井工厂化作业钻井液关键技术

杨 鹏

(中国石油长城钻探公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

井工厂化作业技术采用类似工厂流水线式的生产方法或方式，在同一地区集中布置大批相似井型并钻探相似地层，应用大量标准化的装备，生产或装配流水线的作业方式，通过批量施工、交叉作业、物资共享和集中管理等多种途径，来减少土地占用面积、节约资源、降低成本，进而提高油气田开发效益[1-3]。针对中国传统的石油勘探开发施工作业效率低、管理水平不高的问题，在借鉴国外井工厂化作业先进经验的基础上，由中国石油天然气集团公司和中国石油化工集团公司分别组织研究单位探索井工厂化作业模式。井工厂化作业技术主要用于低渗透天然气、致密油气、页岩气等非常规资源开发，以实现最大限度集成和集约分散的作业模式的目的。该技术的应用可大大缩短施工周期，使施工作业方式发生质的飞跃。

钻井液技术是井工厂化作业的重要组成部分，其特点在于：多口井同开次钻井液体系相同，经处理后可以循环利用，提高了钻井液利用效率，减少钻井液的排放量和无害化处理费用，降低了对环境的污染；钻井泵、钻井液罐等可随钻机整体移动，节省了搬迁时间；特别是油基钻井液的重复利用可大大降低钻井液成本。据不完全统计，采用井工厂化钻井作业施工，每钻3口井大约可节省1口井的钻井液费用。井工厂化作业过程中，钻井液体系的选择至关重要，根据不同地层特点选用重复利用性好的钻井液体系可有效减少井下复杂状况的发生，并可降低钻井液综合成本；同时，工厂化钻井液产生的废弃物可集中进行无害化处理，减少其对环境的污染，达到节能减排的目的[4-6]。

1 井工厂化钻井液与常规钻井液的差异

井工厂化钻井液技术不同于常规钻井液技术。其工艺技术特点可归纳为：钻井液体系选型普适化，钻井液设备配制标准化，钻井液预处理节点化，钻井液维护程序化，钻井液回收处理规范化。通过程序化、规范化、流水作业模式来体现其技术优势，最终实现降低钻井总成本和保护环境的目的[7-9]。

井工厂化施工程序主要特点是集中完成不同井的同一井段施工后再统一进行下一开次钻井施工，因此，第1口井同井段的钻井液体系经再处理后可直接应用于后续井的相同井段，实现第1口井配浆，后续井维护处理的作业模式，提高了同体系钻井液的利用效率，减少了钻井液的配制量，降低钻井液排放量和无害化处理费用；同时该技术可提高技术人员对地层及复杂情况的掌握程度，通过处理复杂情况，总结完善应对方案，优化钻井液体系，减少处理剂的消耗，降低后续井同井段的施工难度，逐步形成统一的操作方案，方便后续井的施工，达到节约周期，降低成本，提高效率的目的。

井工厂化钻井过程中钻井液设备的配置与常规钻井有一定的差异。该技术实施过程中钻井液罐、固控设备、钻井泵等均可随钻机进行整体移动，同时根据井场条件，可共用泥浆池，减少泥浆池面积，或不设置泥浆池，直接将钻井液拉回配浆站(或回收站)处理，从而可减少占地和缩短周期。施工过程中通常建造钻井液回收站或回收装置，对钻井液进行统一回收和处理，达到环保要求后再统一排放，降低对环境的影响。

井工厂化钻井过程中钻井液体系选择与常规钻井液有一定的差异。钻井液原则上应选用稳定性好，易维护处理的体系。因钻井液的重复利用，延长了同一体系钻井液的使用时间，因此，钻井液的稳定性至关重要，通常在钻井工程设计时就应考虑相关问题[10-12]。

2 井工厂化钻井作业对钻井液相关设备的要求

井工厂化钻井因钻机需要整体移动，因此，要求钻井液相关设备也必须具有可移动的特点。同时要求钻井液相关设备根据需求逐步完善，最终达到配置标准化[13]。

2.1 循环设备配置

井工厂化钻井过程中钻井液循环罐、固控设备、钻井泵等均可随钻机进行整体移动，同时可根据井场条件，共用泥浆池或不设置泥浆池，直接将钻井液拉回配浆站(或回收站)进行处理。为了保证钻井作业过程的连续性，循环罐布置前应提前考虑移动轨迹，据现场施工经验可知，井口位移在20 m之内，泥浆罐可原地不动；井口位移大于20 m，仅移动1号罐，同时采用软管连接2号罐，其他罐体不动，达到削减工作量和搬迁安装时间的目的。施工过程中钻井液循环回路可通过循环罐阀门及管线布置形成不同联通流动顺序。

