GRD聚合物環(huán)保鉆井液在吐哈葡北油田的應(yīng)用

蔡文軍 劉禧元 熊開俊 付偉明 王廣財(cái) 馬平平 朱亮

吐哈油田公司工程技術(shù)研究院

常用的聚合物類鉆井液體系，由于大量使用磺化類聚合物材料，色度深，生物降解性差，很難達(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外主要通過研發(fā)天然改性材料如改性淀粉和纖維素和易生物降解、毒性小的聚合物類材料如PAC-142等，來形成性能優(yōu)良的聚合物環(huán)保鉆井液體系[1-7]。目前，冀東油田、新疆油田、塔里木油田等多個(gè)油田使用該鉆井液體系[8-9]。

吐哈葡北油田是吐哈油田上產(chǎn)主力區(qū)塊，緊鄰村莊。該區(qū)塊上部地層桃樹園組及鄯善群鹽膏層發(fā)育，極易造成井下縮徑遇阻遇卡；下部地層西山窯組及八道灣組煤層發(fā)育多，齊古組大段硬脆性紅色泥巖發(fā)育；同時(shí)地層破碎帶和交界面多，地層孔隙非均值性大。目前，該區(qū)塊主要應(yīng)用抗鹽聚磺鉆井液體系，鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生塌、卡、劃眼等復(fù)雜事故。針對吐哈葡北油田鉆井難點(diǎn)和環(huán)境敏感性特點(diǎn)，優(yōu)選了關(guān)鍵環(huán)保處理劑，形成一套針對性的GRD聚合物環(huán)保鉆井液配方。GRD聚合物環(huán)保鉆井液呈土黃色，色度達(dá)標(biāo)， 毒性小，重金屬含量達(dá)標(biāo)，極易生物降解[10]，并能夠精簡鉆井液不落地的處理工序，降低處理成本，首次在該區(qū)塊試驗(yàn)應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，GRD聚合物環(huán)保鉆井液不僅能滿足環(huán)保需求，同時(shí)也能夠滿足該區(qū)塊復(fù)雜鉆井要求，各項(xiàng)性能優(yōu)于常規(guī)抗鹽聚磺鉆井液，對于4000 m左右的中深井，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 GRD聚合物環(huán)保鉆井液的研制

GRD聚合物環(huán)保鉆井液不使用磺化材料，通過引入天然高分子改性材料(如DRGF-1封堵劑)，以及可降解/易降解聚合物處理劑(如丙烯酰胺/丙烯酸多元聚合降濾失劑DRGJ-1和大分子聚丙烯酰胺類抑制劑DRGY-1)，搭配部分無毒處理劑，實(shí)現(xiàn)完全去磺化。其中，DRGJ-1協(xié)助鉆井液中其他大小分子在井壁形成致密的阻隔層。 GRD聚合物環(huán)保鉆井液主要從抑制防塌和封堵防塌兩方面進(jìn)行防塌技術(shù)研究，通過強(qiáng)抑制劑DRGY-1抑制泥巖的分散和膨脹，并利用不同粒徑軟性粒子填充，復(fù)配超細(xì)碳酸鈣加強(qiáng)封堵，封堵劑微粒將同時(shí)沉降于井壁上，能夠及時(shí)封堵易坍塌地層。

2 GRD聚合物環(huán)保鉆井液的性能評價(jià)

2.1 處理劑優(yōu)選

2.1.1 降濾失劑優(yōu)選

3種降濾失材料的流變性和降濾失性見表1和表2?；A(chǔ)淡水配方1#：4%(w)膨潤土漿+1%(w)Na2CO3;基礎(chǔ)鹽水配方2#:10%(w)膨潤土漿+1%(w)Na2CO3+4%(w)NaCl。

