潘誼黨，于培志，馬京緣

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

作業(yè)中，地層的壓力控制是至關(guān)重要的。一般利用重晶石和赤鐵礦等高密度礦物來(lái)提高鉆井液的密度，從而控制這些壓力。然而，流變性和沉降穩(wěn)定性控制是高密度鉆井液技術(shù)存在的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。由于重力等因素的影響，重的顆粒物質(zhì)容易從懸浮體中沉降下來(lái)。這種由大斜度井中的重晶石或其他加重物質(zhì)的沉降引起的鉆井液密度的顯著變化，即被指定為鉆井行業(yè)中的“沉降”。沉降可能導(dǎo)致各種鉆完井問(wèn)題。在鉆井過(guò)程中，加重材料沉降導(dǎo)致用于控制地層壓力的鉆井液密度不足，造成井控困難等問(wèn)題；此外，沉降的加重材料可能妨礙套管的正常運(yùn)行或在固井作業(yè)期間造成不完全位移。在完井作業(yè)中沉降的加重材料也可能造成問(wèn)題。例如，完井前停井的時(shí)間往往較長(zhǎng)，即鉆井液長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，會(huì)使鉆頭頂部沉積加重材料，導(dǎo)致在開(kāi)始作業(yè)前移除沉降材料的停機(jī)時(shí)間，增加作業(yè)時(shí)間和成本[1-2]。沉降可分為靜態(tài)沉降和動(dòng)態(tài)沉降,靜態(tài)沉降是指鉆井液靜止時(shí)流體的沉降過(guò)程；動(dòng)態(tài)沉降是發(fā)生在鉆井液循環(huán)過(guò)程中的沉降過(guò)程。經(jīng)典的“Boycott”沉降動(dòng)力學(xué)模型就是用來(lái)描述斜管中加速重力驅(qū)動(dòng)沉降的現(xiàn)象[1]。當(dāng)顆粒在斜管或環(huán)空中向下沉降時(shí)，在流動(dòng)區(qū)域的上端會(huì)形成一層低密度流體，而較高密度的流體層則在下游形成。這樣，流體的高密度部分將進(jìn)一步覆蓋較低密度的層。這種情況是不穩(wěn)定的，并且啟動(dòng)了加速分離過(guò)程的混合運(yùn)動(dòng)。因此，該理論認(rèn)為加重材料在斜管中的動(dòng)沉降比靜沉降更嚴(yán)重。Mario Zamora提出了不一樣的觀點(diǎn)，他認(rèn)為經(jīng)典的Boycott沉降動(dòng)力學(xué)模型由于其較大的縱橫比，不能直接應(yīng)用于鉆井情況，還需進(jìn)一步研究。且重晶石沉降機(jī)制的定性分析表明，在靜態(tài)條件下沉降可能比目前認(rèn)為的更成問(wèn)題[3]。沉降的影響因素有很多，孔徑、孔角、井眼長(zhǎng)度、環(huán)空速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)、流動(dòng)狀態(tài)、鉆井液黏度、鉆井液凝膠強(qiáng)度、流體密度、加重劑密度、顆粒大小和形狀、顆粒濃度和時(shí)間等都會(huì)影響加重材料的沉降。Bern提出在鉆井的設(shè)計(jì)和實(shí)施階段，注意4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的細(xì)節(jié)操作，可以使加重材料的沉降最小化，分別是鉆井設(shè)計(jì)、鉆井液特性和測(cè)試、鉆井程序和井場(chǎng)監(jiān)測(cè)程序4個(gè)領(lǐng)域[4]。其中鉆井液的特性與加重材料的選擇息息相關(guān)[5]。加重材料的密度決定高密度鉆井液固相的體積分?jǐn)?shù)，從而影響其流變性；其粒度影響高密度鉆井液的液相黏度和沉降穩(wěn)定性；加重材料表面改性及活化，改善了加重材料動(dòng)力穩(wěn)定性和高密度鉆井液流變性能。因此對(duì)高密度鉆井液中加重材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。固體加重材料主要有重晶石、石灰石、赤鐵礦、鈦鐵礦和微錳等。目前應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)加重材料是API重晶石。API重晶石在高密度鉆井液中存在上述的嚴(yán)重沉降問(wèn)題以及其他問(wèn)題。解決重晶石對(duì)鉆井液造成的問(wèn)題有兩方面思路，一方面是從重晶石的沉降機(jī)理出發(fā)，預(yù)防或減緩重晶石的沉降；另一方面則是尋找替代API重晶石的其他加重材料。

