環(huán)保型可循環(huán)利用BIODRILL A水基鉆井液評(píng)價(jià)與應(yīng)用*

雷志永 郭 磊 耿 鐵 陳 強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 天津 300459)

在海洋石油鉆井過(guò)程中，環(huán)境保護(hù)一直是作業(yè)者所關(guān)注的重點(diǎn)，除了滿足安全鉆井需求，還要求鉆井液環(huán)保達(dá)標(biāo)才能獲得作業(yè)許可[1]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4914—2008[2]和GB 18420.1—2009[3]允許鉆井作業(yè)中排放部分非儲(chǔ)層段且滿足環(huán)保法規(guī)要求的水基鉆井液，以減輕存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)壓力。但隨著勘探開發(fā)進(jìn)程加快，海上油氣田鉆井頻次迅猛上漲，即便滿足環(huán)保要求，鉆井液中的大量懸浮物對(duì)海洋環(huán)境仍然造成了很大影響[4]。為此，新修訂的《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》加強(qiáng)了監(jiān)管力度，嚴(yán)格控制了海上鉆完井過(guò)程中井筒流體排放的量，表明了逐步朝“零排放”發(fā)展的決心，大大增加了海上油田減排壓力[5]。

國(guó)外油田在面臨減排壓力情況下，通常使用油基、合成基等非水基流體作業(yè)以保證重復(fù)利用效率，從源頭減少鉆井液處理量[6]。中國(guó)雖然近些年在頁(yè)巖氣井和其他復(fù)雜井開發(fā)中應(yīng)用油基鉆井液居多[7]，但海上受廢棄鉆井液及鉆屑處理等配套設(shè)施不完善的影響，還未得到大面積推廣，仍然以水基鉆井液為主。常用的水基鉆井液回收利用技術(shù)都局限于固液分離，受鉆井液膠體穩(wěn)定性影響，存在能耗大、效果差、費(fèi)用高等問(wèn)題[8-11]。而渤海油田因作業(yè)需求，需要先用海水膨潤(rùn)土漿從淺層(200～400 m)開鉆，深鉆超過(guò)1 000 m，然后轉(zhuǎn)化成聚合物體系，無(wú)疑增大了回收處理量。若要實(shí)現(xiàn)“零排放”，必須從淺層開始直接使用配套水基鉆井液體系鉆進(jìn)，再借鑒油基鉆井液重復(fù)利用技術(shù)[12-14]進(jìn)行統(tǒng)一回收利用，這就要求體系克服淺部軟泥巖地層強(qiáng)分散和強(qiáng)膨脹的問(wèn)題和平臺(tái)固控條件受限且鉆井液過(guò)篩性不足導(dǎo)致固相含量升高引起增稠的問(wèn)題。

為此，室內(nèi)開展了環(huán)保型可循環(huán)利用水基鉆井液研究，解決了常規(guī)水基鉆井液過(guò)篩性能不足和耐泥巖污染性能差的問(wèn)題，提高了鉆井液活性固相容量限，并在渤海油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用46口井，實(shí)現(xiàn)了水基鉆井液連續(xù)可循環(huán)利用，大幅減少了單井鉆井液用量，為實(shí)現(xiàn)渤海油田全面“零排放”奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 可循環(huán)利用技術(shù)原理

為實(shí)現(xiàn)渤海油田水基鉆井液的可循環(huán)利用，必須保證體系具備優(yōu)良的抗鉆屑污染性能、優(yōu)質(zhì)的包被抑制性能和過(guò)篩性能，以控制較低的固相含量和保持鉆井液流變穩(wěn)定?；诖藰?gòu)建了環(huán)保型可循環(huán)利用BIODRILL A水基鉆井液體系，該體系構(gòu)成簡(jiǎn)單，功能單一：