表1 淡水基漿中不同降濾失劑的流變性和濾失性Table 1 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in freshwater base mud序號六速AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mL1#9/7/6/4/1/14.522.50.0/0.529.0+1(w)%DRGJ-150/30/22/13/2/125.0205.00.5/4.54.8+1%(w)MV-CMC92/65/56/43/15/1346.02719.08.0/22.07.6+1%(w)JY-125/15/11/8/3/212.5102.51.5/5.08.4 注:流變性在室溫下測試。

表2 鹽水基漿中不同降濾失劑的流變性和濾失性Table 2 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in saltwater base mud序號六速AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mL2#19/14/12/11/6/59.554.51.0/2.568.0+1%(w)DRGJ-131/18/12/7/1/115.5132.50.5/0.54.2+1%(w)MV-CMC66/45/35/23/5/333.02112.01.5/10.04.3+1%(w)JY-129/21/18/16/9/714.586.53.5/7.019.0 注:流變性在室溫下測試。

由表1和表2可知，在淡水和鹽水基漿中，測得DRGJ-1的降濾失效果最好，API失水分別是4.8 mL和4.2 mL。增黏性適中，對流變性影響小。

2.1.2 抑制劑優(yōu)選

依據(jù)Q/SH 0053-2010《粘土穩(wěn)定劑技術(shù)要求》， 通過NP-01頁巖膨脹測試儀，比較了DRGY-1、ZNP-1、YFKN、CHM 4種抑制劑的抑制效果，結(jié)果見圖1。從圖1可看出，DRGY-1抑制性最優(yōu)，頁巖膨脹率不超過40.1%。

表3 毒性檢測Table 3 Toxicity test樣品編號樣品名稱項(xiàng)目/參數(shù)檢測日期檢測結(jié)果EC50/(mg·L-1)毒性分級E-2018-004-0011.5%(w)DRGJ-1生物毒性2018-01-094.84×104無毒E-2018-004-0022.0%(w) DRGJ-F2生物毒性2018-01-091.25×105無毒E-2018-004-0032.0%(w)DRGJ-3生物毒性2018-01-091.04×105無毒E-2018-004-0041.5%(w)DRGF-1生物毒性2018-01-096.99×104無毒E-2018-004-0051.5%(w)DRGF-1(II型)生物毒性2018-01-094.83×104無毒E-2018-004-0061.5%(w)DRGF-2生物毒性2018-01-095.94×104無毒E-2018-004-0071.5%(w)DRGF-3生物毒性2018-01-092.47×104無毒E-2018-004-008紅臺2-127井漿生物毒性2018-01-091.90×105無毒

2.1.3 毒性檢測

依據(jù)SY/16788-2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評價(jià)方法》，采用DXY-3型生物毒性測試儀對多個(gè)樣品進(jìn)行了毒性檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，檢測的8個(gè)樣品(紅臺2-127井是GRD聚合物環(huán)保鉆井液在吐哈油田試驗(yàn)應(yīng)用的第一口井)全部均無毒。

2.2 最優(yōu)配方

通過處理劑優(yōu)選 ，形成了GRD聚合物環(huán)保鉆井液配方：5%(w)土粉+0.1%(w)Na2CO3+0.3%(w)DRGY-1+2% (w)QCX+(1～4)%(w)NFA-25+(0.5～0.0)%(w)DRGJ-1+(0.5～1.0)%(w)DRGF-1+(0.5～1.0)%(w)DRGJD-1。該鉆井液體系抗溫達(dá)120 ℃，抗鹽鈣≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥餅黏滯系數(shù)為0.035～0.043。

2.3 抑制性評價(jià)

選取應(yīng)用區(qū)塊桃樹園組巖屑，過1.7～3.35 mm篩的巖樣50 g，在120 ℃滾動(dòng)老化16 h。由圖2可知，GRD聚合物環(huán)保鉆井液的泥頁巖滾動(dòng)回收率達(dá)到90%以上，具有較強(qiáng)的抑制性能，優(yōu)于聚磺鉆井液，能夠滿足該區(qū)塊鉆井要求。

2.4 配伍性評價(jià)