1 重晶石沉降的預(yù)防和減緩

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井工程已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向非常規(guī)油氣地層，而傳統(tǒng)加重材料API重晶石在使用過(guò)程中也逐漸暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題。例如，隨著溫度的升高，使用重晶石加重的鉆井液密度降低速度明顯大于其他加重材料；用重晶石作加重劑的鉆井液的濾餅孔隙率大于用石灰石作加重材料的鉆井液，且重晶石濾餅的厚度相對(duì)較大，在井下容易造成卡鉆等問(wèn)題；重晶石的硬度低，在高速率剪切時(shí)會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的顆粒，這將導(dǎo)致高的凝膠強(qiáng)度值，并增加當(dāng)量循環(huán)密度（ECD），對(duì)地層造成損傷等[6-7]。除此之外，重晶石的沉降更是所有定向井中存在的問(wèn)題，如果不能正確設(shè)計(jì)和應(yīng)用沉降管理程序，可能會(huì)導(dǎo)致各種常見(jiàn)的鉆井問(wèn)題。例如鉆井液密度的大幅度變化、立管壓力的波動(dòng)以及扭矩和阻力過(guò)大、循環(huán)失靈、管道卡住、井控困難等[8]。對(duì)此，研究學(xué)者通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算、模型模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備和方法的研究提出對(duì)重晶石的沉降的預(yù)測(cè)方法。Nguyen等提出一種分析牛頓流體剪切流中重晶石顆粒沉降的基本數(shù)學(xué)方法[9]。他表示，為了防止管道中牛頓流體中的重晶石沉降，流體的平均流速應(yīng)大于0.76 m/s。Ribeiro、Hashemian等通過(guò)對(duì)鉆井液中重晶石沉降的模擬，研究了主要鉆井參數(shù)對(duì)沉降的影響[10-11]。Ribeiro提出一種可預(yù)測(cè)重晶石沉降以及顆粒床的形成和性質(zhì)的模型，該模型還可評(píng)價(jià)顆粒尺寸、液體黏度和固體濃度對(duì)鉆井液顆粒沉降過(guò)程的影響[10]。不少研究者對(duì)重晶石沉降的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法及設(shè)備進(jìn)行了研究。Murphy的測(cè)試設(shè)備主要用于確定動(dòng)態(tài)沉降速率的測(cè)量，并且可以較準(zhǔn)確地表征流體性能[12]。Omland等人確定了在現(xiàn)場(chǎng)各種鉆井液中確定重晶石沉降程度所需的設(shè)備，通過(guò)對(duì)各種懸浮液的測(cè)試，證明了使用這種簡(jiǎn)單的直接重量測(cè)量法測(cè)量懸浮液穩(wěn)定性的潛力[13]。

對(duì)沉降的測(cè)量有助于更好地理解重晶石沉降，而對(duì)沉降的預(yù)防才是解決現(xiàn)場(chǎng)重晶石沉降問(wèn)題的關(guān)鍵。孔角、低表觀黏度和固定偏心鉆桿的聯(lián)合作用有利于誘發(fā)重晶石的動(dòng)態(tài)沉降，因此低剪切速率黏度、管道偏心率和管道的旋轉(zhuǎn)對(duì)重晶石的沉降速率有很大影響[4,14-16]。Bern和Nguyen認(rèn)為，偏心鉆桿的旋轉(zhuǎn)傾向于防止重晶石沉積床的形成，并有助于破壞在管段下部形成的沉積床，且偏心情況下的管道旋轉(zhuǎn)比同心情況下的管道旋轉(zhuǎn)具有更顯著的防止沉降效果[15-16]。反相乳化鉆井液通常比水基鉆井液更黏稠，其次，其在偏斜井筒中的流動(dòng)受鉆桿偏心的影響，通常導(dǎo)致偏心管下的低剪切速率，從而產(chǎn)生有利于重晶石沉降的條件。因此，與水基系統(tǒng)相比，反相乳化鉆井液用于大斜度井時(shí)發(fā)生與重晶石沉降有關(guān)的問(wèn)題的頻率更高。Dye對(duì)反相乳化鉆井液剪切速率對(duì)重晶石動(dòng)態(tài)沉降的影響進(jìn)行了定量研究[14]。他發(fā)現(xiàn)超低剪切速率黏度對(duì)低剪切速率條件下的重晶石動(dòng)態(tài)沉降具有補(bǔ)償作用。因此，作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)重晶石沉降的“預(yù)防窗口”(DSW)來(lái)管理重晶石的動(dòng)態(tài)沉降，該工具可以通過(guò)使用新的現(xiàn)場(chǎng)黏度計(jì)直接測(cè)量超低剪切速率黏度來(lái)量化重晶石的沉降潛力。除了通過(guò)對(duì)剪切速率、鉆桿偏心率等鉆井參數(shù)的調(diào)整來(lái)減緩重晶石的沉降，Elkatatny等研究了一種以苯乙烯和丙烯酸單體為基礎(chǔ)的新型共聚物對(duì)反相乳化鉆井液流變性能和穩(wěn)定性的影響[17-18]。加入該共聚物后，重晶石的沉降問(wèn)題均有所消除。此外，加入該共聚物可使重晶石濾餅厚度明顯降低，鉆井液的凝膠強(qiáng)度也增加了近50%，顯著提高了鉆井液的懸浮能力。

