環(huán)保型水基鉆井液體系的研究與應(yīng)用

陳二丁,王金利,張海青,楊倩云

(中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司,山東 東營(yíng) 257064)

隨著石油開采中環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng),廢棄鉆井液對(duì)環(huán)境的污染問題越來越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)已逐步要求對(duì)廢棄鉆井液及廢棄鉆屑等進(jìn)行無害化處理,減少對(duì)環(huán)境的污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。這種“末端治理”的處理方式成本投入高,且難以徹底消除污染隱患,給鉆井行業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保壓力。因此,必須研究應(yīng)用環(huán)保型鉆井液體系,從源頭上控制鉆井廢棄物污染。雖然環(huán)保型鉆井液體系研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展,但是由于缺乏配伍性良好的環(huán)保型處理劑及成本偏高等問題,導(dǎo)致目前的環(huán)保型鉆井液體系難以推廣應(yīng)用[1-2]。本文通過優(yōu)選基于天然材料制備的核心處理劑,及具有肥田效果的鹽類抑制劑,形成抑制性強(qiáng),處理劑高效,品種少,性能穩(wěn)定,抗污染能力強(qiáng)的抗溫120 ℃環(huán)保型水基鉆井液體系,主要應(yīng)用于普通生產(chǎn)井的施工,廢棄鉆井液簡(jiǎn)單處理后可直接排放,可解決常規(guī)聚合物鉆井液體系的污染問題,降低廢棄物處理成本。

1 主要處理劑的研選

1.1 降濾失劑

優(yōu)選淀粉類、纖維素類及植物膠類等不同類型天然材料制備的處理劑,綜合研究其抗溫、抗鹽及降濾失效果,經(jīng)過復(fù)配研制了具有良好抗溫、抗鹽及降濾失性能的高效環(huán)保降濾失劑HB-1。與其他降濾失劑性能對(duì)比見表1,由結(jié)果可以看出,HB-1降濾失性能優(yōu)良,優(yōu)于其他天然材料制備的降濾失劑,同時(shí)可以改善基漿的流變性。

1.2 頁(yè)巖抑制劑

優(yōu)選化學(xué)肥料復(fù)配形成具有肥田效果的復(fù)合鹽類抑制劑HB-2,其水解產(chǎn)生的不同電荷正電基團(tuán)與黏土礦物的負(fù)電荷結(jié)合能力強(qiáng),同時(shí)也可以嵌入晶層間,在晶層間起到連接作用,強(qiáng)力抑制黏土礦物水化,將水化作用限制在巖屑的表面,起到控制鉆屑分散和絮凝鉆屑的作用。通過考察頁(yè)巖回收率,與其他抑制劑進(jìn)行性能對(duì)比,結(jié)果見表2。結(jié)果可以看出,使用HB-2頁(yè)巖抑制劑時(shí)頁(yè)巖回收率高于使用其他抑制劑,因此HB-2頁(yè)巖抑制劑具有優(yōu)良的頁(yè)巖抑制性。

表1 降濾失劑性能對(duì)比

表2 抑制劑頁(yè)巖回收率對(duì)比

1.3 潤(rùn)滑劑

以廢棄植物油為原料,經(jīng)過酯化、酯交換反應(yīng)后,進(jìn)一步進(jìn)行抗高溫改性,制備了植物油潤(rùn)滑劑HB-3,植物油潤(rùn)滑劑無毒易生物降解,生物毒性大于30 000 mg/L,潤(rùn)滑性能優(yōu)良,與其他類型潤(rùn)滑劑性能對(duì)比見表3。

表3 潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能對(duì)比

1.4 其他處理劑優(yōu)選[3-6]

絮凝劑優(yōu)選天然高分子材料改性制備的天然高分子聚合物包被劑,與丙烯酰胺類聚合物相比,天然材料改性產(chǎn)品不含丙烯酰胺類單體,無毒易降解,環(huán)境可接受性強(qiáng);抑制防塌劑優(yōu)選環(huán)保型處理劑無水聚合醇,主要為聚乙二醇、聚丙二醇等,通過在井壁上吸附形成油膜及“濁點(diǎn)”效應(yīng)起到抑制防塌作用,此外還具有一定潤(rùn)滑作用;流行調(diào)節(jié)劑優(yōu)選生物聚合物XC,是一種線型高聚物酸性多糖物質(zhì),無毒易降解,完全溶于水中而形成黏稠的溶液,可作為淡水和鹽水鉆井液的高效增黏劑,加入很少的量(0.2%～0.3%),即可產(chǎn)生較高的黏度,并兼有降濾失作用,同時(shí)具有優(yōu)良的剪切稀釋性能,能夠有效的改進(jìn)鉆井液的流型,抗溫120 ℃。

