120℃環(huán)環(huán)境友好型鉆井液在冀東油田的應(yīng)用

陳春來

中國石油冀東油田鉆采工藝研究院

隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境保護意識的日益增強和環(huán)境保護法律法規(guī)的日益嚴格，鉆井液及其廢棄物對環(huán)境的影響引起了國內(nèi)外環(huán)境保護界、石油工業(yè)界及公眾的普遍關(guān)注[1]。2015年1月1日，新版《中華人民共和國環(huán)境保護法》頒布實施，對鉆井液提出更嚴格的要求。聚合物鉆井液處理劑以聚合物大分子包被劑、聚合物中小分子降濾失劑(如NPAN等)及瀝青類防塌劑(如Soltex等)、改性抗溫降濾失劑為主，產(chǎn)品含有部分未完全轉(zhuǎn)化的有毒單體，導致鉆井液的生物毒性指標難以滿足環(huán)境保護的要求，且部分處理劑生物降解能力差，對環(huán)保造成較大的不利影響[2]。為了從源頭上消除鉆井液及廢棄物的環(huán)保隱患，環(huán)境友好型鉆井液應(yīng)具有以下特點:與油基鉆井液相近的抑制性能;配制和維護成本與普通水基鉆井液相近;滿足施工地區(qū)的環(huán)保排放標準，對生態(tài)環(huán)境無害;保證施工人員的健康和安全[3]。冀東油田調(diào)研了國內(nèi)外環(huán)保指標合格的鉆井液處理劑及體系，篩選目前普遍使用的鉆井液處理劑，從色度、生物降解性和生物毒性等7個方面進行評價，優(yōu)選構(gòu)建了可抗溫120℃的環(huán)境友好型鉆井液。該體系具有流變性好、抑制能力強、低摩阻，低濾失量和低熒光等特點;體系抗溫性能穩(wěn)定，經(jīng)過120℃×16 h老化后，體系各項指標無明顯變化。在冀東油田現(xiàn)場成功試驗應(yīng)用12口井，在性能調(diào)整上，環(huán)境友好型鉆井液體系與傳統(tǒng)聚合物鉆井液體系相同，利于現(xiàn)場調(diào)整鉆井液性能，具備較好的工程應(yīng)用效果;同時，該體系環(huán)保性能達標，與常用的聚磺鉆井液對比，該體系體現(xiàn)出明顯較好的環(huán)境保護效果，見表1。

表1 環(huán)境友好型鉆井液與聚磺鉆井液性能對比Table 1 Performance comparison between environment-friendly drilling fluid and sulfonation polymer drilling fluid

1 處理劑優(yōu)選評價

冀東油田勘探開發(fā)區(qū)塊分為南堡灘海和南堡陸地，鉆遇中淺層地層主要為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營組。其中，南堡陸地部分區(qū)塊東營組缺失，沙河街地層溫度相對較低，約110℃左右;上部平原組、明化鎮(zhèn)組和館陶組多以砂泥巖為主，黏土含量高，鉆井過程中巖屑水化分散嚴重，快鉆時要求鉆井液體系有較強的包被抑制能力，館陶組底部普遍發(fā)育玄武巖和底礫巖，要求鉆井液體系有較好的抑制能力和封堵能力。鉆遇儲層要求鉆井液體系具有良好的降濾失性能和高中孔滲儲層保護性能。

針對冀東油田中淺層中低溫地層的鉆井工程特點，從環(huán)保角度對冀東油田在用常規(guī)處理劑進行了篩選，在選材上采用以下原則:鉆井液處理劑成分無毒、可生物降解，具有較高的環(huán)境可接受性;鉆井液處理劑顏色盡可能淺，利于環(huán)保色度的處理;鉆井液體系具有一定的使用廣譜性，即有一定的抗溫性、抗污染能力，滿足復雜地區(qū)鉆井的一般需要[4]。目前，鉆井液毒性評價采用急性毒性試驗方法，主要實驗方法有:糠蝦生物檢測法、微生物毒性法和累計生物熒光法[5]。優(yōu)選實驗中毒性實驗采用了累計生物熒光法，生物降解性實驗采用了BOD值/COD值的比值評價法，優(yōu)選出了EC50大于3×104mg/L、生物降解率大于15%的較易降解和無毒類處理劑(見表2)。

