廢棄水基鉆屑固井水泥漿的制備及經(jīng)濟性評價

任冉(中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121)

0 引言

水基鉆屑中鉆井液的主要殘留物有聚合醇、膨潤土、氯化鉀、純堿、潤滑劑等，結構復雜且對環(huán)境造成危害，目前將其定性為二類一般工業(yè)固體廢棄物，處理起來有一定的難度，尤其對于海上油井的鉆屑處理更加困難。目前對于水基鉆屑的處理方法主要有：(1)填埋法。該方法的優(yōu)點是操作簡單，成本低，但是易污染地下水，有害物質(zhì)長期保留。(2)注入安全層的方法。海上油井多用此法，該方法不需要添加任何物質(zhì)，缺點是設備要求高，成本高；受地層的限制，易污染地下水及油層。(3)焚燒法。該方法有害物質(zhì)充分氧化、熱解、無二次污染，但能耗大，需專門的磚窯，焚燒后固相需處理，處置繁瑣。(4)固化法。形成抗水固體，減少有害成分擴散和遷移，操作相對簡單，缺點是需專門研制相應的固化劑，易二次污染，固化后難恢復土壤特性[1-6]。從上述幾種水基鉆屑的處理方法來看，首先是成本較高，處置程序繁瑣，其次，上述幾種方式極易造成二次污染。找到一種合理利用水基鉆屑，變廢為寶的方法更契合現(xiàn)在“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保發(fā)展理念。

南京工業(yè)大學的姚曉等對油基鉆屑經(jīng)過處理后作為固井水泥漿摻料做了研究[7]，證明油井鉆屑作為固井水泥漿的摻料是可行的，但是油基鉆屑作為水泥漿摻料需要的成本較高，大范圍工業(yè)應用并不具有較好的經(jīng)濟效益，而水基泥漿不需要熱解過程就可以回收利用，顯然更具優(yōu)勢。

巖屑出自于地層，不存在與地層不匹配的情況。水基鉆屑經(jīng)過一定的粗加工處理后作為固井水泥漿的一種摻料，室內(nèi)對摻入廢棄泥質(zhì)鉆屑的固井水泥漿進行了實驗研究，優(yōu)化出了泥質(zhì)水基鉆屑最大摻量的固井水泥漿基本配方，后期施工可以根據(jù)實際情況對水泥漿性能進行調(diào)整。研究表明，水基鉆屑水泥漿能夠達到普通技術套管固井作業(yè)要求，該方式可以很好的處理廢棄的水基鉆屑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料包括：G級油井水泥，葛洲壩特種水泥有限公司；降失水劑、減阻劑、增強劑、納米懸浮劑、膨脹劑、消泡劑，湖北江漢石油技術有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH570，南京曙光化工集團；本研究中的水基鉆屑為渤海區(qū)域油井泥質(zhì)鉆屑，經(jīng)過烘干打磨處理。

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆屑的處理及鉆屑懸浮液的配置

(1)鉆屑處理

①考慮到鉆井施工現(xiàn)場條件，將濕水基鉆屑在95 ℃高溫通風條件下烘干；

②將烘干后的水基鉆屑進行研磨，本研究中將能過60目篩網(wǎng)的鉆屑進行收集應用，該目數(shù)下的鉆屑加入到水泥漿不會大幅度增稠，也不會有沉降的問題，對水泥漿施工性能的影響不會大幅度波動。

(2)泥質(zhì)水基鉆屑懸浮液及水泥漿的配制

將60目以下的泥質(zhì)鉆屑灰、水、納米懸浮劑按水灰比1：1：0.08的比例配制成鉆屑懸浮液(如圖1所示)，便于后期好混灰。

圖1 泥質(zhì)鉆屑懸浮液的制備

表1 泥巖鉆屑懸浮液基本性能表

如表1所示，泥質(zhì)鉆屑懸浮液的流變學性能優(yōu)良，配置水泥漿時可節(jié)省減阻劑的使用量，在固井作業(yè)過程中利于水泥漿下灰。

1.2.2 水泥漿的配置

本研究中水泥漿的配制及實驗均參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》、SY/T 6544—2010《油井水泥漿性能要求》及API規(guī)范SPEC 10 A—2010(R2015)進行。本研究中各配方水泥漿如表2所示。

表2 不同試驗配方

2 結果與討論

2.1 鉆屑水泥漿的制備及基礎性能評價

固井水泥漿的密度、流變性及抗壓強度是構建水泥漿體系的基礎，它們是固井設計、安全施工及保證固井質(zhì)量的關鍵指標。在不添加水基鉆屑基礎配方的基礎上，控制水泥漿的密度為1.90 g/cm3，逐步增加泥質(zhì)鉆屑，從10%增至30%，得到試樣 K1、N1、N2、N3、N4，分別在40 ℃條件下進行流變性能試驗及抗壓強度試驗，實驗結果分別如表3、圖2所示。

