王茜， 馬昭華， 袁學(xué)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(fā)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(xué)會將密度為4.1 g/cm3的重晶石作為了補(bǔ)充加重劑，由于較低密度重晶石存在雜質(zhì)，使得鉆井液性能發(fā)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(jìn)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(wěn)定性以及對儲層損害程度低等。目前使用的重晶石已經(jīng)不能滿足以上要求，有時會遇到以下問題，重晶石發(fā)生沉降，流變性不好控制，鉆井過程中重晶石顆粒被磨細(xì)，導(dǎo)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(chǎn)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(xì)度磨細(xì)，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(biāo)轉(zhuǎn)移到微細(xì)重晶石、微錳、微細(xì)鈦鐵礦等新型加重劑。早在20世紀(jì)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(shè)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(yè)，加之鈦鐵粉成本相對較高，阻止了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了克服鈦鐵礦上述弱點(diǎn)，研究人員將其細(xì)化處理，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(dá)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(huán)過程中不會被磨細(xì)，可以重復(fù)使用[5]；此外，當(dāng)微細(xì)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(wěn)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(yōu)勢尤為突出[6]。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，研討了微細(xì)鈦鐵礦在鉆井液中的應(yīng)用性能。

1 微細(xì)鈦鐵粉的理化性質(zhì)

1.1 礦物成分及形狀和粒度分布

微細(xì)鈦鐵粉密度約為4.6 g/cm3，莫氏硬度為5.0～5.5，磁性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tài)為圓弧鈍化，其圓形度為0.9。微細(xì)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(shè)備以及管柱造成磨蝕。但如將鈦鐵粉磨細(xì)，可降低它對設(shè)備的磨蝕性。采用2種方法評價了各種加重劑粉對設(shè)備以及管柱的磨蝕性[2]。

1）API RP 13I/ISO 10416葉片法。測量旋轉(zhuǎn)過程中懸浮在加重鉆井液中葉片質(zhì)量的損失，結(jié)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(zhì)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(zhì)量減小速率在1 mg/min左右；而對于微細(xì)處理過的赤鐵礦和鈦鐵粉，其磨蝕率都遠(yuǎn)小于API重晶石的磨蝕速率。該實驗結(jié)果表明，對赤鐵礦和鈦鐵粉進(jìn)行微細(xì)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(zhì)量損失。因為鉆井液在整個容器中是隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的，因此固定的金屬銷與鉆井液會有相對摩擦。旋轉(zhuǎn)托盤的轉(zhuǎn)速在60～2 000 r/min之間可調(diào)。實驗結(jié)果表明：在整個實驗過程中，無論是API重晶石還是微細(xì)重晶石，其葉片質(zhì)量損耗基本相等；但采用API鈦鐵粉加重的鉆井液中葉片質(zhì)量損耗比微細(xì)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(zhì)量損耗最大。此實驗結(jié)果同樣得出：API顆粒度的鈦鐵粉、氧化鐵粉對設(shè)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(jīng)過微細(xì)處理后鈦鐵粉和赤鐵礦，其磨蝕量大大減小，微細(xì)鈦鐵粉的磨蝕性還低于微細(xì)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(jié)果

1.3 Zeta電位分析[1]

采用45 g去離子水和0.05 g微細(xì)鈦鐵粉配制成微細(xì)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?yōu)樨?fù)，絕對值從2.5增加至29.44 mV，負(fù)電性急劇增加，繼續(xù)提高pH值，Zeta電位趨于穩(wěn)定在-30 mV左右，懸浮液趨于穩(wěn)定

1.4 酸溶性

鈦鐵礦可溶于鹽酸、硫酸、磷酸和大部分有機(jī)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(guān)。

