雷 克,馬春旭,李 斌,張貴磊,張羽臣
(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300301;2.中海石油(中國)有限天津分公司,天津 300301)
為適應(yīng)海上鉆井以及環(huán)保需求,中海油田服務(wù)股份有限公司自主開發(fā)了新型的聚胺類高性能環(huán)保鉆井液-BIODRILL A體系。該體系具有強(qiáng)抑制性、良好的潤滑性、抗鹽能力強(qiáng)、低剪切稀釋性等優(yōu)點,并且生物毒性低、易降解,可以在復(fù)雜鉆進(jìn)的同時,確保較低的環(huán)境傷害[1-4],目前已在渤海多個油田區(qū)塊獲得了廣泛應(yīng)用。但是隨著海上環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格,渤海灣設(shè)定了多區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線區(qū),生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)要求實現(xiàn)污染物及廢棄物 “全回收”,其中也包括BIODRILL A體系[5-7]。如能夠?qū)⒀h(huán)使用的BIODRILL A體系直接固化應(yīng)用于層間封固,可以減少部分鉆井液后續(xù)處理壓力,節(jié)約成本。針對上述問題,筆者開展了固化配方設(shè)計并進(jìn)行了性能評價。
BIODRILL A鉆井液;固化材料包括:CS95礦渣、激活劑E-A10、E-A11、E-A12,降失水劑C-FL73(AMPS三元聚合物)、消泡劑C-X60L(有機(jī)酯類)、懸浮劑C-SA62L(生物膠類)等固井添加劑。上述材料由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。
OWC-9360型水泥漿恒速攪拌器、OWC-9710型失水儀、YYM型壓力密度計、OWC-118型常壓養(yǎng)護(hù)箱、OWC-9350型常壓稠化儀,沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院;3530型自動黏度計、8140D10型增壓稠化儀、5265型超聲波靜膠凝強(qiáng)度分析儀,美國CHANDLER公司;Quanta 200型掃描電鏡,美國FEI 公司。
由于沒有鉆井液固化方面的標(biāo)準(zhǔn),因此本實驗借用固井水泥漿測試標(biāo)準(zhǔn)API 10B-2中規(guī)定的流變、強(qiáng)度等測試方法。
鉆井液直接固化技術(shù)可以有效提高頂替效率、有效規(guī)避相容性難題、消除固井界面微間隙,并具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢[8-12]。為使BIODRILL A鉆井液進(jìn)行固化,達(dá)到具有一定強(qiáng)度、稠化時間可控的固化液,進(jìn)而替代固井水泥漿實現(xiàn)有效的層間封隔的目的,通過在鉆井液中添加膠凝材料,并采用激活劑提高其活性,形成了一種適應(yīng)于層間封固的E-BAC體系。
BIODRILL A鉆井液體系主要由中海油服自主研發(fā)的聚胺抑制劑 PF-BIOTROL(聚胺類)、環(huán)保包被劑PF-BIOCAP(醇胺聚合物)、環(huán)保潤滑劑PF-BIOLUBE A(植物油合成酯類)等材料復(fù)配無機(jī)鹽材料以及加重材料構(gòu)建而成。本實驗選用鉆井液密度為1.30 g/cm3的BIODRILL A鉆井液,其基礎(chǔ)性能見表1。
表1 BIODRILL A體系基礎(chǔ)性能
高爐礦渣是一種冶金工業(yè)廢料,在堿性體系中可以發(fā)生水化反應(yīng),形成具有一定強(qiáng)度的固化液。經(jīng)過優(yōu)選,選用CS95高爐礦渣作為實驗對象。CS95高爐礦渣具有高活性系數(shù)、高比表面積和較小的粒徑,可以實現(xiàn)快速水化,并可以在固化漿體中保持一定的穩(wěn)定性。CS95礦渣基礎(chǔ)性能見表2和表3。
表2 CS95高爐礦渣組成
表3 高爐礦渣的顆粒性能
礦渣雖然具有一定的活性,但是其活性較低,需要另外添加激活劑對其活化,加速其反應(yīng)速度,從而達(dá)到快速固化的目的。
初步優(yōu)選了E-A10、E-A11和E-A12激活劑。E-A10是一種堿金屬氫氧化物,易溶于水并形成堿性溶液;E-A11是一種堿金屬碳酸鹽,水溶液呈堿性,具有一定的激活作用;E-A12是一種堿金屬硅酸鹽類激活劑,并且在固化漿體中可以起到一定的懸浮作用,有利于漿體的穩(wěn)定。