表2 優(yōu)選鉆井液處理劑生物毒性評價Table 2 Evaluation of degradability and biological toxicity of optimized drilling fluid additives

上述處理劑分別為天然高分子包被抑制劑、降濾失劑、封堵抑制劑和潤滑抑制劑。根據(jù)優(yōu)選出的環(huán)保處理劑，開展配伍性實驗，形成了120℃環(huán)境友好型鉆井液體系，配方為(以質(zhì)量分數(shù)入場，下同):3%～5%膨潤土+0.3%～0.5%天然高分子包被劑HV-500+0.8%～1%LV-PAC+1%～2%聚合醇+1%～2%聚醚多元醇+1%～2%白瀝青+1%～1.5%改性淀粉。

1.1 鉆井液常規(guī)性能

環(huán)境友好型鉆井液經(jīng)60℃、90℃、120℃老化16 h后的性能見表3。鉆井液老化前后流變性能穩(wěn)定，表觀黏度保持在30 mPa·s左右，動塑比在0.45～0.59，具有較好的攜巖性;老化后，API濾失量在5.0～6.5 m L，高溫高壓濾失量為13 m L左右，能較好地滿足鉆井需要。

表3 環(huán)境友好型鉆井液抗溫性能評價Table 3 Evaluation of temperature resistance of Environment-friendly drilling fluid

1.2 鉆井液抑制性

采用泥頁巖膨脹率和滾動回收率兩種方法對環(huán)境友好型鉆井液進行抑制性評價，實驗結(jié)果見表4和表5。將20 g膨潤土粉經(jīng)3.5 MPa×15 min壓制成約25.4 mm×5 mm的泥頁巖餅，常溫下分別浸泡于環(huán)境友好型鉆井液和清水中，泥頁巖餅經(jīng)過24 h膨脹后，清水24 h的線性膨脹率為72%，而環(huán)境友好型鉆井液僅為21.65%，其線性膨脹率降低率為69.9%。取不同區(qū)塊泥巖巖心，開展?jié)L動回收率評價實驗，環(huán)境友好型鉆井液對不同區(qū)塊巖心的抑制性不同，清水滾動回收率為5.28%～31.86%，120℃環(huán)境友好型鉆井液滾動回收率均在60%以上，表現(xiàn)出良好的抑制性能。

表4120℃環(huán)境友好型鉆井液泥頁巖線性膨脹率評價Table 4 Evaluation of shale linear expansion rate in 120℃environment-friendly drilling fluid

表5120℃環(huán)境友好型鉆井液對不同區(qū)塊泥巖回收率評價Table 5 Evaluation of recovery rate of different blocks mudstone in 120℃environment-friendly drilling fluid

1.3 鉆井液潤滑性能

對環(huán)境友好型鉆井液不同潤滑劑加量的潤滑性開展評價，實驗結(jié)果見表6。當體系中潤滑劑聚醚多元醇質(zhì)量分數(shù)為2%時，極壓潤滑系數(shù)為0.074，黏附系數(shù)0.15，具有良好的潤滑性，能夠滿足常規(guī)井鉆井需要。當聚醚多元醇加量增至4%時，極壓潤滑系數(shù)可降低至0.039，黏附系數(shù)0.11，與2%加量的相比，極壓潤滑系數(shù)和黏附系數(shù)均明顯降低，可有效降低鉆進過程中的摩阻扭矩，能夠滿足大位移井鉆井需要。

表6120℃環(huán)境友好型鉆井液潤滑性評價Table 6 Lubricity evaluation of 120℃environment-friendly drilling fluid

表7120℃環(huán)境友好型鉆井液油層保護評價Table 7 Oil reservoir protection evaluation of 120℃environment-friendly drilling fluid

1.4 鉆井液油層保護性能

采用不同滲透率的巖心分別進行了80℃和90℃的巖心滲透率恢復值實驗，實驗結(jié)果見表7。采用中、高滲透率的露頭巖心，經(jīng)環(huán)境友好型鉆井液污染后滲透率恢復值均為85%以上，鉆井液動濾失量小于4.5 m L。南堡1號構(gòu)造東一段地層巖心滲透率恢復值為95.45%，巖心動濾失量2.5 m L?？梢?，環(huán)境友好型鉆井液體系針對露頭巖心和地層巖心的滲透率恢復值均較高，油層保護效果好。

