渤海廢棄PEC鉆井液MTC技術(shù)研究

＊李偉 武同良 卜繼勇 郭玉樹 李斌 張貴磊

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油化事業(yè)部 天津 300459 2.中國石油大學(xué)（華東）山東 266580）

1.引言

隨著國家環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，海洋鉆井對環(huán)境的影響越來越受到重視。渤海灣是我國海上油氣主要聚集區(qū)之一，水體交換速度慢，一旦水體受到污染，生態(tài)恢復(fù)周期長[1]。渤海油田鉆井過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物，從保護(hù)渤海灣生態(tài)環(huán)境來看，所有海上油氣鉆井所涉及到的鉆井液和鉆屑做到零排放勢在必行[2]。目前，國內(nèi)外對于鉆井液的處理方法有回注、固化處理法、鉆井液轉(zhuǎn)固井液法（MTC）、固液分離、蒸餾熱處理法、生物降解法等[3-5]。其中，MTC技術(shù)不僅能有效處理廢棄鉆井液，而且能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物再利用。2008年新疆石油管理局張興國等人[6]根據(jù)新疆油田現(xiàn)場工況，研制出一種新型超低密度MTC固化液體系，較好地解決了這些區(qū)塊地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜、壓力安全窗口窄、固井過程中易漏易侵的問題。楊振杰等人[7]提出了使用優(yōu)質(zhì)鉆井液提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的觀點(diǎn)，UF技術(shù)和MTC技術(shù)均能有效地降低循環(huán)漏失，改善油氣井固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量，進(jìn)而提高固井質(zhì)量。冀東石油勘探開發(fā)公司，大港油田，西南石油大學(xué)，中國石化石油勘探開發(fā)研究院，德州石油鉆井研究所等單位[8]分別以不同的方法對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)研究，并取得了階段性成果。

為此，本文針對渤海油田廢棄PEC鉆井液，結(jié)合渤海油田現(xiàn)場具體工況，優(yōu)選出適用于其鉆井液體系的粉煤灰、MTC增強(qiáng)用激發(fā)劑、分散劑、降失水劑，形成低密度固化液基本配方，構(gòu)建MTC固井用水泥漿體系，大幅改進(jìn)固化體力學(xué)性能，解決了廢棄PEC鉆井液處理環(huán)保要求嚴(yán)格的問題。

2.實(shí)驗(yàn)材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料

渤海油田PEC鉆井液（現(xiàn)場取樣）；堿激發(fā)粉煤灰；MTC用系列增強(qiáng)激發(fā)劑（德州華聯(lián)高新技術(shù)有限公司）；MTC用分散劑（C-F42L、SYJZ-1、DHM401）；MTC用降失水劑（DHM301、DHG301、DHG306）。

(2)儀器設(shè)備

水泥漿恒速攪拌機(jī)、水泥石方形制形模具、水泥石水浴養(yǎng)護(hù)箱中壓失水儀（青島同春石油儀器有限公司）、ZNN-D68型電動(dòng)六速粘度計(jì)（青島海通達(dá)專用儀器有限公司）。

3.MTC固井用水泥漿體系構(gòu)建

(1)MTC用增強(qiáng)激發(fā)劑的優(yōu)選

基于渤海水基鉆井液體系組成，以堿激發(fā)粉煤灰為膠結(jié)材料，研選適合的MTC用增強(qiáng)激發(fā)劑及鉆井液摻量比，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求（MTC水泥漿密度在1.4～1.6g/cm3條件下；36h，45℃，強(qiáng)度10MPa）。

以膠結(jié)材料干粉質(zhì)量為基準(zhǔn)，將膠結(jié)材料和不同的激活劑混合均勻，以鉆井液作為液相，控制膠結(jié)材料與鉆井液的摻量比，手動(dòng)攪拌均勻后利用恒速攪拌機(jī)以低速4000r/min進(jìn)行攪拌，15s之后，機(jī)器將以12000r/min的速率轉(zhuǎn)動(dòng)35s，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后，水泥漿配制完成，測試不同摻量比下MTC水泥漿密度。設(shè)計(jì)MTC固化液密度在1.4～1.6g/cm3范圍內(nèi)，如表1所示，優(yōu)選堿激發(fā)粉煤灰加量，對PEC鉆井液體系，粉煤灰加量為50%。

表1 MTC固化工作液體系密度設(shè)計(jì)Tab.1 Density design of MTC curing working fluid system

將混合均勻的膠結(jié)材料和激活劑加入鉆井液，之后將制備好的水泥漿倒入50mm×50mm×50mm（柱形養(yǎng)護(hù)試件可能需要定制成可拆卸式）的方形模具中，把模具放入常溫常壓養(yǎng)護(hù)箱或者高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜進(jìn)行一定溫度、時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后取出，冷卻后，利用水泥石強(qiáng)度測試儀測試不同MTC水泥石強(qiáng)度。

在激活劑DHM101和DHM102及其對應(yīng)激活助劑不同加量條件下，對PEC體系進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究，如表2與表3，當(dāng)激活劑加量為4.5%時(shí)，PEC體系形成的水泥石抗壓強(qiáng)度超過10MPa，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，其中，激活劑DHM101與激活助劑DHM201的效果要優(yōu)于激活劑DHM102與激活助劑DHM202的效果。從表2還可看出，當(dāng)DHM101加量一定時(shí)，隨著激活助劑DHM201加量的增加，抗壓強(qiáng)度增加，但增加幅度較小。因此，確定PEC體系增強(qiáng)激發(fā)劑為4.5% DHM101和2.5% DHM201。

