渤海废弃PEC钻井液MTC技术研究

2022-07-11李伟武同良卜继勇郭玉树李斌张贵磊

当代化工研究 2022年12期

＊李伟武同良卜继勇郭玉树李斌张贵磊

（1.中海油田服务股份有限公司油化事业部天津 300459 2.中国石油大学（华东）山东 266580）

1.引言

随着国家环保政策越来越严格，海洋钻井对环境的影响越来越受到重视。渤海湾是我国海上油气主要聚集区之一，水体交换速度慢，一旦水体受到污染，生态恢复周期长[1]。渤海油田钻井过程中，会产生大量的钻井废弃物，从保护渤海湾生态环境来看，所有海上油气钻井所涉及到的钻井液和钻屑做到零排放势在必行[2]。目前，国内外对于钻井液的处理方法有回注、固化处理法、钻井液转固井液法（MTC）、固液分离、蒸馏热处理法、生物降解法等[3-5]。其中，MTC技术不仅能有效处理废弃钻井液，而且能够实现废弃物再利用。2008年新疆石油管理局张兴国等人[6]根据新疆油田现场工况，研制出一种新型超低密度MTC固化液体系，较好地解决了这些区块地层压力系统复杂、压力安全窗口窄、固井过程中易漏易侵的问题。杨振杰等人[7]提出了使用优质钻井液提高固井二界面胶结质量的观点，UF技术和MTC技术均能有效地降低循环漏失，改善油气井固井二界面的胶结质量，进而提高固井质量。冀东石油勘探开发公司，大港油田，西南石油大学，中国石化石油勘探开发研究院，德州石油钻井研究所等单位[8]分别以不同的方法对相关技术进行了室内研究，并取得了阶段性成果。

为此，本文针对渤海油田废弃PEC钻井液，结合渤海油田现场具体工况，优选出适用于其钻井液体系的粉煤灰、MTC增强用激发剂、分散剂、降失水剂，形成低密度固化液基本配方，构建MTC固井用水泥浆体系，大幅改进固化体力学性能，解决了废弃PEC钻井液处理环保要求严格的问题。

2.实验材料与方法

(1)实验材料

渤海油田PEC钻井液（现场取样）；碱激发粉煤灰；MTC用系列增强激发剂（德州华联高新技术有限公司）；MTC用分散剂（C-F42L、SYJZ-1、DHM401）；MTC用降失水剂（DHM301、DHG301、DHG306）。

(2)仪器设备

水泥浆恒速搅拌机、水泥石方形制形模具、水泥石水浴养护箱中压失水仪（青岛同春石油仪器有限公司）、ZNN-D68型电动六速粘度计（青岛海通达专用仪器有限公司）。

3.MTC固井用水泥浆体系构建

(1)MTC用增强激发剂的优选

基于渤海水基钻井液体系组成，以碱激发粉煤灰为胶结材料，研选适合的MTC用增强激发剂及钻井液掺量比，达到技术指标要求（MTC水泥浆密度在1.4～1.6g/cm3条件下；36h，45℃，强度10MPa）。

以胶结材料干粉质量为基准，将胶结材料和不同的激活剂混合均匀，以钻井液作为液相，控制胶结材料与钻井液的掺量比，手动搅拌均匀后利用恒速搅拌机以低速4000r/min进行搅拌，15s之后，机器将以12000r/min的速率转动35s，转动结束后，水泥浆配制完成，测试不同掺量比下MTC水泥浆密度。设计MTC固化液密度在1.4～1.6g/cm3范围内，如表1所示，优选碱激发粉煤灰加量，对PEC钻井液体系，粉煤灰加量为50%。

表1 MTC固化工作液体系密度设计Tab.1 Density design of MTC curing working fluid system

将混合均匀的胶结材料和激活剂加入钻井液，之后将制备好的水泥浆倒入50mm×50mm×50mm（柱形养护试件可能需要定制成可拆卸式）的方形模具中，把模具放入常温常压养护箱或者高温高压养护釜进行一定温度、时间的养护。达到养护时间后取出，冷却后，利用水泥石强度测试仪测试不同MTC水泥石强度。

