環(huán)保型聚合物膠束鉆井液評(píng)價(jià)與應(yīng)用

潘玉婷， 朱雪華， 楊曉儒， 田山川， 徐小龍， 辛小亮

(1長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 2中國(guó)石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部)

鉆井液體系的發(fā)展由清水到聚合物鉆井液、磺化鉆井液、油基鉆井液，再到響應(yīng)環(huán)保、長(zhǎng)遠(yuǎn)開(kāi)發(fā)要求而推廣應(yīng)用的環(huán)保型鉆井液體系。聚合物鉆井液[1]和磺化鉆井液[2]合成的聚磺鉆井液[3]中的高分子磺化類(lèi)處理劑與地層石油類(lèi)、重金屬離子等膠結(jié)形成難降解、難分離的固體廢棄物。油基鉆井液體系[4-5]中的高分子礦物油及酚類(lèi)化合物在施工后形成鉆井廢棄物，一方面污染水質(zhì)、土壤，另一方面油基鉆井液成本高，回收再利用處理難以真正實(shí)現(xiàn)廢棄物的無(wú)害化處理。

在鹽227-4HF井[6]應(yīng)用的聚合物膠束鉆井液具備較強(qiáng)的抑制性、封堵性和流變性，鉆井液體系中使用有抗高溫降濾失劑SMP和原油，所鉆巖屑在環(huán)保性和成本上尚欠缺。針對(duì)新疆油田地層特點(diǎn)以及鉆井液生物毒性、可生物降解性等環(huán)保特性要求[7]，本著從源頭減少環(huán)境污染、降低處理費(fèi)用的出發(fā)點(diǎn)，以無(wú)毒、可生物降解的天然改性材料為主，對(duì)聚合物膠束鉆井液的環(huán)保性能進(jìn)行優(yōu)化。

一、區(qū)域地質(zhì)概況及鉆井液維護(hù)難點(diǎn)

準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起中拐井區(qū)白堊系中上部大段軟質(zhì)泥巖水敏性強(qiáng)，造漿嚴(yán)重，易水化膨脹，底部砂礫巖易漏、易垮塌。侏羅系中上部泥巖、砂巖互層且含礫砂巖層孔隙發(fā)育，易形成低質(zhì)量濾餅，易吸水膨脹縮徑形成砂橋，造成阻卡。白堊系、侏羅系地層泥巖引起鉆井液中膨潤(rùn)土含量上升，導(dǎo)致鉆井液流變性性能變差[8]；侏羅系少量煤層易發(fā)生井漏；三疊系克拉瑪依組、二疊系烏爾禾組、石炭系(未分組)地層壓力系數(shù)較高、裂縫發(fā)育，易發(fā)生油氣水侵，其中克拉瑪依組、烏爾禾組中所含硬脆性褐色泥巖易水化、垮塌掉塊引起阻卡。石炭系巖性復(fù)雜，存在較大的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

為有效抑制泥巖水敏性分散，以加入強(qiáng)包被抑制劑來(lái)維持鉆井液的包被性能，達(dá)到控制巖屑分散、穩(wěn)定井壁；鉆井液中加入強(qiáng)封堵劑，來(lái)處理鉆遇煤層可能出現(xiàn)的剝落掉塊和地層嚴(yán)重漏失，減少壓力傳遞波動(dòng)、降低井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和提高防漏堵漏能力。

二、聚合物膠束鉆井液作用機(jī)理

聚合物膠束鉆井液由高分子聚合物膠束聚束劑HMP、抑制劑胺基硅醇HAS、封堵劑HBJ-3、溫壓成膜封堵劑HCM、潤(rùn)滑劑合成脂HLB以及聚合物降濾失劑HFL-2等構(gòu)成。高分子聚合物膠束聚束劑HMP當(dāng)中疏水基團(tuán)與表面活性劑憎水基團(tuán)相互聚集形成膠束方式類(lèi)似，聚合物膠束分子中的疏水基團(tuán)相互聚集成疏水微區(qū)，促使分子內(nèi)和分子間締合。分子內(nèi)締合可增加分子剛性，而分子間締合則可形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]。

