井工廠化作業(yè)鉆井液關鍵技術

楊 鵬

(中國石油長城鉆探公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

井工廠化作業(yè)技術采用類似工廠流水線式的生產(chǎn)方法或方式，在同一地區(qū)集中布置大批相似井型并鉆探相似地層，應用大量標準化的裝備，生產(chǎn)或裝配流水線的作業(yè)方式，通過批量施工、交叉作業(yè)、物資共享和集中管理等多種途徑，來減少土地占用面積、節(jié)約資源、降低成本，進而提高油氣田開發(fā)效益[1-3]。針對中國傳統(tǒng)的石油勘探開發(fā)施工作業(yè)效率低、管理水平不高的問題，在借鑒國外井工廠化作業(yè)先進經(jīng)驗的基礎上，由中國石油天然氣集團公司和中國石油化工集團公司分別組織研究單位探索井工廠化作業(yè)模式。井工廠化作業(yè)技術主要用于低滲透天然氣、致密油氣、頁巖氣等非常規(guī)資源開發(fā)，以實現(xiàn)最大限度集成和集約分散的作業(yè)模式的目的。該技術的應用可大大縮短施工周期，使施工作業(yè)方式發(fā)生質的飛躍。

鉆井液技術是井工廠化作業(yè)的重要組成部分，其特點在于：多口井同開次鉆井液體系相同，經(jīng)處理后可以循環(huán)利用，提高了鉆井液利用效率，減少鉆井液的排放量和無害化處理費用，降低了對環(huán)境的污染；鉆井泵、鉆井液罐等可隨鉆機整體移動，節(jié)省了搬遷時間；特別是油基鉆井液的重復利用可大大降低鉆井液成本。據(jù)不完全統(tǒng)計，采用井工廠化鉆井作業(yè)施工，每鉆3口井大約可節(jié)省1口井的鉆井液費用。井工廠化作業(yè)過程中，鉆井液體系的選擇至關重要，根據(jù)不同地層特點選用重復利用性好的鉆井液體系可有效減少井下復雜狀況的發(fā)生，并可降低鉆井液綜合成本；同時，工廠化鉆井液產(chǎn)生的廢棄物可集中進行無害化處理，減少其對環(huán)境的污染，達到節(jié)能減排的目的[4-6]。

1 井工廠化鉆井液與常規(guī)鉆井液的差異

井工廠化鉆井液技術不同于常規(guī)鉆井液技術。其工藝技術特點可歸納為：鉆井液體系選型普適化，鉆井液設備配制標準化，鉆井液預處理節(jié)點化，鉆井液維護程序化，鉆井液回收處理規(guī)范化。通過程序化、規(guī)范化、流水作業(yè)模式來體現(xiàn)其技術優(yōu)勢，最終實現(xiàn)降低鉆井總成本和保護環(huán)境的目的[7-9]。

井工廠化施工程序主要特點是集中完成不同井的同一井段施工后再統(tǒng)一進行下一開次鉆井施工，因此，第1口井同井段的鉆井液體系經(jīng)再處理后可直接應用于后續(xù)井的相同井段，實現(xiàn)第1口井配漿，后續(xù)井維護處理的作業(yè)模式，提高了同體系鉆井液的利用效率，減少了鉆井液的配制量，降低鉆井液排放量和無害化處理費用；同時該技術可提高技術人員對地層及復雜情況的掌握程度，通過處理復雜情況，總結完善應對方案，優(yōu)化鉆井液體系，減少處理劑的消耗，降低后續(xù)井同井段的施工難度，逐步形成統(tǒng)一的操作方案，方便后續(xù)井的施工，達到節(jié)約周期，降低成本，提高效率的目的。

井工廠化鉆井過程中鉆井液設備的配置與常規(guī)鉆井有一定的差異。該技術實施過程中鉆井液罐、固控設備、鉆井泵等均可隨鉆機進行整體移動，同時根據(jù)井場條件，可共用泥漿池，減少泥漿池面積，或不設置泥漿池，直接將鉆井液拉回配漿站(或回收站)處理，從而可減少占地和縮短周期。施工過程中通常建造鉆井液回收站或回收裝置，對鉆井液進行統(tǒng)一回收和處理，達到環(huán)保要求后再統(tǒng)一排放，降低對環(huán)境的影響。

