钻井液加重剂的发展趋势

钻井液加重剂的发展趋势

赵林

赵林

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部深圳基地，广东深圳）

摘要：本文简要介绍了常规加重剂在使用过程中出现的沉降、增粘等问题，提出新型的分散性加重剂发展趋势及应用前景。

关键词：加重剂分散性加重剂沉降活化剂

随着勘探开发向纵深发展,深井、超深井、高温高压井钻探数量增加,高密度钻井液加重剂的研究必将越来越受到重视。加重剂的加入既可以提高钻井液的静液注压力，起到平衡地层坍塌应力，稳定井壁的作用，同时在高压井中可以平衡地层的流体压力，防止井涌、井喷等事故的发生，但是在现场应用当中会发现在高密度钻井液中存在加重剂沉降的问题，影响到作业安全及作业进度。本文简要介绍下常规加重剂所出现的问题，及分散性加重剂的发展。

1、常用的钻井液加重材料

加重剂[1]由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。为了对付高压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液中以提高钻井液的密度，加重剂应具备的条件是自身密度大，磨损性小，易粉碎；并且应属于惰性物质，即不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。目前钻井液常用的加重剂由以下几种：重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉、方铅矿粉等，其中重晶石粉的应用最为广泛，比重调节范围也较大。

2、常规加重剂现场应用中的情况

2、1铁矿粉和钛铁矿粉的使用情况

具有弱磁性的钛铁矿粉和氧化铁粉作为加重材料加入钻井液后[2]。遇钻具形成磁性吸附，改变了钻具表面的光滑程度，增大了钻具与泥饼间的摩擦阻力，加之钻具与泥饼中的钛铁矿粉和氧化铁粉颗粒的磁吸力作用。使得活动钻具的阻力大幅度上升，增加钻井设备磨损，容易造成设备疲劳和钻具阻卡。自然界中的钛铁矿和赤铁矿因为所处地域不同及质量差别，所具有的磁性大小也各不相同，作为加重剂应用有时可忽略，有时却影响极大。因此我们在使用前要充分考虑其磁性指标。使用具有弱磁性的钛铁矿粉和氧化铁粉加重的钻井液，润滑剂的加入能够在一定程度上降低泥饼摩阻系数，但不能从根本上解决活动钻具阻力大和钻具阻卡问题。

2.2重晶石加重剂的使用情况

为了使其具有良好的流动性，就需要加水或加降粘剂对其进行处理。在加水，尤其是加降粘剂对高密度钻井液进行降粘处理时，如果把握程度不准，重晶石和其它加重材料会发生沉淀，这种现象在钻井液密度超过1.80g/cm3的超重钻井液中更为突出，不仅浪费了大量的重晶石和钻井液处理剂，钻井液性能也难以实现稳定优质，还会诱发喷、漏、塌、卡等井下复杂情况，甚至发生事故，影响钻井工程的正常进行。

3、分散性加重剂的研究

3、1分散性加重剂的改性机理

为了有效的解决高温高压油气井钻井液加重材料的悬浮稳定性，实现优质快速钻井，要求我们研制开发出抗盐、抗钙、抗高温的新型活化加重剂。可以对加重剂进行表面改性[3]，即加入某种化学处理剂，使加重材料表面更亲水或者更亲油，阻止加重剂的聚结，增强在钻井液中的分散性和悬浮性。在起初的改性工作中，加重剂往往是与改性剂及其它助剂一并加入钻井液，通过搅拌相互作用，对加重剂表面进行改性。加重剂表面化学改性的机理主要是活化剂分子在加重剂表面的化学吸附、螯和与物理吸附，这些作用包括：

(1)离子交换吸附与离子对吸附——表面活性离子取代吸附在固体表面的反离子的同性离子位置或占据未被反离子在固体表面位置而吸附。(2)氢键形成吸附——表面活性分子或离子在固体表面形成氢键而吸附。(3)电子极化性吸附——吸附分子含有富余电子对的芳香核时，与吸附剂表面的强正电性位置相互作用而发生吸附。(4)引力(色散力)吸附——这种吸附处处存在，并与吸附物大小有关，正是由于这种色散力使加重剂克服同性斥力而与阳离子活性基团进行吸附。(5)憎油基作用吸附——表面憎油的固体与憎油的活化剂进行吸附，因为憎油物质均有逃离油的趋势，极性间相互作用使它们结合在一起。(6)化学螯合作用吸附或化学反应——活化剂分子或离子与加重剂表面的金属离子螯合而吸附，活化剂分子中的氮或氧原子是给电子体,它们螯合加重剂表面的金属离子，在加重剂表面形成螯合剂分子层，改变加重剂表面的亲水或亲油能力；或者与加重剂表面的金属离子反应生成更难容于水的沉淀。加重剂表面改性就是根据以上原理的一种或几种作用的综合结果。

