中國粉體網訊 近年來，油基鉆井液在深井超深井領域的應用越來越多，但達到4.2g/cm3密度的重晶石資源正在衰竭，能否從技術上減少、替代重晶石或增強重晶石材料的調節效果已成為各國都迫切要解決的難題。
重晶石粉 圖源：翔澤油田材料
1“急”資源戰略性與稀缺性共存，代替材料難尋
世界重晶石儲量總計約4億t，主要分布在中國、印度、土耳其、哈薩克斯坦及巴基斯坦等20余國家，靜態保障年限30多年，礦產資源儲量衰減率約為14%。重晶石作為世界上應用最廣的鉆井泥漿加重劑原材料，尚無其它性價比更優的替代礦產。因此，重晶石在這一領域具備較高不可替代性的稀缺性。但值得注意的是，2021年全球重晶石產量為730萬t，其中中國產量為280萬t，占全球總產量的38.3%，位居世界第一，且產量同比增長超過10%，資源正在急速消耗。
從鉆井液用重晶石代替材料方面來看，目前，市場上高密度鉆井液加重材料除了重晶石粉之外，還有石灰石粉、鐵礦石粉、鈦礦石粉、方鉛礦粉和四氧化錳復配粉等5種，但這5種材料都不能完全替代重晶石粉。石灰石粉因易與鹽酸等無機酸類發生化學反應，一般只能應用于對密度要求不高的完井液；鐵礦石粉和鈦礦石粉均具有一定的酸溶性，一般只應用于酸化產層，且對鉆具、鉆頭和泵的磨損也較為嚴重；方鉛礦粉成本高、貨源少，一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。
2“難”重晶石深加工技術難突破，科技成果少
目前，真正被石油工程行業接受并廣泛使用的加重材料仍然是重晶石，從目前重晶石研究進展來看，多停留在實驗階段，應用成果較少，理論研究系統性有所不足。
（1）微粉化
Yan等人分別制備和評價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。研究發現，與傳統的加重材料API重晶石相比，超細粉末技術的應用可以大大優化高密度（ρ≥2.3g/cm3）油基鉆井液的流變性能。其表觀黏度、塑性黏度和凝膠強度等都下降30%~50%，流體的動態懸浮穩定性大大提高，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。
（2）表面改性
通過表面改性處理，能有效降低重晶石本身的表面效應，削弱顆粒間碰撞引起的塑性黏度，從而改善鉆井液的流變性能。王帝等采用球磨機對重晶石粉進行表面改性，通過機械力化學法研制了微粉化表面改性重晶石。實驗結果表明，微粉化表面改性重晶石抗溫性良好，可達260℃，可顯著改善鉆井液流變性能，降黏效率為45%，并且在改善加重鉆井液流變性的同時，可以兼顧優化濾失性與沉降穩定性。另外，微粉化表而改性重品石與普通重晶石進行復配使用，也可在一定程度改善高密度鉆井液的綜合性能。
（3）粒徑分布及顆粒級配
實踐表明，高密度鉆井液中固相顆粒的粒徑分布及顆粒級配，對鉆井液流變性和濾失造壁性的影響非常顯著。苗海龍等研究表明，重晶石粉粒度級配合理，有助于細顆粒填充于粗顆粒堆積的孔隙中，能提高固相顆粒堆積效率，降低濾餅的滲透率，從而改善高密度漿的濾失造壁性。實驗結論表明，當特級重晶石粉與細磨重晶石粉的復合比為2∶1時，高密度實驗漿的流變性及濾失造壁性均較好。
此外，邱正松等為解決油基鉆井液乳化穩定性、流變、濾失損耗等難調控問題，采用超細硫酸鋇和高密度重晶石復合加重，構建了抗溫220℃、密度2.50～2.80g/cm3的超高溫高密度油基鉆井液，具較高抗污染能力，為深層超深層油氣資源的安全高效鉆探提供了技術支撐。
3“窘”重晶石標準化短板造成資源浪費
隨著石油資源的枯竭和鉆井技術的進步，深井、超深井要求更高的鉆井液密度，因此，高密度的重晶石粉需求量越來越大。但目前一些淺井，密度較低，但仍然采用密度大于等于4.20g/cm3的重晶石粉，導致4.05~4.20g/cm3等低密度的重晶石粉利用率低，造成重晶石礦資源浪費。
中國石化Q/SHCG 90—2016《鉆井液用加重材料技術要求》和中國石油Q/SY17008—2019《鉆井液用加重劑重晶石粉》中，對重晶石粉分了3個級別，分別是“特級：大于等于4.30g/cm3；一級：大于等于4.20g/cm3；二級：大于等于4.05g/cm3。基于此，建議盡快推行中石油或中石化企業標準中的重晶石粉密度分級方式，行業主管部門督促使用單位按照實際需求采購不同級別的重晶石粉，合理利用重晶石礦資源。此外，建議修訂GB/T5005—2010重晶石粉標準，對重晶石粉按密度進行分級，明確不同密度的重晶石粉適用鉆井液的密度范圍。
4“盼”將重晶石列為戰略性礦產是行業的期待
一方面，重晶石被歐美列為關鍵礦產，主要是從需求角度，即對外依存度和進口集中度高，存在供給安全隱患。根據遏制力原則，我國作為供應鏈另一端的生產大國，重要貿易對象國重視的關鍵原材料，我國也應重視。
另一方面，從材料自身性能和經濟性上，重晶石在鉆井泥漿加重劑領域具有一定程度的不可替代性，是油井及油氣混合井鉆（完）井液加重劑、鋇化工及防核輻射等軍工原材料的最優選擇，并且已在世界范圍內被廣泛應用。雖然我國重晶石資源還并不稀缺，但因在特定領域特定行業尚無其它性價比更優的替代材料，也符合資源應用領域的稀缺性原則。
此外，重晶石是我國的優勢礦種并且被歐美等發達國家高度依賴，根據影響力原則，它具備在國際貿易中發揮更大作用的未來可能性。
結語
我國重晶石儲量豐富、產量較大、價格穩定、供應充足，但應用領域較窄，絕大部分只是作為鉆井泥漿加重劑和填料使用，對下游產業及相關行業影響較小，尚難以發揮材料價值。
參考資料:
姜雅，等：關于將重晶石列為戰略性礦產的原則分析，自然資源部信息中心
苗海龍，等：重晶石粉顆粒級配對高密度鉆井液性能影響的實驗探討，中海油田服務股份有限公司
潘誼黨，等：高密度鉆井液加重材料沉降問題研究進展，中國地質大學（北京）工程技術學院
楊新，等：幾種常用鉆井液材料標準探討，中國石油集團長城鉆探工程有限公司
（中國粉體網編輯整理/昧光）
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