柴金鵬, 劉均一, 邱正松, 郭保雨, 鐘漢毅, 蔡 勇, 何 暢

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石化勝利石油工程公司鉆井工程技術(shù)公司,山東東營(yíng) 257064;3.中國(guó)石化勝利油田博士后科研工作站,山東東營(yíng)257064; 4.中國(guó)石化勝利油田石油開發(fā)中心勝凱有限公司,山東東營(yíng) 257064)

含油污泥主要是在石油的開采、集輸、煉化及含油污水的處理工程中所產(chǎn)生的含有原油的廢棄物,具有油泥產(chǎn)量大、原油含量大、重質(zhì)油成分高、綜合處理利用效率低、處理利用難度大等特點(diǎn)[1-3]。含油污泥的排放不僅占用大量的田地,同時(shí)對(duì)周邊的土壤、水源、大氣造成一定的污染。目前含油污泥已被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物目錄》中的含油廢物類,而《國(guó)家清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》則要求必須對(duì)含油污泥進(jìn)行無害化處理[4-6]。含油污泥的處理原則應(yīng)遵循減量化、清潔化和資源化的原則,目前常見的油泥處理利用方法有堿水熱洗法、溶劑萃取法、直接燃燒法、生物細(xì)菌處理法和焦化法,以及利用油泥作為發(fā)電燃料、生產(chǎn)建筑工業(yè)材料、生產(chǎn)注水井調(diào)剖劑等[7-15]。稠油污泥中有較高含量油溶性的環(huán)烷烴、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等,與石油瀝青組成相似,在瀝青類鉆井液處理劑方面具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值[16]。筆者從含油污泥的組分特征入手,借鑒高分散型瀝青粉的制備方法,通過含油污泥的瀝青化處理、軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)、乳化分散等,探索含油污制備鉆井液用封堵防塌劑的方法,評(píng)價(jià)可變形封堵防塌劑的綜合性能,探討其作用機(jī)制。以新制備的可變形封堵防塌劑為主要處理劑,構(gòu)建強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系配方。

1 含油污泥制備鉆井液封堵防塌劑與性能評(píng)價(jià)

1.1 含油污泥的組分分析

含油污泥是一種極其穩(wěn)定的懸浮乳狀液體系[17]。選取勝利油田河口采油廠與孤島采油廠的含油污泥樣品,測(cè)試含油污泥的組成成分、原油四組分、含泥沙礦物等。

(1)含油污泥組分含量。利用蒸餾法測(cè)定含油污泥的含水量,并采用三氯甲烷對(duì)剩余樣品進(jìn)行索氏抽提,烘干抽提后剩余的泥沙等雜質(zhì),最后利用減量法測(cè)得含油污泥中水分、原油、泥沙等組分的含量,測(cè)試結(jié)果見表1。與孤島采油廠樣品相比,河口采油廠的含油污泥含水率較高,但其烘干后含油率高達(dá)72.1%,優(yōu)選河口采油廠樣品作為原料,有助于提高封堵防塌劑的有效成分含量。

表1 不同含油污泥樣品的組分含量

(2)原油四組分分析。參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5119-1995,測(cè)定河口采油廠含油污泥樣品中原油的四組分(飽和分、芳香分、膠質(zhì)與瀝青質(zhì))的含量(圖1)?？梢钥闯?含油污泥樣品中原油主要成分是烴類、膠質(zhì)和瀝青質(zhì),膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量約40%,與傳統(tǒng)瀝青類原料的組成接近。測(cè)定其軟化點(diǎn)為45～69 ℃。

圖1 含油污泥中原油四組分分析結(jié)果Fig.1 Four components of crude oil in oil sludge

圖2 含油泥沙礦物組成分析Fig.2 Mineral composition of silt in oil sludge

(3)含泥沙礦物組成分析。測(cè)定抽提后剩余的泥沙等的組成與粒度分布,結(jié)果見圖2和圖3?？梢钥闯?含油污泥中的泥沙主要由石英、石鹽、斜長(zhǎng)石等礦物組成,其粒度分布主要在38～250 μm,占泥沙總量的98.5%。因此含油污泥中的泥沙組分以惰性礦物為主,且易于研磨粉碎,經(jīng)過均質(zhì)化處理后可用作封堵材料,增強(qiáng)封堵防塌劑的作用效果。

