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1、超高密度钻井液机理研究石油大学（北京）石油天然气工程学院赵雄虎重晶石在超高密度钻井液中的作用机理研究重晶石作为钻井液加重剂得到广泛的应用，在超重晶石作为钻井液加重剂得到广泛的应用，在超高密度钻井液中使用也取得了成功。本文采用了高密度钻井液中使用也取得了成功。本文采用了吸附等温线法、颗粒度分析法和微电泳法吸附等温线法、颗粒度分析法和微电泳法, ,证实证实在碱性条件下重晶石表面带有负电荷在碱性条件下重晶石表面带有负电荷,电势为电势为负值。超高密度钻井液添加剂负值。超高密度钻井液添加剂DQG-1DQG-1可以吸附在可以吸附在重晶石表面重晶石表面, ,并存在最大吸附。重晶石参与超高并存在最大吸附。重晶
2、石参与超高密度钻井液结构的形成，解释了超高密度钻井液密度钻井液结构的形成，解释了超高密度钻井液中的现象。中的现象。1.概述按泥浆密度分类普通泥浆：不用加重剂；普通加重泥浆：.；高密度泥浆：.r .；1.概述玉门油田为了克服注水井的高压问题，研制并成功使用了密度为2.6g/cm3的钻井液。滇黔桂石油勘探局为了解决官渡构造3800米压力系数达2.85g/cm3高压地层，成功地使用了密度达3.02g/cm3钻井液钻了两口井。国内外普遍认为重晶石加重的钻井液密度上限为2.4g/cm31.概述G.V.Chiligarian 等1983年发表文章认为,重晶石的加重极限可以达到22磅/加仑(2.64g/cm
3、3 )Adam T.Bourgoyne Jr 等认为正常钻井作业期间地层孔隙压力从不要求钻井液密度大于19磅/加仑(相当于2.28g/cm3 ), 因为这是地壳中存在的矿物和液体的平均密度1 。2实验材料及方法主要仪器和材料DQG-1:木质素磺酸盐,固相含量约有33左右,呈棕黑色粘稠状液体。特制重晶石:土红色。. 普通重晶石:灰色,取自华北油田。膨润土:二级膨润土。岛津UV-120-02型分光光度计, Coulter LS130 激光粒度仪, PEN KEM INC.的LAZER ZEE MODEL 501 激光电势测定仪2.2 测定方法DQG-1在重晶石表面的吸附等温线测定分别取浓度为0.4
4、、0.2、0.1、0.05、0.025和0.0125的DQG-1溶液各100毫升,加入到250ml干燥的具塞磨口锥形瓶中。精确称取5克重晶石, 分别加入到锥形瓶中。水浴加热到40,调节PH=10,恒温振荡8小时。取溶液少许放入离心管中,以2000rpm的速度,离心10分钟,取上部清液在室温下测吸光度。通常由吸光度值即可求得平衡时浓度。2.2 测定方法2.2 测定方法电势测定将测定吸附等温线后的各溶液或钻井液用超声波振荡后搅拌摇匀。取1ml溶液用蒸馏水稀释到100ml，调节PH=10,在室温下测定电势,并转换为20时的电势。2.2 测定方法电势测定膨润土浆液:分别称取2克膨润土加入到浓度分别为0
5、、 0.0125%、 0.025%、 0.05%、0.1%、 0.2%和0.4%的DQG-1溶液中,搅拌、老化24小时后备用。2.2 测定方法电势测定2.2 测定方法颗粒度的测定特制重晶石在不同浓度DQG-1溶液中的颗粒大小统计值2.2 测定方法颗粒度的测定 膨润土在不同浓度DQG-1溶液中的颗粒度大小分布的测定3. 结果和讨论DQG-1在重晶石表面的吸附规律 DQG-1在两种重晶石表面均有吸附。普通重晶石的吸附量大，特制重晶石的吸附量相对的要小一些，而且较早达到饱和吸附。DQG-1在重晶石表面的吸附导致重晶石表面电性增加,使得颗粒较小的重晶石可以悬浮在溶液中,而不能通过离心的方法除去。在碱性