1.5 鉆井液抗污染性能

環(huán)境友好型鉆井液抗鉆屑和水污染實驗結(jié)果見表8(老化條件為90℃、16 h)。不同區(qū)塊的鉆屑對鉆井液性能影響較小，隨著鉆屑量的增加，鉆井液黏度和切力略有增加，20%南堡巖屑污染后較原體系有一定變化，鉆進過程中鉆遇大段泥巖及鉆時較快時，需要及時補充包被劑加量并提高鉆井液抑制能力，通過加入稀釋劑保證良好流變性，少量水侵對鉆井液有較小的稀釋效果，動切力略降，濾失量略增，不會對體系性能產(chǎn)生明顯的影響。

1.6 鉆井液環(huán)保性能

對120℃環(huán)境友好型鉆井液的重金屬、石油類、生物降解性和生物毒性等的環(huán)評結(jié)果見表9。從表9可看出，鉆井液重金屬和石油類遠小于標準要求，生物降解度為25.7%，屬于極易降解物質(zhì)。環(huán)境友好型鉆井液糠蝦毒性實驗結(jié)果為40.6×104mg/L，優(yōu)于一級標準3×104mg/L，體系具有較好的環(huán)保性能。

表8120℃環(huán)境友好型鉆井液抗污染評價Table 8 Antipollution evaluation of 120℃environment-friendly drilling fluid

表9120℃環(huán)境友好型鉆井液環(huán)保性能評價Table 9 Environmental protection evaluation of 120℃environment-friendly drilling fluid

2 現(xiàn)場應(yīng)用

該環(huán)境友好型鉆井液體系已在南堡灘海和南堡陸地成功應(yīng)用12口井。應(yīng)用效果表明，該鉆井液體系具有較好的流變性，熒光級別低于4級，井壁穩(wěn)定效果好，油層保護效果好，各項環(huán)評指標均合格。

2.1 配制和維護

120℃環(huán)境友好型鉆井液配制方法與普通聚合物鉆井液一樣，預(yù)水化3%～5%膨潤土漿24 h，加入0.1%～0.2%天然高分子包被劑HV-500，循環(huán)均勻，保證鉆井液體系合適密度和黏切打完表套后，一開中完固井;二開鉆塞放掉部分污染鉆井液，加入純堿處理污染鉆井液，開始逐漸加入小分子降濾失劑LV-PAC進行護膠，保證鉆井液的穩(wěn)定性，上部明化鎮(zhèn)組地層鉆時快，膠結(jié)疏松，蒙脫石含量高，易于水化，鉆進過程中根據(jù)鉆時及時補充包被劑“包裹”巖屑，遵循0.5～1 kg/m加量加入包被劑，并適時加入稀釋抑制劑氨基硅醇，防止鉆井液土般含上升過快影響體系流變。在進入館陶組之前，膠液補充0.5%～0.8%LV-PAC、1.0%～1.5%淀粉、1.0%～1.5%聚合醇和1.0%～1.5%白瀝青，控制濾失量在5 m L左右，保證泥餅質(zhì)量薄而韌，提高鉆井液抑制封堵能力，安全鉆穿玄武巖和底礫巖。進入儲層前充分利用四級固控清除上部鉆井液中劣質(zhì)固相，通過加水、稀釋劑或補充膠液等方法降低鉆井液膨潤土質(zhì)量濃度至60 g/L以下，加入降濾失劑和封堵劑，控制較低鉆井液密度，實現(xiàn)近平衡鉆井，做好油層保護。

性能維護如下:①維持鉆井液p H值為8～11，保障p H值在合適范圍，避免因p H值變化導致鉆井液性能變差;②按鉆井液設(shè)計性能維護，保持適當鉆井液黏度、初終切力，使鉆井液具有良好的觸變性，為了保障井眼的清潔，確保鉆井液具有良好的懸浮和攜巖性能，應(yīng)維持鉆井液良好的流變性參數(shù):YP≥5 Pa，Φ6:4～8，Φ3:3～6，動塑比YP/PV＞0.4;③進入造斜段若定向困難，可加入1%～2%聚醚多元醇潤滑劑，配合聚合醇使用，提高體系的潤滑性，保持體系較低的摩阻系數(shù)，鉆進過程中發(fā)現(xiàn)摩阻系數(shù)升高或活動鉆具拉力異常時，及時增加潤滑劑加量;④針對南堡油田淺層泥巖段造漿問題突出，土般含上升過快，該體系的包被劑以天然高分子聚合物為主，如現(xiàn)場機械鉆速快，高分子聚合物溶解時間不能滿足及時加入的需要，根據(jù)現(xiàn)場情況補充適量PMHA，保證對泥巖的包被抑制效果。定期監(jiān)測土般含，維持土般含在55～80 g/L左右，土般含過低和過高都容易帶來流變性調(diào)控難度增大的問題。鉆進中使用好四級固控設(shè)備，清除鉆井液中的有害固相，維持較低的固相含量。

