渤海油田水基鉆井液體系優化研究

雷志永，陳 強，張 鵬，劉曉東，何 斌

(中海油田服務股份有限公司 天津300459)

0 引 言

隨著渤海油田的開發，環保局勢越來越嚴峻，環保型鉆井液勢在必行，環保型鉆井液可從水基鉆井液、合成基鉆井液著手。目前渤海灣鉆井液受作業和局勢所限，一直以水基鉆井液為主，實現水基鉆井液體系從使用、回收、再處理到再利用是當前面臨的主要問題。要實現鉆井液的回收再利用，就需要對鉆井液進行固液分離，濾液也要在渤海所有區域通用，如果濾液不能通用，那么濾液的儲存、運輸將需要增加更多成本[1]。

1 渤海油田水基鉆井液體系技術現狀

針對渤海區塊特點，在原有水基體系的基礎上，對體系進行優化研究。以可生物降解的環保型聚合物為主劑，氯化鈉、氯化鉀和甲酸鉀為抑制劑，實現渤海灣水基鉆井液體系的簡化和通用；根據地層特點，隨著地層加深，為了使鉆井液滿足現場鉆井需要，只需在基礎配方的基礎上提高鹽的添加量來提高抑制性和抗溫性，并根據地層特點采取針對性措施，以滿足現場作業需求。渤海油田鉆井液體系基本實現了添加 NaCl＋KCl/PF-COK 抑制劑的一套水基鉆井液體系，而且適用于目前渤海各個區塊作業。

針對渤海這一套水基體系支撐，依據 NaCl三大優勢(優良抑制性、液相黏度高、靜態穩定性好)及其抑制機理，從理論上驗證以 NaCl為主的水基鉆井液體系完全能夠滿足渤海油田大部分油井開發。

1.1 NaCl抑制性評價

如表1所示，對比幾種抑制劑對于蒸餾水加入20%膨潤土的抑制性，可以看出，+12%NaCl基本達到了抑制造漿的效果。繼續通過防膨實驗對比，+12%NaCl防膨率達90%，說明添加 NaCl對水敏性地層具有一定的防膨抑制作用。

表1 幾種抑制劑的造漿抑制率實驗Tab.1 Inhibition rate of several inhibitors on pulping

1.2 NaCl可提高液相黏度

NaCl抑制頁巖分散機理不同于 KCl，NaCl主要是通過阻止鉆井液水相進入地層泥頁巖而起到抑制泥巖分散的作用，活度越低鉆井液的抑制性越強。鉆井液中引入 12%NaCl有效提高了鉆井液的液相黏度，同時降低了侵入泥頁巖的濾液量，達到了穩定井壁的作用。

1.3 NaCl提高靜態穩定性

鉆井液變質一般是由于(地層、地面、空氣)的細菌侵入鉆井液，對鉆井液所含部分材料如淀粉、纖維素、樹膠或類似物質引起細菌污染，使鉆井液發生惡臭，pH值降低，從而嚴重影響鉆井液靜態穩定性。氯化鈉可通過改變水的滲透壓對付鉆井液中的細菌(微生物)，高濃度鹽水會提高鉆井液水相與細菌(微生物)滲透壓，讓細菌脫水導致失水死亡，從而提高鉆井液體系的靜態穩定性。

1.4 NaCl機理驗證

羅平亞院士所帶領的團隊從NaCl微觀機理上進行了研究[2]。干蒙脫土的 d001為 1.011nm，與水充分混和后水濕鈉蒙脫土的 d001增加到 1.905nm，增幅0.89nm約為3～4個水分子層厚；與柴油充分混和后的油濕鈉蒙脫土的d001增加到1.285nm，約為一個柴油分子厚。

NaCl抑制機理:蒙脫石層間距1.011nm，完全水化后增加到 1.905nm，可進入 3～4個水分子，而加入10%NaCl后，只能進入約2個水分子。隨著NaCl濃度增加，鈉蒙脫土的 d001不斷減小(小于表面完全水化的水濕鈉蒙脫土)，說明其有抑制性，且隨其濃度增加而增大。

由 NaCl的抑制機理可以驗證，鉆井液體系中引入 NaCl將使鉆井液性能得到很好的改觀，同時可以為實現渤海一套水基鉆井液提供很好的技術支撐。目前引入 NaCl的鉆井液體系，廣泛應用于渤海油田各大區塊，解決了蓬勃區塊異常壓力同層問題，解決了錦州 25-1區塊起下鉆困難及井壁穩定問題，解決了旅大 10-1、綏中 36-1區塊儲層壓力虧空及起下鉆困難。為使探井生態紅區零排放盡快打開局面，也為解決渤中、墾利油田群的減排及起下鉆等重大技術難題提供了一套經過優化的水基鉆井液體系。

2 水基鉆井液固液分離技術研究

通過調研和研究，固液分離技術也實現突破，通過壓濾裝置，壓濾形成 80m3濾液可以繼續配制鉆井液回收再利用，不到 20m3濾餅在陸地進行再處理，每 100m3密度為 1.30g/cm3廢棄鉆井液可以減排80%，實現鉆井液體系從室內研發到現場應用、回收、固液分離、濾液再使用、濾餅廢棄處理的全生命周期管理，在實現減排的同時達到降本效果，為后期解決渤海油田鉆井液零排放問題提供借鑒。

2.1 水基鉆井液固液分離技術室內研究

通過調研和實地應用，選取合適的壓濾機(模擬實驗裝備)，然后將現場取回的鉆井液用壓濾裝置不加藥劑直接壓濾實驗，但過濾不動，實驗失敗。因直接壓濾不可行，繼續進行附加實驗，探索無藥化處理方法，分別采用陶瓷負壓吸附、超聲破乳分層、臭氧破乳分層、加電極破乳等方法進行驗證并得出結論:物理方法處理水基泥漿，不能實現廢棄泥漿的固液相分離[3-4]。