圖3 含油泥沙礦物粒度分析Fig.3 Particle size analysis of silt in oil sludge

1.2 含油污泥瀝青化制備可變形封堵防塌劑

含油污泥組分分析可知,除水分和泥沙等雜質(zhì)之外,含油污泥中含有一定比例的飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì),其與瀝青的組分比較接近。常用水基鉆井液瀝青類處理劑通常經(jīng)過改性,使其在鉆井液中高度分散、適度溶解而不產(chǎn)生聚結(jié)和漂浮現(xiàn)象,并在使用溫度下軟化變形發(fā)揮封堵防塌作用[18]。因此借鑒磺化、氧化、乳化等瀝青改性方法,將含油污泥進(jìn)行瀝青化處理,制備鉆井液用可變形封堵防塌劑,實(shí)現(xiàn)含油污泥的資源化利用。

綜合考慮含油污泥的組成、瀝青類處理劑的制備工藝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及環(huán)保等因素,同時(shí)最大程度地實(shí)現(xiàn)含油污泥資源化利用,借鑒高分散型瀝青粉的制備方法,通過含油污泥的瀝青化處理、軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)、乳化分散等工藝,實(shí)現(xiàn)含油污泥的物理化學(xué)表面改性,最終制備出高油溶率、速分散可變形封堵防塌劑。

(1)瀝青化處理。含油污泥中油溶性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.8%,相對(duì)含量較低,且軟化點(diǎn)約為45～69 ℃,難以達(dá)到產(chǎn)品50～120 ℃軟化點(diǎn)可調(diào)的要求,有必要加入油溶性成分對(duì)含油污泥進(jìn)行瀝青化處理,以提高其有效改性成分的含量。選用天然瀝青與含油污泥按照一定比例高溫熔融混合,冷卻至室溫后,經(jīng)研磨粉碎可得到粉狀物,完成含油污泥的瀝青化處理。這樣一方面能夠蒸發(fā)含油污泥中的水分和輕質(zhì)組分,也有利于提高含油污泥的軟化點(diǎn),且便于粉碎。

(2)軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)。通常情況下,根據(jù)井眼溫度選擇不同軟化點(diǎn)的鉆井液用瀝青類處理劑,利用瀝青顆粒在高溫高壓下具有軟化變形的特點(diǎn),來有效封堵裂縫和孔隙。由于含油污泥軟化點(diǎn)較低,可以通過加入高軟化點(diǎn)瀝青等軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)劑對(duì)其軟化點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5794-2010,采用SD-0606T自動(dòng)軟化點(diǎn)測(cè)試儀,測(cè)試含油污泥瀝青化處理后的軟化點(diǎn)(表2)。由表2可知,單一含油污泥樣品的軟化點(diǎn)較低,僅為45～69 ℃;當(dāng)含油污泥與高軟化點(diǎn)天然瀝青按照不同比例熔融復(fù)配后,能夠得到不同軟化點(diǎn)的含油污泥瀝青化產(chǎn)品,以滿足瀝青材料的可變形封堵防塌性能要求。

表2 含油污泥軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)測(cè)試

(3)乳化分散處理。含油污泥經(jīng)瀝青化處理后,混合物中含有大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì),難以分散在水中形成穩(wěn)定的分散體系,必須在油水兩相中加入易于在兩相界面間吸附或富集的物質(zhì),才能使瀝青分散于水中,形成穩(wěn)定的多相分散體系?；贒LVO理論與空間穩(wěn)定理論,選用陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑復(fù)配,保證含油污泥和天然瀝青復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性,然后加入高分子聚合物作為保護(hù)膠體,提高含油污泥與天然瀝青復(fù)合物的分散穩(wěn)定性。此外,由于瀝青經(jīng)乳化后表面帶電,與黏土作用不易形成致密的泥餅,通常加入降濾失劑以調(diào)控其降濾失性能。