2 替代API重晶石的加重材料

2.1 加重材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響

對(duì)重晶石沉降進(jìn)行觀測(cè)和預(yù)防在一定程度上減緩了重晶石的沉降，解決了其引起的部分鉆井問(wèn)題，但是，重晶石引起的固體入侵、濾餅較厚等問(wèn)題仍沒(méi)有得到解決，且在超高密度鉆井液中，重晶石的沉降無(wú)法避免。因此，對(duì)其他加重材料的研究與使用成為解決重晶石加重問(wèn)題的新思路。加重材料的沉降速度計(jì)算公式（斯托克斯公式）和鉆井液懸浮加重材料所需的靜切力公式分別由下式給出：

式中，v為加重材料顆粒沉降速率，cm/s；d為加重劑顆粒直徑，cm；η為體系黏度，mPa·s；ρs、ρf分別為加重材料顆粒和鉆井液密度，g/cm3；τ為鉆井液靜切力，Pa；g為重力加速度，m/s2。由上式可知，加重材料的粒徑越小，則顆粒沉降速度和所需靜切力都更小，即鉆井液的懸浮性和沉降穩(wěn)定性越好[4]。Naderi對(duì)重晶石、赤鐵礦、鈦鐵礦和微錳的沉降趨勢(shì)的研究進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)[19]。在幾中加重材料的沉降速率對(duì)比中，微錳的沉降速率最低。而根據(jù)表1中不同加重材料理化性能的差異對(duì)比可知，微錳的平均粒徑也是最低的。不同的粒徑分布對(duì)高密度水基鉆井液體系具有不同的黏度效應(yīng)。粗顆粒在高溫下結(jié)合，形成以粗顆粒為核心的球粒，這些粒子的相互作用力導(dǎo)致鉆井液表觀黏度增大，黏度效應(yīng)也隨之?dāng)U大。因此，選擇適當(dāng)?shù)姆旨?jí)范圍可以有效地改善高密度鉆井液的流變性和懸浮性[7]。Peng Xu等研究了3種常用于油基鉆井液的加重劑，即API重晶石、亞微米級(jí)重晶石和超細(xì)錳礦石對(duì)油基鉆井液的流變性的損傷程度[20]。結(jié)果表明，這3種粒徑大小、分布和形貌等均不相同的加重材料對(duì)鉆井液的流變穩(wěn)定性和其他性能影響有很大差異。顆粒尺寸和形態(tài)的差異導(dǎo)致了油基鉆井液的失水造壁性能以及潤(rùn)滑性和沉降穩(wěn)定性的變化；而粒徑、形貌、表面潤(rùn)濕性和酸溶性還影響油基鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能。因此，適當(dāng)利用這些加重材料的差異可以改善油基鉆井液的流變穩(wěn)定性，降低其損傷程度。

表1 不同加重材料的理化性能差異[21]

上述關(guān)于加重材料的結(jié)構(gòu)特性對(duì)鉆井液性能的影響研究表明，降低加重材料的粒徑是提高鉆井液沉降穩(wěn)定性的重要途徑。Yan等人分別制備和評(píng)價(jià)了不同種類的高密度油基鉆井液，其中加入了微粉化重晶石、微粉化鈦鐵礦、四氧化三錳和API重晶石[22]。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的加重材料API重晶石相比，超細(xì)粉末技術(shù)的應(yīng)用可以大大優(yōu)化高密度（ρ≥2.3 g/cm3）油基鉆井液的流變性能。其表觀黏度、塑性黏度和凝膠強(qiáng)度等都下降30%～50%，流體的動(dòng)態(tài)懸浮穩(wěn)定性大大提高，扭矩和摩阻均有降低。其次，乳化劑用量減少約50%，降低了高密度油基鉆井液的制備成本。由此可見(jiàn)，微粉化的加重材料可以有效解決API重晶石沉降引起的相關(guān)問(wèn)題。以下將對(duì)微粉重晶石、赤鐵礦、鈦鐵礦和微錳等微粉加重材料進(jìn)行總結(jié)。

