渤海油田水基鉆井液體系優(yōu)化研究

雷志永，陳 強(qiáng)，張 鵬，劉曉東，何 斌

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津300459)

0 引 言

隨著渤海油田的開(kāi)發(fā)，環(huán)保局勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，環(huán)保型鉆井液勢(shì)在必行，環(huán)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(yè)和局勢(shì)所限，一直以水基鉆井液為主，實(shí)現(xiàn)水基鉆井液體系從使用、回收、再處理到再利用是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)鉆井液的回收再利用，就需要對(duì)鉆井液進(jìn)行固液分離，濾液也要在渤海所有區(qū)域通用，如果濾液不能通用，那么濾液的儲(chǔ)存、運(yùn)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(shù)現(xiàn)狀

針對(duì)渤海區(qū)塊特點(diǎn)，在原有水基體系的基礎(chǔ)上，對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化研究。以可生物降解的環(huán)保型聚合物為主劑，氯化鈉、氯化鉀和甲酸鉀為抑制劑，實(shí)現(xiàn)渤海灣水基鉆井液體系的簡(jiǎn)化和通用；根據(jù)地層特點(diǎn)，隨著地層加深，為了使鉆井液滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井需要，只需在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上提高鹽的添加量來(lái)提高抑制性和抗溫性，并根據(jù)地層特點(diǎn)采取針對(duì)性措施，以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。渤海油田鉆井液體系基本實(shí)現(xiàn)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(gè)區(qū)塊作業(yè)。

針對(duì)渤海這一套水基體系支撐，依據(jù) NaCl三大優(yōu)勢(shì)(優(yōu)良抑制性、液相黏度高、靜態(tài)穩(wěn)定性好)及其抑制機(jī)理，從理論上驗(yàn)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(kāi)發(fā)。

1.1 NaCl抑制性評(píng)價(jià)

如表1所示，對(duì)比幾種抑制劑對(duì)于蒸餾水加入20%膨潤(rùn)土的抑制性，可以看出，+12%NaCl基本達(dá)到了抑制造漿的效果。繼續(xù)通過(guò)防膨?qū)嶒?yàn)對(duì)比，+12%NaCl防膨率達(dá)90%，說(shuō)明添加 NaCl對(duì)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(shí)驗(yàn)Tab.1 Inhibition rate of several inhibitors on pulping

1.2 NaCl可提高液相黏度

NaCl抑制頁(yè)巖分散機(jī)理不同于 KCl，NaCl主要是通過(guò)阻止鉆井液水相進(jìn)入地層泥頁(yè)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(qiáng)。鉆井液中引入 12%NaCl有效提高了鉆井液的液相黏度，同時(shí)降低了侵入泥頁(yè)巖的濾液量，達(dá)到了穩(wěn)定井壁的作用。

1.3 NaCl提高靜態(tài)穩(wěn)定性

鉆井液變質(zhì)一般是由于(地層、地面、空氣)的細(xì)菌侵入鉆井液，對(duì)鉆井液所含部分材料如淀粉、纖維素、樹(shù)膠或類(lèi)似物質(zhì)引起細(xì)菌污染，使鉆井液發(fā)生惡臭，pH值降低，從而嚴(yán)重影響鉆井液靜態(tài)穩(wěn)定性。氯化鈉可通過(guò)改變水的滲透壓對(duì)付鉆井液中的細(xì)菌(微生物)，高濃度鹽水會(huì)提高鉆井液水相與細(xì)菌(微生物)滲透壓，讓細(xì)菌脫水導(dǎo)致失水死亡，從而提高鉆井液體系的靜態(tài)穩(wěn)定性。

1.4 NaCl機(jī)理驗(yàn)證

羅平亞院士所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從NaCl微觀機(jī)理上進(jìn)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(gè)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(gè)柴油分子厚。

NaCl抑制機(jī)理:蒙脫石層間距1.011nm，完全水化后增加到 1.905nm，可進(jìn)入 3～4個(gè)水分子，而加入10%NaCl后，只能進(jìn)入約2個(gè)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(shuō)明其有抑制性，且隨其濃度增加而增大。

