环保型水基钻井液体系的研究与应用

陈二丁,王金利,张海青,杨倩云

(中国石化胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司,山东 东营 257064)

随着石油开采中环境保护意识的不断加强,废弃钻井液对环境的污染问题越来越受到人们的重视。国内已逐步要求对废弃钻井液及废弃钻屑等进行无害化处理,减少对环境的污染和生态环境的破坏。这种“末端治理”的处理方式成本投入高,且难以彻底消除污染隐患,给钻井行业带来了巨大的经济和环保压力。因此,必须研究应用环保型钻井液体系,从源头上控制钻井废弃物污染。虽然环保型钻井液体系研究已经取得很大进展,但是由于缺乏配伍性良好的环保型处理剂及成本偏高等问题,导致目前的环保型钻井液体系难以推广应用[1-2]。本文通过优选基于天然材料制备的核心处理剂,及具有肥田效果的盐类抑制剂,形成抑制性强,处理剂高效,品种少,性能稳定,抗污染能力强的抗温120 ℃环保型水基钻井液体系,主要应用于普通生产井的施工,废弃钻井液简单处理后可直接排放,可解决常规聚合物钻井液体系的污染问题,降低废弃物处理成本。

1 主要处理剂的研选

1.1 降滤失剂

优选淀粉类、纤维素类及植物胶类等不同类型天然材料制备的处理剂,综合研究其抗温、抗盐及降滤失效果,经过复配研制了具有良好抗温、抗盐及降滤失性能的高效环保降滤失剂HB-1。与其他降滤失剂性能对比见表1,由结果可以看出,HB-1降滤失性能优良,优于其他天然材料制备的降滤失剂,同时可以改善基浆的流变性。

1.2 页岩抑制剂

优选化学肥料复配形成具有肥田效果的复合盐类抑制剂HB-2,其水解产生的不同电荷正电基团与黏土矿物的负电荷结合能力强,同时也可以嵌入晶层间,在晶层间起到连接作用,强力抑制黏土矿物水化,将水化作用限制在岩屑的表面,起到控制钻屑分散和絮凝钻屑的作用。通过考察页岩回收率,与其他抑制剂进行性能对比,结果见表2。结果可以看出,使用HB-2页岩抑制剂时页岩回收率高于使用其他抑制剂,因此HB-2页岩抑制剂具有优良的页岩抑制性。

表1 降滤失剂性能对比

表2 抑制剂页岩回收率对比

1.3 润滑剂

以废弃植物油为原料,经过酯化、酯交换反应后,进一步进行抗高温改性,制备了植物油润滑剂HB-3,植物油润滑剂无毒易生物降解,生物毒性大于30 000 mg/L,润滑性能优良,与其他类型润滑剂性能对比见表3。

表3 润滑剂润滑性能对比

1.4 其他处理剂优选[3-6]

絮凝剂优选天然高分子材料改性制备的天然高分子聚合物包被剂,与丙烯酰胺类聚合物相比,天然材料改性产品不含丙烯酰胺类单体,无毒易降解,环境可接受性强;抑制防塌剂优选环保型处理剂无水聚合醇,主要为聚乙二醇、聚丙二醇等,通过在井壁上吸附形成油膜及“浊点”效应起到抑制防塌作用,此外还具有一定润滑作用;流行调节剂优选生物聚合物XC,是一种线型高聚物酸性多糖物质,无毒易降解,完全溶于水中而形成黏稠的溶液,可作为淡水和盐水钻井液的高效增黏剂,加入很少的量(0.2%～0.3%),即可产生较高的黏度,并兼有降滤失作用,同时具有优良的剪切稀释性能,能够有效的改进钻井液的流型,抗温120 ℃。

2 配方及性能评价

在核心环保型处理剂研制及优选的基础上,通过处理剂之间的配伍性研究及处理剂用量优化,完善体系组成,形成了抗温120 ℃环保型钻井液体系[3-6]。钻井液体系基本配方如下:

3%膨润土浆+0.3%天然高分子聚合物包被剂+3%HB-1+3%HB-2+2%HB-3+2%无水聚合醇+0.02%生物聚合物。

2.1 基本性能评价

对研发的环保型钻井液体系进行基本性能评价,结果见表4。由表4可以看出,体系常温下流变性能优良,高温高压滤失量低。120 ℃热滚16h后,体系黏切稍有降低,滤失量稍有增加,仍具有良好的流变性,和较低的滤失量,说明体系抗温性能强。

表4 钻井液性能

2.2 抗污染性能评价

在基本配方中分别加入20%的NaCl、1%的CaSO4、5%的黏土,进行抗污染性能评价,结果见表5。由试验结果看出,加入20%NaCl,体系黏切升高,但具有良好的的流变性,热滚后黏切降低,中压滤失量及高温高压滤失量稍有增加,体系抗盐能力强。加入1%CaSO4,体系黏切升高,但具有良好的的流变性,滤失量稍有增加,热滚后,黏切降低,中压滤失量及高温高压滤失量稍有增加,流变性良好,具有较强的抗石膏污染能力。加入5%黏土,体系黏切升高,滤失量降低,流变性良好,热滚后,黏切稍有增加,高温高压滤失量降低,流变性良好,具有较强的抗黏土污染能力。