1) 從無(wú)土相著手為研制適合淺部軟泥巖地層作業(yè)的水基鉆井液奠定基礎(chǔ)，以提高鉆井液活性固相容量限，且所用處理劑均采用可生物降解，無(wú)生物毒性材料，保證環(huán)保性能。

2) 采用PF-BIOVIS為增黏提切劑，通過(guò)其與淀粉PF-FLOTROL的交聯(lián)協(xié)同作用形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，然后利用聚陰離子纖維素PF-PAC-LV護(hù)膠作用協(xié)同降低濾失量。

3) 結(jié)合可循環(huán)利用技術(shù)要點(diǎn)，一方面采用環(huán)保抑制劑BIOTROL提高鉆井液的抑制性，使其具備類油基鉆井液的強(qiáng)抑制性，防止泥巖水化，提高耐泥巖污染性能，利用化學(xué)手段穩(wěn)定鉆井液流變；另外一方面，開發(fā)新型低分子量易降解包被劑BIOCAP，兼顧鉆井液包被抑制性能和過(guò)篩性能，同時(shí)配合“高目數(shù)篩布+高頻離心機(jī)+除泥除砂器”構(gòu)成高效固控手段有效清除劣質(zhì)固相，配套使用物理機(jī)械手段以確保鉆井液流變性能穩(wěn)定。

4) 采用無(wú)機(jī)鹽NaCl來(lái)降低體系活度，提高體系防腐能力，防止鉆井液變質(zhì)以便循環(huán)利用。

5) 針對(duì)不同區(qū)塊不同地層，通過(guò)菜單式管理方法，選擇不同材料及材料加量，使鉆井液具有通用性，適用于渤海油田大面積推廣使用。

根據(jù)大量室內(nèi)試驗(yàn)，確定了處理劑綜合最優(yōu)加量，最終根據(jù)目標(biāo)作業(yè)區(qū)塊特點(diǎn)確定水基鉆井液BIODRILL A體系的基本配方為：海水+2～3 kg/m3Na2CO3+2～3 kg/m3NaOH+2～5 kg/m3PF-BIOVIS+10～20 kg/m3PF-FLOTROL+1～5 kg/m3PF-PAC-LV+4～6 kg/m3PF-BIOCAP+100～120 kg/m3NaCl+30～50 kg/m3PF-BIOTROL+20～40 kg/m3PF-BIOLUBE +根據(jù)需要加石灰石/重晶石調(diào)節(jié)比重。

2 室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 基礎(chǔ)性能

按照基本配方配制BIODRILL A鉆井液，采用OFI800型流變儀測(cè)試基礎(chǔ)性能，結(jié)果見表1。由表1可知， BIODRILL A鉆井液老化前后的流變性能非常穩(wěn)定，且具有低黏(塑性黏度低)、高切(動(dòng)切力高)的效果，同時(shí)動(dòng)塑比大于0.6 Pa/(mPa·s)，有助于大斜度井和水平井?dāng)y砂；另外，老化前后API濾失量均小于4.0 mL，控濾失效果好，且摩擦系數(shù)小于0.1，具有良好降摩減阻性能，滿足現(xiàn)場(chǎng)水平井鉆井作業(yè)需求。

表1 BIODRILL A鉆井液基礎(chǔ)性能Table 1 Basic properties of BIODRILL A drilling fluid

2.2 包被抑制性能

為了評(píng)價(jià)BIODRILL A鉆井液對(duì)鉆屑的包被抑制能力，分別在體系中加入易水化分散的渤中區(qū)塊上部軟泥巖鉆屑和標(biāo)準(zhǔn)HolePlug巖屑，采用滾動(dòng)回收法評(píng)價(jià)其抗鉆屑分散的能力，結(jié)果見表2。由表2可知，渤中上部軟泥巖和標(biāo)準(zhǔn)HolePlug巖屑在海水中極易分散，回收率不到15.0%，而在BIODRILL A鉆井液中的回收率分別達(dá)到91.4%和94.5%，這說(shuō)明該體系具有很好的包被抑制作用，能夠有效阻止鉆屑水化分散，保持鉆屑完整性，減少固相侵入，為后期循環(huán)利用奠定基礎(chǔ)。