在激活剂DHM101和DHM102及其对应激活助剂不同加量条件下，对PEC体系进行抗压强度实验研究，如表2与表3，当激活剂加量为4.5%时，PEC体系形成的水泥石抗压强度超过10MPa，满足技术指标要求，其中，激活剂DHM101与激活助剂DHM201的效果要优于激活剂DHM102与激活助剂DHM202的效果。从表2还可看出，当DHM101加量一定时，随着激活助剂DHM201加量的增加，抗压强度增加，但增加幅度较小。因此，确定PEC体系增强激发剂为4.5% DHM101和2.5% DHM201。

表2 激活剂DHM101加量优选Tab.2 Dosage optimization of activator DHM101

表3 激活剂DHM102加量优选Tab.3 Dosage optimization of activator DHM102

(2)MTC用分散剂的优选

基于激活剂及钻井液掺量比优选，配制MTC水泥浆，加入不同分散剂，参照API标准10B-2，利用六速旋转粘度计测量流变性。应用宾汉模型和幂律模型的计算方法分别计算出塑性粘度、动切力、静切力、流性指数和稠度系数。

PEC体系MTC水泥浆基础实验浆1#：PEC钻井液+50%碱激发粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201；

实验水泥浆2#：实验浆1#+0.5% C-F42L；

实验水泥浆3#：实验浆1#+0.5% SYJZ-1；

实验水泥浆4#：实验浆1#+0.5% DHM401。

实验结果见表4，由表4可看出，当分散剂的加量为0.5%时，PEC体系水泥浆的流性指数n＞0.55，此时，水泥浆的流变性能良好。说明该水泥体系与常用分散剂均有比较好的配伍性，流变性比较容易调节。上述三种分散剂中，DHM401加量在0.5%时，水泥浆的流性指数最大且稠度系数K＜0.7。因此，优选DHM401为此PEC水泥体系的分散剂。

表4 分散剂对PEC体系水泥浆流变性能影响实验Tab.4 Effect of dispersant on rheological properties of PEC system cement slurry

(3)MTC用降失水剂的优选

基于激活剂及钻井液掺量比优选，配制MTC水泥浆，加入不同降失水剂，参照API标准10B-2，利用常温常压稠化仪稠化20min，后取出放入静态滤失仪，对水泥浆的失水量进行测试。

实验水泥浆5#：实验浆1#+0.5% DHM401+0.5% DHM301；

实验水泥浆6#：实验浆1#+0.5% DHM401+0.5% DHG301；

实验水泥浆7#：实验浆1#+0.5% DHM401+0.5% DHG306。

实验结果见表5所示，由表中数据可看出，针对PEC体系，优选出的MTC用降失水剂为DHM301。

表5 降失水剂对PEC体系水泥浆滤失性能影响实验Tab.5 Effect of fluid loss additive on filtration performance of PEC system cement slurry

通过对MTC固井水泥浆体系的外加剂进行优选，确定固井水泥浆体系各种外加剂的类型和加量，得到基础配方为：PEC体系MTC水泥浆配方PM：PEC钻井液+50%碱激发粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201+0.5% DHM401+0.5% DHM301。

4.MTC固井用水泥浆性能评价

(1)水泥浆流变性能研究

水泥浆的流变模式确定：

式中，F—流变模式判别系数；

θ200—转速200r/min时的仪器读数。

当0.5-0.03＜F＜0.5+0.03时选用宾汉模式，否则选用幂律模式。根据实验结果，计算得到本体系水泥浆流变模式判别系数F=0.536，因此选用幂律模式。通过幂律模式的公式计算得出流性指数n=0.856，稠度系数K=0.536Pa·sn，幂律方程为τ=0.536γ0.856。

(2)水泥浆稠化性能研究

将配制好的水泥浆装入常压稠化仪，于80℃，0.1MPa条件下测得PEC水泥浆体系的稠化时间为316min，初始稠度为4Bc，稠化过渡时间为18min。

(3)水泥浆失水性能研究

将水泥浆放入稠度仪中于相应温度下稠化20min，然后尽可能快地将水泥浆放入滤失仪中。最初施加压力的瞬间开始记时，滤液读数应在30s、1min、2min、5min、7.5min、10min、15min、25min和30min时各记录一次，精确到±1mL。计算滤失量，用mL/30min表示。对于满30min未发生气穿的实验，测量所收集的滤液体积，并乘以2作为滤失量。

由表6看出，30min时未发生气穿，此时PEC体系固井泥浆失水12.8mL，水泥浆体系的滤失量为25.6mL/30min，满足《SY/T 6544-2017油井水泥浆性能要求》，小于50mL/30min。