井工廠化鉆井過程中鉆井液體系選擇與常規(guī)鉆井液有一定的差異。鉆井液原則上應選用穩(wěn)定性好，易維護處理的體系。因鉆井液的重復利用，延長了同一體系鉆井液的使用時間，因此，鉆井液的穩(wěn)定性至關重要，通常在鉆井工程設計時就應考慮相關問題[10-12]。

2 井工廠化鉆井作業(yè)對鉆井液相關設備的要求

井工廠化鉆井因鉆機需要整體移動，因此，要求鉆井液相關設備也必須具有可移動的特點。同時要求鉆井液相關設備根據(jù)需求逐步完善，最終達到配置標準化[13]。

2.1 循環(huán)設備配置

井工廠化鉆井過程中鉆井液循環(huán)罐、固控設備、鉆井泵等均可隨鉆機進行整體移動，同時可根據(jù)井場條件，共用泥漿池或不設置泥漿池，直接將鉆井液拉回配漿站(或回收站)進行處理。為了保證鉆井作業(yè)過程的連續(xù)性，循環(huán)罐布置前應提前考慮移動軌跡，據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗可知，井口位移在20 m之內，泥漿罐可原地不動；井口位移大于20 m，僅移動1號罐，同時采用軟管連接2號罐，其他罐體不動，達到削減工作量和搬遷安裝時間的目的。施工過程中鉆井液循環(huán)回路可通過循環(huán)罐閥門及管線布置形成不同聯(lián)通流動順序。

2.2 對鉆井泵的要求

井工廠化鉆井一般需要高配置鉆井泵，能承受高泵壓且流量可調范圍大。同時，相關連接管線也需要特殊配置及連接。鉆井泵與立壓管線的連接主要為金屬管線連接，距離短時可選擇高壓軟管進行替代，在鉆機整拖或整體移動后延長的距離要對泵壓影響較小，同時還要考慮地面高壓管路的安全情況。

2.3 固控設備配置

為滿足井工廠化鉆井過程中鉆井液體系的重復利用，在體系置換前需要進行循環(huán)，降低固相含量，便于后續(xù)井的使用。因此，在條件允許的情況下，要求振動篩、除砂器、離心機等固控設備應多配備1臺或多臺，確保井工廠化鉆井正常運行。鉆井過程中一開推薦使用二級固控，振動篩、除砂器利用率為100%。二開及以后推薦使用四級固控，振動篩、除砂器、除泥器使用率為100%，離心機利用率不低于90%，持續(xù)清除鉆井液中的無用固相，強化清潔效果，保持鉆井液良好性能，為鉆井液的重復利用及后續(xù)井順利施工提供必要條件(表1)。

表1 固控設備配置參考標準

2.4 對泥漿池的要求

井工廠化鉆井過程中，幾口井或同一部鉆機可共用一個泥漿池或不配置泥漿池，鉆井液統(tǒng)一回收處理，實現(xiàn)鉆井液不落地，可減少工程作業(yè)量，減少占地面積，便于統(tǒng)一管理，降低對環(huán)境的影響。如遇井場有特殊情況，應根據(jù)井場實際情況擇優(yōu)布置，但應以占地少、距離鉆井液循環(huán)罐近為原則。

2.5 對鉆井液配漿廠(站)的要求

井工廠化鉆井作業(yè)過程中，根據(jù)平臺井的實際需求，在鉆井液需求量較大或平臺較多時需要配備鉆井液配漿廠(站)，便于集中配漿及維護，滿足不同平臺井生產(chǎn)及應急情況的需求。特別是在非常規(guī)油氣資源開發(fā)應用油基鉆井液進行施工時，需要建設專門的鉆井液處理廠(站)，如撬裝式油基鉆井液廠，滿足集中配漿、集中回收、集中處理等施工及應急需求。

3 井工廠化鉆井液體系選擇

井工廠化鉆井作業(yè)一般應用于致密油、致密氣、頁巖油、頁巖氣等低滲透、低品位的非常規(guī)油氣藏的開發(fā)作業(yè)，該類油氣儲層致密、孔隙度小、滲透率低、泥頁巖比例高，油氣聚集機理不同于常規(guī)儲層，因此，井工廠化鉆井過程中應用的鉆井液體系通常應具有穩(wěn)定性好、儲層保護效果好、防塌抑制性強等特點，鉆井液經(jīng)維護處理后可以重復利用并易于體系轉換，充分體現(xiàn)井工廠化鉆井液標準化、流程化、低成本的原則。針對各地區(qū)不同地質條件，鉆井液體系選擇應根據(jù)不同區(qū)塊實際情況進行優(yōu)選，常用的鉆井液體系包括水基鉆井液、油基(合成基)鉆井液等。

