選擇性絮凝劑在頁(yè)巖氣廢棄油基鉆井液中的應(yīng)用

＊王建華 耿愿* 黃賢斌 屈沅治 閆麗麗 史赫

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206 2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 山東 266580）

鉆井液又稱泥漿，被稱為鉆井的“血液”，是粘土粒子、多種化學(xué)劑在水中形成的復(fù)雜膠體-懸浮體多級(jí)分散體系。鉆井液的功能包括攜巖、冷卻鉆具、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁、傳遞水動(dòng)力和保護(hù)儲(chǔ)層。近年來(lái)，鉆井液在不斷發(fā)展進(jìn)步，鉆井液的分類逐漸細(xì)化，按流體介質(zhì)分類可分為，水基鉆井液、油基鉆井液、合成基鉆井液以及氣體鉆井液等類型。由于油基鉆井液的成本高和環(huán)境污染較大，目前水基鉆井液是國(guó)內(nèi)外主要用的鉆井液體系。但是與水基鉆井液相比，油基鉆井液有耐高溫、抗污染、有利于井壁穩(wěn)定、良好的潤(rùn)滑性以及保護(hù)油氣儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)有的復(fù)雜地層對(duì)鉆井液的要求越來(lái)越高，油基鉆井液還能適應(yīng)于各種復(fù)雜和高難度井段。

油基鉆井液主要包括各種油類、添加劑、有機(jī)土和水等，主要涵蓋全油基和油包水反相乳化兩種鉆井液體系。這種油基鉆井液體系通常適用于考量鉆井液穩(wěn)定性以及頁(yè)巖限制性兩種因素的地層，具體可包括高溫井、深井、粘卡和井壁垮塌等性質(zhì)較為復(fù)雜的地層。油基鉆井液具有極強(qiáng)的限制性和抗鹽、鈣污染的良好性能，而抗高溫性能強(qiáng)的油基鉆井液則可適用于深井；對(duì)于潤(rùn)滑性能強(qiáng)的油基鉆井液則可以應(yīng)用于水平井，從而有效地為油氣層提供保護(hù)作用。當(dāng)前階段，我國(guó)油基鉆井液大多適用于深井、大位移井、水平井等。

油基鉆井液是以油為外相的油包水乳液體系，具有強(qiáng)抑制性和高效潤(rùn)滑性等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中[1]。在油基鉆井液作業(yè)過(guò)程中，由于頁(yè)巖氣井水平段較長(zhǎng)、油基鉆井液攜巖能力差、固控設(shè)備性能有限等原因，部分巖屑反復(fù)在井內(nèi)磨削，經(jīng)鉆頭處高速剪切，使部分巖屑的粒徑大幅減小，大幅度增大了鉆井液中的低密度固相含量[2]。

油基鉆井液巖屑是一種危險(xiǎn)廢物，處理成本高[3]。鉆井過(guò)程中，由振動(dòng)篩出來(lái)的巖屑中含有大量的油，為了巖屑減量化，鉆井現(xiàn)場(chǎng)會(huì)利用甩干機(jī)對(duì)巖屑進(jìn)行甩干處理，甩干后出來(lái)的液體進(jìn)入高速離心機(jī)進(jìn)一步處理，甩干和離心后的固相運(yùn)輸至專業(yè)化工廠處理[4]。如果油基鉆井液密度低，高速離心機(jī)處理后排除的液體（簡(jiǎn)稱離心液）粘度低，可以直接用來(lái)配制油基鉆井液。但是較高密度條件下，離心液中低密度劣質(zhì)固相（主要是微小尺度巖屑）含量高，離心液類膏狀十分粘稠，難以重復(fù)利用[5]。經(jīng)調(diào)研，川渝地區(qū)單口井油基鉆井液鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生40～60方離心液，該部分離心液由于劣質(zhì)固相含量過(guò)高，無(wú)法重復(fù)配漿，運(yùn)輸和處理成本高且存在污染環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有鉆井液絮凝劑主要是針對(duì)水基鉆井液或油田廢水[6]，用于油基鉆井液的絮凝劑鮮有報(bào)道。中國(guó)石油大學(xué)（華東）和中石油工程技術(shù)研究院合作研制了一種油基鉆井液絮凝劑，在頁(yè)巖氣井廢棄油基鉆井液中開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文主要介紹了油基鉆井液絮凝劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝和效果。

