一袋化多功能钻井液的研究与应用

2020-05-07何瑞兵赖全勇许杰修海媚陈增海

钻井液与完井液 2020年6期

何瑞兵，赖全勇，许杰，修海媚，陈增海

（1.中海石油有限天津分公司，天津 300452；2.中海油田服务股份有限公司，河北燕郊 065201）

一袋化是指钻井液材料和添加剂一袋化包装，只需要加水、碱度调节剂、加重剂即可完成钻井液的配制。它具有如下特点：体系简单优异，一两个添加剂就成体系；易于现场应用和调整；无毒、可降解；综合成本低。钻井液一袋化概念最早是在1990 年由美国环保钻井技术公司（EDTI）在推出超低渗透钻井液体系时提出并实际运用，证明了一两种处理剂就能配制出应付各种多变条件的钻井液，并提出了一袋化口号[1-6]。之后，国外研究机构从环保、低成本、易使用等角度开发了诸多一袋化钻井液产品及体系，如PURE BORE 高性能水基钻井液体系等，而在加拿大广泛使用一袋化钻井液钻井。国内相关的研究公开较少，虽然也有公司开始推出自己的一袋化产品，但都没有完整系统的报道[7-12]。以自主研发的一袋化产品PF-MFA 为主，研发了一套一袋化钻井液，将其应用于渤海蓬莱PL19-3 油田V40 井并取得了成功。

1 一袋化多功能材料PF-MFA

1.1 材料研发

一袋化多功能材料PF-MFA 是由来源广、成本低的天然多糖聚合物类与丙烯酰胺类单体进行接枝反应，通过在特殊的溶剂中进行分散聚合，制得的一种多功能高分子材料。其中的天然多糖聚合物以棒状三螺旋形存在，具有半刚性，具有很强的增稠、抗温和抗剪切能力，主体多糖聚合物具有较好的滤失控制功能，并可以调节泥饼质量，提高钻井液中黏土颗粒的聚结稳定性；分子链上接的酰胺基和胺基等强吸附基团，可以吸附在黏土颗粒表面，分子链在钻井液中伸展蜷曲，可以进一步起到良好的增稠、包被和抑制作用，并且提高其抗温性能，具有更好的水化能力和抗高价离子污染能力。一袋化多功能材料PF-MFA 具有优异的提切性能，能够提高钻井液的悬浮性和携砂性；具有优秀的降滤失性能，抗温抗盐效果好；同时具有较好的包被抑制性能，可以有效包被黏土和钻屑，防止固相污染。

1.2 产品生物毒性评价

海洋生物的各种生理活动受海洋环境影响，根据国标《GB 18420.1—2009 海洋石油勘探开发污染物生物毒性第1 部分：分级（1）》和《GB/T 18420.2—2009 海洋石油勘探开发污染物生物毒性第2 部分：检验方法》可知，通过观察测定实验生物在一定试验期间内接触试验物质后的异常或死亡效应，可以得到海洋石油勘探开发污染物对实验生物有明显影响的具体浓度，相应的实验生物有：仔虾、卤虫、蒙古裸腹藻、裸项栉虾虎鱼等。该实验以卤虫为实验材料，研究钻井液对海洋生物的急性毒性效应，并严格按照国标中规定的检验方法进行一袋化产品PF-MFA 的生物毒性检测。实验结果表明，PF-MFA 产品对卤虫的96 h 的LC50约为40 000 mg/L，远大于一级海区的生物毒性容许值，是一种环保性能较高的产品，在一、二级海区均可使用。

2 一袋化钻井液研究

一袋化多功能材料PF-MFA 一剂多能，环保无毒，性能优异。下面以其作为唯一功能性钻井液添加剂，构建了一袋化海水钻井液体系，基本配方如下。该钻井液具有良好的流变性能和抑制性。

海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+X%PF-MFA+重晶石

2.1 流变及滤失性能

由表1 可以看出，一袋化钻井液具有良好的流变性能和滤失控制性能。PF-MFA 加量越大，一袋化钻井液的黏度和切力越高，滤失量越低，在加量为1%时，就有较高的黏度和切力以及较低的滤失量，表现出了高效的性能。在不加入任何其他功能性添加剂的情况下，通过改变PF-MFA 加量，就可以获得符合作业需求的黏度、切力和滤失量。经过80 ℃老化16 h，一袋化钻井液流变滤失与滚前基本保持一致，体现材料有优良的抗温能力。

表1 PF-MFA 加量对一袋化钻井液体系性能的影响

2.2 防塌抑制性能

1）滚动回收率实验。取模拟钻屑HOLEPLUG作为试样，测试其在一袋化钻井液的滚动回收率。实验结果见表2。由表2 可以看出，模拟钻屑Holeplug 在海水中的滚动回收率为5.16%，而研发的一袋化钻井液回收率可达81.45%，说明钻井液具有较强的抑制性，能够满足施工需要。