針對各地區(qū)不同地層條件，井工廠化鉆井施工中鉆井液體系選擇應根據(jù)不同區(qū)塊實際情況進行優(yōu)選和優(yōu)化[14]。水基鉆井液具有成本低、環(huán)保性能好，維護簡單、防漏堵漏技術配套、廢棄物處理成本低等優(yōu)點；油基(及合成基鉆井液)鉆井液在抗溫和井壁穩(wěn)定方面具有一定的優(yōu)勢，同時抗污染能力強，潤滑性好，最主要的是該體系可回收和重復利用，但成本相對較高，對環(huán)境影響較大；可循環(huán)微泡沫鉆井液具有良好的防漏、封堵性能，在易漏地層應用廣泛。

3.1 水基鉆井液體系

(1) 無土相聚合物鉆井液體系一般作為井工廠化鉆井施工中的一開鉆井液或二開直井段鉆井液。其特點是體系中未添加膨潤土，利用高分子聚合物來保證體系的黏切；固相含量低，黏度和流動性調節(jié)的范圍較大，同時，可加入不同類型的處理劑，保證其可適應不同地層的需求；下一步需繼續(xù)優(yōu)化無土相聚合物鉆井液的穩(wěn)定性，提高體系重復利用效率。

(2) KCl聚合物鉆井液體系具有良好的防塌性、封堵性、抗高溫、潤滑性好等特點，可有效抑制泥頁巖水化分散，穩(wěn)固井壁，尤其適用于非常規(guī)油氣藏泥頁巖比例高的井段的鉆進。鉆進過程利用高分子聚合物的黏度和切力，體系中穩(wěn)定的K+濃度以及包被劑和防塌劑的協(xié)同作用，確保了鉆井液始終具有較強的抑制性和防塌能力。

(3) 聚合物有機硅鉆井液主要采用硅穩(wěn)定劑提高鉆井液高溫穩(wěn)定性，用硅降黏劑控制鉆井液流變性能，用磺化類處理劑造壁降失水；現(xiàn)場施工過程中根據(jù)扭矩、懸重情況調整潤滑性能，采用固液配合的方法提高鉆井液潤滑效果；平臺作業(yè)時在鉆完1口井后對鉆井液進行處理，清除有害固相，在下口井應用前，為了防止鉆井液體系老化，可適當補充預水化新漿與老漿混合，提高鉆井液的穩(wěn)定性，保證鉆井液的重復利用率，降低鉆井液的成本。

(4) 高性能水基鉆井液體系主要由抑制劑、包被劑、降濾失劑及封堵劑等組成。采用氯化鉀、胺類抑制劑等來滿足抑制的需要；在做好常規(guī)封堵的同時，采用納米封堵劑封堵微納米微裂縫來強化封堵；選用高效潤滑劑保證起下鉆順暢，降低卡鉆風險。該體系能解決常規(guī)水基鉆井液抑制性不足、封堵能力弱、潤滑性差等難題?？蒲腥藛T需繼續(xù)優(yōu)化高性能水基鉆井液的性能，逐步替代油基鉆井液在頁巖氣區(qū)塊的應用，降低成本和環(huán)保壓力[15-18]。

3.2 油基鉆井液體系

油基鉆井液與水基鉆井液相比具有以下優(yōu)勢：有很好的長效熱穩(wěn)定性，適用于高溫深井地層作業(yè)，維護方便，符合井工廠化鉆井作業(yè)批量應用、重復利用的要求；抗鹽鈣侵，可適用于巖鹽層和石膏層；體系本身潤滑性能優(yōu)良，潤滑防卡效果好，機械鉆速高；高礦化度鹽水層及高含硫含CO2地層可有效防止鉆具腐蝕。油基鉆井液因良好的井壁穩(wěn)定性和減少復雜情況等特點而廣泛應用于致密油、致密氣、頁巖氣、頁巖油等低滲透非常規(guī)油氣儲層井工廠化鉆井施工。川渝頁巖氣井工廠化鉆井過程中造斜段、水平段應用了油基鉆井液，應用結果表明，該體系在防止頁巖層、軟泥頁巖地層井壁失穩(wěn)方面效果顯著[19-24]。

