可重复利用的水基钻井液及其在渤海湾油田应用

范白涛，何松，冯桓榰，周定照，邢希金，岳前升

1.中海油研究总院有限责任公司（北京 100028）

2.长江大学 化学与环境工程学院（湖北 荆州 434023）

0 引言

随着国家环保法规实施，钻井液的排放日益受到严格限制，因此环保型钻井液和钻井液无害化处理技术（陆上又称之为“泥浆不落地”技术）成为钻井液技术领域研究的热点，其成果应用也越来越广泛。海洋钻井有其特殊性，由于海上钻井平台空间有限，钻井液无害化处理设备难以应用，即便使用的是环保型水基钻井液，由于渤海湾是我国一级内海海域，也不允许钻井液及钻屑排放入海，因此只能将钻井作业结束后废弃钻井液和钻屑运送至陆地进行处理，在低油价情况下无疑会增加油田技术服务企业生产成本。为有效解决目前海上油田钻井液排放技术困境，使用可重复利用的钻井液、减少钻井液的总体排放数量是一种行之有效的技术措施[1-3]。当然，钻井液重复利用是有技术条件的，首先是须具有优异的抑制性，使细小钻屑在钻井液中尽可能不水化、分散；其次钻井液具有较强的抗钻屑污染能力，即较高的固相容量限；最后需要有高效固控设备，将钻井液体系中的无用固相及时清除[4-5]。本文主要对可重复利用钻井液配方设计、性能评价和现场性能检测以及固控设备组合进行介绍。

1 实验部分

1.1 钻井液配方

可重复利用钻井液配方：海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.1%增黏剂+0.5%提黏切剂+2%降失水剂+0.4%包被剂+3%抑制剂+10%NaCl，密度1.10 g/cm3。

有机正电胶钻井液配方：3%海水土浆+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.2%高黏聚阴离子纤维素HVPAC+0.2%低黏聚阴离子纤维素LV-PAC+1.5%提切剂VIF+2%封堵剂DYFT+2%成膜剂LPF+1.5%胺基硅醇抑制剂HAS，石灰石粉调节密度至1.10 g/cm3。

聚合醇钻井液配方：3%海水土浆+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.3%包被剂PLUS+0.2%低黏聚阴离子纤维素LV-PAC+1%磺化酚醛树脂SMP+2%改性淀粉降失水剂FLO+3%聚合醇JLX-C+3%KCl，石灰石粉调节密度至1.10 g/cm3。

1.2 现场泥岩钻屑

取自渤海油田不同区块5口井不同深度明化镇组泥岩钻屑：垦利KL9-1N-1 井、曹妃甸CFD6-2-3D井、秦皇岛QHD33-1S-3井、旅大LD16-3S-5井、渤中BZ1-1-1井，根据不同实验内容选择不同粒径泥岩钻屑。

1.3 性能测试

钻井液性能测试根据GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》进行。

2 结果与讨论

2.1 钻井液流变性能

钻井液的流变性能直接影响井眼净化、井下安全和机械钻速等[5]，有机正电胶钻井液和聚合醇钻井液是目前渤海湾油田钻井作业使用最多的两套钻井液体系，可重复利用钻井液与其流变性能比较见表1。从测试结果来看，在相同密度下，可重复利用钻井液黏度和切力较小，但（静）切力较大，更有利于携砂。

表1 3套钻井液体系流变性比较

2.2 泥岩钻屑滚动回收率

优异的抑制性是钻井液保持性能稳定的基础[6-8]，以泥岩钻屑滚动回收率为指标评价了3 套钻井液的抑制性能，结果如图1所示。

图1 泥岩钻屑滚动回收率

5 口井泥岩钻屑滚动回收率结果表明：泥岩钻屑在可重复利用钻井液中的滚动回收率为89.8%~94.8%，在聚合醇钻井液和有机正电胶钻井液中则分别介于43.98%~67.10%和45.00%~68.16%，在可重复利用钻井液中泥岩钻屑的滚动回收率明显高于其他两种钻井液；同时，泥岩钻屑在可重复利用钻井液中热滚后成形性较好，有一定的硬度，而在其他两种钻井液热滚后钻屑呈泥糊状。优异的抑制性并配合地面高效固控设备使钻井液重复利用成为可能。