含油污泥資源化制備可變形封堵防塌劑的步驟如下:稱取一定質(zhì)量的含油污泥和天然瀝青(二者質(zhì)量比為2∶1),加入燒杯中,升溫至200～300 ℃時(shí)保持溫度穩(wěn)定,將含油污泥和天然瀝青熔融混拌均勻;將熔融混合物自然冷卻至室溫,研磨粉碎過0.075～0.15 mm;在粉碎的粉體表面均勻噴灑陽離子表面活性劑溶液和非離子表面活性劑溶液,碾壓混合攪拌1 h;在上述混合物中加入聚合物膠體保護(hù)劑、褐煤降濾失劑,碾壓混拌30 min;混拌均勻后將混合物在75 ℃下烘干,然后粉碎過0.15 mm篩,即得到高油溶性、速分散可變形封堵防塌劑SD-AS(圖4)。

圖4 含油污泥制備封堵防塌劑SD-AS樣品Fig.4 Newly developed anti-sloughing agent SD-AS using oil sludge

1.3 可變形封堵防塌劑的性能評(píng)價(jià)

(1)基漿性能。在4%的膨潤(rùn)土基漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SD-AS,測(cè)試120 ℃老化前后實(shí)驗(yàn)漿的性能,結(jié)果如表3所示。分析可知,隨著SD-AS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,120 ℃/16 h熱滾后實(shí)驗(yàn)漿的表觀黏度和塑性黏度逐漸增加,API、HTHP失水均顯著降低。此外,隨著SD-AS加量的增加,所形成的泥餅薄而致密,泥餅黏滯系數(shù)也逐漸降低,當(dāng)加量達(dá)到3%時(shí)可將極壓潤(rùn)滑系數(shù)降至0.244 3。因此,加入SD-AS不僅能改善泥餅質(zhì)量,有效降低地膨潤(rùn)土基漿的高溫高壓失水,同時(shí)還具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SD-AS對(duì)基漿性能的影響

(2)抑制水化性能。以標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)膨潤(rùn)土為測(cè)試樣品,采用NP-01頁巖膨脹儀,測(cè)試8 h條件下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SD-AS抑制膨潤(rùn)土水化膨脹性能,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。分析可知,隨著SD-AS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,膨潤(rùn)土8 h的膨脹率逐漸下降。當(dāng)SD-AS加量為3%時(shí),頁巖膨脹降低率達(dá)到55.6%,表明SD-AS具有優(yōu)良的抑制頁巖水化膨脹性能。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SD-AS水溶液的膨脹率Fig.5 Shale swelling results of different SD-AS concentration

采用準(zhǔn)噶爾盆地天然巖樣,測(cè)試3%不同瀝青類防塌劑抑制泥頁巖水化分散的性能,結(jié)果見圖6?？梢钥闯?巖屑的清水回收率僅為3%,表明其極易水化分散。當(dāng)加入不同瀝青類防塌劑后,頁巖滾動(dòng)回收率均顯著增大,其中SD-AS能有效防止泥頁巖水化分散,頁巖滾動(dòng)回收率高達(dá)86.9%,而其他產(chǎn)品回收率提高相對(duì)較少。這是由于SD-AS中含有少量的高分子聚合物膠體穩(wěn)定劑,與含油污泥中的油溶性成分吸附包裹在巖屑表面,防止巖屑分散,進(jìn)而表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制性。

圖6 不同瀝青產(chǎn)品的巖屑回收率對(duì)比Fig.6 Hot-rolling dispersion results of different asphalt agents

