可重復利用的水基鉆井液及其在渤海灣油田應用

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 化學與環境工程學院（湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著國家環保法規實施，鉆井液的排放日益受到嚴格限制，因此環保型鉆井液和鉆井液無害化處理技術（陸上又稱之為“泥漿不落地”技術）成為鉆井液技術領域研究的熱點，其成果應用也越來越廣泛。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備難以應用，即便使用的是環保型水基鉆井液，由于渤海灣是我國一級內海海域，也不允許鉆井液及鉆屑排放入海，因此只能將鉆井作業結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服務企業生產成本。為有效解決目前海上油田鉆井液排放技術困境，使用可重復利用的鉆井液、減少鉆井液的總體排放數量是一種行之有效的技術措施[1-3]。當然，鉆井液重復利用是有技術條件的，首先是須具有優異的抑制性，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]。本文主要對可重復利用鉆井液配方設計、性能評價和現場性能檢測以及固控設備組合進行介紹。

1 實驗部分

1.1 鉆井液配方

可重復利用鉆井液配方：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，石灰石粉調節密度至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，石灰石粉調節密度至1.10 g/cm3。

1.2 現場泥巖鉆屑

取自渤海油田不同區塊5口井不同深度明化鎮組泥巖鉆屑：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，根據不同實驗內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GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》進行。

2 結果與討論

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使用最多的兩套鉆井液體系，可重復利用鉆井液與其流變性能比較見表1。從測試結果來看，在相同密度下，可重復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

優異的抑制性是鉆井液保持性能穩定的基礎[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果表明：泥巖鉆屑在可重復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。優異的抑制性并配合地面高效固控設備使鉆井液重復利用成為可能。

2.3 鉆井液耐老化性能

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

圖2 老化時間對可重復利用鉆井液流變性的影響

當老化時間不超過80 h時，可重復利用鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力均比較穩定；當老化時間超過80 h 后，才出現緩慢下降的趨勢，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]，由于地面固控設備不可能將有害固相全部清除，隨著鉆井液持續重復利用，有害固相含量會持續增加，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利用鉆井液的污染情況，實驗結果如圖3~圖4所示。

由圖3 和圖4 結果表明，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，說明可重復利用鉆井液具有很強的容納固相侵污的能力。可重復利用鉆井液之所以有高的固相容量限，原因有3方面：首先是性能優異絮凝劑的包被作用，使泥巖鉆屑呈不分散狀態或是弱分散狀態；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，經地面高效固控設備有效清除。

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，將膨潤土預先水化好，研究了水化后膨潤土加量對可重復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，可重復利用鉆井液的流變性能各參數結果逐漸增大，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 現場應用

2.6.1 選用的固控設備

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

2.6.2 應用性能監測

可重復利用鉆井液在渤海油田QHD33-1S-A8井進行了應用，并對鉆井液現場性能進行實時檢測與分析，結果如圖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 鉆井液性能監測結果表明，該井鉆井液流變參數、固相含量、密度等隨井深變化性能十分穩定，鉆屑成形好，在地面高效固控設備配合下，具有強的抑制性鉆井液可重復利用成為可能。

3 結論

1）優異的抑制性、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利用的前提條件。

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