海南區(qū)塊大位移井環(huán)保型鉆井液研制

角遠(yuǎn)江

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧盤錦124010

海南區(qū)塊大位移井環(huán)保型鉆井液研制

角遠(yuǎn)江

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧盤錦124010

針對遼河油田海南區(qū)塊大斜度、大位移井井身結(jié)構(gòu)特點和鉆遇地層易塌、易卡的復(fù)雜地質(zhì)情況以及嚴(yán)格的環(huán)保要求，從分析該區(qū)塊鉆井施工對鉆井液性能的要求入手，在室內(nèi)實驗基礎(chǔ)上，研制了大位移井環(huán)保型鉆井液配方，同時配套優(yōu)化了施工工藝和環(huán)保措施。多口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明，該無毒鉆井液能夠滿足大位移井安全快速鉆井的需要和環(huán)境保護(hù)要求。

大位移井;鉆井液;配方;環(huán)保

0 前言

遼河油田海南區(qū)塊地處雙臺河口與渤海灣交匯處的淺海中，地屬包括著名的盤錦紅海灘景區(qū)在內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求極高。該區(qū)塊通過填海建造人工平臺進(jìn)行鉆井作業(yè)，所鉆井一般在井深300～400 m造斜，井斜45°～70°，水垂比大都在1以上，是典型的大斜度、大位移井。為滿足海南區(qū)塊大位移井施工工藝和鉆遇地層特點以及嚴(yán)格的環(huán)保要求［1］，在大量室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，大膽嘗試使用對自然生態(tài)環(huán)境無污染的三低一高一適當(dāng)(低般含、低黏度、低切力、高剪切稀釋特性和適當(dāng)高的動塑比)性能的無毒鉆井液體系［2］，提出了大斜度井新的潤滑方式，以新型防卡降阻劑和MRH固體顆粒潤滑劑提高潤滑性的綜合防卡思路，有效地解決了該類井的摩阻、懸浮和攜帶巖屑、井眼穩(wěn)定、防止油層污染等鉆井工藝技術(shù)問題［3］。經(jīng)過國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心進(jìn)行的糠蝦實驗，證明該鉆井液滿足海洋環(huán)保要求。

1 鉆井液篩選

1.1 鉆井液性能要求

海南區(qū)塊地層巖性以粉砂巖、泥巖為主，巖屑顆粒細(xì)，易形成巖屑床，同時東營組造漿較嚴(yán)重、沙河街組易坍塌和漏失，起鉆時易發(fā)生抽吸。對鉆井液性能要求見表1。

表1 鉆井液性能要求

同時鉆井液還必須達(dá)到以下要求:

1)對海洋生物無毒害作用，能滿足海洋環(huán)保要求。

2)良好的流變特性，能滿足攜帶和懸浮巖屑的要求［4］。

3)良好的抑制性和濾餅質(zhì)量，能防止井眼坍塌。

4)良好的潤滑性，能滿足降摩阻、防卡的需要［5］。

1.2 鉆井液研制

1.2.1 目前常用鉆井液體系特點

1)聚合物不分散、聚合酸分散鉆井液體系:固相含量低，流動性好，抑制能力強(qiáng)。一般適用于地層相對穩(wěn)定的上部地層。

2)FCLS分散體系:用于中下部井眼段，要求堿度環(huán)境較高，鉆井液中黏土顆粒容易分散過細(xì)，易老化［6］。

3)氯化鉀體系:體系流動性好，抑制、防塌能力強(qiáng)，高溫后性能穩(wěn)定，抗溫可達(dá)150℃，抗污染能力強(qiáng)，適合中深井、中深水平井，但是勞動強(qiáng)度較大。

4)有機(jī)硅分散體系、有機(jī)硅氟體系:體系流動性好，抑制、防塌能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定。一般在中深、深井段使用，pH值控制在8.5～10.5范圍，但長時間使用容易造成固相累積增加，稠化現(xiàn)象明顯。

