钻屑回注浆体性能调控实验研究＊

赵雄虎何 涛项先忠朱战兵

(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室; 2.中海油田服务股份有限公司)

钻屑回注浆体性能调控实验研究＊

赵雄虎1何 涛1项先忠2朱战兵2

(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室; 2.中海油田服务股份有限公司)

在对国外现场应用数据进行调研的基础上,确定了钻屑回注浆体性能参数调控范围;通过室内实验,分析了钻屑加量对回注浆体性能的影响,并优选出了回注浆体合理配方。

钻屑回注 回注浆体 性能调控 实验研究

海上石油勘探、开发等生产作业过程中产生的废弃物(如钻屑、污水、废弃钻井液等)如果直接排放会污染海洋环境。海上钻井废弃物主要是运回岸上处理,或回注到地下。以钻屑回注方式处理海洋钻井废弃物是安全可靠、经济环保的处理方法,可以实现废弃物零排放[1]。钻屑回注技术是将钻井废弃物从固控设备传输到处理设备内,通过研磨、筛选和加处理剂造浆,使钻屑的粒度和浆体流变性能满足回注要求,然后通过套管环空或者专用回注井注入到有一定容纳浆体能力的深部地层内。回注浆体性能调控是钻屑回注技术的重要部分,回注浆体性能必须进行合理的调控,才能使之与回注地层配伍。本文通过室内实验,分析了钻屑加量对回注浆体性能的影响,并优选出了回注浆体合理配方。

1 回注浆体性能参数调控范围

为了确保浆体满足回注要求,必须合理地设计回注浆体性能参数。例如,设计合理的粘度、静切力等流变参数,可以确保把钻屑携带到回注地层;调整回注浆体悬浮钻屑能力、岩屑颗粒度以及浆体的固相含量,可以减少岩屑在回注井中沉积,避免造成回注通道的堵塞;控制回注浆体滤失量以减少钻屑固相在回注井周围堆积,可以避免回注地层容浆能力减小。

根据国外回注浆体性能参数调控经验[2-8],笔者对回注浆体性能参数调控范围进行了归纳总结(表1)。

表1 回注浆体性能参数调控范围

2 钻屑回注浆体性能调控实验研究

2.1 实验仪器、材料及步骤

实验仪器:包括电动小型研磨机、50目筛网、ZNN-D6S型旋转粘度计、漏斗粘度计、API滤失仪、高速搅拌机、ZNG型钻井液固相含量测定仪、电子天平、钻井液密度计、秒表、烧杯、试管等。

实验材料:包括钻屑、海水、碳酸钠、石灰、膨润土、HV-PAC、HPAM、瓜儿胶、NaOH等。

实验步骤:①把钻屑研磨至小于 300μm(50目),过筛分离;②利用膨润土、自来水或者海水、增粘剂、降滤失剂等配制基浆,使基浆性能达到能悬浮钻屑的目标,找出合理的处理剂配方;③取基浆500 mL,加入研磨好的钻屑,调整加量,把密度控制在1.1～1.3g/cm3之内,固相含量控制在20～40g/100mL之内,搅拌后测量钻屑浆体粘度、滤失量等参数;④对回注浆体的配方进行评价,得出最优配方。

2.2 实验结果及分析

2.2.1 基浆的选用

海洋平台钻井时缺少淡水资源,为了节约回注成本,一般加入海水造浆。由于海水中含有大量的Ca2+、Mg2+离子,会降低增粘剂的增粘效果,使浆体的粘度下降,滤失量增加,加之膨润土在海水中不容易水化分散,因此通常先把膨润土加入到淡水中搅拌,水化分散24h,然后再兑入海水造浆(一般按照海水与淡水浆比例为1∶1来配制浆体)。世界各地海水成分有差异,但差别不是太大。以渤海海域海水为例,海水主要成分为 NaCl、MgCl2、MgSO4、CaSO4、KCl等,通过加入NaOH来除去海水中的Mg2+、Ca2+离子。根据化学方程式计算,去除海水中Mg2+、Ca2+离子需加入NaOH的含量为0.4%。