2.2 对钻井泵的要求

井工厂化钻井一般需要高配置钻井泵，能承受高泵压且流量可调范围大。同时，相关连接管线也需要特殊配置及连接。钻井泵与立压管线的连接主要为金属管线连接，距离短时可选择高压软管进行替代，在钻机整拖或整体移动后延长的距离要对泵压影响较小，同时还要考虑地面高压管路的安全情况。

2.3 固控设备配置

为满足井工厂化钻井过程中钻井液体系的重复利用，在体系置换前需要进行循环，降低固相含量，便于后续井的使用。因此，在条件允许的情况下，要求振动筛、除砂器、离心机等固控设备应多配备1台或多台，确保井工厂化钻井正常运行。钻井过程中一开推荐使用二级固控，振动筛、除砂器利用率为100%。二开及以后推荐使用四级固控，振动筛、除砂器、除泥器使用率为100%，离心机利用率不低于90%，持续清除钻井液中的无用固相，强化清洁效果，保持钻井液良好性能，为钻井液的重复利用及后续井顺利施工提供必要条件(表1)。

表1 固控设备配置参考标准

2.4 对泥浆池的要求

井工厂化钻井过程中，几口井或同一部钻机可共用一个泥浆池或不配置泥浆池，钻井液统一回收处理，实现钻井液不落地，可减少工程作业量，减少占地面积，便于统一管理，降低对环境的影响。如遇井场有特殊情况，应根据井场实际情况择优布置，但应以占地少、距离钻井液循环罐近为原则。

2.5 对钻井液配浆厂(站)的要求

井工厂化钻井作业过程中，根据平台井的实际需求，在钻井液需求量较大或平台较多时需要配备钻井液配浆厂(站)，便于集中配浆及维护，满足不同平台井生产及应急情况的需求。特别是在非常规油气资源开发应用油基钻井液进行施工时，需要建设专门的钻井液处理厂(站)，如撬装式油基钻井液厂，满足集中配浆、集中回收、集中处理等施工及应急需求。

3 井工厂化钻井液体系选择

井工厂化钻井作业一般应用于致密油、致密气、页岩油、页岩气等低渗透、低品位的非常规油气藏的开发作业，该类油气储层致密、孔隙度小、渗透率低、泥页岩比例高，油气聚集机理不同于常规储层，因此，井工厂化钻井过程中应用的钻井液体系通常应具有稳定性好、储层保护效果好、防塌抑制性强等特点，钻井液经维护处理后可以重复利用并易于体系转换，充分体现井工厂化钻井液标准化、流程化、低成本的原则。针对各地区不同地质条件，钻井液体系选择应根据不同区块实际情况进行优选，常用的钻井液体系包括水基钻井液、油基(合成基)钻井液等。

针对各地区不同地层条件，井工厂化钻井施工中钻井液体系选择应根据不同区块实际情况进行优选和优化[14]。水基钻井液具有成本低、环保性能好，维护简单、防漏堵漏技术配套、废弃物处理成本低等优点；油基(及合成基钻井液)钻井液在抗温和井壁稳定方面具有一定的优势，同时抗污染能力强，润滑性好，最主要的是该体系可回收和重复利用，但成本相对较高，对环境影响较大；可循环微泡沫钻井液具有良好的防漏、封堵性能，在易漏地层应用广泛。

3.1 水基钻井液体系

(1) 无土相聚合物钻井液体系一般作为井工厂化钻井施工中的一开钻井液或二开直井段钻井液。其特点是体系中未添加膨润土，利用高分子聚合物来保证体系的黏切；固相含量低，黏度和流动性调节的范围较大，同时，可加入不同类型的处理剂，保证其可适应不同地层的需求；下一步需继续优化无土相聚合物钻井液的稳定性，提高体系重复利用效率。

(2) KCl聚合物钻井液体系具有良好的防塌性、封堵性、抗高温、润滑性好等特点，可有效抑制泥页岩水化分散，稳固井壁，尤其适用于非常规油气藏泥页岩比例高的井段的钻进。钻进过程利用高分子聚合物的黏度和切力，体系中稳定的K+浓度以及包被剂和防塌剂的协同作用，确保了钻井液始终具有较强的抑制性和防塌能力。