由 NaCl的抑制機(jī)理可以驗(yàn)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(shí)可以為實(shí)現(xiàn)渤海一套水基鉆井液提供很好的技術(shù)支撐。目前引入 NaCl的鉆井液體系，廣泛應(yīng)用于渤海油田各大區(qū)塊，解決了蓬勃區(qū)塊異常壓力同層問(wèn)題，解決了錦州 25-1區(qū)塊起下鉆困難及井壁穩(wěn)定問(wèn)題，解決了旅大 10-1、綏中 36-1區(qū)塊儲(chǔ)層壓力虧空及起下鉆困難。為使探井生態(tài)紅區(qū)零排放盡快打開(kāi)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(shù)難題提供了一套經(jīng)過(guò)優(yōu)化的水基鉆井液體系。

2 水基鉆井液固液分離技術(shù)研究

通過(guò)調(diào)研和研究，固液分離技術(shù)也實(shí)現(xiàn)突破，通過(guò)壓濾裝置，壓濾形成 80m3濾液可以繼續(xù)配制鉆井液回收再利用，不到 20m3濾餅在陸地進(jìn)行再處理，每 100m3密度為 1.30g/cm3廢棄鉆井液可以減排80%，實(shí)現(xiàn)鉆井液體系從室內(nèi)研發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)減排的同時(shí)達(dá)到降本效果，為后期解決渤海油田鉆井液零排放問(wèn)題提供借鑒。

2.1 水基鉆井液固液分離技術(shù)室內(nèi)研究

通過(guò)調(diào)研和實(shí)地應(yīng)用，選取合適的壓濾機(jī)(模擬實(shí)驗(yàn)裝備)，然后將現(xiàn)場(chǎng)取回的鉆井液用壓濾裝置不加藥劑直接壓濾實(shí)驗(yàn)，但過(guò)濾不動(dòng)，實(shí)驗(yàn)失敗。因直接壓濾不可行，繼續(xù)進(jìn)行附加實(shí)驗(yàn)，探索無(wú)藥化處理方法，分別采用陶瓷負(fù)壓吸附、超聲破乳分層、臭氧破乳分層、加電極破乳等方法進(jìn)行驗(yàn)證并得出結(jié)論:物理方法處理水基泥漿，不能實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的固液相分離[3-4]。

嘗試進(jìn)行化學(xué)方式處理，先采用環(huán)保處理劑 PFClea對(duì)鉆井液進(jìn)行預(yù)處理，使鉆井液化學(xué)絮凝分層，然后采用壓濾裝置進(jìn)行壓濾。鉆井液通過(guò)環(huán)保處理劑化學(xué)預(yù)處理后，可通過(guò)壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)完全分離，壓制成濾餅和濾液。經(jīng)測(cè)定，濾餅含水率僅有 32%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他陸地油田濾餅含水率經(jīng)驗(yàn)值60%。

2.2 壓濾濾液室內(nèi)實(shí)驗(yàn)論證

通過(guò)對(duì)濾液樣品進(jìn)行離子測(cè)定，壓濾液中含氯根和鉀離子含量分別為84000mg/L和25000mg/L，依據(jù)濾液離子含量和現(xiàn)場(chǎng)體系需求，模擬現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方對(duì)濾液分別從無(wú)土相和土相兩種體系進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)濾液對(duì)新漿的性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾液在無(wú)土相體系中與海水對(duì)比性能無(wú)差異，在土相體系中亦無(wú)差異，離子含量與海水對(duì)比無(wú)明顯差異，故用濾液對(duì)鉆井液基礎(chǔ)性能無(wú)影響。

2.3 水基鉆井液固液分離設(shè)備中試

基于室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)支持，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所用鉆井液體系用國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的隔膜壓榨設(shè)備——“成套破膠絮凝壓濾設(shè)備”進(jìn)行壓濾工藝中試。

首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)返回的兩種鉆井液取小樣，在室內(nèi)進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，確定環(huán)保處理劑藥劑和加量，見(jiàn)證絮凝時(shí)間和效果；然后根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在破膠絮凝撬上，用 2m3淡水和專(zhuān)用環(huán)保處理劑配制環(huán)保處理液；繼而在破膠絮凝撬上，對(duì)海上返回的 60m3鉆井液進(jìn)行絮凝作業(yè)；最后在壓濾機(jī)撬上，進(jìn)行壓濾和隔膜壓榨作業(yè)。