针对海上平台作业特点和回注浆体的性能要求选用了如下4种基浆。

(1)基浆1:4%膨润土 +淡水 +0.3%HVPAC。

(2)基浆2:4%膨润土+淡水+0.3%HPAM。

(3)基浆3:4%膨润土+淡水+0.4%瓜儿胶。

(4)基浆4:4%膨润土+淡水和海水(1∶1)+ 0.4%NaOH+0.3%HV-PAC。

2.2.2 钻屑加量对基浆性能的影响

钻屑加量对基浆性能有明显的影响,应在保持钻屑悬浮性和可注入性前提下使浆体尽可能多的容纳钻屑,钻屑加量对基浆性能的影响的实验结果见表2～5。

表2 钻屑加量对基浆1性能的影响

表3 钻屑加量对基浆2性能的影响

表4 钻屑加量对基浆3性能的影响

表5 钻屑加量对基浆4性能的影响

2.2.3 实验结果分析

根据以上回注浆体性能调控实验结果,钻屑加量对基浆表观粘度、API滤失量、动切力、动塑比及密度的影响如图1～5所示。

图1 钻屑加量对基浆表观粘度的影响(100 r/min)

根据表1回注浆体性能参数调控范围,回注浆体的表观粘度控制在70～160mPa·s(170s-1)之间才有利于浆体的回注。由图1可以看出,随着钻屑加量增大,浆体的粘度不断增加。基浆3中钻屑加量大于10%和基浆4中钻屑加量大于22%时,粘度超过回注范围。

由图2可以看出,随着钻屑加量增大,基浆的滤失量不断减小;基浆3中加入瓜儿胶配制浆体时,滤失量偏大,因此不满足回注要求。

由图3可以看出,随着钻屑加量增大,基浆的动切力不断增大,有助于悬浮钻屑但动切力太大会影响到注入,也会对压裂开泵造成困难;基浆3在钻屑加量超过15%和基浆4在钻屑含量超过25%时,动切力偏大,因此不满足回注要求。

由图4可以看出,钻屑加量增大到20%之前,基浆的动塑比有变化,但不是很剧烈;而当钻屑加量超过20%时,基浆1和基浆4的动塑比明显增大。钻井液的动塑比值越高,其剪切稀释特性越好,所以为了实现在高剪率下有效破岩和在低剪率下有效携带岩屑,通常要求钻井液具有较高的动塑比。对于回注浆体,控制合适的动塑比有助于悬浮钻屑和回注。

根据表1回注浆体性能参数调控范围,浆体的密度应该控制在1.1～1.3g/cm3范围内。从基浆1随钻屑加量变化曲线(图5)可以看出,钻屑加量大于32%时基浆密度超过回注要求的范围。

通过以上分析,可以得出钻屑回注浆体配方为:①4%膨润土+0.4%NaOH+0.3%HV-PAC+淡水和海水(1∶1)+20%～25%钻屑;②4%膨润土+ 0.3%HV-PAC+淡水+26%钻屑。在陆地回注时可以利用淡水配浆,在海上平台回注时可以利用海水配浆。

3 结论

(1)回注浆体的性能要求为:表观粘度在70～160mPa·s(170s-1)之间,钻屑颗粒度不大于300 μm(50目),密度为1.1～1.3g/cm3,固相含量控制在15%～30%之间,滤失量应低于API滤失量且尽可能小,滤失系数小于0.000 7m/min1/2,与地层配伍性好。

(2)在海上钻井平台利用海水配制回注钻屑浆体时,需利用氧化钙或者氢氧化钠处理海水。

(3)实验得出回注浆体处理配方为:①4%膨润土+0.4%NaOH+0.3%HV-PAC+淡水和海水(1∶1)+20%～25%钻屑;②4%膨润土+0.3%HVPAC+淡水+26%钻屑。

[1] 赵雄虎,王风春.废弃钻井液处理研究进展[J].钻井液与完井液,2004,21(2):45-48.

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(编辑:叶秋敏)

Abstract:This paper confirms the performance standard of cuttings re-injection slurry based on the information of the cuttings re-injection operation abroad.The influence of the added cuttings dosage on the performance of re-injection slurry is analyzed by experiments.The reasonable treating formula of re-injection slurry is provided.

Key words:cuttings re-injection;re-injection slurry; performance control;experimental study

Experimental study on control of performance of the cuttings re-injection slurry

Zhao Xionghu1He Tao1
Xiang Xianzhong2Zhu Zhanbing2
(1.CMOE Key L aboratory ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Beijing,102249;
2.China Of f shore Oilf ield Service Ltd., CNOOC,Beijing,101149)

2009-06-18 改回日期:2009-10-14

＊中海油田服务股份有限公司项目(编号:JSKF2007YJ0023)部分研究成果。

赵雄虎,男,教授,现主要从事钻井液以及油田化学方面的教学与研究工作。地址:北京昌平中国石油大学(北京)石油天然气工程学院(邮编:102249)。E-mail:cpbzxh@cup.edu.cn。