井液加重劑。但是由于其硬度很高，莫氏硬度在 5.0～5.5 之間，大顆粒的鈦鐵粉會對鉆井設備產生磨損。而且，由于鈦鐵礦中含有少量具有磁性的赤鐵粉，會對測井設備產生影響，導致測井數據失真。由于上述不利因素，鈦鐵粉沒有被大面積用作鉆井液加重劑。

近幾年，研究人員發現，經過多次研磨和細化處理，可以將鈦鐵粉處理成直徑很小的球形顆粒，其磨蝕性會被很大程度的降低。此外，可以將鈦鐵礦中的赤鐵礦成分分離出來，從而消除其磁性。經過特殊處理后的鈦鐵粉有如下優點：

（1）密度高：鈦鐵粉的密度為4.6 g/cm3。

（2）硬度高：莫氏硬度在 5.0～5.5 之間，可以長時間使用，不會被磨細分散到鉆井液中，粘度效應低，可以有效控制ECD。

（3）球形：易于懸浮在鉆井液中，不易沉降。鉆具的磨阻小，降低扭矩。

（4）酸溶：可以用于儲層鉆開液。

國內王茜[4]等總結發現微細鈦鐵粉顆粒形態為圓弧鈍化， 其圓形度為 0.9 ; 磁性物質的質量分數小于0.3%時， 可以有效消除鈦鐵粉對測作業的影響;通過降低顆粒粒徑可以降低磨蝕性，45 ?m 以上的顆粒低于 2.5% 時，其磨蝕性比重晶石低 60%;溶液Zeta 電位在 -30 mV 左右，可以有效懸浮微細鈦鐵粉顆粒;微細鈦鐵粉在 10%HCl 中溶解率可高達 90%以上。

超微鈦鐵粉的首次應用是美 國 西 方 石 油 公 司在阿聯酋的一項非常規井勘探中[3]。該井采用氯化鈉聚合物鉆井液， 設計最高密度1.90 g/cm3，實際鉆探過程中鉆遇高壓地層，使用超微鈦鐵粉將密度提高至 2.35 g/cm3。雖然實際鉆井液密度遠超出設計密度， 但現場鉆井液性能穩定，說明超微鈦鐵粉可以很好的應用于高密度鉆井液。

挪威埃肯（ELKEM）公司已經研發出了成熟的超微鈦鐵礦產品Microdense。

3、方鉛礦

方鉛礦是由金屬鉛和硫的化合物，呈黑褐色，密度可達7.4-7.7g/cm3，可用于配置超高密度的鉆井液。但是由于方鉛礦礦源很少，價格昂貴，只有在地層壓力極高的情況下才會考慮使用。滇黔桂石油勘探局曾經在官3井的作業中使用了方鉛礦，鉆井液密度高達3.0g/cm3[5]。

4、可溶性鹽加重劑

可溶性鹽加重劑包括無機鹽類，如氯化鈣、溴化鈣、溴化鋅等，有機鹽類，如甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫。可溶性鹽類加重劑可以有效降低鉆井液的固相含量，有利于流變性控制及提高機械鉆速。無機鹽類加重劑存在材料配伍性差，腐蝕性高等缺點。有機鹽類加重劑配伍性相對較好，腐蝕性較低，但是成本較高。

綜上所述，目前新型的惰性固體加材料包括微錳加重劑、鈦鐵粉和方鉛礦。其中微錳加重劑和鈦鐵粉優點明顯，具有相對廣闊的應用前景。液體加重材料由于其環境成本等限制因素，雖然一直都在使用，但是目前很難大范圍推廣。

參考文獻

[1] 張暉， 蔣紹賓， 袁學芳， 等. 微錳加重劑在鉆井液中的應用[J]. 鉆井液與完井液， 2018， 35（1）： 1-7.

[2] 王雪松， 張榮， 向雄， 等. 使用微粉重晶石的高密度鉆井液體系在 LD10-1-1 井的應用[J]. 石化技術， 2015 （2015 年 10）： 75-76.