5)水包油體系:適用潛山或穩(wěn)定的低壓地層，密度設(shè)計0.95～0.99 g/cm3的情況下使用該體系。

6)鹵水氯化鈣隨鉆封堵鉆井液體系:抗溫性能好，抗污染能力強(qiáng)。主要應(yīng)用于下技術(shù)套管的油氣層鉆井、修井施工。

7)MMH鉆井液體系:用于館陶組地層，也可作為完井液保護(hù)油氣層。

8)無機(jī)鹽凝膠體系:適用于含有松散泥巖及砂礫巖組成的上部地層，防漏、防井徑擴(kuò)大或者在潛山低固相段使用，不宜在造漿泥巖地層和高密度井上使用。

針對海南區(qū)塊大位移井上部流砂層，要求鉆井液具有良好的懸浮、攜帶能力，良好的造壁性，中下部東營、沙河街組存在強(qiáng)造漿、多裂縫等復(fù)雜情況［7］，鉆井液體系設(shè)計思路是“強(qiáng)抑制、嚴(yán)封堵、良好的潤滑性，注重流變性、造壁性與抑制性間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一”［8］。通過對比篩選，無毒鉆井液體系具有性能穩(wěn)定以及抑制性、抗溫性好等優(yōu)點［9］，同時經(jīng)過國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心檢測，證明對海洋生物無毒害作用，滿足海洋保護(hù)的要求，是海南區(qū)塊大斜度、大位移井施工的第一選擇［10］。

1.2.2 鉆井液配方初步確定

1.2.2.1 基漿準(zhǔn)備

將0.5%純堿和8%的般土充分?jǐn)嚢?h后，在室溫下靜置老化24h待用。

1.2.2.2 處理劑優(yōu)選

以無毒稀釋劑為降黏劑，NaOH為pH值調(diào)節(jié)劑，KPHP為抑制劑，XC為流型調(diào)節(jié)劑，KH－931、SMP等為降失水劑，RT－001(Ⅱ)、防卡降阻劑、MRH等為潤滑劑。

1.2.2.3 鉆井液配方確定

在對各種處理劑復(fù)配實驗的基礎(chǔ)上，形成了以下無毒聚合物鉆井液配方:基漿+1%無毒降黏劑+0.5% NaOH+2%KH－931+2%SMP+0.3%K－PHP+2%MRH+ 2%防卡降阻劑+2%RT－001(Ⅱ)，性能見表2。

表2 鉆井液性能要求表

2 室內(nèi)性能實驗

為進(jìn)一步確定研制的鉆井液性能，在室內(nèi)開展了抗溫、抗污染、降黏能力及毒性測試等室內(nèi)實驗，并根據(jù)性能要求對配方進(jìn)行了部分調(diào)整。

2.1 抗溫實驗

將鉆井液在120℃下滾動16 h后測性能，結(jié)果見表3。

表3 抗高溫性能實驗結(jié)果表

由表3可知，該體系在120℃時性能穩(wěn)定，抗高溫能力好。

2.2 鉆屑污染實驗

在鉆井液中加入5%和10%的鉆屑進(jìn)行抗污染實驗，結(jié)果見表4。

由表4可知，研制的鉆井液可抗10%以下的鉆屑污染。

2.3 降黏能力實驗

2.3.1 降黏實驗

表4 抗鉆屑污染實驗結(jié)果表

圖1 不同加量下的降黏度效果

可見，無毒鉆井液降黏劑在加量0.65%時的降黏度效果與FCLS接近。

2.3.2 降動切實驗

無毒鉆井液降黏劑與同類產(chǎn)品FCLS在淡水中不同加量下降動切效果見圖2。

圖2 不同加量下降動切效果

可見，當(dāng)加量小于0.65%時，無毒降黏劑降低鉆井液動切的能力優(yōu)于FCLS;當(dāng)加量大于0.65%時，無毒降黏劑降低鉆井液動切的能力與FCLS基本相同。

2.3.3 降終切實驗

無毒降黏劑與同類產(chǎn)品FCLS在淡水中不同加量下降終切效果見圖3。

可見，常溫時無毒降黏劑降低鉆井液終切能力優(yōu)于FCLS。

圍繞三聚氰胺奶粉事件這一案例，設(shè)計了多層級漸進(jìn)性的探究性課題供學(xué)生小組探究（如圖1所示）。多層級漸進(jìn)性探究型教學(xué)模式具有5個特征，分別是“知識由淺入深”“能力培養(yǎng)由低到高”“主動性由弱到強(qiáng)”“探究點的力度逐漸變大”“探究點的難度逐漸增加”，這5個特征以一種循序漸進(jìn)的方式把學(xué)生引入到探究式學(xué)習(xí)中[5]。

圖3 不同加量下降終切效果

2.4 抑制性實驗

2.4.1 膨脹性對比實驗

在NP－01頁巖膨脹儀上分別測試FCLS分散鉆井液、無毒鉆井液和有機(jī)硅鉆井液膨脹曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 體系抑制性對比圖