(3) 聚合物有机硅钻井液主要采用硅稳定剂提高钻井液高温稳定性，用硅降黏剂控制钻井液流变性能，用磺化类处理剂造壁降失水；现场施工过程中根据扭矩、悬重情况调整润滑性能，采用固液配合的方法提高钻井液润滑效果；平台作业时在钻完1口井后对钻井液进行处理，清除有害固相，在下口井应用前，为了防止钻井液体系老化，可适当补充预水化新浆与老浆混合，提高钻井液的稳定性，保证钻井液的重复利用率，降低钻井液的成本。

(4) 高性能水基钻井液体系主要由抑制剂、包被剂、降滤失剂及封堵剂等组成。采用氯化钾、胺类抑制剂等来满足抑制的需要；在做好常规封堵的同时，采用纳米封堵剂封堵微纳米微裂缝来强化封堵；选用高效润滑剂保证起下钻顺畅，降低卡钻风险。该体系能解决常规水基钻井液抑制性不足、封堵能力弱、润滑性差等难题。科研人员需继续优化高性能水基钻井液的性能，逐步替代油基钻井液在页岩气区块的应用，降低成本和环保压力[15-18]。

3.2 油基钻井液体系

油基钻井液与水基钻井液相比具有以下优势：有很好的长效热稳定性，适用于高温深井地层作业，维护方便，符合井工厂化钻井作业批量应用、重复利用的要求；抗盐钙侵，可适用于岩盐层和石膏层；体系本身润滑性能优良，润滑防卡效果好，机械钻速高；高矿化度盐水层及高含硫含CO2地层可有效防止钻具腐蚀。油基钻井液因良好的井壁稳定性和减少复杂情况等特点而广泛应用于致密油、致密气、页岩气、页岩油等低渗透非常规油气储层井工厂化钻井施工。川渝页岩气井工厂化钻井过程中造斜段、水平段应用了油基钻井液，应用结果表明，该体系在防止页岩层、软泥页岩地层井壁失稳方面效果显著[19-24]。

油基钻井液成本一般比水基钻井液高，但油基钻井液的重复利用率比水基钻井液高。使用油基钻井液时产生的油基废弃物对环境影响较大，需要无害化处理。针对井工厂化作业，油基钻井液可以循环利用，减少钻井液的消耗，从而降低钻井液成本；同时，由于井下复杂情况相对较少，钻井总成本会有所降低。

针对致密油气、页岩气井工厂化应用，科研工作者应不断优化油基钻井液封堵性能及完善低密度固相清除技术，提高体系的封堵能力和重复利用效率。

3.3 可循环微泡沫钻井液体系

可循环微泡沫钻井液体系适合用于井工厂化钻井中易发生漏失的层位。该体系具有密度小、滤失量小、封堵性能好、防漏性能好、能有效减少钻井液的漏失、油气层保护效果好等特点。在完成某一井段后打开固控设备，循环钻井液除去无用固相，可适当补充发泡剂和稳泡剂，循环均匀后即可应用于下口井同井段的施工，如遇特殊情况时可加入消泡剂进行消泡，即可恢复发泡前的密度[19，25-26]。

4 井工厂化钻井液废弃物无害化处理技术

井工厂化钻井废弃钻井液的处理方案遵循“控制源头、重复利用、处理到位”的方针，优先采用重复利用的原则，减少废弃物的排放量和处理量，达到资源最大程度的利用效率，并逐步实现钻井液回收处理规范化。

4.1 水基钻井液无害化处理技术

国外井工厂化钻井通常采用回填处理法、回注安全地层法、固液分离技术等处理水基钻井液废弃物，并已形成完备的处理工艺。而中国尚处于起步阶段，中国井工厂化钻井中通常采用固液分离技术处理水基废弃物：通过脱液减量处理技术进行固液分离，分离水进行回收，实现水资源的有效利用，无法达标的少量污水送至污水处理厂进行再处理，分离的固相和产生的岩屑进行固化处理，最后进行填埋。

(1) 水基钻屑处理流程。首先采用四级固控设备对钻井液中的钻屑进行分离，液相进入循环系统，分离的固相进入螺旋输送器中。螺旋输送器把分离出的较干固相输送到岩屑箱中，运往指定固化池进行固化。

(2) 废水处理工艺技术。首先去除其中大粒径固含物，使用化学药剂处理废水，去除其中悬浮物、COD及油类。然后进行除硬沉淀，去除钻井废水中的二价离子；进行筛孔过滤，去除废水中所有悬浮物、油类；废水可用于配制压裂液等，进行再利用。最后进行离心分离，实现固液的快速分离，达到标准后进行固化填埋。