(4)封堵性能評(píng)價(jià)。配制3%SD-AS水溶液,測(cè)試其對(duì)0.25～0.425 mm、0.18～0.25 mm砂床的封堵性能(0.69 MPa/常溫),并與相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同瀝青類產(chǎn)品、4%膨潤(rùn)土基漿進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表4。由表4可知,SD-AS能夠有效封堵0.25～0.425 mm、0.18～0.25 mm砂床,其侵入深度分別為32和24 mm,明顯小于其他產(chǎn)品的侵入深度,且無濾液濾出,具有優(yōu)良的砂床封堵性能。

表4 不同瀝青產(chǎn)品對(duì)砂床的封堵性評(píng)價(jià)Table 4 Sand bed sealing performance of different asphalt agents

2 可變形封堵防塌劑的作用機(jī)制

2.1 堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

在4%膨潤(rùn)土基漿400 mL中加入3%SD-AS,120 ℃/16 h熱滾后采用HTD18984鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)儀(青島海通達(dá)專用儀器有限公司),評(píng)價(jià)漿液對(duì)滲透率為750×10-3μm2的砂盤的封堵性能[19],結(jié)果見表5。可以看出,基漿中加入SD-AS后瞬時(shí)濾失量由30 mL降低至24 mL,但加入SD-AS后的實(shí)驗(yàn)漿的PPA濾失量52 mL要遠(yuǎn)小于基漿的PPA濾失量98 mL,說明基漿中加入SD-AS后,由于SD-AS在高溫下的軟化變形需要一個(gè)過程,短時(shí)間內(nèi)不能立即形成有效封堵,故瞬時(shí)濾失量未發(fā)生變化,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),SD-AS形成有效封堵后,濾失量大幅度降低,其濾失速度也顯著低于基漿的濾失速度,表現(xiàn)為加入SD-AS的實(shí)驗(yàn)漿PPA濾失量較低。

表5 SD-AS的PPA實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分PPA實(shí)驗(yàn)砂盤照片見圖7。可以看出,基漿的PPA砂盤外泥餅不堅(jiān)韌,傾倒的過程中易破碎,而加入SD-AS后的PPA砂盤外泥餅比較堅(jiān)韌,不易破碎,且緊附于砂盤上。從砂盤內(nèi)泥餅的斷面可以看出,加入SD-AS后砂盤內(nèi)部顏色明顯變暗,說明SD-AS填充進(jìn)入砂盤中,起到了封堵的效果。

圖7 PPA實(shí)驗(yàn)砂盤照片F(xiàn)ig.7 Photos of aloxite disc used in PPA tests

2.2 掃描電鏡分析

上述堵漏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)后的砂盤在自然條件下風(fēng)干后,采用掃描電鏡觀察砂盤的表面和斷面,測(cè)試結(jié)果見圖8。由圖8看出,與膨潤(rùn)土基漿作用后,砂盤一部分孔隙被黏土顆粒充填,但仍有一部分孔隙未實(shí)現(xiàn)充填,宏觀上表現(xiàn)出濾失量較大;而與SD-AS作用后,砂盤表面被SD-AS中的油溶性成分、可變形粒子及聚合物等覆蓋在表面,形成較為致密的封堵,表現(xiàn)為濾失量下降。此外分析斷面SEM圖片可知,經(jīng)基漿滲濾后,砂盤的孔隙中填充少量黏土顆粒,但仍有大部分孔隙未被填充,而加入SD-AS后,砂盤孔隙相對(duì)更加致密,這是由于SD-AS中顆粒充填封堵的結(jié)果。

圖8 PPA實(shí)驗(yàn)砂盤的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of aloxite discs after PPA tests

