綠色環(huán)保鉆井助劑的研究與應用*

王 旭，楊 超

(中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045)

隨著石油天然氣勘探行業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)過程造成的油氣田鉆井污水及廢棄泥漿對環(huán)境的污染日趨嚴重。由廢棄泥漿所產(chǎn)生的固體廢棄物和污水明顯增加了油田作業(yè)的成本以及處理的難度。

目前國內(nèi)抗高溫鉆井液體系仍然是以“三磺”材料為核心處理劑，鉆廢處理難以達到環(huán)保標準；鉆井污水成分則更加復雜，各項污染指標嚴重超標?；谀壳坝吞镢@井所面臨的嚴峻形勢，通過構(gòu)建改性淀粉環(huán)保功能型體系代替現(xiàn)有“三磺”體系，可以從源頭控制解決油田面臨的環(huán)保問題[1-5]。

1 抗高溫改性淀粉技術(shù)優(yōu)勢

抗高溫改性淀粉作為油田化學品的研究在國外已有60多年的歷史，它是一種鉆井液處理劑(添加劑)，主要起到提黏、降低濾失、穩(wěn)定井壁的作用。進入21世紀以來，隨著我國石油勘探開發(fā)向深層次步入，海上鉆井、超深水平井、特深井等特殊勘探需求日益增多，環(huán)保與抗溫問題越來越突出，史上“最嚴格”的環(huán)保法相繼出臺，向“綠色”鉆井提出了更高的要求。所以研究出既可滿足鉆井工程需求又具有環(huán)境友好性質(zhì)的新型環(huán)保型抗高溫改性淀粉鉆井液，就成為國內(nèi)外石油工業(yè)領域的重要課題之一[6-8]。

淀粉及其衍生物作為一種生物質(zhì)資源，來源豐富、價格低廉，但水溶性差，且易發(fā)酵、熱穩(wěn)定性差，通過對其改性可以擴大應用范圍。這種環(huán)保型抗高溫改性淀粉，能夠在鉆井過程中減少鉆井液對環(huán)境和油層污染，并且具有無毒、易降解、生產(chǎn)過程中無三廢排放等環(huán)保特點，是一種綠色的油田助劑[9]。

2 抗高溫改性淀粉技術(shù)研究

2.1 抗高溫改性淀粉FSL配伍性能及鉆井液體系研究

開展常用鉆井液與配加淀粉基降濾失劑后的體系進行配伍性能的研究與考察。在室內(nèi)配制預水化膨潤土漿的基礎上，加入不同處理劑形成配方：1#：5%鈉土粉+微量造漿調(diào)節(jié)劑+0.2%聚合物+0.5%NH4HPAN+1.5%磺化防塌劑+2%水基潤滑劑1+加重劑；2#：5%鈉土粉+微量造漿調(diào)節(jié)劑+0.2%聚合物+1%NH4HPAN+1.5%磺化防塌劑+2%水基潤滑劑1+加重劑；3#：5%鈉土粉+微量造漿調(diào)節(jié)劑+0.2%聚合物+0.5%FSL-120(有效含量)+1.5%環(huán)保防塌劑+2%水基潤滑劑2+加重劑；4#：5%鈉土粉+微量造漿調(diào)節(jié)劑+0.2%聚合物+0.5%NH4HPAN+0.5%FSL-120(有效含量)+1.5%環(huán)保防塌劑+2%水基潤滑劑2+加重劑。

a) 外觀環(huán)保(色度)評價。常規(guī)鉆井液防塌劑、降濾失劑為棕褐色或黑色；淀粉基鉆井液防塌劑、降濾失劑為淺黃色或奶色，更為環(huán)境所接受。

b) 不同溫度流變性。實驗評價密度為1.16 g/cm3不同配方老化前50 ℃下全套性能，包括ρ、PV、YP、YP/PV、Gel10″、Gel10′、API、HTHP等8種指標項目，以及120℃下熱滾16h老化后的全套性能。實驗結(jié)果表明，由于抗高溫改性淀粉為液體降濾失劑，自身液相黏度的存在，有增黏現(xiàn)象。針對這一問題，選擇在配方中加入0.2%甲基硅油MSO調(diào)節(jié)流型后，進行流變性的評價，實驗表明加入甲基硅油MSO后，體系的增黏現(xiàn)象得到明顯改善，各項指標合理。

2.2 抗高溫改性淀粉鉆井液體系的綜合性能評價

抗高溫改性淀粉鉆井液體系優(yōu)異的綜合性能不僅體現(xiàn)在出色的使用性能，更重要的是環(huán)保性能，表現(xiàn)在對環(huán)境的友好。

a) 封堵降濾失性能。實驗結(jié)果表明，配加抗高溫改性淀粉配方4#的API降濾失效果更優(yōu)，如圖1所示。而在高溫高壓條件下，配加了抗高溫改性淀粉配方的3#、4#高溫高壓濾失量明顯降低，尤其是4#小于10 mL，僅9.6 mL，如圖2所示。

圖1 在50 ℃下不同配方樣品的API濾失量

圖2 在120 ℃下不同配方樣品的HTHP濾失量

b) 抑制膨脹特性。由圖3可以看出，在現(xiàn)場采集的井漿(密度1.25 g/cm3)中，分別配加抗高溫改性淀粉與磺化酚醛樹脂SMP后，24 h膨脹率明顯降低，降低率10%～12%，而且抗高溫改性淀粉的配方體系膨脹率控制能力優(yōu)于SMP。