實驗結果表明：(1)如表3所示，在最終配制的水泥漿密度恒定的情況下，隨著泥質(zhì)鉆屑加量的增大，水泥漿變的越來越稠。這是因為泥質(zhì)鉆屑顆粒比水泥顆粒大，因此總的比表面積會變小，在水量增大幅度不大的情況下，泥質(zhì)鉆屑顆粒吸水更多[8]，水泥漿中游離液會變少，因此其流變性能變差。(2)如圖2所示，隨著泥質(zhì)鉆屑加量增大，水泥石的強度緩慢降低，這是由于鉆屑代替了部分水泥的量，導致水泥石強度下降。因此，在密度一定的情況下，鉆屑加量最大應控制在20%左右，加量過大會導致水泥漿稠度過高，增加泵送難度，同時水泥石的強度也達不到固井作業(yè)的要求。

表3 同一密度下，不同鉆屑加量水泥漿性能表

圖2 泥質(zhì)鉆屑加量對抗壓強度的影響

2.2 同水灰比下，泥質(zhì)鉆屑加量對水泥漿性能的影響

由于泥質(zhì)鉆屑懸加量增大，水泥漿變稠，本研究部分在水泥漿中加入了減阻劑，結合常規(guī)固井水泥漿水灰比0.44的原則，逐步增加鉆屑的加量，從15% 增至30%得到試樣B1、B2、B3、B4，在此配比下測試了水泥漿90 ℃的性能分別如表4、圖3所示。

實驗結果表明：(1)水灰比恒定下，水泥漿體中隨著鉆屑加量提高會變得越來越稠，當鉆屑加量超過30%時，漿體流態(tài)變差，施工性能大打折扣；(2)隨著鉆屑加量的增大，水泥石早期強度降低，當加量為25%時，常壓下，水泥石24 h強度已不能滿足固井水泥石14 MPa的要求；(3)隨著鉆屑量的增大，水泥漿失水量逐步減小，這是由于泥質(zhì)鉆屑顆粒比水泥顆粒大，因此總的比表面積會變小，在水量增大幅度不大的情況下，泥質(zhì)鉆屑顆粒吸水更多，失水量減小。因此，結合前部分研究內(nèi)容與本小結研究內(nèi)容，以消耗最大巖屑為原則可確定泥質(zhì)鉆屑最基礎的配方為G級水泥+17.65%鉆屑懸浮液+51.6%淡水+1.5%降失水劑+1.18%納米懸浮劑+0.45%減阻劑+0.30%消泡劑。后期的現(xiàn)場施工作業(yè)可以根據(jù)給出的基礎配方做適當?shù)恼{(diào)整，以確保水泥漿更契合現(xiàn)場實際情況。

表4 同水灰比下不同鉆屑加量水泥漿性能表

圖3 泥質(zhì)鉆屑加量對抗壓強度的影響

3 經(jīng)濟性評價

一項應用技術的落地及推廣首先需考慮其經(jīng)濟性。本章節(jié)主要對該技術在重慶涪陵頁巖氣井二開技術套管應用的經(jīng)濟性進行了核算。

表5、表6為涪陵頁巖氣某井二開井身基本結構及技術套管固井水泥漿用量。

表5 基本井身結構

固井方式采用常規(guī)固井，水泥漿密度采用密度1.90 g/cm3。

表6 水泥漿用量(按井徑擴大率按10%計算)

表7為該井技術套管固井運用常規(guī)固井水泥漿及泥質(zhì)鉆屑水泥漿的成本對比。

表7 成本計算

如表7所示，一口2 600 m左右的頁巖氣水平井技術套管的固井，使用鉆屑水泥漿體系比使用常規(guī)水泥漿可以將成本減少35%左右。該方式既能很好的處理鉆屑，又能大幅度地降低成本，社會及經(jīng)濟效益明顯，特別是對于海上鉆屑處理費用較高的情況，該鉆屑處理方式更具經(jīng)濟價值。

4 結語

(1)泥質(zhì)鉆屑作為油井技術套管固井摻料是可行的，在本研究中，密度一定的情況下，鉆屑懸浮液的加量最大應控制在20%左右，超過該加量會導致水泥漿稠度過高，增加泵送難度，同時水泥石的強度也達不到固井作業(yè)的要求；

(2)在水灰比恒定的情況下，以消耗最大巖屑為原則可確定泥質(zhì)鉆屑最基礎的配方G級水泥+17.65%鉆屑懸浮液+51.6%淡水+1.5%降失水劑+1.18%納米懸浮劑+0.45%減阻劑+0.30%消泡劑，最終的施工配方可以依據(jù)實際情況進行調(diào)整；

(3)通過成本核算，普通的頁巖氣水平井技術套管的固井，使用鉆屑水泥漿體系可以將成本減少35%左右。