可見，無毒鉆井液抑制性好于FCLS分散鉆井液和有機(jī)硅鉆井液。

2.4.2 抑制膨潤土水分散能力對比

在鉆井液中分別加入2%、4%、5%、6%的般土，作AV－般土加量抑制性實驗，結(jié)果見圖5。

可見，無毒鉆井液對般土的抑制能力較強(qiáng)。

2.4.3 巖屑回收率實驗

取40 g 8～10目沙四段頁巖巖屑，分別加于清水、FCLS聚合物分散鉆井液、有機(jī)硅鉆井液和無毒鉆井液中，在120℃下滾動16 h，然后用40目篩回收巖屑，測得回收率，見圖6。

圖5 體系A(chǔ)V與般土加量圖

圖6 巖屑回收率實驗對比圖

可見，3種鉆井液中，無毒鉆井液對頁巖的抑制性最強(qiáng)。

2.5 毒性測試

無毒鉆井液樣品經(jīng)國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心依據(jù)《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性檢驗方法》進(jìn)行的鹵蟲幼體毒性實驗，證明屬于“無毒”產(chǎn)品［9］，能夠滿足海南區(qū)塊的環(huán)保要求［11］。

室內(nèi)實驗結(jié)果表明，研制的無毒鉆井液與地層配伍性好，具有較強(qiáng)的抑制性和抗高溫性，攜帶懸浮巖屑能力強(qiáng)，環(huán)保無污染，能滿足海南區(qū)塊大斜度、大位移井鉆井施工要求［12］。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

本次共開展了5口井現(xiàn)場應(yīng)用，均取得較好效果。

3.1 地質(zhì)、工程情況

海南區(qū)塊位于遼寧省大洼縣趙圈河葦場接官廳西南9km海灘地區(qū)。表5為海南區(qū)塊地層及巖性概況。

本次施工的5口大位移井，井身結(jié)構(gòu)為:Φ 444.5 mm× 307 m/Φ 339.7 mm×305 m+Φ 311.1 mm×2 000 m/ Φ 244.5 mm×1 997 m+Φ 215.9 mm×4 000 m/Φ 177.8 mm×3 995 m。

本輪井為確保井身軌跡二開至完鉆全程使用無線隨鉆跟蹤技術(shù)，其中二開至1 200～1 300 m為定向及主要防碰段，井斜由0°增至60°左右，之后全部為穩(wěn)斜段，井斜控制在60°左右。

表5 海南區(qū)塊地層及巖性概況

3.2 現(xiàn)場使用鉆井液配方

分井段鉆井液配方如下:

1)一開(平原組、明化鎮(zhèn)組，0～300 m)由于表層直井段井眼大，使用能較好滿足要求的普通水基般土鉆井液體系，基本配方為:10%～12%般土+0.5%純堿+ 0.1%～0.2%HV-CMC。

2)二開(館陶組、東營組，斜深300～2 000 m)綜合考慮采用無毒聚合物鉆井液體系，基本配方為:3%～4%般土基漿+0.5%無毒稀釋劑+0.3%～0.4%K-PHP+ 0.4%～0.6%NPAN+1%～1.5%SPNH+1%～1.5%KH－931+0.2%～0.3%CMC+0.2%～0.3%XC+2%～3%RT－001(Ⅱ)+2%～3%MRH+1%～2%防卡降阻劑。

3)三開(東營組、沙河街組，斜深2000－完井)考慮到抑制性、潤滑性、攜帶懸浮巖屑能力及保護(hù)油氣層等因素，采用無毒鉆井液體系?；九浞綖?基漿+0.3%～0.4 %K-PHP+1%～1.5%無毒稀釋劑+0.8%～1.2%NaOH+1 %～2%SMP(Ⅱ)+1%～2%SPNH+1%～2%KH－931+3%～4% MRH+3%～6%RT－001(Ⅱ)+2%～3%防卡降阻劑。

3.3 技術(shù)措施

針對施工中大斜度井段的巖屑懸浮、攜帶問題，長裸眼的降摩阻、潤滑防卡問題，固相控制問題，采用相應(yīng)技術(shù)措施確保施工順利進(jìn)行［13］。

3.3.1 大斜度井段巖屑懸浮、攜帶措施

在井斜角40°～65°攜巖最困難的斜井段采用三低一高一適當(dāng)(低般含、低黏度、低切力、高剪切稀釋特性和適當(dāng)高的動塑比)的鉆井液，其性能滿足了提高泵壓、增大排量、提高環(huán)空返速、實現(xiàn)紊流攜巖、保證井眼清潔的目的［14］。同時，在長起鉆前用XC、PAC等高分子聚合物打封閉，保證了鉆井液具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)挠|變性，滿足懸浮巖屑的要求，下鉆、開泵順利［15］。

