阅读说明：本技术 钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂及其制备方法 (High-density spherical particle composite weighting agent for well drilling or well cementation and preparation method thereof ) 是由 刘朝辉 刘硕琼 靳建洲 于永金 刘志成 杨宏波 齐奉忠 刘慧婷 刘子帅 张弛 张 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂,所述加重剂密度为7.5～8.0g/cm<Sup>3</Sup>,粒径为80～425目。本发明还公开了所述复合加重剂的制备方法,通过所述制备方法可实现加重剂比重大,粒径可控,并且所述加重剂具有较好趋于零维球形结构的颗粒形貌,在配入钻井液中,其流动性好,酸容性好,可循环使用；用于固井液中,具有良好的分散、悬浮稳定性能,并且泌水率低的效果。(The invention discloses a high-density spherical particle composite weighting agent for well drilling or well cementation, wherein the density of the weighting agent is 7.5-8.0 g/cm 3 The particle size is 80 to 425 meshes. The invention also discloses a preparation method of the composite weighting agent, which can realize the large specific gravity and controllable particle size of the weighting agent, and the weighting agent has a particle shape which is better to be a zero-dimensional spherical structure, and has good fluidity and good acid compatibility and can be recycled when being added into drilling fluid; the emulsion is used in well cementing fluid, and has the effects of good dispersion and suspension stability and low bleeding rate.)

钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油钻井中钻井液所用的加重剂技术领域，具体涉及一种石油、天然气钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂及其制备方法。

背景技术

目前钻井作业中使用的高密度加重剂密度一般在6.5～7.3(g/cm3)(B/T5005-2001)，所采用的材料是铁矿石粉和还原还铁粉为主，这种高密度加重剂是通过粉碎研磨而制备出的产品。但此产品结构不规则，级配性能差，导致高复合加重剂的比表面低，在配制钻井、固井液时，配伍设计困难，无法满足钻井、固井液的作业要求。

随着钻井、固井条件的不断变化，对钻井、固井液的要求也越来越高，尤其是钻井、固井过程中遇到窄密度窗口井，高温高压井，大位移井以及深水钻井，对钻井、固井液性能要求更高，需要钻井、固井液具有更高的密度、更好的流变性、更大的沉降稳定性以及对储层损害程度最低等。目前，单独使用的一种加重剂已经不能完全满足以上要求，随钻井、固井液密度的不断增高，钻井、固井液中的固体加重材料质量可达到70％以上，固相粒子表面润湿及吸附作用会大幅度降低了钻井、固井液中的自由水含量，使钻井、固井液在深井高温高压条件下容易变稠，加重剂遇到地层水侵易沉降，导致钻井、固井液流变性失控，维护困难，甚至卡死钻具。特别是在钻井过程中，钻具进入井眼时与套管或井壁发生接触，产生摩擦，使得扭矩和摩阻增加，套管发生磨损。随着超深井、大斜度井、大位移井及水平井钻井技术的发展,因钻井时间延长、钻杆作用在套管上侧向力的增加等因素，使套管和钻柱的磨损问题越来越突出，减少技术套管磨损和破裂后的处理问题是急需解决的难点。

随着深井、超深井、高压井数量的增多，对钻井、固井液技术的要求越来越高。油基钻井液可较好地解决对油层的影响和对钻具的腐蚀问题，但污染环境大，且成本较高。普通水基钻井液虽然成本较低，但在解决技术性能及其稳定性、井壁稳定、对机械钻速的影响、对油层的影响、对钻具的腐蚀等问题上受到限制。为满足深井、超深井、高压井、复杂井钻井、固井工程需要，要求钻井、固井液密度合适，流变性好，滤失造壁性能好，抑制性强。常规普通钻井液在解决这些问题方面均受到了一定的限制，尤其是流变性问题。通常的处理方法是使用非水溶性惰性加重剂，这种方法可使钻井液的密度达到要求(可满足2.5g/cm3密度以上的要求)，但同时带来钻井液固相含量过高，塑性粘度(PV)明显提高，如土的含量稍有增加，其动、静切力(YP、G)就会大幅度提高，造成钻井液流变性差，钻井难度加大。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明目的在于提供一种钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂及其制备方法。所述加重剂比重为7.7～8.0g/cm³，粒径为80～425目可调，在配入钻井液使用时，具有流动性好，酸容性好，可循环使用；用于固井液中，具有良好的分散、悬浮稳定性能，泌水率低。

本发明具体技术方案为：

1.一种钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂，所述加重剂密度为7.5～8.0g/cm³，粒径为80～425目。

进一步的，按质量份数计，所述加重剂组成元素包括：95～100份Fe，0～5份Zn，和0～5份Cu。

进一步的，所述加重剂酸溶率大于90％，剩磁Br接近于零。

进一步的，所述加重剂适用于作为钻井深度在5000米以上的石油和天然气钻井、固井水用加重剂。

2.一种钻井或固井用高密度球形颗粒复合加重剂的制备方法，包括如下工艺步骤：

1)选取原材料：以金属或合金为原材料，并对原材料成分进行分析确定，以获得Fe、Zn以及Cu的含量；

2)原材料精选除杂：采用磁选法和沉降静置法除去尘泥沙杂质；

3)一次还原除杂：在700～900℃下进行还原除去各种有害杂质；

4)粗化研磨：将经步骤3)所得材料进行第一次粗化研磨，形成粒径为40～80目内的粗颗粒；

5)二次还原除杂：在400～700℃下进行还原除净各种有害杂质；

6)球磨化粉碎：将粗颗粒在一定磨料级配的作用下进行细磨，磨料选用超硬度球形级配磨料，粗颗粒研磨成粒径为80～425目以下的无尖角的颗粒粉末料；

7)利用等离子高压雾化球形工艺技术，在液氮或液氨的作用下进行球形颗粒结晶化处理，通过调控气喷雾化速度，制备得到不同球形粒径的复合加重剂。

具体的，步骤1)所述原材料为金属合金加工边角料、废旧设备上的金属或合金材料的一种或几种。

具体的，步骤7)工艺参数设置为：气压：0.5～0.9MPa，功率：46～65kW，雾化冷却距离：70～150mm，送粉量：70～5000g/min，气氛控制：360度喷射冷却经晶。