表5 钻井液抗污染性能试验结果

2.3 加重及沉降稳定性能评价

在配方中加入重晶石粉,将体系密度加重至1.51g/cm3,测定老化前后性能,结果见表6。由结果看出,加重后钻井液流变性优良,滤失量降低,热滚后性能变化小,说明体系在较高密度下仍具有较强的稳定性。

表6 钻井液加重试验结果

将基本配方分别加重至1.30、1.40、1.50、1.60g/cm3,测定常温及老化后的密度变化,结果见表7。由结果看出,常温和热滚状态静置后,体系密度变化小,说明体系具有良好的沉降稳定性。

表7 钻井液沉降稳定性试验结果

2.4 低温流变性能评价

为满足在新疆地区浅井中的应用,使用DC-1型低温测试装置对体系的低温流变性进行了评价,在连续搅拌的方式下,测定了降低温度过程中的流变参数变化,结果见表8。由结果可以看出,随着温度不断降低,体系塑性黏度和动切力不断提高,表观黏度升高。在温度为0 ℃时,体系仍具有良好的的流变性,说明体系可在较低温度下使用。

表8 钻井液低温流变性试验结果

2.5 抑制性评价

采用页岩回收率评价体系的抑制性,筛选粒径2.0～3.2mm岩屑50g,测定清水和基本配方温度120 ℃热滚16h的页岩回收率。实验结果,测得该岩屑清水回收率为19.1%,环保钻井液体系页岩回收率为93.4%,因此体系具有良好的抑制性。

2.6 生物降解性能评价

参照生物降解性的评价标准,通过实验测定的体系的Y=(COD5/BODCr)×100=19,根据分级标准为较易降解[7]。针对所研发的环保型钻井液的特点,采用淀粉酶EM1和纤维素酶EM2对体系进行了生物降解实验,通过测定表观黏度的变化,评价体系的降解性,结果见图1。由结果可以看出,环保钻井液体系在生物酶的作用下能快速降解,黏度降低。通过调整生物酶的种类和加量可人为控制降解时间,其值可人为控制≤1 200h。

图1 钻井液体系降解曲线

2.7 环保性能评价

所配置的环保钻井液基本配方,由广东省微生物检测中心检验重金属含量及生物毒性,结果见表9。由检测结果看出,研发的环保钻井液配方满足二级污水排放标准[8]。

表9 钻井液环保性能检测结果

3 现场应用

曲15-X井位于曲堤油田曲15块西部构造高部位,完钻井深2 505m,最大井斜20.5°。该井东营组造浆严重,沙河街组易坍塌,提高钻井液的抑制性,有效抑制东营组造浆及沙河街组水化坍塌是本井的难点。

施工措施:该井二开采用环保型钻井液体系,提高钻井液的抑制性。上部地层采用聚合物钻井液体系,主要使用天然高分子聚合物包被剂,加量0.2%～0.5%。钻进至1 700m进行体系转化,首先开启离心机,除去无用固相,保证钻井液的清洁,调整钻井液黏度30～35s,膨润土含量30～40g/L,加入1%降滤失剂HB-1,循环均匀后,继续加入3%抑制剂HB-2,提高钻井液的抑制性。循环均匀后测定钻井液性能,根据需要加入降滤失剂及流型调节剂调整钻井液性能。进入沙河街组加入防塌抑制剂无水聚合醇,补充抑制剂HB-2、降滤失剂HB-1,控制滤失量小于5mL,提高钻井液的抑制防塌性能。根据需要加入润滑剂HB-3,保证钻井液的润滑性能。

应用效果:钻井液体系抑制防塌性能优良,能够有效控制地层造浆,润滑性好,摩阻小,能满足钻井液润滑性的要求,钻井液体系材料种类少,维护操作简单,流变性易控制,携砂性强,井眼净化良好。二开小循环井段平均井径为9.63in,井眼扩大率为1.53%,电测下套管一次成功率100%,完井液生物毒性检测结果为EC50>106mg/L,无毒符合环保要求。

4 结 论

(1)通过研选具有肥田效果的抑制剂,基于天然材料制备的降滤失剂、润滑剂等核心处理剂,优化处理剂用量,形成了抗温120 ℃环保型钻井液体系,性能评价结果表明,该体系在常温及低温下都具有优良的流变性能,抗盐、钙及黏土污染能力强,抑制性强,重金属及生物毒性检测结果满足环保要求。同时,在优选的生物酶的作用下可以较快速的降解。

(2)现场应用结果表明,该体系流变性易于控制,抑制防塌能力强,可以有效解决泥岩水化造浆及垮塌问题,能够满足一般生产井的需要。完井液生物毒性满足环保要求,具有较高的推广应用价值。