BIODRILL A环保钻井液体系固化技术研究

雷 克，马春旭，李 斌，张贵磊，张羽臣

(1.中海油田服务股份有限公司，天津 300301；2.中海石油(中国)有限天津分公司，天津 300301)

为适应海上钻井以及环保需求，中海油田服务股份有限公司自主开发了新型的聚胺类高性能环保钻井液-BIODRILL A体系。该体系具有强抑制性、良好的润滑性、抗盐能力强、低剪切稀释性等优点，并且生物毒性低、易降解，可以在复杂钻进的同时，确保较低的环境伤害[1-4]，目前已在渤海多个油田区块获得了广泛应用。但是随着海上环保要求的日趋严格，渤海湾设定了多区域生态保护红线区，生态红线区内要求实现污染物及废弃物 “全回收”，其中也包括BIODRILL A体系[5-7]。如能够将循环使用的BIODRILL A体系直接固化应用于层间封固，可以减少部分钻井液后续处理压力，节约成本。针对上述问题，笔者开展了固化配方设计并进行了性能评价。

1 实 验

1.1 主要材料

BIODRILL A钻井液；固化材料包括：CS95矿渣、激活剂E-A10、E-A11、E-A12，降失水剂C-FL73(AMPS三元聚合物)、消泡剂C-X60L(有机酯类)、悬浮剂C-SA62L(生物胶类)等固井添加剂。上述材料由天津中海油服化学有限公司提供。

1.2 主要仪器

OWC-9360型水泥浆恒速搅拌器、OWC-9710型失水仪、YYM型压力密度计、OWC-118型常压养护箱、OWC-9350型常压稠化仪，沈阳航空航天大学应用技术研究院；3530型自动黏度计、8140D10型增压稠化仪、5265型超声波静胶凝强度分析仪，美国CHANDLER公司；Quanta 200型扫描电镜，美国FEI 公司。

1.3 实验方法

由于没有钻井液固化方面的标准，因此本实验借用固井水泥浆测试标准API 10B-2中规定的流变、强度等测试方法。

2 材料优选与配方设计

2.1 配方设计原则

钻井液直接固化技术可以有效提高顶替效率、有效规避相容性难题、消除固井界面微间隙，并具有经济环保的优势[8-12]。为使BIODRILL A钻井液进行固化，达到具有一定强度、稠化时间可控的固化液，进而替代固井水泥浆实现有效的层间封隔的目的，通过在钻井液中添加胶凝材料，并采用激活剂提高其活性，形成了一种适应于层间封固的E-BAC体系。

2.2 BIODRILL A钻井液体系

BIODRILL A钻井液体系主要由中海油服自主研发的聚胺抑制剂 PF-BIOTROL(聚胺类)、环保包被剂PF-BIOCAP(醇胺聚合物)、环保润滑剂PF-BIOLUBE A(植物油合成酯类)等材料复配无机盐材料以及加重材料构建而成。本实验选用钻井液密度为1.30 g/cm3的BIODRILL A钻井液，其基础性能见表1。

表1 BIODRILL A体系基础性能

2.3 高炉矿渣优选

高炉矿渣是一种冶金工业废料，在碱性体系中可以发生水化反应，形成具有一定强度的固化液。经过优选，选用CS95高炉矿渣作为实验对象。CS95高炉矿渣具有高活性系数、高比表面积和较小的粒径，可以实现快速水化，并可以在固化浆体中保持一定的稳定性。CS95矿渣基础性能见表2和表3。

表2 CS95高炉矿渣组成

表3 高炉矿渣的颗粒性能

2.4 激活剂优选

矿渣虽然具有一定的活性，但是其活性较低，需要另外添加激活剂对其活化，加速其反应速度，从而达到快速固化的目的。

初步优选了E-A10、E-A11和E-A12激活剂。E-A10是一种碱金属氢氧化物，易溶于水并形成碱性溶液；E-A11是一种碱金属碳酸盐，水溶液呈碱性，具有一定的激活作用；E-A12是一种碱金属硅酸盐类激活剂，并且在固化浆体中可以起到一定的悬浮作用，有利于浆体的稳定。