2.2 微粉重晶石

微粉重晶石相比于油田中常使用的重晶石更精細(xì)和純凈。微粉重晶石在研磨過(guò)程中通常需要經(jīng)過(guò)特殊聚合物的包覆，因?yàn)槌?xì)顆粒的較大表面積通常對(duì)流體的流變性有不利影響。經(jīng)過(guò)聚合物的涂覆后可大大抑制由于微粉重晶石表面能的增加而導(dǎo)致的團(tuán)聚現(xiàn)象。除了具有降低沉降趨勢(shì)，減少ECD等優(yōu)點(diǎn)，微粉重晶石可以在高速的小孔取芯鉆探中明顯加快取芯進(jìn)度[23]。傳統(tǒng)的API重晶石容易沉積在鉆柱內(nèi)壁上，使得繩索取芯困難。而用微粉重晶石和陽(yáng)離子鹽水配制的鉆井液具有可接受的黏度，其在合理鉆井參數(shù)范圍內(nèi)均不會(huì)影響取芯過(guò)程。此外，微粉重晶石還有使隨鉆測(cè)量（MWD）信號(hào)強(qiáng)度數(shù)量級(jí)增加的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[24]。通過(guò)使用微粉重晶石加重的鉆井液，其采集系統(tǒng)能夠識(shí)別出的信號(hào)強(qiáng)度從0.69～1.38 kPa增加到6.9～13.8 kPa。此外，扭矩減少了50%，并且無(wú)明顯重晶石沉降現(xiàn)象。

API重晶石作為鉆井作業(yè)中最常用的加重劑，它的使用具有悠久的歷史和成熟的產(chǎn)業(yè)。通過(guò)應(yīng)用超細(xì)粉末技術(shù)將API重晶石加工成微粉重晶石，可以在不增加太多成本的情況下解決API重晶石使用中的一些問(wèn)題。重晶石物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，應(yīng)用技術(shù)成熟，推廣使用微粉重晶石更容易被現(xiàn)場(chǎng)接受。但是在應(yīng)用效果上比赤鐵礦/鈦鐵礦和微錳較差，并且仍存在著無(wú)法酸溶的問(wèn)題。

2.3 赤鐵礦/鈦鐵礦

鈦鐵礦和赤鐵礦作為加重材料具有比重高、在酸中溶解、與酸性氣體的反應(yīng)、與重晶石相似或優(yōu)越的流體性質(zhì)以及比重晶石低的重金屬含量和大型礦床多等優(yōu)點(diǎn)[25]。但是，與赤鐵礦/鈦鐵礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相關(guān)的最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題是，其在鉆井液系統(tǒng)的高速部分，如鉆井液攪拌機(jī)、貯存系統(tǒng)和離心泵等處發(fā)生的過(guò)度磨損問(wèn)題以及其隱藏的腐蝕性問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，赤鐵礦/鈦鐵礦的磨蝕性和侵蝕速率高度依賴于其粒度分布，減少鐵礦/鈦鐵礦中的粗顆粒成分可有效解決磨蝕性和侵蝕性問(wèn)題。相同密度的鉆井液中包含的固體顆粒尺寸越小，其磨蝕性越小[25-28]。Quercia認(rèn)為，赤鐵礦產(chǎn)生的侵蝕速率可能隨其粒度的減小而降低，顆粒的形態(tài)也有很大影響[25]。Al-Bagoury的進(jìn)一步研究表明，通過(guò)將鈦鐵礦中天然共存的磁鐵礦含量降低到小于0.3%，可以完全解決鈦鐵礦的磁問(wèn)題，使鈦鐵礦對(duì)測(cè)井儀器的影響基本降低到零。此外鈦鐵礦的溶解速率隨溫度和酸濃度的升高而升高。因此，如果后續(xù)需要酸化施工，鈦鐵礦的高溶解速度是非常有利與施工的[28]。Mohamed選用3種不同粒徑范圍的赤鐵礦用于測(cè)試其對(duì)水基鉆井液的流變性能影響[26]。結(jié)果表明，赤鐵礦表現(xiàn)出比重晶石更好的流變特性，且更細(xì)的粒度分布可有效降低磨損率。研究還發(fā)現(xiàn)一種Drispac Superlo聚合物可用作降低赤鐵礦磨蝕性的涂層劑。Blomberg同樣指出通過(guò)除去最大的鈦鐵礦顆粒，其中粒度大于45 μm的顆粒含量小于3%，則鈦鐵礦的磨蝕性可以降低到API重晶石的磨蝕性[27]。此外，他還指出，通過(guò)硅酸鈉和堿液處理鈦鐵礦并減少浮選試劑的用量，有助于克服鈦鐵礦的疏水特性、粉塵多和潤(rùn)濕等問(wèn)題。Al-Bagoury選用平均粒徑為5 μm的微化鈦鐵礦作為加重劑[29]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與重晶石相比，在相同條件下，微米級(jí)鈦鐵礦具有較低的沉降傾向和較低的塑性黏度。這些特征在水平井鉆井、低限壓降(Δp)、深水等具有挑戰(zhàn)性的鉆井作業(yè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。Elkatatny同樣選用了5 μm的超細(xì)鈦鐵礦作為水基鉆井液的加重材料，顯著降低了鉆具的磨損程度[30-31]。同時(shí)，通過(guò)添加少量的CaCO3固體明顯降低了濾失量，改善了泥餅上顆粒的堆積。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，鈦鐵礦在堿性介質(zhì)中具有負(fù)Zeta電位，分散穩(wěn)定，在水基鉆井液使用過(guò)程中沒(méi)有沉降現(xiàn)象。

