可重復(fù)利用的水基鉆井液及其在渤海灣油田應(yīng)用

范白濤，何松，馮桓榰，周定照，邢希金，岳前升

1.中海油研究總院有限責任公司（北京 100028）

2.長江大學 化學與環(huán)境工程學院（湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著國家環(huán)保法規(guī)實施，鉆井液的排放日益受到嚴格限制，因此環(huán)保型鉆井液和鉆井液無害化處理技術(shù)（陸上又稱之為“泥漿不落地”技術(shù)）成為鉆井液技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點，其成果應(yīng)用也越來越廣泛。海洋鉆井有其特殊性，由于海上鉆井平臺空間有限，鉆井液無害化處理設(shè)備難以應(yīng)用，即便使用的是環(huán)保型水基鉆井液，由于渤海灣是我國一級內(nèi)海海域，也不允許鉆井液及鉆屑排放入海，因此只能將鉆井作業(yè)結(jié)束后廢棄鉆井液和鉆屑運送至陸地進行處理，在低油價情況下無疑會增加油田技術(shù)服務(wù)企業(yè)生產(chǎn)成本。為有效解決目前海上油田鉆井液排放技術(shù)困境，使用可重復(fù)利用的鉆井液、減少鉆井液的總體排放數(shù)量是一種行之有效的技術(shù)措施[1-3]。當然，鉆井液重復(fù)利用是有技術(shù)條件的，首先是須具有優(yōu)異的抑制性，使細小鉆屑在鉆井液中盡可能不水化、分散；其次鉆井液具有較強的抗鉆屑污染能力，即較高的固相容量限；最后需要有高效固控設(shè)備，將鉆井液體系中的無用固相及時清除[4-5]。本文主要對可重復(fù)利用鉆井液配方設(shè)計、性能評價和現(xiàn)場性能檢測以及固控設(shè)備組合進行介紹。

1 實驗部分

1.1 鉆井液配方

可重復(fù)利用鉆井液配方：海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.1%增黏劑+0.5%提黏切劑+2%降失水劑+0.4%包被劑+3%抑制劑+10%NaCl，密度1.10 g/cm3。

有機正電膠鉆井液配方：3%海水土漿+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.2%高黏聚陰離子纖維素HVPAC+0.2%低黏聚陰離子纖維素LV-PAC+1.5%提切劑VIF+2%封堵劑DYFT+2%成膜劑LPF+1.5%胺基硅醇抑制劑HAS，石灰石粉調(diào)節(jié)密度至1.10 g/cm3。

聚合醇鉆井液配方：3%海水土漿+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.3%包被劑PLUS+0.2%低黏聚陰離子纖維素LV-PAC+1%磺化酚醛樹脂SMP+2%改性淀粉降失水劑FLO+3%聚合醇JLX-C+3%KCl，石灰石粉調(diào)節(jié)密度至1.10 g/cm3。

1.2 現(xiàn)場泥巖鉆屑

取自渤海油田不同區(qū)塊5口井不同深度明化鎮(zhèn)組泥巖鉆屑：墾利KL9-1N-1 井、曹妃甸CFD6-2-3D井、秦皇島QHD33-1S-3井、旅大LD16-3S-5井、渤中BZ1-1-1井，根據(jù)不同實驗內(nèi)容選擇不同粒徑泥巖鉆屑。

1.3 性能測試

鉆井液性能測試根據(jù)GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1部分：水基鉆井液》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆井液流變性能

鉆井液的流變性能直接影響井眼凈化、井下安全和機械鉆速等[5]，有機正電膠鉆井液和聚合醇鉆井液是目前渤海灣油田鉆井作業(yè)使用最多的兩套鉆井液體系，可重復(fù)利用鉆井液與其流變性能比較見表1。從測試結(jié)果來看，在相同密度下，可重復(fù)利用鉆井液黏度和切力較小，但（靜）切力較大，更有利于攜砂。

表1 3套鉆井液體系流變性比較

2.2 泥巖鉆屑滾動回收率

優(yōu)異的抑制性是鉆井液保持性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)[6-8]，以泥巖鉆屑滾動回收率為指標評價了3 套鉆井液的抑制性能，結(jié)果如圖1所示。

圖1 泥巖鉆屑滾動回收率

5 口井泥巖鉆屑滾動回收率結(jié)果表明：泥巖鉆屑在可重復(fù)利用鉆井液中的滾動回收率為89.8%~94.8%，在聚合醇鉆井液和有機正電膠鉆井液中則分別介于43.98%~67.10%和45.00%~68.16%，在可重復(fù)利用鉆井液中泥巖鉆屑的滾動回收率明顯高于其他兩種鉆井液；同時，泥巖鉆屑在可重復(fù)利用鉆井液中熱滾后成形性較好，有一定的硬度，而在其他兩種鉆井液熱滾后鉆屑呈泥糊狀。優(yōu)異的抑制性并配合地面高效固控設(shè)備使鉆井液重復(fù)利用成為可能。