油基鉆井液成本一般比水基鉆井液高，但油基鉆井液的重復利用率比水基鉆井液高。使用油基鉆井液時產(chǎn)生的油基廢棄物對環(huán)境影響較大，需要無害化處理。針對井工廠化作業(yè)，油基鉆井液可以循環(huán)利用，減少鉆井液的消耗，從而降低鉆井液成本；同時，由于井下復雜情況相對較少，鉆井總成本會有所降低。

針對致密油氣、頁巖氣井工廠化應用，科研工作者應不斷優(yōu)化油基鉆井液封堵性能及完善低密度固相清除技術，提高體系的封堵能力和重復利用效率。

3.3 可循環(huán)微泡沫鉆井液體系

可循環(huán)微泡沫鉆井液體系適合用于井工廠化鉆井中易發(fā)生漏失的層位。該體系具有密度小、濾失量小、封堵性能好、防漏性能好、能有效減少鉆井液的漏失、油氣層保護效果好等特點。在完成某一井段后打開固控設備，循環(huán)鉆井液除去無用固相，可適當補充發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，循環(huán)均勻后即可應用于下口井同井段的施工，如遇特殊情況時可加入消泡劑進行消泡，即可恢復發(fā)泡前的密度[19，25-26]。

4 井工廠化鉆井液廢棄物無害化處理技術

井工廠化鉆井廢棄鉆井液的處理方案遵循“控制源頭、重復利用、處理到位”的方針，優(yōu)先采用重復利用的原則，減少廢棄物的排放量和處理量，達到資源最大程度的利用效率，并逐步實現(xiàn)鉆井液回收處理規(guī)范化。

4.1 水基鉆井液無害化處理技術

國外井工廠化鉆井通常采用回填處理法、回注安全地層法、固液分離技術等處理水基鉆井液廢棄物，并已形成完備的處理工藝。而中國尚處于起步階段，中國井工廠化鉆井中通常采用固液分離技術處理水基廢棄物：通過脫液減量處理技術進行固液分離，分離水進行回收，實現(xiàn)水資源的有效利用，無法達標的少量污水送至污水處理廠進行再處理，分離的固相和產(chǎn)生的巖屑進行固化處理，最后進行填埋。

(1) 水基鉆屑處理流程。首先采用四級固控設備對鉆井液中的鉆屑進行分離，液相進入循環(huán)系統(tǒng)，分離的固相進入螺旋輸送器中。螺旋輸送器把分離出的較干固相輸送到巖屑箱中，運往指定固化池進行固化。

(2) 廢水處理工藝技術。首先去除其中大粒徑固含物，使用化學藥劑處理廢水，去除其中懸浮物、COD及油類。然后進行除硬沉淀，去除鉆井廢水中的二價離子；進行篩孔過濾，去除廢水中所有懸浮物、油類；廢水可用于配制壓裂液等，進行再利用。最后進行離心分離，實現(xiàn)固液的快速分離，達到標準后進行固化填埋。

4.2 油基鉆井液廢棄物處理技術

國外在井工廠化鉆井作業(yè)時處理油基鉆井液主要采用機械+微生物處理法和熱解法。機械+微生物處理法的能耗低、處理費用低、設備結構簡單、運輸方便、可隨時作業(yè)，但處理時間長、占地面積大、易受氣候因素影響。該處理方法主要利用螺旋推進器進行巖屑收集和傳送，甩干機和高速變頻離心機進行干濕分離，微生物處理系統(tǒng)對油污進行生物降解，處理后巖屑含油量達到相應標準[20]。

熱解法處理工藝主要包括減量回用、熱解回收和固化填埋三大系統(tǒng)，通過高效離心分離裝置及回轉爐熱解裝置配合冷凝分離設備對含油鉆屑進行固液分離、深度脫油、除污等工作。該方法具有處理量大、處理時間短、處理后含油量低等特點，缺點是成本較高。中國川渝頁巖氣工廠化鉆井因井場環(huán)境潮濕，處理量大，因此，采用熱解法處理油基廢棄物。熱解處理后的含油鉆屑無害廢渣，經(jīng)檢測達到固化填埋標準后進行固化和填埋處理。