表1 不同pH值下微細(xì)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(yīng)16 h，測溶液中鐵和鈦的含量，結(jié)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(yīng)到6 h，溶液中鐵含量為93%左右，隨著反應(yīng)時間的增加，鐵的含量基本保持不變；同樣反應(yīng)到6 h，溶液中鈦的含量從20%降到10%左右，隨著反應(yīng)時間繼續(xù)增加，其含量保持不變；在20%HEDTA和20%EDTA溶液中，隨著反應(yīng)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(jìn)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(dāng)鈦鐵粉顆粒尺寸為70 μm時，隨著反應(yīng)時間的增加，鐵的溶解速率呈直線上升趨勢；當(dāng)鈦鐵粉顆粒尺寸為18 μm時，隨著反應(yīng)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(dá)到60%左右，隨著時間繼續(xù)增加，鐵的溶解率變化不大；當(dāng)顆粒尺寸為5 μm時，隨著反應(yīng)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(yīng)時間的繼續(xù)增加，鐵的溶解率呈直線增加，當(dāng)反應(yīng)達(dá)240 min時，鐵的溶解率達(dá)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(qū)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(huán)境中飼養(yǎng)時不會影響比目魚的死亡率或出生率；③當(dāng)比目魚暴露在含有重晶石的環(huán)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(huán)境中沒有觀察到這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2 加重劑對鉆井液性能的影響

通過分別采用微錳、微細(xì)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(xì)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(jié)果表明，分別用微錳、微細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(wěn)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(xì)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(jī)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(shù)據(jù)可以得出，分別用微錳，微細(xì)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(xì)鈦鐵粉加重的密度1.6 g/cm3油基鉆井液流變性與沉降穩(wěn)定性均優(yōu)于API重晶石加重的油基鉆井液，微細(xì)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(xì)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(jī)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(xì)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(shù)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(xì)鈦鐵粉加重的油基鉆井液流變性能與沉降穩(wěn)定性均優(yōu)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(xì)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(jī)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(xì)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(xì)鈦鐵粉加重的油基鉆井液流變性與沉降穩(wěn)定性均優(yōu)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(wěn)定，上部清液高達(dá)49 mL，微細(xì)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(dǎo)致，可以通過加入可酸溶的細(xì)粉碳酸鈣作為橋堵劑解決。

3 微細(xì)鈦鐵粉與API重晶石復(fù)配對鉆井液性能的影響[2]

3.1 4.1 g/cm3重晶石與微細(xì)鈦鐵粉按93∶7復(fù)配

由于高密度重晶石礦源減少，現(xiàn)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(xì)赤鐵礦粉或微細(xì)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(jī)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(shù)據(jù)可知，用93%的4.1 g/cm3重晶石與7%的微細(xì)鈦鐵粉或微細(xì)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(wěn)定性最差，混入7%的微細(xì)赤鐵礦粉的加重劑，鉆井液沉降穩(wěn)定性最好，混入7%的微細(xì)鈦鐵粉，鉆井液沉降穩(wěn)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(xì)赤鐵礦粉，鉆井液濾失量最大，約為14 mL；而混有7%的微細(xì)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(xì)加重劑按1∶1復(fù)配

由于高密度重晶石礦源減少，現(xiàn)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(xì)赤鐵礦粉/微細(xì)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(jī)土+1.5 g第二類有機(jī)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(xì)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(xì)鈦鐵粉＝1∶1）

通過實驗數(shù)據(jù)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(xì)赤鐵礦粉或微細(xì)鈦鐵粉按1∶1混合加重的油基鉆井液稍微高一點(diǎn)，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(xì)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(xì)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(xì)鈦鐵粉加重鉆井液泥餅溶解率

微細(xì)鈦鐵粉主要成分是鈦和鐵的氧化物，其酸溶性高。用微細(xì)鈦鐵粉加重鉆井液，所形成的泥餅可以用一些酸液進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)可以得出，采用微細(xì)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(xì)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(xì)鈦鐵粉對儲層滲透率的影響[8]