赤鐵礦/鈦鐵礦的粒徑介于微粉重晶石和微錳之間，具有比重晶石更好的流變特性和懸浮穩(wěn)定性，并且可以與酸反應(yīng)溶解；另外，赤鐵礦和鈦鐵礦儲(chǔ)量大，生產(chǎn)成本低，綜合應(yīng)用價(jià)值高；因此有取代重晶石作為高密度鉆井液加重劑的潛力。

2.4 微錳

微錳的主要成分是Mn3O4，這些微米級(jí)顆粒是在通過(guò)熔融金屬吹氣生產(chǎn)錳金屬的過(guò)程中合成的。該生產(chǎn)方法提供具有高濃度的極細(xì)微米尺寸的顆粒，其尺寸、密度、化學(xué)成分和形狀極其恒定，這是礦物標(biāo)準(zhǔn)研磨方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。微錳顆粒的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是它極低的尺寸和高的比重。其沉降速率遠(yuǎn)低于重晶石，因而具有優(yōu)異的沉降穩(wěn)定性。Al-Yami以微錳為加重材料，開(kāi)發(fā)了一種Mn3O4/KCl鉆井液體系，該體系表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和濾失控制性能[32]。正是由于微錳精細(xì)的顆粒尺寸，該體系顯示出低的沉降趨勢(shì)，極大地提高了鉆井液的沉降穩(wěn)定性。Al-Yami等人進(jìn)一步研究了Mn3O4/KCl鉆井液體系引起的地層傷害[33-34]。分別研究了Mn3O4/KCl、重晶石/CaCO3與甲酸鉀/CaCO3體系對(duì)儲(chǔ)層巖心（砂巖）的固體侵入和破壞特征。結(jié)果表明，Mn3O4/KCl鉆井液對(duì)巖心的損傷最小，固體侵入最少，而重晶石/CaCO3鉆井液對(duì)巖心的損傷最大，甲酸鉀/CaCO3鉆井液次之。故Mn3O4加重材料對(duì)地層的損傷小于重晶石。此外，與KCl/CaCO3/重晶石鉆井液相比，Mn3O4鉆井液顯示出幾乎相同的濾餅厚度。在巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，Mn3O4鉆井液具有最高的回流滲透率，其回流滲透率比其他流體高50%。在完井時(shí)，需要一種能夠抵抗酸性氣體（H2S和CO2）的封隔液，要求其在高達(dá)121 ℃的溫度下穩(wěn)定，并且防止在低剪切速率下的沉降。因此，Steele等人使用微錳顆粒制備了一種封隔器流體和完井液，最大限度地減少了鉆井液固體的沉降以及其對(duì)鉆具的腐蝕和對(duì)地層的傷害[35]。微錳的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其球形的顆粒形狀與承載流體中的小軸承類似，故而極大地減少了鉆井流體中的顆粒摩擦[2]。這種球形還有助于在發(fā)生沉降的情況下產(chǎn)生軟層的沉積，軟層更容易被剪切或機(jī)械擾動(dòng)破壞，并且在回流條件下更容易移動(dòng)[35]。

在水平井鉆井期間，微錳的酸溶性為解決水平井的卡管事故提供了便利。Mn3O4可溶于酸，造成在井中形成的濾餅部分破裂，因而釋放管道，減輕與卡管事故相關(guān)的問(wèn)題。Wagle等提出用15%的有機(jī)酸前體溶液和1%的HCl酸溶液的組合處理可除去43.5%由微錳與重晶石復(fù)配加重的濾餅，有助于解決井筒中的卡管事故[36]。由于微錳的成本高，且在使用過(guò)程中需要添加其他昂貴添加劑來(lái)控制其濾失性能，因此微錳的應(yīng)用受到一定限制。將微錳與重晶石復(fù)配使用成為了解決該問(wèn)題的有效途徑。Alabdullatif按6∶4的比例配制了重晶石與微錳復(fù)配加重的高密度水基鉆井液體系，該體系仍有效減少了沉降現(xiàn)象，并提供了穩(wěn)定的固體懸浮液，具有良好的凝膠強(qiáng)度[37]。

使用微錳加重的鉆井液具有非常好的流變特性和懸浮穩(wěn)定性，并且微錳可酸溶，有利于保護(hù)儲(chǔ)層和處理卡鉆等事故。但成本高和濾失量大，通過(guò)與重晶石復(fù)配可以有效降低使用成本和減小濾失量。