表2 BIODRILL A鉆井液包被抑制性能Table 2 Coating inhibition performance of BIODRILL A drilling fluid

2.3 抗泥巖污染性能

為了驗(yàn)證BIODRILL A鉆井液對(duì)渤中上部明化鎮(zhèn)軟泥巖的抗污染能力，向體系中分別加入20%、30%、40%、50%的渤中上部明化鎮(zhèn)軟泥巖粉末(過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩)，通過(guò)測(cè)試?yán)匣昂罅髯冃阅茉u(píng)價(jià)其抗泥巖污染能力。同時(shí)，為了評(píng)價(jià)體系可循環(huán)利用性能，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)離心機(jī)對(duì)體系細(xì)顆粒固相的清除能力，在室內(nèi)使用離心機(jī)對(duì)泥巖污染后的鉆井液進(jìn)行離心分離固相操作。實(shí)驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速1 500 r/min，時(shí)間8 min。收集離心管上層漿液并測(cè)試其密度、流變參數(shù)、濾失量和膨潤(rùn)土當(dāng)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3數(shù)據(jù)可以看出：20%軟泥巖污染后體系流變基本無(wú)變化，濾失量反而有所降低，一方面是由于無(wú)土相體系具備較高的活性固相容量限，低泥巖侵入量對(duì)體系影響不大，另一方面是由于泥巖的侵入豐富了泥餅組分及構(gòu)成，形成了更為致密的泥餅結(jié)構(gòu)，起到了降濾失的作用；隨著泥巖侵入量進(jìn)一步提高，體系黏切出現(xiàn)一定幅度上漲，但整體流變?nèi)栽?/p>

表3 不同加量污染土對(duì)體系性能影響對(duì)比Table 3 Performance comparison of different dosage of contaminated soil

可控范圍內(nèi)，鉆井液流動(dòng)性良好，說(shuō)明該體系抑制性強(qiáng)，抗泥巖污染性能好。同時(shí)，受泥巖污染后的鉆井液可以通過(guò)離心操作明顯降低密度、黏切和膨潤(rùn)土當(dāng)量，為現(xiàn)場(chǎng)鉆井液循環(huán)再利用提供可行性參考和指導(dǎo)。

2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能

選擇氣測(cè)滲透率Kg為200 ～300 mD 的巖心進(jìn)行巖心污染驅(qū)替試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4結(jié)果可知： BIODRILL A 鉆井液的滲透率恢復(fù)率Rd>90%，符合《海洋石油手冊(cè)》中鉆井液滲透率恢復(fù)率≥85%的規(guī)定，能夠滿足海上鉆井對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)的要求。

表4 巖心儲(chǔ)層保護(hù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Experimental evaluation results of core reservoir protection

2.5 生物降解性能

生物降解性能除受處理劑自身結(jié)構(gòu)的影響外，還與溫度、pH 值、受試物濃度以及與其他物質(zhì)的作用、其他生物源、生物量等生物條件有關(guān)。根據(jù)相關(guān)資料和室內(nèi)研究條件選擇生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODcr)來(lái)評(píng)價(jià)水基鉆井液BIODRILL A的生物降解性能， 結(jié)果見表5。由表5可知，BIODRILL A鉆井液體系的生物降解性BOD5/CODcr=25%。按照BOD5/CODcr<10%難降解、10%≤BOD5/CODcr<25%可降解、BOD5/CODcr≥25%易降解的生物降解分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，該體系的生物降解性能優(yōu)異。

表5 BIODRILL A鉆井液生物降解性測(cè)試結(jié)果Table 5 Biodegradability test results of BIODRILL A drilling fluid