2.3 壓力傳遞測(cè)試

采用自制的SHM-3型高溫高壓井壁穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行壓力傳遞實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)SD-AS的封堵防塌性能[20]。選取準(zhǔn)噶爾盆地典型泥頁巖,利用厚度為7.50 mm的巖樣,進(jìn)行壓力傳遞實(shí)驗(yàn)。圖9為不同實(shí)驗(yàn)漿的壓力傳遞實(shí)驗(yàn)曲線。壓力傳遞測(cè)試結(jié)果表明,4%基漿中加入3%SD-AS封堵防塌劑后傳遞1 MPa壓差所需時(shí)間較空白巖樣(約為400 s)、4%基漿(3 000 s)均有較大幅度的提高,約為27 000 s,即傳遞1 MPa壓差較空白巖樣所需時(shí)間延長(zhǎng)67.5倍,較4%基漿作用后所需時(shí)間延長(zhǎng)9倍;120 ℃條件下,SD-AS封堵防塌劑能顯著阻緩壓力傳遞速率,在壓差作用下,能被壓入測(cè)試巖樣表面的微孔、微裂縫中,形成有效的物理封堵層。因此,SD-AS阻緩泥巖壓力傳遞的性能顯著,擁有較強(qiáng)的封堵防塌性能,能夠顯著提高泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性。

圖9 頁巖壓力傳遞實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Shale pressure transmission test curves

2.4 接觸角測(cè)試

圖10 SD-AS對(duì)膨潤(rùn)土潤(rùn)濕性的影響Fig.10 Effect of SD-AS on wettability alteration of bentonite

在100 mL去離子水中加入4 g鈉基蒙脫土,磁力攪拌24 h后,分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SD-AS。磁力攪拌24 h后,用滴管移取少許液滴在干凈的載玻片表面,然后將載玻片放在空氣中自然風(fēng)干,采用JC2000D接觸角測(cè)試儀測(cè)試樣品與去離子水的接觸角,測(cè)試結(jié)果如圖10所示。分析可知,膨潤(rùn)土基漿的接觸角為35.1°,隨著SD-AS加量的增加,接觸角迅速增加,而當(dāng)SD-AS加量達(dá)到3%之后接觸角的變化趨于平穩(wěn),保持在70°。SD-AS與膨潤(rùn)土作用后,吸附在膨潤(rùn)土表面,增加膨潤(rùn)土的疏水性,減弱膨潤(rùn)土的水化,有利于提高泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性。

3 強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系構(gòu)建與評(píng)價(jià)

準(zhǔn)噶爾盆地中部具有豐富的油氣資源,是中國(guó)石化西部新區(qū)勘探的重點(diǎn)勘探的油氣區(qū)塊。前期勘探開發(fā)過程中,由于地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性的認(rèn)識(shí)不足,鉆井液技術(shù)對(duì)策及工程措施存在盲目性,其中清水河組、頭屯河組等復(fù)雜地層的井壁失穩(wěn)問題突出,極易導(dǎo)致起下鉆遇阻、井壁掉塊、電測(cè)遇阻、卡鉆等鉆井復(fù)雜情況,嚴(yán)重影響了準(zhǔn)噶爾盆地油氣資源的勘探開發(fā)進(jìn)程。

井壁失穩(wěn)機(jī)制研究表明,清水河組、頭屯河組地層泥頁巖中以伊/蒙混層為主、混層中間層比高,宏觀上表現(xiàn)為較強(qiáng)的水化膨脹和分散性能,同時(shí)地層發(fā)育大量的微間隙和微裂縫,鉆井液濾液在壓差和化學(xué)勢(shì)差作用下沿地層微裂隙侵入地層,引起泥頁巖的局部水化,產(chǎn)生強(qiáng)大的水化膨脹壓,導(dǎo)致井壁宏觀失穩(wěn)?；诖?提出了“物化封堵-抑制水化-有效應(yīng)力支撐”的協(xié)同防塌鉆井液技術(shù)對(duì)策[21],加強(qiáng)鉆井液的封固井壁能力,快速、有效地封堵微裂縫是復(fù)雜地層強(qiáng)化穩(wěn)定井壁的關(guān)鍵,也為準(zhǔn)噶爾盆地復(fù)雜地層防塌鉆井液體系構(gòu)建提供了依據(jù)。