目前中國(guó)對(duì)微粉加重材料的研究還剛起步，國(guó)外已經(jīng)到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段，并且取得了很好的效果。

1）2004年在挪威北海Statfjord油田，需要一種具有低ECD、低摩擦力和低沉降潛力的高度抑制性鉆井液。使用聚合物包覆的微粉重晶石配制高密度油基鉆井液，其具有低ECD、高泵速、良好的孔底清潔能力和低抽汲效應(yīng)，密度最高2.2 g/cm3，比常規(guī)油基鉆井液黏度更低，控制了沉降現(xiàn)象[38]。

2）2007年在Hibernia平臺(tái)，一口井斜角為25°、井深6240 m的大位移井，具有重晶石沉降導(dǎo)致的高當(dāng)量循環(huán)密度，循環(huán)損失或大量循環(huán)和調(diào)節(jié)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)成本增加的風(fēng)險(xiǎn)。使用經(jīng)過(guò)特殊處理的微米級(jí)重晶石材料（TMSB）配制低流變鉆井液。鉆井液的ECD明顯降低，濾餅更??；泵壓降低，可保持低摩阻和低扭矩；流體性能穩(wěn)定，未觀察到重晶石沉降現(xiàn)象，縮短了鉆井周期[39]。

3）2008年 在 挪 威 Greater Ekofisk 地 區(qū) 的Eldfisk 油田，一口傾斜角69°的海上套管定向鉆井，要同時(shí)進(jìn)行鉆井和套管運(yùn)行操，存在環(huán)空窄、鉆井液安全密度窗口窄、ECD較高，容易達(dá)到破裂壓力的問(wèn)題。使用微粉化重晶石加重的油基鉆井液。該鉆井液系統(tǒng)提供低黏度和相對(duì)低的穩(wěn)定流變性能、低扭矩值和好沉降穩(wěn)定性。ECD和摩擦系數(shù)明顯降低，在窄安全密度窗口下成功鉆進(jìn)[40]。

4）2009年在英國(guó)北海的Central Graben地區(qū)Franklin油田，一口偏心的HTHP井，最大傾斜角42°，井底靜態(tài)溫度205 ℃，最大鉆井液密度2.15 g/cm3，最大技術(shù)挑戰(zhàn)為加重材料的沉降。使用微粉重晶石加重配制油基鉆井液，流變性能穩(wěn)定，井壁穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的沉降現(xiàn)象[41]。

5）2009年在Mittelplate儲(chǔ)層MP A19a井的長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)，要求大幅降低ECD，始終確保鉆孔清潔。使用研磨粒度小于5 μm并用聚合物涂覆的微粉重晶石加重，明顯降低ECD[42]。

6）2017年在Khurasaniya地區(qū)Arab和Tuwaiq地層鉆進(jìn)時(shí)遭遇嚴(yán)重的掉塊事故， 可迅速發(fā)展成具有較高卡鉆潛力的復(fù)雜情況。中間帶地層壓力高，井底溫度在230～ 250 ℃左右。選擇重晶石和赤鐵礦的混合物作加重材料。鉆井液流變參數(shù)和濾失量均在可控范圍內(nèi)[43]。

7）1995年，北海東北段Gultakes 儲(chǔ)層，儲(chǔ)層滲透率高，安全密度窗口窄，黏土含量高。使用基于甲酸鉀鹽水的新型完井液，采用微錳加重，顯著降低固相含量，減少完井篩管堵塞的發(fā)生[44]。

8）2004年在北Cormorant油田，采用貫通油管旋轉(zhuǎn)鉆井（TTRD）技術(shù)，井眼尺寸小，地層壓力大，泵壓和ECD高。首次將微錳作為油基鉆井液中的唯一加重材料，鉆井液性能穩(wěn)定。使用該體系成功鉆探3口井，對(duì)地層基本未造成傷害[45]。

9）2008年在英國(guó)北海地區(qū)頁(yè)巖層，大位移、大斜度井居多，重晶石的沉降導(dǎo)致在管壁留下難以除去的涂層，超細(xì)重晶石易堵塞測(cè)井管線閥門。使用微錳代替重晶石作為加重材料配制高密度油基完井液，降低了沉降速度和流體黏度，提高了井壁穩(wěn)定性，降低了完井篩管堵塞風(fēng)險(xiǎn)[46]。

10）2009年在挪威北海區(qū)塊的大位移井，需要高溫高密度的油基鉆井液，用微粉重晶石加重仍然觀察到高黏度，高流體損失和不期待的沉降值。使用微錳配制無(wú)黏土油基鉆井液，最大限度降低了沉降潛力，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的沉降穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，并且符合北海環(huán)境要求[47]。