圖3 不同抗溫降濾失劑對井漿膨脹性的影響

c) 高溫穩(wěn)定性—黏溫特性評價。在現(xiàn)場采集的井漿中，分別配加抗高溫改性淀粉與磺化酚醛樹脂SMP后，隨著溫度上升，黏度降低，達到120 ℃后，溫度繼續(xù)上升，黏度變化趨緩并穩(wěn)定，且抗高溫改性淀粉與磺化酚醛樹脂SMP具有近乎相似的變化規(guī)律，表明抗高溫改性淀粉具有優(yōu)良的抗高溫能力。

d) 抗高溫改性淀粉鉆井液體系環(huán)保指標經(jīng)專業(yè)檢測機構(gòu)測試，生物毒性EC50為12 700 mg/L，達到無毒水平；生物降解性BOD5/CODCr為0.11，到達易生物降解水平。

3 現(xiàn)場應用

該項技術(shù)在江蘇油田部分井進行現(xiàn)場應用試驗。2019年試驗應用5口井，2020繼續(xù)推廣實施，截至同年10月底累計應用20口井，現(xiàn)場應用表明改性鉆井液體系有較好助力井下安全、高效施工的作用，有效實現(xiàn)了保護油氣層、保護井壁和保護環(huán)境的多重目的。

3.1 X84井試驗情況

實驗表明，加入0.5%～1.5%不同加量的抗高溫改性淀粉，在50 ℃、120 ℃下鉆井液具有良好的流變性，同時可以增強鉆井液的封堵降濾失能力，API、HTHP濾失量均降低，在改善HTHP濾失量方面更具優(yōu)勢。

該井鉆至2 680 m在水基聚合物鉆井液基礎上正式轉(zhuǎn)化為抗高溫淀粉基聚胺潤滑防塌鉆井液，提高鉆井液抗高溫降濾失性能，保持鉆井液良好高溫穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)化時根據(jù)工藝要求配加了0.5%抗高溫改性淀粉，0.3%聚胺抑制劑以及1%聚合醇防塌劑，同時按照設計要求定期補充，同時配合環(huán)保防塌劑、潤滑劑，以及其他輔劑等材料進行性能維護，儲層井段配加專項保護油氣層材料。轉(zhuǎn)化后一直鉆達完鉆3 552 m，實施最高密度1.33 g/cm3，API中壓濾失量在4.0～4.8 mL，120 ℃ HTHP濾失量8～12.4 mL，體現(xiàn)深井降濾失能力的同等溫度條件下HTHP濾失量比常規(guī)體系降低了17.3%～46.6%，強封堵和降濾失性能，助力阜三段良好油氣發(fā)現(xiàn)，達到儲層保護效果。

試驗期間對抗高溫改性淀粉基鉆井液性能進行了全面檢測。如表1所示，整個井段鉆井液性能穩(wěn)定，攜巖性能好，鉆井液流變性、濾失量均得到有效的控制。塑性黏度PV從2 680 m轉(zhuǎn)化前的30 mPa·s以上逐步控制在18～26 mPa·s，動切力YP從15 Pa逐步控制在9.2～11 Pa，更趨合理，初切2～3.5 Pa，終切6.5～19.5 Pa，動塑比YP/PV控制在0.48～0.57。在井底最高溫度達130 ℃條件下，良好的鉆井液性能保障阜三段砂巖及阜二段頁巖油系統(tǒng)連續(xù)8次取心，全井21趟起下鉆無阻卡，130 m輝綠巖無漏失，復雜時效為零。

表1 X84應用井段現(xiàn)場鉆井液性能

3.2 15-1井應用情況

15-1井鉆至2 700 m根據(jù)工藝要求配加了0.8%抗高溫改性淀粉，0.5%聚胺抑制劑以及1.5%聚合醇防塌劑，同時按照設計要求定期補充，配合環(huán)保防塌劑、潤滑劑，以及其他輔劑等材料進行性能維護，儲層井段配加專項保護油氣層材料。轉(zhuǎn)化后一直鉆達完鉆4 131 m，實施密度1.32 g/cm3，API中壓濾失量在3.8～4.5 mL，比常規(guī)要求降低了10%～24%，3 945 m采集的井漿150 ℃HTHP濾失量10.4 mL，HTHP濾失量降低30.1%。體系轉(zhuǎn)化后降濾失能力增強，形成泥餅致密、細膩，韌性好，助力深部戴南組地層井壁穩(wěn)定，有利于儲層保護。

如表2所示，采集的井漿指標表明應用的抗高溫改性淀粉基鉆井液在高溫下具有優(yōu)良的黏溫特性，YP/PV指標則體現(xiàn)了體系優(yōu)良的攜巖能力和流變特性，達到預計的鉆井液抗高溫能力。深井鉆探順利，起下鉆未出現(xiàn)嚴重阻卡。實鉆過程中，軟泥巖抑制包被成型，硬脆性泥巖無垮塌。

表2 15-1應用井段現(xiàn)場鉆井液性能

該井應用的抗高溫改性淀粉基聚胺潤滑防塌鉆井液順利完成15-1井長達3 542 m裸眼段施工，井底深度達4 131 m，創(chuàng)油田淀粉基應用井深最深記錄。同時該井在垛一段、戴二段、戴一段取心獲優(yōu)良油氣顯示，體系強封堵降濾失性能，助力該井良好油氣發(fā)現(xiàn)，達到儲層保護效果。

4 結(jié)論

鉆井至井深2 800 m左右，加入抗高溫改性淀粉，轉(zhuǎn)化體系為抗高溫淀粉基聚胺潤滑防塌鉆井液，能夠提高鉆井液抗高溫降濾失性能，保持鉆井液良好高溫穩(wěn)定性。

抗高溫改性淀粉能夠部分替代三磺材料，并且濾液侵入少、可降低儲層傷害，同時能夠降低泥頁巖復雜性，利于盡快試油作業(yè)；在經(jīng)濟上不增加配套實施成本，是綠色、環(huán)保的鉆井助劑。