6、条件下,重晶石表面是带负电的。3. 结果和讨论DQG-1在重晶石表面的吸附规律重晶石是由Ba2+和SO42-离子组成的。Ba2+半径大,极化率较大,可达1.551010m。它与离子之间相互作用,较多地体现为共价键,因而很难溶于水,也不易与其它物质反应,呈现出惰性。另一方面,重晶石表面离子处于不平衡状态,可以吸附其它物质。3. 结果和讨论DQG-1在重晶石表面的吸附规律重晶石在不同浓度DQG-1溶液中颗粒度分布实验也表明,DQG-1可以促进重晶石分散。DQG-1吸附在重晶石颗粒表面上。3. 结果和讨论 膨润土与DQG-1的相互作用规律DQG-1吸附于粘土颗粒边面断键处，形成吸附水化层。其较高的负
7、电荷也使得电势增加,增加了颗粒间斥力,从而削弱粘土颗粒间的边-边和边-面连接,削弱或拆散空间网架结构。DQG-1高价阳离子又抑制了电势的升高,二者共同作用使得电势随浓度增加变化不大。3. 结果和讨论 膨润土与DQG-1的相互作用规律阳离子使膨润土颗粒聚集和阴离子使膨润土颗粒分散,二者共同作用,使得颗粒变粗的现象并不明显。3. 结果和讨论超高密度钻井液作用机理解释通常认为重晶石是惰性的,不与其他物质发生反应。实际上，此时所用的分散剂含有Fe3+、Al3+和Tim4+等离子。根据法扬斯吸附规则,这些离子易于吸附于重晶石表面,分散剂的高价阴离子又通过这些离子而吸附到重晶石表面。在超高密度钻井液中,重
8、晶石含量高,比如密度为2.4g/cm3的钻井液,重晶石重量百分比达75,体积百分比达43,而粘土含量一般不超过4。3. 结果和讨论粘土片与重晶石颗粒之间的相互作用有以下三种形式：1.粘土凝胶:当粘土含量较高时, 粘土颗粒分散形成网状结构。2.重晶石含量低:当重晶石体积含量小于15时,重晶石粒子插入粘土颗粒网状结构,在某种程度使粘土颗粒分散,引起动切力下降。3. 结果和讨论3.重晶石含量高:当重晶石体积含量大于15时,重晶石粒子之间相互靠近,重晶石粒子本身可能形成它们自己的结构,这样就阻止了粘土颗粒的运动,从而增加了网状结构,动切力、塑性粘度急剧增加。高密度钻井液就处于这种形式。3. 结果和讨论
9、粘土片与重晶石颗粒之间的相互作用的三种形式3. 结果和讨论不同加重剂示意图3. 结果和讨论超高密度钻井液通常是指密度大于2.4g/cm3的钻井液,重晶石重量百分比高达75,体积百分比高达43,为了控制体系流变性,其中粘土含量一般不超过4。对于密度大于3.0g/cm3的钻井液,经计算加入的重晶石体积百分比可达62。固相体积含量已达到一个非常高的值,对钻井液流变性的控制造成很大的困难。对于等直径球形颗粒紧密堆积，其固相体积含量最高为75%，空隙体积为25%。如果将重晶石看作等直径球形颗粒，对于密度大于3.0g/cm3的钻井液此时就快接近钻井液体系所能承受的固相含量极限值了。4.结论1 在碱性条件下,重晶石表面带有负电荷，电势为负值。2 DQG-1在重晶石表面有吸附。随DQG-1浓度的增加,吸附量增加,但由于其中所含高价金属离子较多,对电势的影响并不大。3 高密度钻井液中,重晶石参与了结构的形成，超高密度钻井液性能调控必须考虑重晶石的作用。汇报完毕。谢谢！