11）2010年在科威特北部的Raudhatain油田，儲(chǔ)層在HPHT條件下含有高質(zhì)量的輕質(zhì)油和氣體，并伴有H2S和CO2。要求最大限度地提高所收集的儲(chǔ)層數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，并減少由油基鉆井液引起的地層傷害。使用四氧化錳加重的飽和甲酸鉀鹽水鉆井液。最大鉆井液密度1.94 g/cm3，在高溫高壓環(huán)境下流變性能穩(wěn)定，濾失量低，在3 d的靜態(tài)條件下也無(wú)加重材料的沉降現(xiàn)象[48]。

12）2013年，在貴州的官深1井，地層為超高壓鹽水層或天然氣層，地層壓力系數(shù)超過(guò)2.7。使用微錳和還原鐵粉、鐵粉共同加重鉆井液，平均密度2.78 g/cm3，最高達(dá)2.82 g/cm3。該鉆井液成功密封高壓鹽水層，確保鉆井深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度，克服了鉆探官渡構(gòu)造超高壓地層的瓶頸[49]。

3 微粉加重材料存在的問(wèn)題

3.1 固相控制

鉆井固體在流體中的累積會(huì)對(duì)流體性能產(chǎn)生不利影響?，F(xiàn)場(chǎng)的許多固體控制設(shè)備都是根據(jù)傳統(tǒng)的API重晶石加重鉆井液設(shè)計(jì)的，但是，越來(lái)越多的鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)使用微米級(jí)加重材料，這對(duì)使用現(xiàn)有的固體控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的固體去除提出了挑戰(zhàn)。Massam通過(guò)分析從現(xiàn)場(chǎng)收集和室內(nèi)模擬得到的微米加重材料的固控?cái)?shù)據(jù)，得出有效清除微米級(jí)加重鉆井液固相污染物的方法：更精細(xì)的振動(dòng)篩是最有效的設(shè)備，且篩越細(xì)，防止固體污染越好。離心機(jī)試驗(yàn)表明，高容量，高速離心機(jī)可有效地從微粉化的加重流體中除去細(xì)小的低重力固體，而不會(huì)除去大量所需的加重劑顆粒[50]。雖然現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始使用微米級(jí)加重材料，但使用離心機(jī)的固控?cái)?shù)據(jù)仍很缺乏，還需做大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以將離心機(jī)用于微米加重鉆井液的固相控制。

3.2 微粉顆粒的團(tuán)聚

高密度的微粉顆粒粒徑越小，其比表面積越大，因而具有很高的團(tuán)聚趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)使用的微粉重晶石往往經(jīng)過(guò)特殊聚合物的包覆，從而提高其在鉆井液中的分散[38-39,42]。Mn3O4的亞微米顆粒尺寸被認(rèn)為是相比于其他常規(guī)加重材料的優(yōu)勢(shì)，但在范德華吸引力和水動(dòng)力作用下，小尺寸固體顆粒可能表現(xiàn)出嚴(yán)重的聚集傾向。Al Moajil的研究顯示，微化Mn3O4顆粒被淀粉等鉆井液中的生物聚合物所覆蓋。因此，Mn3O4顆粒聚集成更大尺寸的顆粒(高達(dá)30 μm)，并可能與鉆井液的主相沉降和分離[51]。控制四氧化三錳顆粒團(tuán)聚體類型、速率和質(zhì)量的主要因素與顆粒的磁性、高比表面積、球形、粒徑、表面電荷、吸附/非吸附聚合物的存在以及鉆井液污染有關(guān)[52-53]。分散劑是通過(guò)提供排斥力而使顆粒懸浮在液體介質(zhì)中的化合物，它們可以延緩或防止顆粒絮凝，提高流體的流動(dòng)性。因此，開(kāi)發(fā)有效的分散劑對(duì)于保持流體中的加重材料和其他固體顆粒以防止微固體顆粒的絮凝是至關(guān)重要的。當(dāng)有黏土如膨潤(rùn)土和常見(jiàn)的流體污染物如水泥和二價(jià)鹽的存在時(shí)，Mn3O4顆粒在高密度下的絮凝作用更加嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆井液流變性和沉降穩(wěn)定性的惡化以及其他鉆井問(wèn)題的發(fā)生。例如：水泥污染的存在會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)顆粒的沉降，從而導(dǎo)致鉆井過(guò)程中出現(xiàn)卡管、井控和鉆井液漏失等問(wèn)題。Al Moajil研究發(fā)現(xiàn)，以磺化共聚物、陰離子型木質(zhì)素磺酸鹽、磷酸鹽基聚合物等為主要化學(xué)成分的分散劑可以使Mn3O4在被黏土和鹽污染的鉆井液中有效分散[54]。木質(zhì)素磺酸鹽類和丙烯酸酯類分散劑還可以在CaCl2和水泥污染下降低鉆井液的沉降系數(shù)和濾失量，并對(duì)流變性能有所改善[55]。對(duì)于高溫高密度的反相乳化鉆井液，Kar等人通過(guò)研究水泥、巖鹽和黏土顆粒作為污染物對(duì)分散劑性能和流體性質(zhì)的影響，對(duì)100多種分散劑進(jìn)行了篩選。結(jié)果發(fā)現(xiàn)馬來(lái)酸酐-丙烯酸的合成共聚物和陰離子木質(zhì)素磺酸鹽與Mn3O4加重的水基鉆井液相容，并且能保持良好高溫穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性，還有效降低濾餅厚度[56]。Rehman找到一種用于反相乳液的有機(jī)氯化萘非離子分散劑。該分散劑的疏水碳鏈在粒子之間形成立體空間位阻，阻止顆粒的團(tuán)聚，而親水部分通過(guò)靜電相互作用附著在Mn3O4表面，從而提高了粒子的穩(wěn)定性[57]。作者提出，分散劑的疏水鏈長(zhǎng)、親水部分電荷密度、分散劑的分子量和整體結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定反相乳液中的固體起著至關(guān)重要的作用。從以上研究可以看出，木質(zhì)素磺酸鹽類分散劑對(duì)于分散微錳顆粒有極大的應(yīng)用潛力。但是，對(duì)于低成本的高效分散劑還需要進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)。