4.2 油基钻井液废弃物处理技术

国外在井工厂化钻井作业时处理油基钻井液主要采用机械+微生物处理法和热解法。机械+微生物处理法的能耗低、处理费用低、设备结构简单、运输方便、可随时作业，但处理时间长、占地面积大、易受气候因素影响。该处理方法主要利用螺旋推进器进行岩屑收集和传送，甩干机和高速变频离心机进行干湿分离，微生物处理系统对油污进行生物降解，处理后岩屑含油量达到相应标准[20]。

热解法处理工艺主要包括减量回用、热解回收和固化填埋三大系统，通过高效离心分离装置及回转炉热解装置配合冷凝分离设备对含油钻屑进行固液分离、深度脱油、除污等工作。该方法具有处理量大、处理时间短、处理后含油量低等特点，缺点是成本较高。中国川渝页岩气工厂化钻井因井场环境潮湿，处理量大，因此，采用热解法处理油基废弃物。热解处理后的含油钻屑无害废渣，经检测达到固化填埋标准后进行固化和填埋处理。

随着井工厂化钻井规模增大，钻井液废弃物处理技术仍需进一步发展，工程技术企业还需加大科技投入，开发完善油基岩屑无害化处理方法，将油基钻井液对环境的影响降到最低，逐步实现工厂化钻井液废弃物处理规范化、统一化处理模式。

5 井工厂化钻井液重复利用技术

采用井工厂化钻井作业模式，为钻井液的重复利用提供了良好的基础，降低环保压力的同时提高了经济效益。井工厂化钻井过程中，当1口井完钻时，要充分循环钻井液，清除钻井液体系中的无用固相，降低固相含量，及时补充相关处理剂，保持钻井液良好的流变性，处理好后直接应用到下口井同井段的施工，实现重复利用。

5.1 水基钻井液重复利用技术

要实现水基钻井液的重复利用，需要优先选择钻井液性能稳定、抗污染能力强的体系。在应用过程中需严格控制体系各项性能参数，如流变性、滤失量、固相含量、pH值等；同时，需要提高钻井液的抑制性和抗污染能力，保持合适的护胶剂、大分子等的加量，维持钻井液较好的护胶状态。在应用过程中需要合理使用固控设备，尽可能净化钻井液，降低固相含量。也可以在应用老浆的同时不断补充新浆以调整钻井液性能，从而满足钻井要求。

5.2 油基钻井液重复利用技术

当一个平台完钻时，井场多余的油基钻井液会从井场通过钻井液罐车拉运到油基钻井液处理厂进行处理，通过高效振动筛清除大直径的固相颗粒，大幅度降低油基钻井液中的固相含量，通过砂泵输送到储备罐。统一处理的油基钻井液可以通过以下2种方式进行再利用：一是直接使用法，将已用的油基钻井液和下个平台井的钻井液混合，调整钻井液性能达到设计要求后，用来补充钻井液量；二是配制开钻钻井液时使用，由于直接配制的新油基钻井液的破乳电压等指标因搅拌时间不够等原因达不到理想的范围，此时在新钻井液中加入老钻井液，钻井液性能很容易达到设计的应用范围，这不仅加快了配浆速度，而且降低了成本[13]。

随着井工厂化应用规模的扩大，钻井液的循环利用越来越重要，要充分按照分级使用、资源共享、兼顾处理的原则，建立钻井液循环利用机制，实现节能及环保要求。

6 结 论

(1) 经过近几年的实践和快速发展，中国在非常规油气藏井工厂化钻井液技术方面已经积累了初步经验，顺利完成了致密砂岩、页岩气井等工厂化作业。钻井液固控设备配置和工艺衔接方面基本满足井工厂化作业的要求，但仍需不断优化施工工艺，充分发挥井工厂化作业的技术优势。

(2) 需不断优化井工厂化钻井液施工工艺及作业模式，在钻井液体系研究及维护处理方面强化攻关，开发高效水基钻井液体系，优化强封堵油基钻井液体系，完善防漏、堵漏技术，重点攻关钻井液废弃物无害化处理技术及钻井液回收再利用技术，充分发挥“钻井液体系选型普适化，钻井液设备配制标准化，钻井液预处理节点化，钻井液维护程序化，钻井液回收处理规范化”井工厂化钻井液技术的优势，最终实现了降低钻井总成本和保护环境的目的。