3.1 強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系優(yōu)化

以新制備的可變形封堵防塌劑SD-AS為主要處理劑,通過滾動(dòng)老化與配伍性實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了不同類型鉆井液處理劑,構(gòu)建了強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系(QHFD)。其中聚合物FA-367用作高分子包被劑和降濾失劑;羧甲基纖維素CMC-LV和磺化酚醛樹脂SD-101用以提高鉆井液的濾失造壁性能;可變形封堵防塌劑SD-AS主要用于增強(qiáng)鉆井液封堵性能;聚胺強(qiáng)抑制劑SD-HIB能夠與聚合物FA-367協(xié)同作用,增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性;聚合醇JLXC可以同時(shí)增強(qiáng)鉆井液的抑制性與潤(rùn)滑性,且有利于保護(hù)儲(chǔ)層。另外,加入復(fù)合有機(jī)鹽OGSA則是用于降低鉆井液的水活度,以發(fā)揮有限化學(xué)活度平衡防塌作用,表面活性劑Span-80可以抑制鉆井液體系pH值下降并提高體系的高溫穩(wěn)定性。

基于上述單劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化構(gòu)建了強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系(QHFD)配方,具體鉆井液配方為:4%膨潤(rùn)土漿+0.3%FA367+1.0%CMC-LV+3.0%SD-AS+1.0%SD-101+0.3%SD-HIB+2%JLXC+20%OGSA+0.3%Span-80。

表6為強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系(QHFD)的流變?yōu)V失性能評(píng)價(jià)結(jié)果。分析可知,QHFD體系的抗溫能力達(dá)150 ℃,熱滾前后塑性黏度小于30 mPa·s,動(dòng)切力在11 Pa,具有“低黏高切”特征,有利于降低鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度;體系的低剪切速率黏度適中,可有效提高鉆井液的攜巖能力;API濾失量小于5 mL,HTHP濾失量小于10 mL,降濾失性能良好,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井需求。

表6 鉆井液流變?yōu)V失性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

(1)封堵性能評(píng)價(jià)。利用滲透性封堵實(shí)驗(yàn)裝置,選用750×10-3μm2超低滲砂盤作為滲濾介質(zhì),在120 ℃/7.0 MPa條件下,實(shí)驗(yàn)考察了120 ℃/16 h熱滾后QHFD體系的滲透性封堵性能。結(jié)果表明,QHFD體系的PPA砂盤濾失量?jī)H為10.4 mL,瞬時(shí)濾失量為6.4 mL,靜態(tài)濾失速率為0.73 mL/min1/2,具有良好的滲透性封堵性能。選用200、500 μm裂縫盤作為裂縫介質(zhì),實(shí)驗(yàn)考察了120 ℃/16 h熱滾后SWSGM體系的裂縫性漏失封堵性能。結(jié)果表明,QHFD體系對(duì)200 μm裂縫盤的累計(jì)漏失量為0 mL,無漏失現(xiàn)象,而對(duì)500 μm裂縫盤的累計(jì)漏失量?jī)H為5.2 mL,說明QHFD體系能夠有效封堵開度500 μm的裂縫,具有良好的裂縫性封堵性能。

(2)抑制性能評(píng)價(jià)。采用滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)與頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了QHFD體系的抑制性能。選用準(zhǔn)噶爾盆地天然巖樣進(jìn)行滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)(77℃/16 h)。結(jié)果表明,天然巖樣的清水滾動(dòng)回收率僅為3.1%,而QHFD體系的滾動(dòng)回收率為90.5%,具有良好的抑制水化分散性能。選用鉆井液用鈉基膨潤(rùn)土壓制實(shí)驗(yàn)巖樣,利用頁巖線性膨脹儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試巖樣在清水與鉆井液中的線性膨脹率。結(jié)果表明,巖樣在清水中的線性膨脹率高達(dá)59.87%,而在QHFD體系的頁巖膨脹率均大幅降低,僅為7.89%,具有良好的抑制黏土水化膨脹性能。