2.3 钻井液耐老化性能

钻井液优良的耐老化性可以有效地延长钻井液的使用周期[9-10]。将可重复利用钻井液在80 ℃条件下连续热滚老化，测定不同老化时间后钻井液流变性能变化，实验结果如图2所示。

图2 老化时间对可重复利用钻井液流变性的影响

当老化时间不超过80 h时，可重复利用钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力均比较稳定；当老化时间超过80 h 后，才出现缓慢下降的趋势，说明该钻井液在80 ℃温度条件下具有较好的耐老化性能，满足渤海湾油田绝大多数非储层段钻井要求。

2.4 钻井液抗细目钻屑粉污染能力

钻井液中的有害固相（主要是钻屑）侵入会对钻井液性能有不利影响[11-12]，由于地面固控设备不可能将有害固相全部清除，随着钻井液持续重复利用，有害固相含量会持续增加，这样就涉及到钻井液的固相容量限问题，研究了过140 目筛的细目泥岩钻屑对可重复利用钻井液的污染情况，实验结果如图3~图4所示。

由图3 和图4 结果表明，随细目泥岩钻屑粉累计加量增加，钻井液表观黏度和动切力缓慢增大，当细目钻屑粉累计加量达到20%时，钻井液的流变性能仍处于可接受的范围之内，说明可重复利用钻井液具有很强的容纳固相侵污的能力。可重复利用钻井液之所以有高的固相容量限，原因有3方面：首先是性能优异絮凝剂的包被作用，使泥岩钻屑呈不分散状态或是弱分散状态；其次是胺基抑制剂的强抑制作用；再次是高浓度无机盐对泥岩钻屑双电层的压缩作用。这三方面的作用结果最大程度地抑制了泥岩钻屑的水化作用。使之呈不分散状态，经地面高效固控设备有效清除。

图3 细目泥岩钻屑粉累计加量对钻井液表观黏度影响

图4 细目泥岩钻屑粉累计加量对钻井液动切力影响

2.5 亚微米颗粒对钻井液性能的影响

钻井液中亚微米（＜1 μm）级颗粒对钻速的不利影响远大于微米级颗粒，将膨润土预先水化好，研究了水化后膨润土加量对可重复利用钻井液性能的影响以及对钻井液固相颗粒粒径分布影响，结果见表2和图5。

由表2 知随着水化膨润土加量增加，可重复利用钻井液的流变性能各参数结果逐渐增大，尤其是在超过2%以后，而滤失量变化不大。

表2 水化膨润土加量对钻井液的影响

可重复利用钻井液中颗粒粒径的中值d50值随水化膨润土加量的增加而降低（图5），但明显高于在蒸馏水的，说明钻井液可以有效地絮凝亚微米颗粒，以消除亚微米颗粒对钻井液造成的不利影响，有利于钻井过程中地面固控效率的提高。

图5 不同膨润土含量粒径中值

2.6 现场应用

2.6.1 选用的固控设备

与一般海上油田钻井配备固控设备不同，可重复利用钻井液现场应用时配置4台振动筛和4台高速离心机，振动筛使用120~140目筛布，这样配置的固控设备可以将钻屑等有害固相及时清除，保持钻井液性能持续稳定，也是钻井液可重复利用的前提条件。

2.6.2 应用性能监测

可重复利用钻井液在渤海油田QHD33-1S-A8井进行了应用，并对钻井液现场性能进行实时检测与分析，结果如图6和图7所示。

图6 不同井深处钻井液的固相含量及漏斗黏度

图7 不同井深时钻井液密度

由图6 和图7 钻井液性能监测结果表明，该井钻井液流变参数、固相含量、密度等随井深变化性能十分稳定，钻屑成形好，在地面高效固控设备配合下，具有强的抑制性钻井液可重复利用成为可能。

3 结论

1）优异的抑制性、良好的抗污染能力以及高的固相容量限是海上油田钻井液可重复利用的前提条件。

2）高效固控设备及时将有害固相清除并保持钻井液性能稳定也是钻井液可重复利用的关键条件，可重复利用钻井液在渤海湾应用前景广阔。