对惰性或基本惰性加重材料的表面进行化学改性，用一种或几种化学结构符合要求的化合物作为活化剂，与加重材料固体表面进行物理、化学作用。活化剂分子与固体加重剂表面通过化学键力、范德华力和极性亲和力等综合作用，结合到加重材料的表面。活化剂分子与加重剂表面具有强化学吸附作用，同时活化剂分子有一定的构型并带有适量的负电性水化基团，可使加重材料表面形成电性络合水化膜，增强加重材料的动力稳定性；同时弹性水化膜可降低加重剂颗粒表面的摩擦力和钻井液内部固→固界面和固→液界面的摩擦力，改善高密度钻井液的流动性能。加重材料经过表面活化处理后，增强了与水介质及化学处理剂的综合作用，即增强了化学处理剂的功能，又减少了化学处理剂用量。由于活化后的重晶石亲水性增强，所以加入钻井液后可以使钻井液流动性变好，且密度稳定，解决了用普通重晶石加重钻井液粘切明显上升的现象，避免了“加重→增稠→稀释→再加重”的恶性循环，提高了钻高压油气层的实效，使工程得以安全顺利进行。

3、2分散性加重剂活化剂的选择

对加重材料表面进行化学改性，关键是活化剂分子的优选[4]，活化剂分子必须具备如下条件：(1)具有强化学反应基团，使加重材料表面有强化学键作用力；(2)具有强带电水化基团，易与水分子形成表面电性水化膜；(3)具有一定的分子量和一定伸展的分子构型；

(4)具有一定抗温性；(5)具有抗盐性、抗钙性和低水敏性，能够在盐水及海水中很好地发挥活化功能；(6)与各种体系的钻井液处理剂有良好的配伍性；(7)无毒，活化工艺简单，成本低。

3.3分散性加重剂的使用效果

加重剂改性后颗粒表面电动电位增大[5]，同电性的特点使重晶石颗粒之间的排斥力增大，减少了其聚积沉降的机会。由于水溶性大分子(或高分子)活化剂的作用，在重晶石表面形成一定厚度的水化膜，增大了重晶石颗粒的表观体积。也增大了其在水基钻井液中的沉降阻力，活化重晶石的动力稳定性因而很大程度地增高，沉降问题也得到了很大的改观。如果使用的加重材料是钛铁矿粉和氧化铁矿粉，还具有酸化解堵的作用。

4、结论

综上所述，分散性加重剂与常规加重剂相比具有更好的悬浮性能，不易发生沉降，避免了使用过程中出现的加重→增稠→稀释→再加重”的恶性循环，提高了钻高压油气层的实效，使工程得以安全顺利进行；同时分散性加重剂的加入对钻井液流变性有较好的改善，也减少了其它钻井液处理剂的使用，节约了成本。随着钻井技术的不断发展，人们对分散性加重剂的关注也会不断增加，其也会有更好的应用前景。

参考文献

[1]鄢捷年·钻井液工艺学·石油大学出版社[M]·2001(5)：116～182

[2].贾铎、陆璇、潘慧芳、高莉·活化重晶石的研究[J]·1994(8)：1～2

[3].田春雨、陈远数、吕保军、李淑敏、郭强·加重剂磁性对摩阻的影响及其机理探讨[J]·站井液与完井液·2001(3)：2～3

[4]王彤、霍伟、李连军、曾定烈、潘慧芳·新型加重材料在大庆油田的试验与应用[J]·1998(7)：1～3

[5].李银素、张菊芬、莫孝成、潘慧芳·新型重晶石活化剂的研制及其在海水钻井液中的效果评价[J]·2000(10)：2～5