2.6 海洋生物毒性

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性：第1 部分：分級(jí)》水基鉆井液的生物毒性容許值規(guī)定，在一級(jí)海區(qū)中，如果生物毒性檢驗(yàn)結(jié)果大于30 000 mg/L ，便符合生物毒性要求。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18420.1—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性檢驗(yàn)方法：第2部分：檢驗(yàn)方法》對(duì)水基鉆井液BIODRILL A進(jìn)行了生物毒性檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果表明，BIODRILL A鉆井液蒙古裸腹溞Ⅰ齡幼體72 h LC50為391 000 mg/L>30 000 mg/L，說(shuō)明其毒性分級(jí)為無(wú)毒，符合國(guó)家1級(jí)海域排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

可重復(fù)利用BIODRILL A 水基鉆井液在渤海油田勘探開發(fā)區(qū)域已進(jìn)行46井次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)用水基鉆井液從淺層(200～400 m)大段軟泥巖地層直接開鉆，表現(xiàn)出優(yōu)異的流變性、抑制性和抗泥巖污染穩(wěn)定性，取得了良好的應(yīng)用效果(以QHD32—6—F1H3井及QHD32—6—F4H3井重復(fù)使用效果為例)。

3.1 良好的流變性能

可重復(fù)利用BIODRILL A 水基鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間，鉆井液性能穩(wěn)定，維護(hù)處理簡(jiǎn)單，達(dá)到了安全快速鉆進(jìn)的目的。對(duì)應(yīng)用的首口井F1H3井，鉆井液從入井后直到完鉆，φ311.15 mm井眼排量在4 200 L/min情況下，至少可過(guò)140目篩布，大排量作業(yè)實(shí)現(xiàn)使用180～200目篩布，期間鉆井液性能穩(wěn)定(表6)。平均倒劃眼速度4～5柱/h，倒劃眼期間，黏度漲至64 s，密度1.18 g/cm3。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)期間，更換180～200目篩布，測(cè)定井底返出鉆井液漏斗黏度54～72 s，測(cè)定打鉆期間漏斗黏度維穩(wěn)在48～56 s(一周半時(shí)間)，期間排量4 000～4 200 L/min，振動(dòng)篩不跑漿。

表6 QHD32—6—F1H3井φ311.15 mm井段鉆井液流變性能Table 6 Rheological properties of drilling fluid in φ311.15 mm interval of Well QHD32—6—F1H3

3.2 良好的固相清潔效率

鉆進(jìn)中BIODRILL A 水基鉆井液流變性能穩(wěn)定、可調(diào)控性能好，不僅得益于體系的強(qiáng)抑制性，還離不開高效的固控手段。體系在應(yīng)用過(guò)程中雖然密度由開鉆的1.10 g/cm3上漲至完鉆的1.18 g/cm3，但利用離心機(jī)和振動(dòng)篩可將密度降低至1.13 g/cm3，固相清除效率可達(dá)62.5%。離心機(jī)處理后，鉆井液黏切及膨潤(rùn)土當(dāng)量均有明顯下降(表7)，為體系的重復(fù)再利用提供有效保障。

表7 離心機(jī)處理前后鉆井液性能對(duì)比Table 7 Performance comparison of drilling fluid before and after centrifuge treatment

3.3 良好的重復(fù)利用效果

QHD32—6—F4H3井二開井眼尺寸φ311.15 mm，井深2 406 m，僅使用550 m3新漿，回收使用QHD32-6-F1H3井老漿320 m3；在重復(fù)使用前，老漿采用循環(huán)池-沉砂池建立循環(huán)，使用高速離心機(jī)處理老漿，降低密度和固相含量；因老漿過(guò)篩性好且性能穩(wěn)定，故現(xiàn)場(chǎng)采用處理后的老漿與新膠液按2∶1配制開鉆鉆井液，剩余老漿與新配膠液按1∶3混配作為維護(hù)膠液調(diào)整鉆井液性能；開鉆直接采用140目以細(xì)篩布，鉆進(jìn)過(guò)程中，性能穩(wěn)定(表8)。