配制1.60 g/cm3的礦渣基礎(chǔ)漿(配方為:100%礦渣+4%膨潤土+淡水),分別驗證上述3種激活劑及其復(fù)配物的激活能力,即對24 h強(qiáng)度的影響。通過強(qiáng)度對比,得到適宜的E-A10/E-A11/E-A12(質(zhì)量比)為1∶1∶3。
適應(yīng)于層間封固的E-BAC體系密度為1.60 g/cm3。體系配方為:100%礦渣CS95+15%激活劑E-A10+5%激活劑E-A11+5%激活劑E-A12+0.2%懸浮劑C-SA62L+8%降失水劑C-FL73+40%鉆井液+淡水。
分別在不同溫度條件下,對E-BAC體系進(jìn)行了強(qiáng)度性測試,結(jié)果如圖1所示。
圖1 固化液抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系
由圖1可知,固化液在1 d即表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度性能,可達(dá)12 MPa以上,可以滿足海上固井作業(yè)提高作業(yè)時效的目標(biāo);隨著養(yǎng)護(hù)時間延長,強(qiáng)度增大,但相對緩慢,主要是由于大量激活劑在早期即可發(fā)揮較強(qiáng)的激活效果,早起強(qiáng)度發(fā)展快。
在45 ℃條件下,對配方A固結(jié)體的強(qiáng)度進(jìn)行了測試,結(jié)果見表4。固結(jié)體滲透率變化情況見圖2、固結(jié)體SEM照片見圖3。
表4 固結(jié)體長期強(qiáng)度情況
圖2 固結(jié)體滲透率變化情況
圖3 固結(jié)體SEM照片
可見,隨著養(yǎng)護(hù)時間延長,固結(jié)體強(qiáng)度增大,在7 d后強(qiáng)度增加較緩慢,最終強(qiáng)度穩(wěn)定在18 MPa左右,可以滿足層間封隔長期強(qiáng)度要求;同時,滲透率逐步降低,超過7 d后,滲透率可下降至0.1×10-2mD以下,生成的膠結(jié)物越來越穩(wěn)定,具有良好的抗?jié)B能力;從微觀形貌可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)時間延長,固結(jié)體內(nèi)部孔隙減少,更加致密。
由于添加了激活劑,每種材料都具有很強(qiáng)的促凝作用,漿體的稠化時間往往不能有效延長。E-R10L是一種有機(jī)弱酸復(fù)配物,添加E-R10L可以中和激活劑,進(jìn)而起到調(diào)節(jié)稠化時間的目的。在45 ℃條件下,對E-BAC體系稠化時間進(jìn)行了測試,并使用緩凝劑E-R10L對稠化時間的可調(diào)性進(jìn)行了評價,加量分別0,2%,4%,6%(與礦渣質(zhì)量比),結(jié)果分別見圖4和圖5。
圖5 稠化時間與緩凝劑加量的關(guān)系
由圖4可知,E-BAC體系稠化曲線良好,過渡時間短,具備良好的防竄性能;稠化時間隨有機(jī)酸緩凝劑E-R10L的增加而延長,規(guī)律性良好,可以實現(xiàn)稠化時間的有效調(diào)節(jié)。
圖4 E-BAC體系在45 ℃條件下的稠化曲線
在鉆井液轉(zhuǎn)變?yōu)楣袒汉?,需要將固化液重新泵入需要封隔的層位。在頂替過程中,為了避免固化液與鉆井液的混合過程出現(xiàn)不良現(xiàn)象,需要對其與鉆井液進(jìn)行相容性評價。根據(jù)固井水泥漿相容性測試方法,在不同比例下,進(jìn)行了流變性能和強(qiáng)度性能的相容性測試,結(jié)果見表5。
表5 固化液與鉆井液的相容性性能
由表5可知,隨著E-BAC含量增大,黏度計的刻盤讀數(shù)呈現(xiàn)均勻上升,無數(shù)據(jù)異常,說明E-BAC體系與原BIODRILL A鉆井液體系有良好的相容性;且YP值也有規(guī)律的增大,可以實現(xiàn)對鉆井液的良好頂替;隨著E-BAC體系占比增大,固化強(qiáng)度增大,在一定范圍內(nèi),可以進(jìn)一步激活新混入的BIODRILL A鉆井液。
a.以礦渣為膠凝材料,以堿金屬氫氧化物、堿金屬碳酸鹽、堿金屬硅酸鹽為激活劑,可以有效地將BIODRILL A環(huán)保鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液。
b.構(gòu)建了密度為1.60 g/cm3的E-BAC體系,24 h強(qiáng)度可到12 MPa,長時間養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度無倒縮,固結(jié)體表現(xiàn)出良好的致密性,滿足固井長效封隔要求。有機(jī)酸緩凝劑可以中和激活劑,有效降低促凝效果,起到調(diào)節(jié)稠化時間的作用,可以有效拓展固化液的應(yīng)用邊界。
c.提供了一種有效處理海上鉆井過程中BIODRILL A鉆井液的方法,該法有效推動相關(guān)鉆井液的無害化處理,降低后續(xù)回收處理壓力。