在GRD配方中分別加入10%(w)劣質(zhì)土、10%(w)NaCl和5%(w)CaSO4，在120 ℃下老化16 h后，測定鉆井液配伍性，結(jié)果見表4。

表4 配伍性評價(jià)Table 4 Compatibility evaluation鉆井液配方AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaFLAPI/mLFLHTHP/mL實(shí)驗(yàn)條件GRD4625213.610.8常溫4524214.011.0老化后+10%(w)劣質(zhì)土5833253.410.0常溫5532233.810.6老化后+10%(w)NaCl3822164.613.8常溫3619175.414.6老化后+5%(w)CaSO45533225.013.6常溫5231215.814.8老化后

由表4可知，10%(w)的劣質(zhì)土污染鉆井液體系后，體系塑性黏度和表觀黏度均上升，API失水和HTHP失水變化小，體系仍具有較好的流動(dòng)性；10%(w)NaCl溶液污染該體系后，體系黏切下降明顯，失水略為升高；5%(w)CaSO4污染體系后，體系黏切輕微升高，API失水和HTHP失水顯著上升，但仍可滿足現(xiàn)場鉆井施工的要求。

2.5 環(huán)保性評價(jià)

依據(jù)GB/T 5750-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》和GB/T 7466-1987《水質(zhì)總鉻的測定》分別檢測了GRD聚合物環(huán)保鉆井液和抗鹽聚磺鉆井液的重金屬含量；依據(jù)HJ 505-2009《水質(zhì) 五日生化需氧量的測定 稀釋與接種法》和HJ 828-2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》分別檢測了GRD聚合物環(huán)保鉆井液和抗鹽聚磺鉆井液的BOD值和COD值，生物降解性采用BOD值/COD值得到。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 環(huán)保性評價(jià)Table 5 Evaluation for environment protection項(xiàng)目檢測因子ρ(總鎘)/(mg·L-1)ρ(總汞)/(mg·L-1)ρ(總鉛)/(mg·L-1)ρ(總鉻)/(mg·L-1)ρ(總砷)/(mg·L-1)BOD/COD%二級排放標(biāo)準(zhǔn)≤0.1≤0.05≤1≤1.5≤0.5≥25抗鹽聚磺鉆井液0.2970.044 019.816800.783.6GRD聚合物環(huán)保鉆井液0.0050.000 5<0.20.0540.022 630.9

由表5可知，抗鹽聚磺鉆井液重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，BOD值/COD值<5%，難降解；GRD聚合物環(huán)保鉆井液重金屬含量滿足二級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，BOD值/COD值>25%，屬于極易降解物質(zhì)，體系具有優(yōu)良的環(huán)保性能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

葡北3-25井是吐哈盆地葡北油田葡北23塊的一口采油井，井型為直井，設(shè)計(jì)井深3740 m，目的層J2s。該井采用GRD聚合物環(huán)保鉆井液進(jìn)行鉆井施工。2018年9月4日17：00，一開鉆進(jìn)，表層采用Ф311 mm鉆頭鉆至井深805 m，Ф244.5 mm表層套管下至804.51 m；9月12日5：00，采用Ф216 mm鉆頭二開鉆進(jìn)；10月3日4：00，鉆至井深3740 m完鉆后通井，測井一次成功；10月6日19：00， Ф139.7 mm油層套管下至3737.72 m。全井鉆井周期28.45天，建井周期32.43天，平均機(jī)械鉆速9.06 m/h。

3.1 現(xiàn)場施工情況

GRD聚合物環(huán)保鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用過程中， HTHP濾失小，流變性穩(wěn)定，環(huán)保性能合格。鉆井過程中，偶爾有少量掉塊返出，但無遇阻劃眼等復(fù)雜情況，按設(shè)計(jì)井深順利完鉆，實(shí)鉆性能見表6。

