中国粉体网讯 近年来，油基钻井液在深井超深井领域的应用越来越多，但达到4.2g/cm3密度的重晶石资源正在衰竭，能否从技术上减少、替代重晶石或增强重晶石材料的调节效果已成为各国都迫切要解决的难题。
重晶石粉 图源：翔泽油田材料
1“急”资源战略性与稀缺性共存，代替材料难寻
世界重晶石储量总计约4亿t，主要分布在中国、印度、土耳其、哈萨克斯坦及巴基斯坦等20余国家，静态保障年限30多年，矿产资源储量衰减率约为14%。重晶石作为世界上应用最广的钻井泥浆加重剂原材料，尚无其它性价比更优的替代矿产。因此，重晶石在这一领域具备较高不可替代性的稀缺性。但值得注意的是，2021年全球重晶石产量为730万t，其中中国产量为280万t，占全球总产量的38.3%，位居世界第一，且产量同比增长超过10%，资源正在急速消耗。
从钻井液用重晶石代替材料方面来看，目前，市场上高密度钻井液加重材料除了重晶石粉之外，还有石灰石粉、铁矿石粉、钛矿石粉、方铅矿粉和四氧化锰复配粉等5种，但这5种材料都不能完全替代重晶石粉。石灰石粉因易与盐酸等无机酸类发生化学反应，一般只能应用于对密度要求不高的完井液；铁矿石粉和钛矿石粉均具有一定的酸溶性，一般只应用于酸化产层，且对钻具、钻头和泵的磨损也较为严重；方铅矿粉成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。
2“难”重晶石深加工技术难突破，科技成果少
目前，真正被石油工程行业接受并广泛使用的加重材料仍然是重晶石，从目前重晶石研究进展来看，多停留在实验阶段，应用成果较少，理论研究系统性有所不足。
（1）微粉化
Yan等人分别制备和评价了不同种类的高密度油基钻井液，其中加入了微粉化重晶石、微粉化钛铁矿、四氧化三锰和API重晶石。研究发现，与传统的加重材料API重晶石相比，超细粉末技术的应用可以大大优化高密度（ρ≥2.3g/cm3）油基钻井液的流变性能。其表观黏度、塑性黏度和凝胶强度等都下降30%~50%，流体的动态悬浮稳定性大大提高，扭矩和摩阻均有降低。其次，乳化剂用量减少约50%，降低了高密度油基钻井液的制备成本。
（2）表面改性
通过表面改性处理，能有效降低重晶石本身的表面效应，削弱颗粒间碰撞引起的塑性黏度，从而改善钻井液的流变性能。王帝等采用球磨机对重晶石粉进行表面改性，通过机械力化学法研制了微粉化表面改性重晶石。实验结果表明，微粉化表面改性重晶石抗温性良好，可达260℃，可显著改善钻井液流变性能，降黏效率为45%，并且在改善加重钻井液流变性的同时，可以兼顾优化滤失性与沉降稳定性。另外，微粉化表而改性重品石与普通重晶石进行复配使用，也可在一定程度改善高密度钻井液的综合性能。
（3）粒径分布及颗粒级配
实践表明，高密度钻井液中固相颗粒的粒径分布及颗粒级配，对钻井液流变性和滤失造壁性的影响非常显著。苗海龙等研究表明，重晶石粉粒度级配合理，有助于细颗粒填充于粗颗粒堆积的孔隙中，能提高固相颗粒堆积效率，降低滤饼的渗透率，从而改善高密度浆的滤失造壁性。实验结论表明，当特级重晶石粉与细磨重晶石粉的复合比为2∶1时，高密度实验浆的流变性及滤失造壁性均较好。
此外，邱正松等为解决油基钻井液乳化稳定性、流变、滤失损耗等难调控问题，采用超细硫酸钡和高密度重晶石复合加重，构建了抗温220℃、密度2.50～2.80g/cm3的超高温高密度油基钻井液，具较高抗污染能力，为深层超深层油气资源的安全高效钻探提供了技术支撑。
3“窘”重晶石标准化短板造成资源浪费
随着石油资源的枯竭和钻井技术的进步，深井、超深井要求更高的钻井液密度，因此，高密度的重晶石粉需求量越来越大。但目前一些浅井，密度较低，但仍然采用密度大于等于4.20g/cm3的重晶石粉，导致4.05~4.20g/cm3等低密度的重晶石粉利用率低，造成重晶石矿资源浪费。
中国石化Q/SHCG 90—2016《钻井液用加重材料技术要求》和中国石油Q/SY17008—2019《钻井液用加重剂重晶石粉》中，对重晶石粉分了3个级别，分别是“特级：大于等于4.30g/cm3；一级：大于等于4.20g/cm3；二级：大于等于4.05g/cm3。基于此，建议尽快推行中石油或中石化企业标准中的重晶石粉密度分级方式，行业主管部门督促使用单位按照实际需求采购不同级别的重晶石粉，合理利用重晶石矿资源。此外，建议修订GB/T5005—2010重晶石粉标准，对重晶石粉按密度进行分级，明确不同密度的重晶石粉适用钻井液的密度范围。
4“盼”将重晶石列为战略性矿产是行业的期待
一方面，重晶石被欧美列为关键矿产，主要是从需求角度，即对外依存度和进口集中度高，存在供给安全隐患。根据遏制力原则，我国作为供应链另一端的生产大国，重要贸易对象国重视的关键原材料，我国也应重视。
另一方面，从材料自身性能和经济性上，重晶石在钻井泥浆加重剂领域具有一定程度的不可替代性，是油井及油气混合井钻（完）井液加重剂、钡化工及防核辐射等军工原材料的最优选择，并且已在世界范围内被广泛应用。虽然我国重晶石资源还并不稀缺，但因在特定领域特定行业尚无其它性价比更优的替代材料，也符合资源应用领域的稀缺性原则。
此外，重晶石是我国的优势矿种并且被欧美等发达国家高度依赖，根据影响力原则，它具备在国际贸易中发挥更大作用的未来可能性。
结语
我国重晶石储量丰富、产量较大、价格稳定、供应充足，但应用领域较窄，绝大部分只是作为钻井泥浆加重剂和填料使用，对下游产业及相关行业影响较小，尚难以发挥材料价值。
参考资料:
姜雅，等：关于将重晶石列为战略性矿产的原则分析，自然资源部信息中心
苗海龙，等：重晶石粉颗粒级配对高密度钻井液性能影响的实验探讨，中海油田服务股份有限公司
潘谊党，等：高密度钻井液加重材料沉降问题研究进展，中国地质大学（北京）工程技术学院
杨新，等：几种常用钻井液材料标准探讨，中国石油集团长城钻探工程有限公司
（中国粉体网编辑整理/昧光）
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