表8 QHD32—6—F4H3井φ311.15 mm井段鉆井液流變性能Table 8 Rheological properties of drilling fluid in φ311.15 mm interval of Well QHD32—6—F4H3

3.4 良好的井眼穩(wěn)定性

QHD32—6—F1H3及QHD32—6—F4H3井均保持了良好的井壁穩(wěn)定性，QHD32—6—F1H3井完井深2 418 m(垂深1 484.7 m)，井斜90°，套管順利下至2 414.5 m；QHD32—6—F3H4井完井深2 406 m(垂深1 484.7 m)，井斜90°，套管順利下至2 402.5 m；應(yīng)用該體系所鉆φ311.15mm井眼規(guī)則，期間投電石測(cè)兩口井井眼擴(kuò)大率最大19%，后期下鉆及下套管無(wú)任何阻掛，固井順利。

3.5 良好的“零排放”效果

渤海油田淺層以往先用海水膨潤(rùn)土漿深鉆，鉆進(jìn)至1 200 m轉(zhuǎn)化為改進(jìn)型PEC體系，期間海水膨潤(rùn)土漿無(wú)法充分循環(huán)利用，大部分會(huì)被排掉或者轉(zhuǎn)運(yùn)至陸地處理，產(chǎn)生海水膨潤(rùn)土廢漿約416 m3/井，另外新配改進(jìn)型PEC體系900 m3/井，實(shí)際鉆井液使用量高達(dá)1 316 m3/井。而BIODRILL A體系可直接淺層開鉆，全程“零排放”，兩口井累計(jì)配漿1 260 m3，連續(xù)重復(fù)利用量為320 m3，平均單井鉆井液使用量?jī)H790 m3，減少約60%；相對(duì)同等井深所用海水膨潤(rùn)土漿及改進(jìn)型PEC體系減排60%，顯著降低鉆井液回收壓力和回收處理費(fèi)用。

4 結(jié)論

通過(guò)開展渤海油田環(huán)保型可循環(huán)利用水基鉆井液研究，得到以下認(rèn)識(shí)：

1) 室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：環(huán)保型可循環(huán)利用BIODRILL A 水基鉆井液LC50值為391 000 mg/L(大于標(biāo)準(zhǔn)30 000 mg/L)，對(duì)環(huán)境友好無(wú)毒害；BOD5/CODcr=25.0%，易生物降解；包被抑制性強(qiáng)，渤中上部軟泥巖和標(biāo)準(zhǔn)HolePlug巖屑滾動(dòng)回收率分別為91.4%和94.5%；流變性能穩(wěn)定，20%軟泥巖污染后體系黏切波動(dòng)很小，且50%軟泥巖污染后仍具有較好流動(dòng)性，通過(guò)離心處理可大幅度降低黏切和活性黏土含量，滿足循環(huán)利用要求。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：環(huán)保型可循環(huán)利用BIODRILL A 水基鉆井液體系在渤海油田首次實(shí)現(xiàn)用水基鉆井液從軟泥巖淺層(200～400 m)直接開鉆，全程零排放、零置換；該體系過(guò)篩性好，φ311.15 mm井眼排量在4 200 L/min情況下，至少可過(guò)140目篩布，大排量作業(yè)實(shí)現(xiàn)使用180目篩布；相對(duì)以往所鉆淺層大井眼井，該體系單井可實(shí)現(xiàn)減排60%，大幅降低鉆井液回收壓力和回收處理費(fèi)用。目前已在渤海油田成功應(yīng)用46口井，通過(guò)循環(huán)利用，平均單井鉆井液使用量減少約60%，不僅從源頭上減少鉆井液的使用量，而且為渤海油田持續(xù)綠色穩(wěn)產(chǎn)及后續(xù)開發(fā)提供了有效保障。