具体的，步骤1)～步骤5)原材料除杂处理后成分组成元素质量比例为：Fe：Zn：Cu为95～100:0～5:0～5。

本发明有益效果在于：本发明公开的加重剂以金属合金、回收废旧金属或合金为原材料，采用金属合成化技术(是将不同原材料中不成分均匀混合在一起的技术，经过合成技术处理后的原材料中金属元素成分就能在设计比例范围)、超细球化处理技术(将合成化技术处理后原材料按照工艺要求进行超细球形化成型处理，使其球形细度达到要求)、粒径控制技术(通过控制工艺参数来实现球形颗粒粒径控制，提高球形颗粒收率)、复合配制技术和磁化对消技术(采用复合配制方式，调整产品的密度范围，磁化对消方法来消除降低产品磁性)等，生产出满足石油和天然气钻井、固井用超高密度要求的低磁或无磁性球形复合加重剂，该复合加重剂产品的密度为7.5～8.0(g/cm³)，球形粒径为80～425目可调。产品具有较好趋于零维球形结构的颗粒形貌，不板结，低磁或无磁性、不生锈的特性，在配入钻井液中，其流动性好，酸容性好，可循环使用；用于固井液中，具有良好的分散、悬浮稳定性能，泌水率低的效果。

附图说明

图1为7.8密度球形状铁粉加重剂的稠化曲线图。

图2为GM-1密度7.3颗粒状加重剂的稠化曲线图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做进一步说明。

按如下所述制备发方法制备球形颗粒复合加重剂：

选取原材料：以金属或合金为原材料，并对原材料成分进行分析确定，以获得Fe、Zn以及Cu的含量；所述原材料为金属合金加工边角料、废旧设备上的金属或合金材料的一种或几种；确定不同密度的复合加重剂的组成成份(当密度在7.5～7.8g/cm³时，其Cu和Zn可无，但当密度达到7.8～8.0g/cm³时，就必须加重金属元素，也就是比Fe的比重大的元素进行复合，才能保证产品密度，根据生产产品的密度要求对加重剂组成进行设计，生产过程的产品要进行取样测试产品密度，确定组成成分的含量，)生产过程中按照配方组成进行投料生产，随机取样进行成份分析(Fe、Zn、或Cu的含量是否在配方设计范围内)，才能够保证不同批次的产品密度的一致性；

2)原材料精选除杂：采用磁选法和沉降静置法除去尘泥沙杂质，废旧及边角合金原材料回收后，表面存在诸多灰尘、泥土以及沙石等杂质，这些杂质的主要元素是Si、Ca、S、P等元素；

3)一次还原除杂：在700～900℃下进行还原除去各种有害杂质，主要除去杂质元素Si、Ca、S、P等元素；

4)粗化研磨：将经步骤3)所得材料进行第一次粗化研磨，形成粒径为40～80目内的粗颗粒；

5)二次还原除杂：在400～700℃下进行还原除净各种有害杂质，主要景区C、O元素，提高产品密度；

6)球磨化粉碎：将粗颗粒在一定磨料级配的作用下进行细磨，磨料选用超硬度球形级配磨料，粗颗粒研磨成粒径为80～425目以下的无尖角的颗粒粉末料；

7)利用等离子高压雾化球形工艺技术，在液氮或液氨的作用下进行球形颗粒结晶化处理，通过调控气喷雾化速度，制备得到不同球形粒径的复合加重剂；工艺参数设置为：气压：0.5～0.9MPa，功率：46～65kW，雾化冷却距离：70～150mm，送粉量：70～5000g/min，气氛控制：360度喷射冷却经晶。

对以上实施例所得加重剂按如下所示进行配比使用并与传统加重剂进行性能比对评估：

相同密度下，7.8(密度球形状铁粉加重剂)较GM-1(密度7.3颗粒状加重剂)，试验条件为：160℃×60MPa×80min；①下灰时间18S；最小搅开转速1300rmp；主观稠度22Bc。②设计密度2.55g/cm3；实测密度2.55g/cm³；测试完成后密度无变化，表明测完后的流动性：良好；装完稠化后流动性：摇晃恢复。③停机30min,开机后最高稠度冲至24Bc。④降温方式：冷却水，搅拌降温，拆除时温度：93℃。

⑤流变性：

表1 7.8密度球形状铁粉加重剂的热浆流变性

表2 GM-1密度7.3颗粒状加重剂的热浆流变性

⑥稳定性：上部2.52g/cm³；下部2.52g/cm³；游离液：0％；流动性好。⑦API失水民：mL(7.5minml；15minml；20minml；30minml；)。⑧稠化时间：min/40Bc；min/70Bc。⑨描述：曲线初稠、包芯、沉降、硬度、隔膜垫等。1、装机稠度23Bc；2、无包芯无沉降。⑩实验结论：流动性好，装机稠度低，对稳定性影响小，如附图图1-2所示。

两种不同密度和不同形状的加重剂铁粉实验数据对比结果为：相同密度下，7.8(密度球形状铁粉加重剂)较GM-1(密度7.3颗粒状加重剂)加量更少，下灰更快，流变性更好，装机稠度更低，对稳定性影响较小。

最后说明的是，以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。