抑制劑胺基硅醇HAS首先通過(guò)硅羥基在鉆井液中的黏土顆粒表面形成疏水層，削弱胺基對(duì)黏土顆粒的絮凝作用，因此胺基硅醇對(duì)鉆井液的流變性和濾失量均無(wú)明顯影響，彌補(bǔ)了有機(jī)正電膠、聚胺等陽(yáng)離子抑制劑對(duì)鉆井液流變性和濾失量的影響。

溫壓成膜封堵技術(shù)[10]是指在溫度和壓力的共同作用下使得鉆井液-巖石基質(zhì)界面、孔隙間、孔壁周?chē)?、鉆井液固相顆粒間形成具有一定膠結(jié)能力的薄膜，膠結(jié)地層巖石顆粒，以求達(dá)到降低固液相侵入和提高封堵層承壓能力。

三、聚合物膠束鉆井液性能評(píng)價(jià)

1. 配方

2 %膨潤(rùn)土+0.2 %Na2CO3+0.5 %NaOH+0.3 %降濾失劑CMC-LV+7 %KCl+0.2 %聚束劑HMP(分子量1 600萬(wàn))+0.5 %～0.7%聚束劑HMP(分子量500～600萬(wàn))+1 %抑制劑HAS+2 %封堵劑HBJ-3+2 %封堵劑HCM+1 %潤(rùn)滑劑HLB +0.5 %降濾失劑HFL+1.5 %降濾失劑HFL-2+2 %超細(xì)碳酸鈣QCX-1+2 %堵漏劑+重晶石。

表1 聚合物膠束鉆井液添加劑生物毒性實(shí)驗(yàn)

2. 鉆井液生物毒性評(píng)價(jià)

根據(jù)Q/SY 111-2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級(jí)及檢測(cè)方法、發(fā)光細(xì)菌法》對(duì)鉆井液及添加劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。聚合物膠束鉆井液及添加劑均無(wú)生物毒性顯示，滿(mǎn)足對(duì)生物毒性的要求。

3. 鉆井液生物可降解性評(píng)價(jià)

根據(jù)HJ 505-2009《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定稀釋與接種法》、HJ 828-2017《水質(zhì)化學(xué)需氧量(CODCr)的測(cè)定重鉻酸鉀法》對(duì)鉆井液及添加劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 聚合物膠束鉆井液添加劑可降解性實(shí)驗(yàn)

從表2可知，聚合物膠束鉆井液6種添加劑較易降解及易降解，鉆井液性能滿(mǎn)足生物可降解性要求。

4. 流變性及抗溫性評(píng)價(jià)

將聚合物膠束鉆井液體系在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行長(zhǎng)期高溫?zé)岱€(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。在160℃熱滾條件下，經(jīng)長(zhǎng)期熱滾實(shí)驗(yàn)后流變性能穩(wěn)定，表明具有良好抗溫性。

5. 抑制性評(píng)價(jià)

選用安集海河組泥巖在清水和聚合物膠束鉆井液條件下進(jìn)行抑制性回收率和膨脹性對(duì)比，清水回收率為15 %，聚合物膠束鉆井液的回收率均大于95 %，聚合物膠束鉆井液8 h和16 h頁(yè)巖膨脹率均小于清水鉆井液，能較好的抑制頁(yè)巖膨脹，有效防止地層黏土礦物水化膨脹，有利于井壁穩(wěn)定。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

JL39井為增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性、降低復(fù)雜事故發(fā)生率、提高機(jī)械鉆速和應(yīng)用新技術(shù)，二開(kāi)全井段采用聚合物膠束鉆井液體系。

在白堊系土谷魯群組當(dāng)中大段泥巖質(zhì)軟、水敏性強(qiáng)，易水化膨脹分散、造漿率高，增大鉆井液后期流變性控制的難度。為提高鉆進(jìn)速度，選用“低黏、低切、低膨潤(rùn)土含量”體系加強(qiáng)對(duì)井壁沖刷，防止縮徑，再配合大排量提高鉆井速度。鉆進(jìn)中以強(qiáng)化體系的包被抑制為主，加入聚合物膠束劑，以膠液1.5 %HMP+1.5 %～2 %HFL-2 +1.5 %CMC-LV進(jìn)行補(bǔ)充維護(hù)，維持鉆井液的包被能力，控制巖屑分散；同時(shí)控制K+、Ca2+含量，增強(qiáng)包被、抑制和抗HCO3-污染能力。