2 配方及性能評(píng)價(jià)

在核心環(huán)保型處理劑研制及優(yōu)選的基礎(chǔ)上,通過處理劑之間的配伍性研究及處理劑用量?jī)?yōu)化,完善體系組成,形成了抗溫120 ℃環(huán)保型鉆井液體系[3-6]。鉆井液體系基本配方如下:

3%膨潤(rùn)土漿+0.3%天然高分子聚合物包被劑+3%HB-1+3%HB-2+2%HB-3+2%無水聚合醇+0.02%生物聚合物。

2.1 基本性能評(píng)價(jià)

對(duì)研發(fā)的環(huán)保型鉆井液體系進(jìn)行基本性能評(píng)價(jià),結(jié)果見表4。由表4可以看出,體系常溫下流變性能優(yōu)良,高溫高壓濾失量低。120 ℃熱滾16h后,體系黏切稍有降低,濾失量稍有增加,仍具有良好的流變性,和較低的濾失量,說明體系抗溫性能強(qiáng)。

表4 鉆井液性能

2.2 抗污染性能評(píng)價(jià)

在基本配方中分別加入20%的NaCl、1%的CaSO4、5%的黏土,進(jìn)行抗污染性能評(píng)價(jià),結(jié)果見表5。由試驗(yàn)結(jié)果看出,加入20%NaCl,體系黏切升高,但具有良好的的流變性,熱滾后黏切降低,中壓濾失量及高溫高壓濾失量稍有增加,體系抗鹽能力強(qiáng)。加入1%CaSO4,體系黏切升高,但具有良好的的流變性,濾失量稍有增加,熱滾后,黏切降低,中壓濾失量及高溫高壓濾失量稍有增加,流變性良好,具有較強(qiáng)的抗石膏污染能力。加入5%黏土,體系黏切升高,濾失量降低,流變性良好,熱滾后,黏切稍有增加,高溫高壓濾失量降低,流變性良好,具有較強(qiáng)的抗黏土污染能力。

表5 鉆井液抗污染性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 加重及沉降穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

在配方中加入重晶石粉,將體系密度加重至1.51g/cm3,測(cè)定老化前后性能,結(jié)果見表6。由結(jié)果看出,加重后鉆井液流變性優(yōu)良,濾失量降低,熱滾后性能變化小,說明體系在較高密度下仍具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

表6 鉆井液加重試驗(yàn)結(jié)果

將基本配方分別加重至1.30、1.40、1.50、1.60g/cm3,測(cè)定常溫及老化后的密度變化,結(jié)果見表7。由結(jié)果看出,常溫和熱滾狀態(tài)靜置后,體系密度變化小,說明體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

表7 鉆井液沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 低溫流變性能評(píng)價(jià)

為滿足在新疆地區(qū)淺井中的應(yīng)用,使用DC-1型低溫測(cè)試裝置對(duì)體系的低溫流變性進(jìn)行了評(píng)價(jià),在連續(xù)攪拌的方式下,測(cè)定了降低溫度過程中的流變參數(shù)變化,結(jié)果見表8。由結(jié)果可以看出,隨著溫度不斷降低,體系塑性黏度和動(dòng)切力不斷提高,表觀黏度升高。在溫度為0 ℃時(shí),體系仍具有良好的的流變性,說明體系可在較低溫度下使用。

表8 鉆井液低溫流變性試驗(yàn)結(jié)果

2.5 抑制性評(píng)價(jià)

采用頁(yè)巖回收率評(píng)價(jià)體系的抑制性,篩選粒徑2.0～3.2mm巖屑50g,測(cè)定清水和基本配方溫度120 ℃熱滾16h的頁(yè)巖回收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果,測(cè)得該巖屑清水回收率為19.1%,環(huán)保鉆井液體系頁(yè)巖回收率為93.4%,因此體系具有良好的抑制性。