5.1 滲透率恢復(fù)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(fù)值的影響程度至關(guān)重要。實驗中所用的鉆井液是用微細(xì)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(fù)率有一定的貢獻(xiàn)。由于高密度鉆井液中固體含量太大，在巖心驅(qū)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(jìn)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(jī)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(qū)替之后巖心截面前后的壓差在逐漸減小，甚至到負(fù)數(shù)，說明隨著酸濃度從5%增加到10%和15%，巖心滲透率恢復(fù)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(fù)率分別為71.64%、76.36%和67.21%）。實驗結(jié)果表明，5%鹽酸酸浸，不足以全部消除微細(xì)鈦鐵粉加重的油基鉆井液對巖心的損害；當(dāng)采用10%和15%鹽酸溶液，可消除微細(xì)鈦鐵粉加重的油基鉆井液對巖心的損害；酸浸時間應(yīng)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(xiàn)了沉淀物，見圖7。用元素分析儀對此沉淀物進(jìn)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(nèi)部骨架中的物質(zhì)；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(xì)鈦鐵粉加重鉆液在現(xiàn)場的應(yīng)用

6.1 在阿拉伯灣上扎庫木油田的應(yīng)用

阿聯(lián)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(jìn)行超大位移井作業(yè)。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(dá)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(dǎo)致問題加劇。為了克服以上難點(diǎn)，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(jìn)更深部的儲層，提高接觸面，提高產(chǎn)量；減小摩阻和扭矩；降低循環(huán)當(dāng)量密度；儲層低損害/可修復(fù)；減少非作業(yè)時間；減少加重劑沉降；提高機(jī)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(diǎn)：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(dāng)量循環(huán)密度比鄰井低0.1 g/cm3；平均機(jī)械鉆速高達(dá)460 m/d，而鄰井約為365 m/d，提高了25%；平均每口井比鄰井節(jié)約3 d時間，還未包括因此而減少的非作業(yè)時間（NPT）。第1口井鉆達(dá)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(chǎn)油率。該井未酸化，油井產(chǎn)量達(dá)到預(yù)期的2倍。

6.2 在阿聯(lián)酋 Diyab 非常規(guī)勘探井的應(yīng)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(lián)酋Diyab（阿布扎比以西250 km）進(jìn)行的一項非常規(guī)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(fā)生卡鉆，可以采用泡酸解卡；降低循環(huán)當(dāng)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(yuǎn)超出設(shè)計密度，但性能并未發(fā)生較大波動，成功完成鉆井任務(wù)，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(jié)論

1.微細(xì)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(xì)鈦鐵粉顆粒形態(tài)為圓弧鈍化，其圓形度為0.9；其中磁性物質(zhì)含量小于0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），從而防止磁性阻尼，消除磁性對測井作業(yè)的影響。

2.通過對鈦鐵粉進(jìn)行微細(xì)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(xì)鈦鐵粉懸浮液pH值從4.23增加至7.3，其Zeta電位從正變?yōu)樨?fù)，絕對值從2.5增加至29.44 mV，負(fù)電性急劇增加。繼續(xù)提高懸浮液pH值，Zeta電位趨于穩(wěn)定在-30 mV左右，懸浮液趨于穩(wěn)定。

4.微細(xì)鈦鐵粉在10%HCl中溶解率可高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)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(huán)境中飼養(yǎng)時，不會影響比目魚的死亡率或出生率。

6.用微細(xì)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(wěn)定性均優(yōu)于用API重晶石加重的鉆井液；微細(xì)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(xì)目CaCO3來解決。

7.采用微細(xì)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(jīng)10%鹽酸驅(qū)替后，巖心滲透率恢復(fù)率可達(dá)90%以上；經(jīng)15%鹽酸驅(qū)替之后，巖心滲透率恢復(fù)率超過100%。酸浸時間應(yīng)超過2 h。

8.微細(xì)鈦鐵粉加重的油基鉆井液已在阿拉伯灣上扎庫木油田應(yīng)用?，F(xiàn)場實踐表明，該鉆井液流變性能好，降低當(dāng)量循環(huán)密度0.1 g/cm3，提高了機(jī)械鉆速，提高油井產(chǎn)量。微細(xì)鈦鐵粉加重的密度為2.35 g/cm3的聚合物鉆井液已在阿聯(lián)酋Diyab探井中應(yīng)用，鉆井液性能穩(wěn)定，井下情況正常。