1.頁(yè)巖氣油基鉆井液中低密度固相的特點(diǎn)

油基鉆井液低密度固相指的是鉆井液中的有機(jī)土和巖屑,通常平均密度為2.6g/cm3。對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的油基鉆井液，巖屑的含量遠(yuǎn)大于有機(jī)土的含量。因此，本文中提到的低密度固相主要是指巖屑。

由于油基鉆井液在水平段攜巖能力有限、離心機(jī)配套應(yīng)用時(shí)間不足等原因，導(dǎo)致大量巖屑反復(fù)在井內(nèi)循環(huán)磨削，使其粒徑大幅減小。除了粒度較小，由于頁(yè)巖氣地層巖石富含有機(jī)質(zhì)，油相頁(yè)巖表面接觸角小親油性強(qiáng)，且與水相相比，油相鋪展速度極快，說(shuō)明頁(yè)巖表面十分容易被油潤(rùn)濕，進(jìn)而容易在油基鉆井液中分散。此外油基鉆井液中的處理劑如潤(rùn)濕劑、乳化劑等在巖屑表面的吸附進(jìn)一步使其膠體化，增大了去除難度。

2.油基鉆井液絮凝劑及絮凝機(jī)理簡(jiǎn)介

油基鉆井液絮凝劑是利用親油單體、陽(yáng)離子單體聚合反應(yīng)而成，是一種油溶性的聚合物。油基鉆井液絮凝劑是陽(yáng)離子聚合物，帶正電。低密度劣質(zhì)固相主要是巖屑，表面帶負(fù)電，可與陽(yáng)離子絮凝劑通過(guò)靜電作用吸附。因此，利用油基鉆井液絮凝劑與油基鉆井液中固相之間作用力的強(qiáng)弱，可達(dá)到選擇性絮凝劣質(zhì)固相的目的。

3.試驗(yàn)工藝和實(shí)驗(yàn)方法

(1)對(duì)廢棄巖屑離心液的處理工藝

①將泥漿罐中的離心液攪拌0.5h，取樣為樣品1。

②開啟高速離心機(jī)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為3200r/min，將泥漿罐中的離心液進(jìn)行再次離心處理后取樣為樣品2。

③在另一個(gè)泥漿罐中加入1%的油基絮凝劑，攪拌0.5h，開啟離心機(jī)，主機(jī)轉(zhuǎn)速：3200r/min，將罐內(nèi)漿體進(jìn)行離心處理，取樣為樣品3。

(2)固相含量和低密度固相含量的測(cè)試

利用固相含量測(cè)試儀對(duì)離心液或鉆井液進(jìn)行蒸餾，收集水相和油相，稱量固相的質(zhì)量，參考GB/T 16783.2鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)第2部分油基鉆井液，計(jì)算固相含量和低密度固相含量。

(3)流變參數(shù)、電穩(wěn)定性的測(cè)試

參照GB/T 16783.2鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)第2部分油基鉆井液中的要求，測(cè)試?yán)匣昂箅x心液或鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)塑比、初終切等流變參數(shù)以及破乳電壓。

4.試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)與鉆井液的配伍性

由表1可見，加入絮凝劑后，鉆井液表觀粘度和塑性粘度均有一定程度的降低，表明絮凝劑對(duì)鉆井液的流變參數(shù)無(wú)不良影響，并可以通過(guò)絮凝劣質(zhì)固相，改善鉆井液的流變性能。