將壓濾機(jī)壓濾出的濾液和壓制的濾餅完全分離，通過(guò)測(cè)定，濾餅含水量為 45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 60%。由于試驗(yàn)期間天氣極寒，設(shè)備布局和操作環(huán)境不夠完善，設(shè)備工作效率只實(shí)現(xiàn)了80%，預(yù)計(jì)單機(jī)處理量20～25m3/h。通過(guò)評(píng)價(jià)濾液在無(wú)土相和土相體系的對(duì)比，濾液在無(wú)土相體系中與海水對(duì)比性能無(wú)差異，在土相體系中亦無(wú)差異，離子含量與海水對(duì)比無(wú)明顯差異，故濾液再利用對(duì)鉆井液無(wú)影響。

3 壓濾濾液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，用壓濾機(jī)處理過(guò)的鉆井液所回收濾液對(duì)現(xiàn)用水基鉆井液體系性能基本無(wú)影響，故在渤海油田 PL19-3-X井進(jìn)行二次配漿作業(yè)，實(shí)現(xiàn)廢鉆井液濾液(后簡(jiǎn)稱(chēng)壓濾旅游)配制鉆井液滿足優(yōu)快環(huán)保經(jīng)濟(jì)鉆井要求。

PL19-3-X井為大斜度定向井，設(shè)計(jì)井深2712m，垂深 1495.81m。本井 12-1/4"井段鉆遇層位明化鎮(zhèn)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(tǒng)海水配制的PEM鉆井液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

通過(guò)性能數(shù)據(jù)分析對(duì)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(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

鉆進(jìn)期間，整個(gè)鉆井液性能可控，切力、3/6轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)基本正常，返砂良好，失水始終控制在4mL左右；pH值在鉆進(jìn)期間下降較以往鉆井液鉆進(jìn)期間較快，期間通過(guò)補(bǔ)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(qū)塊作業(yè)中正?，F(xiàn)象。該井在鉆進(jìn)和倒劃眼過(guò)程中，鉆井液性能穩(wěn)定，井眼狀況穩(wěn)定，最終確保尾管順利到位。從現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)體系性能來(lái)看，使用壓濾濾液配制的鉆井液對(duì)體系流變性能沒(méi)有影響，使用效果與海水配漿基本一致，鉆進(jìn)期間性能穩(wěn)定，工程作業(yè)順利。

通過(guò)室內(nèi)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試用，根據(jù)現(xiàn)階段地層差異和體系適應(yīng)性，壓濾液回用遵循如下原則:

①壓濾機(jī)出來(lái)的濾液，需考慮進(jìn)行簡(jiǎn)單水處理；②壓濾液做到平行使用，根據(jù)濾液成分選定合適回用井及井段；③含有膨潤(rùn)土體系，建議使用配漿后混入50%的壓濾液；④鉆進(jìn)期間的泥漿性能維護(hù)，應(yīng)根據(jù)需求調(diào)整壓濾液回用配比；⑤無(wú)土相體系，可直接使用壓濾液進(jìn)行配漿，根據(jù)性能要求調(diào)整壓濾液配比，維護(hù)膠液性能穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

①目前渤海油田已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(gè)區(qū)塊應(yīng)用良好；②鉆井液回收處理實(shí)現(xiàn)了“破膠-絮凝-壓濾”的工藝目標(biāo)，濾餅含水率僅 45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陸地油田濾餅含水率經(jīng)驗(yàn)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(xù)配制鉆井液回收再利用，20m3濾餅再處理，實(shí)現(xiàn)減排 80%；③使用壓濾濾液配制的鉆井液在 PL19-3-X井應(yīng)用中，體系流變性能穩(wěn)定，使用效果與海水配漿基本一致，鉆進(jìn)期間性能穩(wěn)定，工程作業(yè)順利，但其回用工藝和效果有待現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步檢驗(yàn)；④配套水基鉆井液技術(shù)和固液分離技術(shù)使鉆井液體系達(dá)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(yùn)輸成本和處理成本，為渤海油田水基鉆井液體系從應(yīng)用、回收到再利用和固廢處理一體化提供借鑒。