3.3 Mn3O4泥餅清除困難

Mn3O4是一種強(qiáng)氧化劑[58]，可用作催化劑使用，這將導(dǎo)致其與大多數(shù)清潔流體復(fù)雜的相互作用。此外，Mn3O4加重鉆井液的濾餅中存在的淀粉顆粒與Mn3O4顆粒之間的靜電相互作用增加了顆粒物質(zhì)的含量，并可能在清潔處理過(guò)程中阻礙酸反應(yīng)。因此，解決用Mn3O4顆粒加重的鉆井液形成的濾餅的去除問(wèn)題，對(duì)于確保鉆井和清洗作業(yè)的有效性至關(guān)重要。Al Moajil考察了幾種有機(jī)酸和螯合劑與Mn3O4顆粒的反應(yīng)[59]。作者指出，在有效清除Mn3O4濾餅時(shí)，應(yīng)注意避免使用會(huì)污染地層或環(huán)境產(chǎn)的化學(xué)品，例如GLDA、草酸和酒石酸等易與Mn3O4反應(yīng)產(chǎn)生有害氣體或不溶性沉淀。由于濾餅中的Mn3O4顆粒被聚合物包覆，因此濾餅的清除效率會(huì)降低。所以，Al Moajil采用一種生物淀粉酶浸泡濾餅，然后使用清洗液清除濾餅，最終形成一種新的高效安全的Mn3O4濾餅清洗液[51]。作者還指出，Mn3O4在HCl中的溶解度隨酸濃度和溫度的增加而增加。在高溫下，5%HCl與Mn3O4反應(yīng)即會(huì)產(chǎn)生有毒且具有腐蝕性的氯氣。因此，在高溫和腐蝕性環(huán)境中，不能使用單一的HCl處理Mn3O4。單獨(dú)的乳酸不溶解濾餅。然而，4%乳酸和1%HCl的組合在88 ℃下可以完全溶解Mn3O4顆粒，在121 ℃的溫度下，將近85%的濾餅溶解。該技術(shù)使用較低濃度的HCl /有機(jī)酸體系，這將大大降低處理濾餅所需的酸的成本[60]。Elkatatny研究了羥基乙酸對(duì)Mn3O4濾餅的清除效率。結(jié)果表明，羥基乙酸對(duì)Mn3O4濾餅有較好的溶解率，但其與α-淀粉酶的配伍性較差[61]。

4 加重材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越多，對(duì)鉆井液加重劑性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。傳統(tǒng)的API重晶石存在著流變性不好和沉降穩(wěn)定性差等問(wèn)題，因此亟需改進(jìn)或替換。使用微米級(jí)的加重劑可以有效解決以上的問(wèn)題，因此以微粉重晶石、赤鐵礦/鈦鐵礦和微錳等微粉加重劑相繼被國(guó)外學(xué)者研究。關(guān)于微粉加重劑的研究重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：為防止微粉加重劑顆粒絮凝，提高高溫下鉆井液的流變性能，需要優(yōu)選或研發(fā)有效的分散劑；微粉加重劑由于其顆粒粒徑較小，可能存在著損害儲(chǔ)層的問(wèn)題。因此研究微粉加重劑對(duì)儲(chǔ)層的損害機(jī)理以及預(yù)防這種損害的方法十分必要；微錳作為加重劑應(yīng)用效果非常好，但是對(duì)微錳微觀機(jī)理的研究很少。并且，針對(duì)微錳的高效、環(huán)保的酸溶體系和降濾失劑還需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。