表6 葡北3-25井用GRD聚合物環(huán)保鉆井液現(xiàn)場性能Table 6 Field performance of GRD polymer environment-friendly drilling fluid in 3-25 well of Pubei oilfield井深/m密度/(g·cm-3)FV/sAV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mLFLHTHP/mL32971.33654528174/84.5/0.512.033801.34684629174/84.5/0.511.235001.34725132194/84.0/0.510.036251.34705030204/83.8/0.510.037401.34684729185/84.0/0.510.0 注:FLHTHP測試溫度為120 ℃。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

(1) GRD聚合物環(huán)保鉆井液能夠顯著降低葡北油田鉆井復(fù)雜時(shí)效，提高機(jī)械鉆速，縮減完鉆周期，同時(shí)能夠降低鉆井液完鉆密度(見表7)。

表7 GRD聚合物環(huán)保鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用效果分析Table 7 Analysis of field application effect of GRD polymer environment-friendly drilling fluid井號井型井深/m完鉆密度/(g·cm-3)完鉆周期/天機(jī)械鉆速/(m·h-1)事故復(fù)雜時(shí)間/h葡北106直井37151.3536.719.0118葡北4-22定向井39601.3572.886.85156葡北3-21定向井37981.3974.915.28240葡北108直井37501.3441.796.9910葡北3-31定向井38501.460.086.23144葡北3-62定向井37561.3835.638.9122葡北3-43直井36981.3538.467.470葡北802定向井34441.3435.677.840葡北3-53直井37321.3936.718.4415葡北3-42定向井37671.3637.588.860鄰井平均直井37471.3747.047.5960.5試驗(yàn)井直井37401.3428.459.060變化↓2.19%↓39.52%↑19.37%↓100%

(2) 試驗(yàn)井井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率小。試驗(yàn)井二開全井段平均井徑擴(kuò)大率為2.62%，比聚磺鉆井液的小40.86%。在齊古組段2985～3235 m，井徑擴(kuò)大率大，鉆井過程中有垮塌現(xiàn)象?，F(xiàn)場主要通過提高封堵防塌劑有效濃度，QCX、NFA-25和 DGRF-1按質(zhì)量比2∶4∶1加入，聚合物類膠體填充空隙，進(jìn)一步降低API失水和高溫高壓失水，同時(shí)對已經(jīng)剝落的掉塊，保持鉆井液的攜帶性將其帶出。具體數(shù)據(jù)見圖3。

(3) GRD聚合物環(huán)保鉆井液對環(huán)境影響小。由圖4和圖5可知，試驗(yàn)井應(yīng)用GRD聚合物環(huán)保鉆井液后，污水池顯土黃色，能夠與地表環(huán)境很好融合。

截至目前，GRD聚合物環(huán)保鉆井液已在吐哈油田多個(gè)區(qū)塊、各類井型現(xiàn)場應(yīng)用達(dá)60余井次。

4 結(jié)論

(1) 針對吐哈葡北油田含鹽膏質(zhì)泥巖、大段煤層、硬脆性泥巖發(fā)育、地層孔隙非均值性大等難點(diǎn)，形成一套成熟的GRD聚合物環(huán)保鉆井液配方。該配方流變性穩(wěn)定，抗溫達(dá)120 ℃，抗鹽鈣≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥餅黏滯系數(shù)為 0.035～0.043，泥頁巖滾動(dòng)回收率達(dá)到90%以上。

(2) GRD聚合物環(huán)保鉆井液性能穩(wěn)定，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，與常規(guī)抗鹽聚磺鉆井液相比，機(jī)械鉆速提高19.37%，鉆井周期縮短39.52%，完鉆密度降低2.19%，井徑擴(kuò)大率縮小40.86%，無復(fù)雜情況。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用GRD聚合物環(huán)保鉆井液的污水池呈土黃色，室內(nèi)檢測井漿EC50>30 000，無毒， 重金屬含量達(dá)標(biāo)，極易生物降解，能滿足吐哈油田地層復(fù)雜、環(huán)境敏感性區(qū)塊的鉆井需要。