嘗試進行化學方式處理，先采用環保處理劑 PFClea對鉆井液進行預處理，使鉆井液化學絮凝分層，然后采用壓濾裝置進行壓濾。鉆井液通過環保處理劑化學預處理后，可通過壓濾機實現完全分離，壓制成濾餅和濾液。經測定，濾餅含水率僅有 32%，遠遠低于其他陸地油田濾餅含水率經驗值60%。

2.2 壓濾濾液室內實驗論證

通過對濾液樣品進行離子測定，壓濾液中含氯根和鉀離子含量分別為84000mg/L和25000mg/L，依據濾液離子含量和現場體系需求，模擬現場鉆井液配方對濾液分別從無土相和土相兩種體系進行室內評價實驗，檢驗濾液對新漿的性能影響。實驗結果表明，濾液在無土相體系中與海水對比性能無差異，在土相體系中亦無差異，離子含量與海水對比無明顯差異，故用濾液對鉆井液基礎性能無影響。

2.3 水基鉆井液固液分離設備中試

基于室內小型實驗的數據支持，對現場所用鉆井液體系用國內最先進的隔膜壓榨設備——“成套破膠絮凝壓濾設備”進行壓濾工藝中試。

首先對現場返回的兩種鉆井液取小樣，在室內進行絮凝實驗，確定環保處理劑藥劑和加量，見證絮凝時間和效果；然后根據室內實驗結果，在破膠絮凝撬上，用 2m3淡水和專用環保處理劑配制環保處理液；繼而在破膠絮凝撬上，對海上返回的 60m3鉆井液進行絮凝作業；最后在壓濾機撬上，進行壓濾和隔膜壓榨作業。

將壓濾機壓濾出的濾液和壓制的濾餅完全分離，通過測定，濾餅含水量為 45%，遠遠低于 60%。由于試驗期間天氣極寒，設備布局和操作環境不夠完善，設備工作效率只實現了80%，預計單機處理量20～25m3/h。通過評價濾液在無土相和土相體系的對比，濾液在無土相體系中與海水對比性能無差異，在土相體系中亦無差異，離子含量與海水對比無明顯差異，故濾液再利用對鉆井液無影響。

3 壓濾濾液現場應用

根據室內實驗評價，用壓濾機處理過的鉆井液所回收濾液對現用水基鉆井液體系性能基本無影響，故在渤海油田 PL19-3-X井進行二次配漿作業，實現廢鉆井液濾液(后簡稱壓濾旅游)配制鉆井液滿足優快環保經濟鉆井要求。

PL19-3-X井為大斜度定向井，設計井深2712m，垂深 1495.81m。本井 12-1/4"井段鉆遇層位明化鎮組，巖性主要以泥巖為主。本井 8-1/2"井段試用回收的廢泥漿所擠壓出的濾液替代傳統海水配制的PEM鉆井液進行現場作業。

通過性能數據分析對比，用壓濾濾液配制的鉆井液性能與用海水配制的鉆井液性能基本相同，用壓濾濾液所配鉆井液可用于現場作業。

鉆進期間，整個鉆井液性能可控，切力、3/6轉數據基本正常，返砂良好，失水始終控制在4mL左右；pH值在鉆進期間下降較以往鉆井液鉆進期間較快，期間通過補充燒堿維持井漿pH值。倒劃眼期間鉆井液性能良好，變化不大，倒劃期間偶有憋泵顯示，局部倒劃眼稍困難，屬于該區塊作業中正常現象。該井在鉆進和倒劃眼過程中，鉆井液性能穩定，井眼狀況穩定，最終確保尾管順利到位。從現場的作業體系性能來看，使用壓濾濾液配制的鉆井液對體系流變性能沒有影響，使用效果與海水配漿基本一致，鉆進期間性能穩定，工程作業順利。

通過室內優化實驗和現場試用，根據現階段地層差異和體系適應性，壓濾液回用遵循如下原則:

①壓濾機出來的濾液，需考慮進行簡單水處理；②壓濾液做到平行使用，根據濾液成分選定合適回用井及井段；③含有膨潤土體系，建議使用配漿后混入50%的壓濾液；④鉆進期間的泥漿性能維護，應根據需求調整壓濾液回用配比；⑤無土相體系，可直接使用壓濾液進行配漿，根據性能要求調整壓濾液配比，維護膠液性能穩定。

4 結 論

①目前渤海油田已經實現以氯化鈉、氯化鉀和甲酸鉀為主抑制劑的一套水基鉆井液體系，并在各個區塊應用良好；②鉆井液回收處理實現了“破膠-絮凝-壓濾”的工藝目標，濾餅含水率僅 45%，遠遠低于陸地油田濾餅含水率經驗值 60%，每 100m3密度為1.30g/cm3廢棄鉆井液，壓濾形成80m3濾液可以繼續配制鉆井液回收再利用，20m3濾餅再處理，實現減排 80%；③使用壓濾濾液配制的鉆井液在 PL19-3-X井應用中，體系流變性能穩定，使用效果與海水配漿基本一致，鉆進期間性能穩定，工程作業順利，但其回用工藝和效果有待現場應用的進一步檢驗；④配套水基鉆井液技術和固液分離技術使鉆井液體系達到減量化處理和可回收再利用效果，降低海上廢棄鉆井液的運輸成本和處理成本，為渤海油田水基鉆井液體系從應用、回收到再利用和固廢處理一體化提供借鑒。