2.3 鉆井液耐老化性能

鉆井液優(yōu)良的耐老化性可以有效地延長鉆井液的使用周期[9-10]。將可重復(fù)利用鉆井液在80 ℃條件下連續(xù)熱滾老化，測定不同老化時間后鉆井液流變性能變化，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 老化時間對可重復(fù)利用鉆井液流變性的影響

當老化時間不超過80 h時，可重復(fù)利用鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力均比較穩(wěn)定；當老化時間超過80 h 后，才出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，說明該鉆井液在80 ℃溫度條件下具有較好的耐老化性能，滿足渤海灣油田絕大多數(shù)非儲層段鉆井要求。

2.4 鉆井液抗細目鉆屑粉污染能力

鉆井液中的有害固相（主要是鉆屑）侵入會對鉆井液性能有不利影響[11-12]，由于地面固控設(shè)備不可能將有害固相全部清除，隨著鉆井液持續(xù)重復(fù)利用，有害固相含量會持續(xù)增加，這樣就涉及到鉆井液的固相容量限問題，研究了過140 目篩的細目泥巖鉆屑對可重復(fù)利用鉆井液的污染情況，實驗結(jié)果如圖3~圖4所示。

由圖3 和圖4 結(jié)果表明，隨細目泥巖鉆屑粉累計加量增加，鉆井液表觀黏度和動切力緩慢增大，當細目鉆屑粉累計加量達到20%時，鉆井液的流變性能仍處于可接受的范圍之內(nèi)，說明可重復(fù)利用鉆井液具有很強的容納固相侵污的能力。可重復(fù)利用鉆井液之所以有高的固相容量限，原因有3方面：首先是性能優(yōu)異絮凝劑的包被作用，使泥巖鉆屑呈不分散狀態(tài)或是弱分散狀態(tài)；其次是胺基抑制劑的強抑制作用；再次是高濃度無機鹽對泥巖鉆屑雙電層的壓縮作用。這三方面的作用結(jié)果最大程度地抑制了泥巖鉆屑的水化作用。使之呈不分散狀態(tài)，經(jīng)地面高效固控設(shè)備有效清除。

圖3 細目泥巖鉆屑粉累計加量對鉆井液表觀黏度影響

圖4 細目泥巖鉆屑粉累計加量對鉆井液動切力影響

2.5 亞微米顆粒對鉆井液性能的影響

鉆井液中亞微米（＜1 μm）級顆粒對鉆速的不利影響遠大于微米級顆粒，將膨潤土預(yù)先水化好，研究了水化后膨潤土加量對可重復(fù)利用鉆井液性能的影響以及對鉆井液固相顆粒粒徑分布影響，結(jié)果見表2和圖5。

由表2 知隨著水化膨潤土加量增加，可重復(fù)利用鉆井液的流變性能各參數(shù)結(jié)果逐漸增大，尤其是在超過2%以后，而濾失量變化不大。

表2 水化膨潤土加量對鉆井液的影響

可重復(fù)利用鉆井液中顆粒粒徑的中值d50值隨水化膨潤土加量的增加而降低（圖5），但明顯高于在蒸餾水的，說明鉆井液可以有效地絮凝亞微米顆粒，以消除亞微米顆粒對鉆井液造成的不利影響，有利于鉆井過程中地面固控效率的提高。

圖5 不同膨潤土含量粒徑中值

2.6 現(xiàn)場應(yīng)用

2.6.1 選用的固控設(shè)備

與一般海上油田鉆井配備固控設(shè)備不同，可重復(fù)利用鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用時配置4臺振動篩和4臺高速離心機，振動篩使用120~140目篩布，這樣配置的固控設(shè)備可以將鉆屑等有害固相及時清除，保持鉆井液性能持續(xù)穩(wěn)定，也是鉆井液可重復(fù)利用的前提條件。

2.6.2 應(yīng)用性能監(jiān)測

可重復(fù)利用鉆井液在渤海油田QHD33-1S-A8井進行了應(yīng)用，并對鉆井液現(xiàn)場性能進行實時檢測與分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 不同井深處鉆井液的固相含量及漏斗黏度

圖7 不同井深時鉆井液密度

由圖6 和圖7 鉆井液性能監(jiān)測結(jié)果表明，該井鉆井液流變參數(shù)、固相含量、密度等隨井深變化性能十分穩(wěn)定，鉆屑成形好，在地面高效固控設(shè)備配合下，具有強的抑制性鉆井液可重復(fù)利用成為可能。

3 結(jié)論

1）優(yōu)異的抑制性、良好的抗污染能力以及高的固相容量限是海上油田鉆井液可重復(fù)利用的前提條件。

2）高效固控設(shè)備及時將有害固相清除并保持鉆井液性能穩(wěn)定也是鉆井液可重復(fù)利用的關(guān)鍵條件，可重復(fù)利用鉆井液在渤海灣應(yīng)用前景廣闊。