3.3.2 降摩阻、扭矩、潤滑防卡技術(shù)措施

為防止磨壞技術(shù)套管，在鉆井液中加入RT－001 (Ⅱ)、油性石墨及新型潤滑劑—防卡降阻劑和MRH固體顆粒潤滑劑，提高鉆井液的潤滑性能［7］，并利用泥餅黏附系數(shù)測定儀全井跟蹤監(jiān)測鉆井液泥餅?zāi)ψ瑁ＷC潤滑性能穩(wěn)定。

3.3.3 固相控制措施

現(xiàn)場配備兩臺60 m3離心機(jī)，從井深1 000 m后開始使用，至完井離心機(jī)的使用率100%。按配方加足大分子包被劑，控制泥巖的分散，使泥巖在運移過程中維持原有的形狀或者連成一片，以便有害固相被及時清除［16］。

3.4 環(huán)保措施

鉆井作業(yè)實施全過程中使用無熒光、無毒害的RT－001(Ⅱ)、MRH、KH－931等鉆井液處理劑，同時盡可能減少鉆井液排放量［17］。嚴(yán)格遵守環(huán)保要求，并進(jìn)行廢棄鉆井液的回收利用和按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行無害化處理［18］。

1)各種處理劑到現(xiàn)場后及時入庫、分類擺放，“下墊上蓋”;危險化學(xué)處理劑由專人負(fù)責(zé)，單獨擺放并擺放警示牌。

2)散落、破損處理劑及時進(jìn)行處理;原輔材料、固體廢棄物及時回收;廢包裝袋扎捆成堆、及時清運走，杜絕環(huán)境污染［19］。

3)加大鉆井液抑制劑用量，減少排污量。

4)配備專門的鉆井液用污水、廢水池，完井后統(tǒng)一拉走處理［20］。

4 應(yīng)用效果

5口完成井情況見表6，鉆井液性能見表7。

表6 海南5口大位移井實際井眼數(shù)據(jù)

表7 海南大位移井分段鉆井液性能

現(xiàn)場應(yīng)用表明研制的鉆井液有如下優(yōu)點:

1)施工安全、優(yōu)質(zhì)，事故率、復(fù)雜率為零。5口井平均鉆井周期26.4 d，平均機(jī)械鉆速12.84 m/h，其中海南33－9井完鉆井深4 127 m，井底最大位移達(dá)2 991.32 m，最大井斜角68.36°，水垂比達(dá)到1.28∶1，平均機(jī)械鉆速達(dá)到13.91 m/h，創(chuàng)造了遼河油田位移最大、大位移井斜角最大、海南區(qū)塊大斜度最深、水垂比最大、4 000 m深井機(jī)械鉆速最快、4 000 m井鉆井周期最短6項施工新紀(jì)錄。

2)井眼清潔效果好。使用三低一高一適當(dāng)性能的鉆井液，配合工程使用大排量紊流攜巖與XC段塞清掃的清潔方式，鉆進(jìn)施工正常。

3)新型潤滑劑的復(fù)配使用，潤滑防卡效果好。全井沒有出現(xiàn)鉆具“托壓”現(xiàn)象，扭矩、附加拉力明顯小于前期完成的大斜度、大位移井。

4)縮短了鉆井周期。鉆井液本身的低密度、低固相以及紊流的流型都有利于提高機(jī)械鉆速;良好的井眼清潔環(huán)境及潤滑效果減少了大斜度、大位移井定向時鉆具托壓及起下鉆阻卡的問題，縮短了鉆井周期。

5 結(jié)論

1)根據(jù)海南區(qū)塊大斜度、大位移井的特點，研制的無毒鉆井液性能易于調(diào)整、抗溫性好、抗污染能力強(qiáng)、對海洋無污染，完全滿足海洋鉆井的環(huán)保要求。

2)采用液體RT－001(Ⅱ)、防卡降阻劑和MRH固體顆粒潤滑劑的新的固液復(fù)配潤滑方法滿足了海南地區(qū)淺海大斜度、大位移井潤滑降摩阻、防卡的需要。大幅度降低了鉆井扭矩和摩阻，滿足了安全鉆井、測井及下套管等作業(yè)施工。

3)三低一高一適當(dāng)性能的鉆井液，能有效解決大斜度井段巖屑懸浮和攜帶問題，確保安全平穩(wěn)鉆進(jìn)。

4)新型鉆井液的應(yīng)用，縮短了大斜度、大位移井鉆井施工周期，有利于鉆井提速。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.015

2016－08－24

角遠(yuǎn)江(1978－)，男，遼寧盤錦人，工程師，本科，主要從事鉆井液相關(guān)技術(shù)研究、廢棄物處理等研究方向。