表2 激活劑DHM101加量優(yōu)選Tab.2 Dosage optimization of activator DHM101

表3 激活劑DHM102加量優(yōu)選Tab.3 Dosage optimization of activator DHM102

(2)MTC用分散劑的優(yōu)選

基于激活劑及鉆井液摻量比優(yōu)選，配制MTC水泥漿，加入不同分散劑，參照API標(biāo)準(zhǔn)10B-2，利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量流變性。應(yīng)用賓漢模型和冪律模型的計(jì)算方法分別計(jì)算出塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)。

PEC體系MTC水泥漿基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿1#：PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201；

實(shí)驗(yàn)水泥漿2#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% C-F42L；

實(shí)驗(yàn)水泥漿3#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% SYJZ-1；

實(shí)驗(yàn)水泥漿4#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，由表4可看出，當(dāng)分散劑的加量為0.5%時(shí)，PEC體系水泥漿的流性指數(shù)n＞0.55，此時(shí)，水泥漿的流變性能良好。說明該水泥體系與常用分散劑均有比較好的配伍性，流變性比較容易調(diào)節(jié)。上述三種分散劑中，DHM401加量在0.5%時(shí)，水泥漿的流性指數(shù)最大且稠度系數(shù)K＜0.7。因此，優(yōu)選DHM401為此PEC水泥體系的分散劑。

表4 分散劑對PEC體系水泥漿流變性能影響實(shí)驗(yàn)Tab.4 Effect of dispersant on rheological properties of PEC system cement slurry

(3)MTC用降失水劑的優(yōu)選

基于激活劑及鉆井液摻量比優(yōu)選，配制MTC水泥漿，加入不同降失水劑，參照API標(biāo)準(zhǔn)10B-2，利用常溫常壓稠化儀稠化20min，后取出放入靜態(tài)濾失儀，對水泥漿的失水量進(jìn)行測試。

實(shí)驗(yàn)水泥漿5#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHM301；

實(shí)驗(yàn)水泥漿6#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHG301；

實(shí)驗(yàn)水泥漿7#：實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHG306。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5所示，由表中數(shù)據(jù)可看出，針對PEC體系，優(yōu)選出的MTC用降失水劑為DHM301。

表5 降失水劑對PEC體系水泥漿濾失性能影響實(shí)驗(yàn)Tab.5 Effect of fluid loss additive on filtration performance of PEC system cement slurry

通過對MTC固井水泥漿體系的外加劑進(jìn)行優(yōu)選，確定固井水泥漿體系各種外加劑的類型和加量，得到基礎(chǔ)配方為：PEC體系MTC水泥漿配方PM：PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201+0.5% DHM401+0.5% DHM301。

4.MTC固井用水泥漿性能評價(jià)

(1)水泥漿流變性能研究

水泥漿的流變模式確定：

式中，F(xiàn)—流變模式判別系數(shù)；

θ200—轉(zhuǎn)速200r/min時(shí)的儀器讀數(shù)。

當(dāng)0.5-0.03＜F＜0.5+0.03時(shí)選用賓漢模式，否則選用冪律模式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到本體系水泥漿流變模式判別系數(shù)F=0.536，因此選用冪律模式。通過冪律模式的公式計(jì)算得出流性指數(shù)n=0.856，稠度系數(shù)K=0.536Pa·sn，冪律方程為τ=0.536γ0.856。

(2)水泥漿稠化性能研究

將配制好的水泥漿裝入常壓稠化儀，于80℃，0.1MPa條件下測得PEC水泥漿體系的稠化時(shí)間為316min，初始稠度為4Bc，稠化過渡時(shí)間為18min。

(3)水泥漿失水性能研究

將水泥漿放入稠度儀中于相應(yīng)溫度下稠化20min，然后盡可能快地將水泥漿放入濾失儀中。最初施加壓力的瞬間開始記時(shí)，濾液讀數(shù)應(yīng)在30s、1min、2min、5min、7.5min、10min、15min、25min和30min時(shí)各記錄一次，精確到±1mL。計(jì)算濾失量，用mL/30min表示。對于滿30min未發(fā)生氣穿的實(shí)驗(yàn)，測量所收集的濾液體積，并乘以2作為濾失量。

由表6看出，30min時(shí)未發(fā)生氣穿，此時(shí)PEC體系固井泥漿失水12.8mL，水泥漿體系的濾失量為25.6mL/30min，滿足《SY/T 6544-2017油井水泥漿性能要求》，小于50mL/30min。

表6 氣穿前不同時(shí)間濾液的體積Tab.6 Filtrate volume at different time before gas penetration

(4)水泥石抗壓強(qiáng)度研究

將配好的水泥漿倒入模具中，在45℃×0.1MPa的條件下分別養(yǎng)護(hù)24h、36h、48h、7d，并測得它們的單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表7。由表中數(shù)據(jù)可知，PEC體系水泥石養(yǎng)護(hù)36h抗壓強(qiáng)度為13.968MPa，7d抗壓強(qiáng)度為27.215MPa，滿足油田現(xiàn)場工程需要。

表7 水泥漿抗壓強(qiáng)度Tab.7 Compressive strength of cement slurry

5.結(jié)論

（1）通過對MTC固井水泥漿體系的外加劑進(jìn)行優(yōu)選，確定固井水泥漿體系各種外加劑的類型和加量，得到基礎(chǔ)PEC體系MTC水泥漿配方PM，組成如下：

PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201+0.5% DHM401+0.5% DHM301。

（2）渤海廢棄水基鉆井液MTC水泥漿體系具有良好的流變性能，且其流變模式更符合冪律模式。

（3）渤海廢棄水基鉆井液MTC水泥漿體系稠化時(shí)間為316min、濾失量為25.6mL/30min、水泥石養(yǎng)護(hù)36h抗壓強(qiáng)度為13.968MPa、7d抗壓強(qiáng)度為27.215MPa，滿足油田現(xiàn)場工程需要。