表1 絮凝劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能的影響

(2)絮凝效果分析

表2 絮凝劑對(duì)離心液的處理效果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)離心液進(jìn)行了絮凝處理，并做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。樣品1是原始的離心液，也就是巖屑經(jīng)過(guò)甩干機(jī)和離心機(jī)處理之后得到的液相，高含微固相，總固相含量為29.3%，低密度固相為15.97%，密度為1.54g/cm3；樣品2是原始離心液經(jīng)過(guò)了二次離心（未添加絮凝劑）后得到的液體，總固相含量為27.5%，低密度固相為14.71%，密度為1.51g/cm3，樣品2的目的是為了和樣品3做對(duì)比實(shí)驗(yàn)；樣品3是原始的離心液加入1%絮凝劑之后，經(jīng)過(guò)離心后得到的液體，總固相含量為21.5%，低密度固相為10.85%，密度為1.39g/cm3。可見，不添加絮凝劑對(duì)離心液進(jìn)行處理，鉆井液密度、總固相含量和低密度固相含量下降幅度不大，從表象來(lái)看，即是離心機(jī)離心出來(lái)的固相較少，其中低密度固相含量下降1.26%。而加入絮凝劑之后，鉆井液密度、總固相含量和低密度固相含量下降較為明顯，其中低密度固相含量下降5.06%?，F(xiàn)場(chǎng)井漿的低密度含量為10.91%，與絮凝離心后的樣品較為接近。因此，經(jīng)過(guò)絮凝劑離心處理，廢棄離心液的低密度固相含量和現(xiàn)場(chǎng)井漿的相當(dāng)，達(dá)到了回收利用的要求。此外，絮凝劑對(duì)油基鉆井液油水比幾乎沒(méi)有影響。

(3)離心液重復(fù)利用

將絮凝后的離心液加重至現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的密度，按照10%、20%、30%的質(zhì)量比混入現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中，測(cè)試鉆井液性能變化。參照上述方法，絮凝后的離心液與未經(jīng)絮凝處理的離心液作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢?，在井漿基礎(chǔ)之上加入未絮凝的離心液并加重，鉆井液粘度和切力上升較大，破乳電壓降低。這主要是因?yàn)殡x心液本身十分粘稠，微固相尤其是低密度固相含量高，不利于鉆井液的流變性。而井漿加入10%～20%絮凝處理的離心液之后，粘度切力均下降明顯，這說(shuō)明絮凝劑在油基鉆井液中起到了關(guān)鍵的作用。但是當(dāng)絮凝處理后的離心液加量過(guò)大時(shí)（比如30%），井漿的粘切仍然會(huì)明顯上升，且老化后略有上升，尤其是終切上升較大。因此，井漿中混入絮凝離心液的體積最大為20%。通過(guò)加入絮凝劑對(duì)離心液進(jìn)行處理后，按照20%的量混入井漿中進(jìn)行回收利用，單口井可回收40～45方的廢棄離心液，一方面使廢棄離心液重復(fù)利用，另一方面也節(jié)省了廢棄離心液的運(yùn)輸和處理費(fèi)用。

表3 離心液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變參數(shù)的影響

5.結(jié)論

油基鉆井液鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑離心液具有低密度、高固相、粘度大以及難以重復(fù)利用等難以處理的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先介紹了頁(yè)巖氣油基鉆井液中低密度固相的特點(diǎn)、使用的油基鉆井液絮凝劑和絮凝機(jī)理以及巖屑廢棄離心液中的現(xiàn)場(chǎng)處理工藝，實(shí)驗(yàn)研究了油基鉆井液絮凝劑與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性，最后分析了油基鉆井液絮凝劑的作用效果以及絮凝后離心液的回收處理方法，并得到以下結(jié)論：

（1）頁(yè)巖氣油基鉆井液廢棄離心液中劣質(zhì)固相含量高、粒度小、親油性強(qiáng)，常規(guī)的三級(jí)固控設(shè)備難以去除；

（2）油基鉆井液絮凝劑是一種陽(yáng)離子的聚合物，能夠選擇性絮凝微小尺度的巖屑；

（3）油基鉆井液絮凝劑與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配伍性良好，可以一定程度上降低油基鉆井液的粘度，改善流變性；

（4）油基鉆井液絮凝劑可以大幅度降低廢棄離心液的低密度固相含量，處理后低密度固相含量與現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液的低密度固相含量相當(dāng)；

（5）絮凝處理后的離心液按20%的加量加入到油基鉆井液中，對(duì)油基鉆井液的性能影響很小，可以使廢棄物得到重復(fù)利用。