(3)抗污染性能評(píng)價(jià)。在鉆井過程中,要求鉆井液不僅具有良好的抑制性,還要具有抵抗鹽、石膏、鉆屑等污染的能力。采用5%NaCl、1%CaCl2、5%英國(guó)評(píng)價(jià)土作為污染物,實(shí)驗(yàn)考察了120 ℃/16 h熱滾后QHFD體系的抗污染性能(表7)。結(jié)果表明,加入5%NaCl、1%CaCl2后,QHFD體系的黏度和切力變化不大,熱滾后API濾失量均小于5 mL,具有良好的抗鹽、抗鈣污染性能;加入5%英國(guó)評(píng)價(jià)土之后,SWSGM體系的黏度、切力略有升高,但仍能保持較為合理的流變、濾失性能,QHFD體系具有較好的抗劣土污染性能。

表7 鉆井液抗污染性能評(píng)價(jià)結(jié)果

(4)潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)。利用極壓潤(rùn)滑儀和泥餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試了QHFD加重體系120 ℃/16 h熱滾后的極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏滯系數(shù)。結(jié)果表明,加重后SWSGM體系(1.5 g/cm3)具有較好的潤(rùn)滑性能,其泥餅黏滯系數(shù)為0.123,極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.135,能夠滿足定向井段的“減摩降阻”要求。

4 中試生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 可變形封堵防塌劑的中試生產(chǎn)

在室內(nèi)制備實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,綜合考慮含油污泥的特點(diǎn)、制備工藝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及環(huán)保等因素,確定了含油污泥改性制備高油溶性速分散形變封堵防塌劑的工業(yè)中試工藝流程(圖11),并成功進(jìn)行了中試,且通過調(diào)整生產(chǎn)工藝,可調(diào)節(jié)中試產(chǎn)品的軟化點(diǎn)在50～120 ℃。

圖11 含油污泥制備封堵防塌劑中試工藝步驟Fig.11 Pilot test process of anti-sloughing agent SD-AS using oil sludge

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井D-12井位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷阜康凹陷東部斜坡帶,設(shè)計(jì)井深4 520 m,主要勘探目的層系為侏羅系頭屯河組及齊古組。前期勘探開發(fā)過程中,鄰井D-1井、D-3井、D-6井、D-801井的侏羅系頭屯河組井壁失穩(wěn)嚴(yán)重,共計(jì)發(fā)生卡鉆10次,平均井徑擴(kuò)大率超過30%,嚴(yán)重影響了整體鉆井工程時(shí)效。

為了解決準(zhǔn)噶爾盆地復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)問題,D-12井三開鉆井作業(yè)應(yīng)用了強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系(QHFD),在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中,未出現(xiàn)過井壁剝落掉塊等復(fù)雜情況,起下鉆暢通無阻。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),鄰井D-6井頭屯河組地層段(4 065～4 310 m)井徑平均擴(kuò)大率為29.28%,最大井徑擴(kuò)大率為117.51%,而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井D-12井頭屯河組地層段(4 110～4 470 m)井徑平均擴(kuò)大率僅為6.78%,最大井徑擴(kuò)大率為9.95%,達(dá)到預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果。

5 結(jié) 論

(1)以含油污泥為原料,通過瀝青化、軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)和乳化分散等工藝制備高油溶、速分散的可變形封堵防塌劑SD-AS,開拓了含油污泥的無害化資源化利用新途徑,具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)可變形封堵防塌劑SD-AS通過軟化變形封堵孔隙,形成致密濾餅、阻緩壓力傳遞提高泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性。同時(shí)SD-AS具有降低泥頁巖表面的親水性,阻止水分子進(jìn)入,可有效減弱泥頁巖的水化分散。

(3)以可變形封堵防塌劑SD-AS為主要處理劑,優(yōu)化構(gòu)建綜合性能良好的強(qiáng)化封堵防塌水基鉆井液體系,成功應(yīng)用于準(zhǔn)噶爾盆地山前構(gòu)造帶的復(fù)雜易塌地層鉆井施工。

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