在侏羅系西山窯、三工河、八道灣組當(dāng)中砂泥巖互層，同時(shí)夾雜著煤層，需加強(qiáng)鉆井液對(duì)煤層的封堵防塌能力，在進(jìn)入西山窯煤層前加入2 %HBJ-3、2 %HCM、2 %QCX-1來(lái)提高鉆井液的封堵防塌能力，同時(shí)提高黏度到45 s以減少對(duì)井壁的沖刷，減少夾煤層的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；三工河、八道灣組礫巖滲透性好、承壓能力低，易發(fā)生井漏，在進(jìn)入易漏層位前加入2 %HBJ-3和2 %QCX-1來(lái)提高鉆井液的防漏能力。

在白堿灘與八道灣組交界面的砂巖存在井漏風(fēng)險(xiǎn)，補(bǔ)充QCX-1提高鉆井液的防漏堵漏能力；在克拉瑪依、烏爾禾組硬脆性泥巖微裂縫發(fā)育地層中加入1 %HAS以提高鉆井液的抑制能力，降低黏土水化膨脹；補(bǔ)充HCM、QCX-1改善濾餅質(zhì)量，提高鉆井液對(duì)石炭系火山巖的封堵能力，穩(wěn)定井壁。聚合物膠束鉆井液在JL39井各井段的性能見(jiàn)表4。

表3 聚合物膠束鉆井液體系高溫穩(wěn)定性

表4 鉆井液性能控制

通過(guò)JL39井與其鄰井JL36井、JL30井在二開(kāi)段電測(cè)的井徑曲線(如圖1～圖3)對(duì)比可知，JL39井在二開(kāi)段應(yīng)用聚合物膠束型鉆井液獲得成功。

圖1 JL39井二開(kāi)段電測(cè)井徑曲線

JL39井與JL36、JL30和JL12井對(duì)比，JL39井在二開(kāi)段平均機(jī)械鉆速達(dá)7.26 m/h，工期為23 d，在高于鄰井最快鉆速7.11 m/h的基礎(chǔ)上施工工期減少14 d，說(shuō)明聚合物膠束鉆井液在降低復(fù)雜事故發(fā)生率和提高機(jī)械鉆速方面具有較明顯的效果。

圖2 JL36井二開(kāi)段電測(cè)井徑曲線

JL39井所鉆固體廢物通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。聚合物膠束鉆井液在JL39井應(yīng)用后，重金屬含量以及含油率均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，達(dá)到環(huán)境排放要求，滿(mǎn)足生物無(wú)毒性以及可生物降解的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比D13井鉆井液體系，聚合物膠束鉆井液體系在固體廢物的環(huán)保性能上更加突出。

圖3 JL30井二開(kāi)段電測(cè)井徑曲線

五、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)聚合物膠束鉆井液能較好地滿(mǎn)足復(fù)雜地層鉆井需要。一方面通過(guò)添加聚束劑維持鉆井液中K+和Ca2+含量，提高鉆井液包被絮凝能力來(lái)控制巖屑分散，降低地層黏土礦物水化膨脹；另一方面以封堵劑、成膜劑和超微細(xì)碳酸鈣提高鉆井液封堵能力。

(2)聚合物膠束鉆井液主要處理劑以天然材料改性為主，具有無(wú)毒、可生物降解的特點(diǎn)，所鉆巖屑廢棄物滿(mǎn)足環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)，相比磺化類(lèi)鉆井液在環(huán)保性能方面更突出。

(3)針對(duì)不同地質(zhì)特征儲(chǔ)層，在優(yōu)化鉆井液體系配方、降低綜合成本的同時(shí)，要相應(yīng)提高體系的針對(duì)性，形成適應(yīng)于不同區(qū)塊的聚合物膠束鉆井液體系。

表5 JL39井聚合物膠束鉆井液、D13井聚磺鉆井液固體廢物檢測(cè)結(jié)果對(duì)比