配制1.60 g/cm3的矿渣基础浆(配方为：100%矿渣+4%膨润土+淡水)，分别验证上述3种激活剂及其复配物的激活能力，即对24 h强度的影响。通过强度对比，得到适宜的E-A10/E-A11/E-A12(质量比)为1∶1∶3。

3 固化液配方性能

适应于层间封固的E-BAC体系密度为1.60 g/cm3。体系配方为：100%矿渣CS95+15%激活剂E-A10+5%激活剂E-A11+5%激活剂E-A12+0.2%悬浮剂C-SA62L+8%降失水剂C-FL73+40%钻井液+淡水。

3.1 强度性能

分别在不同温度条件下，对E-BAC体系进行了强度性测试，结果如图1所示。

图1 固化液抗压强度与温度的关系

由图1可知，固化液在1 d即表现出良好的强度性能，可达12 MPa以上，可以满足海上固井作业提高作业时效的目标；随着养护时间延长，强度增大，但相对缓慢，主要是由于大量激活剂在早期即可发挥较强的激活效果，早起强度发展快。

3.2 固结体长效性

在45 ℃条件下，对配方A固结体的强度进行了测试，结果见表4。固结体渗透率变化情况见图2、固结体SEM照片见图3。

表4 固结体长期强度情况

图2 固结体渗透率变化情况

图3 固结体SEM照片

可见，随着养护时间延长，固结体强度增大，在7 d后强度增加较缓慢，最终强度稳定在18 MPa左右，可以满足层间封隔长期强度要求；同时，渗透率逐步降低，超过7 d后，渗透率可下降至0.1×10-2mD以下，生成的胶结物越来越稳定，具有良好的抗渗能力；从微观形貌可以看出，随着养护时间延长，固结体内部孔隙减少，更加致密。

3.3 稠化性能

由于添加了激活剂，每种材料都具有很强的促凝作用，浆体的稠化时间往往不能有效延长。E-R10L是一种有机弱酸复配物，添加E-R10L可以中和激活剂，进而起到调节稠化时间的目的。在45 ℃条件下，对E-BAC体系稠化时间进行了测试，并使用缓凝剂E-R10L对稠化时间的可调性进行了评价，加量分别0，2%，4%，6%(与矿渣质量比)，结果分别见图4和图5。

图5 稠化时间与缓凝剂加量的关系

由图4可知，E-BAC体系稠化曲线良好，过渡时间短，具备良好的防窜性能；稠化时间随有机酸缓凝剂E-R10L的增加而延长，规律性良好，可以实现稠化时间的有效调节。

图4 E-BAC体系在45 ℃条件下的稠化曲线

3.4 与钻井液相容性

在钻井液转变为固化液后，需要将固化液重新泵入需要封隔的层位。在顶替过程中，为了避免固化液与钻井液的混合过程出现不良现象，需要对其与钻井液进行相容性评价。根据固井水泥浆相容性测试方法，在不同比例下，进行了流变性能和强度性能的相容性测试，结果见表5。

表5 固化液与钻井液的相容性性能

由表5可知，随着E-BAC含量增大，黏度计的刻盘读数呈现均匀上升，无数据异常，说明E-BAC体系与原BIODRILL A钻井液体系有良好的相容性；且YP值也有规律的增大，可以实现对钻井液的良好顶替；随着E-BAC体系占比增大，固化强度增大，在一定范围内，可以进一步激活新混入的BIODRILL A钻井液。

4 结 论

a.以矿渣为胶凝材料，以碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硅酸盐为激活剂，可以有效地将BIODRILL A环保钻井液转化为固井液。

b.构建了密度为1.60 g/cm3的E-BAC体系，24 h强度可到12 MPa，长时间养护后强度无倒缩，固结体表现出良好的致密性，满足固井长效封隔要求。有机酸缓凝剂可以中和激活剂，有效降低促凝效果，起到调节稠化时间的作用，可以有效拓展固化液的应用边界。

c.提供了一种有效处理海上钻井过程中BIODRILL A钻井液的方法，该法有效推动相关钻井液的无害化处理，降低后续回收处理压力。