表2 一袋化钻井液滚动回收率实验

2）线性膨胀实验。15 g 现场膨润土在41.368 5 MPa 条件下压制30 min，得到模拟岩心。利用OFI线性膨胀试验仪测试模拟岩心50 ℃下在一袋化钻井液的线性膨胀率，测试时间为16 h。同样用海水作空白对照，结果见图1。由图1 可知，随着一袋化钻井液中PF-MFA 含量的提高，体系对膨润土的抑制性持续提高，相比海水空白组，体系的抑制性有显著的改善，黏土膨胀率从44%降至了16%。

图1 不同PF-MFA 加量的一袋化钻井液线性膨胀结果

综合滚动回收及线性膨胀实验，研发的一袋化钻井液具有优良的防塌抑制性能。这主要是由于材料中的酰胺基和胺基等强吸附基团，可以吸附在钻屑及黏土颗粒表面，起到很好的包被抑制作用。

2.3 抗氯化钠实验

分别向4 个预先配制好的相同体系基本配方（用1.25%PF-MFA 配制的一袋化钻井液）中加入5%、10%、15%及20%的NaCl，分别在80 ℃热滚16 h，然后测试其流变及API 滤失性能，并同时测试对模拟钻屑HolePlug 滚动回收率的影响，结果见表3。由表3 不难看出，在含1.25%PF-MFA的一袋化钻井液体系中加入NaCl 后，对其流变性和失水造壁性能影响很小。从趋势来看，随着NaCl 含量的增加，一袋化钻井液体系的黏度轻微下降，滤失量稍微增加，主要是受材料抗盐性能的影响，当NaCl 加量至20%，体系性能也无显著的变化，体现出有优良的抗盐性能。而对HolePlug的滚动回收率在NaCl 含量为15%达到最高，这是由于NaCl 加量对体系活度影响的结果[13]。

表3 NaCl 加量对一袋化钻井液性能的影响

2.4 抗污染实验

1）抗钙土污染实验。分别向4 个预先配制好的相同体系基本配方（用1.25%PF-MFA 配制的一袋化钻井液）中加入5%、10%、15%、20%的钙土，测试加入钙土后热滚前后的体系基本性能，结果如表4。由表4 可以看出，加入钙土至15%后，钻井液的黏度、切力才有一定的上升，而滤失量整体变化较小，说明一袋化钻井液具有优良的抗钙土污染能力。

表4 钙土加量对一袋化钻井液性能的影响

2）抗氯化钙污染实验。分别向4 个预先配制好的相同体系基本配方（用1.25%PF-MFA 配制的一袋化钻井液）中加入0.5%、1.0 %、1.5%和2.0%的氯化钙，测试加入氯化钙后热滚前后的体系基本性能，结果见表5。从表5 可以看出，当体系中氯化钙的加量至2.0%，体系的流变性及滤失性能均较稳定，基本无变化，说明体系可以抗2.0%的氯化钙污染，抗钙污染能力强。

表5 氯化钙加入对一袋化钻井液性能影响

2.5 降解性能

用1.25%PF-MFA 配制一袋化钻井液，分别用柠檬酸和氢氧化钠调节pH 值至5.0 与9.5，然后在80 ℃静置，每隔24 h 取样测其黏度，并作图2。降解实验结果表明，在80 ℃下静置，体系黏度会持续下降，说明材料在持续降解，如果是酸性条件，降解得会更快，体现出了材料环保可降解的特性，但是钻井液在正常的pH 值下，材料的降解会更缓慢，显然有助于一袋化体系现场使用时的稳定性。

图2 一袋化钻井液的降解实验

3 一袋化钻井液的现场应用

以PF-MFA 配制的一袋化钻井液首次在蓬莱PL19-3 油田V40 井使用，取得了成功。蓬莱19-3 油田位于渤海海域的中南部西北距塘沽约216 km，东南距蓬莱市约80 km，油田范围内平均水深27～33 m。蓬莱19-3 油田钻井主要揭示了新生界和中生界地层，自上而下可划分为新近系平原组、明化镇组、馆陶组及古近系东营组，主要含油层位为新近系明化镇组下段和馆陶组。V40 井是一口生产定井，斜深1800 m，垂深为1463.20 m，分为两个开次，一开从泥面至井深485 m，采用海水膨润土浆钻进，二开先继续用海水膨润土浆钻进至井深800 m，后转化为一袋化钻井液钻至井深1800 m，配方为：海水+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+（1%～1.5%）PF-MFA+（4%～5%）KCl+（12%～15%）NaCl+1.25%PF-LSF+5%PF-HTC，根据钻井需要添加了氯化钠、氯化钾以及封堵剂PF-LSF、PF-HTC。其现场性能见表6。钻进过程中维护的重点是保证循环系统中PF-MFA 的加量，根据钻屑返出情况和钻井液性能补充一袋化钻井液胶液，并保持盐和封堵剂的加量。最终，整体起钻顺利，下套管过程无阻卡，下入顺畅，顺利到位。