2.6 生物降解性能評(píng)價(jià)

參照生物降解性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的體系的Y=(COD5/BODCr)×100=19,根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為較易降解[7]。針對(duì)所研發(fā)的環(huán)保型鉆井液的特點(diǎn),采用淀粉酶EM1和纖維素酶EM2對(duì)體系進(jìn)行了生物降解實(shí)驗(yàn),通過測(cè)定表觀黏度的變化,評(píng)價(jià)體系的降解性,結(jié)果見圖1。由結(jié)果可以看出,環(huán)保鉆井液體系在生物酶的作用下能快速降解,黏度降低。通過調(diào)整生物酶的種類和加量可人為控制降解時(shí)間,其值可人為控制≤1 200h。

圖1 鉆井液體系降解曲線

2.7 環(huán)保性能評(píng)價(jià)

所配置的環(huán)保鉆井液基本配方,由廣東省微生物檢測(cè)中心檢驗(yàn)重金屬含量及生物毒性,結(jié)果見表9。由檢測(cè)結(jié)果看出,研發(fā)的環(huán)保鉆井液配方滿足二級(jí)污水排放標(biāo)準(zhǔn)[8]。

表9 鉆井液環(huán)保性能檢測(cè)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

曲15-X井位于曲堤油田曲15塊西部構(gòu)造高部位,完鉆井深2 505m,最大井斜20.5°。該井東營(yíng)組造漿嚴(yán)重,沙河街組易坍塌,提高鉆井液的抑制性,有效抑制東營(yíng)組造漿及沙河街組水化坍塌是本井的難點(diǎn)。

施工措施:該井二開采用環(huán)保型鉆井液體系,提高鉆井液的抑制性。上部地層采用聚合物鉆井液體系,主要使用天然高分子聚合物包被劑,加量0.2%～0.5%。鉆進(jìn)至1 700m進(jìn)行體系轉(zhuǎn)化,首先開啟離心機(jī),除去無用固相,保證鉆井液的清潔,調(diào)整鉆井液黏度30～35s,膨潤(rùn)土含量30～40g/L,加入1%降濾失劑HB-1,循環(huán)均勻后,繼續(xù)加入3%抑制劑HB-2,提高鉆井液的抑制性。循環(huán)均勻后測(cè)定鉆井液性能,根據(jù)需要加入降濾失劑及流型調(diào)節(jié)劑調(diào)整鉆井液性能。進(jìn)入沙河街組加入防塌抑制劑無水聚合醇,補(bǔ)充抑制劑HB-2、降濾失劑HB-1,控制濾失量小于5mL,提高鉆井液的抑制防塌性能。根據(jù)需要加入潤(rùn)滑劑HB-3,保證鉆井液的潤(rùn)滑性能。

應(yīng)用效果:鉆井液體系抑制防塌性能優(yōu)良,能夠有效控制地層造漿,潤(rùn)滑性好,摩阻小,能滿足鉆井液潤(rùn)滑性的要求,鉆井液體系材料種類少,維護(hù)操作簡(jiǎn)單,流變性易控制,攜砂性強(qiáng),井眼凈化良好。二開小循環(huán)井段平均井徑為9.63in,井眼擴(kuò)大率為1.53%,電測(cè)下套管一次成功率100%,完井液生物毒性檢測(cè)結(jié)果為EC50>106mg/L,無毒符合環(huán)保要求。

4 結(jié) 論

(1)通過研選具有肥田效果的抑制劑,基于天然材料制備的降濾失劑、潤(rùn)滑劑等核心處理劑,優(yōu)化處理劑用量,形成了抗溫120 ℃環(huán)保型鉆井液體系,性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明,該體系在常溫及低溫下都具有優(yōu)良的流變性能,抗鹽、鈣及黏土污染能力強(qiáng),抑制性強(qiáng),重金屬及生物毒性檢測(cè)結(jié)果滿足環(huán)保要求。同時(shí),在優(yōu)選的生物酶的作用下可以較快速的降解。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,該體系流變性易于控制,抑制防塌能力強(qiáng),可以有效解決泥巖水化造漿及垮塌問題,能夠滿足一般生產(chǎn)井的需要。完井液生物毒性滿足環(huán)保要求,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。