隨著井工廠化鉆井規(guī)模增大，鉆井液廢棄物處理技術仍需進一步發(fā)展，工程技術企業(yè)還需加大科技投入，開發(fā)完善油基巖屑無害化處理方法，將油基鉆井液對環(huán)境的影響降到最低，逐步實現(xiàn)工廠化鉆井液廢棄物處理規(guī)范化、統(tǒng)一化處理模式。

5 井工廠化鉆井液重復利用技術

采用井工廠化鉆井作業(yè)模式，為鉆井液的重復利用提供了良好的基礎，降低環(huán)保壓力的同時提高了經(jīng)濟效益。井工廠化鉆井過程中，當1口井完鉆時，要充分循環(huán)鉆井液，清除鉆井液體系中的無用固相，降低固相含量，及時補充相關處理劑，保持鉆井液良好的流變性，處理好后直接應用到下口井同井段的施工，實現(xiàn)重復利用。

5.1 水基鉆井液重復利用技術

要實現(xiàn)水基鉆井液的重復利用，需要優(yōu)先選擇鉆井液性能穩(wěn)定、抗污染能力強的體系。在應用過程中需嚴格控制體系各項性能參數(shù)，如流變性、濾失量、固相含量、pH值等；同時，需要提高鉆井液的抑制性和抗污染能力，保持合適的護膠劑、大分子等的加量，維持鉆井液較好的護膠狀態(tài)。在應用過程中需要合理使用固控設備，盡可能凈化鉆井液，降低固相含量。也可以在應用老漿的同時不斷補充新漿以調整鉆井液性能，從而滿足鉆井要求。

5.2 油基鉆井液重復利用技術

當一個平臺完鉆時，井場多余的油基鉆井液會從井場通過鉆井液罐車拉運到油基鉆井液處理廠進行處理，通過高效振動篩清除大直徑的固相顆粒，大幅度降低油基鉆井液中的固相含量，通過砂泵輸送到儲備罐。統(tǒng)一處理的油基鉆井液可以通過以下2種方式進行再利用：一是直接使用法，將已用的油基鉆井液和下個平臺井的鉆井液混合，調整鉆井液性能達到設計要求后，用來補充鉆井液量；二是配制開鉆鉆井液時使用，由于直接配制的新油基鉆井液的破乳電壓等指標因攪拌時間不夠等原因達不到理想的范圍，此時在新鉆井液中加入老鉆井液，鉆井液性能很容易達到設計的應用范圍，這不僅加快了配漿速度，而且降低了成本[13]。

隨著井工廠化應用規(guī)模的擴大，鉆井液的循環(huán)利用越來越重要，要充分按照分級使用、資源共享、兼顧處理的原則，建立鉆井液循環(huán)利用機制，實現(xiàn)節(jié)能及環(huán)保要求。

6 結 論

(1) 經(jīng)過近幾年的實踐和快速發(fā)展，中國在非常規(guī)油氣藏井工廠化鉆井液技術方面已經(jīng)積累了初步經(jīng)驗，順利完成了致密砂巖、頁巖氣井等工廠化作業(yè)。鉆井液固控設備配置和工藝銜接方面基本滿足井工廠化作業(yè)的要求，但仍需不斷優(yōu)化施工工藝，充分發(fā)揮井工廠化作業(yè)的技術優(yōu)勢。

(2) 需不斷優(yōu)化井工廠化鉆井液施工工藝及作業(yè)模式，在鉆井液體系研究及維護處理方面強化攻關，開發(fā)高效水基鉆井液體系，優(yōu)化強封堵油基鉆井液體系，完善防漏、堵漏技術，重點攻關鉆井液廢棄物無害化處理技術及鉆井液回收再利用技術，充分發(fā)揮“鉆井液體系選型普適化，鉆井液設備配制標準化，鉆井液預處理節(jié)點化，鉆井液維護程序化，鉆井液回收處理規(guī)范化”井工廠化鉆井液技術的優(yōu)勢，最終實現(xiàn)了降低鉆井總成本和保護環(huán)境的目的。