2.2 常規(guī)性能檢測

對應(yīng)用井的鉆井液體系進行的常規(guī)性能檢測結(jié)果見表10。從表10可看出，該體系流變性好，性能穩(wěn)定，熒光級別低于4級，油層段控制高溫高壓濾失量小于12 m L。

表10 應(yīng)用井鉆井液常規(guī)性能評價Table 10 General performance evaluation of drilling fluid in applied well

2.3 電阻率控制方法

隨著油田勘探開發(fā)程度的不斷加深，泥質(zhì)砂巖儲層中越來越多的復雜隱蔽、非常規(guī)的低對比度油氣層被發(fā)現(xiàn)，這類油氣層是廣義上的低阻油氣層，其電阻率分布范圍較廣，但都與相鄰水層的電阻率差別不大，具有較低的電阻增大率(小于2)。合理設(shè)計鉆井液電阻率，改善測井的鉆井液環(huán)境，獲得適宜的正異常幅度自然電位，是利用自然電位測井資料識別復雜隱蔽低對比度油氣層、剔除高阻水層的有效措施[6]。

目前，冀東油田部分井區(qū)為了有效識別低對比度油氣層，測井要求對鉆井液電阻率控制在0.4～1.2 Ω·m/18℃之間。通過室內(nèi)評價表明，低土般含條件下，可以通過加入Na2SO3調(diào)整120℃環(huán)境友好型鉆井液電阻率。應(yīng)用Na2SO3對120℃環(huán)境友好型鉆井液進行電阻率控制，在南堡32-3050側(cè)井獲得了成功。應(yīng)用情況如下:2017年2月16日，南堡32-3050側(cè)井在鉆進至2300 m時，根據(jù)地質(zhì)要求，進入儲層前調(diào)整鉆井液電阻率為0.6～1.0Ω·m/18℃。調(diào)整前鉆井液性能:密度1.15 g/cm3、黏度45 s、PV15 mPa·s、YP5 Pa、初終切2/5、API濾失量5.8 m L、土般含70 g/L、電阻率2.15Ω·m/18℃;取井漿加10%(w)膠液稀釋后，加入1%(w)Na2SO3和1%(w)氨基硅醇稀釋劑。攪拌均勻后，鉆井液性能:密度1.15 g/cm3、黏度46 s、PV16 mPa·s、YP6 Pa、初終切2/6、API濾失量4.2 m L、土般含50 g/L、電阻率0.72Ω·m/18℃。根據(jù)試驗結(jié)果，補充置換30 m3膠液，并少量多次補充2 t Na2SO3、2 t氨基硅醇稀釋劑調(diào)整鉆井液流變性，循環(huán)均勻后，鉆井液性能密度1.15 g/cm3、黏度47 s、PV16 m Pa·s、YP5.5 Pa、初終切2/5、電阻率0.73Ω·m/18℃。鉆井液性能滿足要求后，開始鉆進施工，根據(jù)損耗量補充膠液維護。膠液配方為0.3%(w)天然高分子+0.3%(w)LV-PAC+2%(w)改性淀粉+0.5%～1%(w)Na2SO3。期間，鉆井液電阻率為0.6～0.8Ω·m/18℃，滿足施工要求。

2.4 油層保護評價

對120℃環(huán)境友好型鉆井液體系進行的滲透率恢復值測定結(jié)果見表11。從表11可看出，該體系滲透率恢復值大于90%，濾液體積小于4.5 m L，表現(xiàn)出較好的油層保護效果。

表11 應(yīng)用井鉆井液油層保護評價Table 11 Oil reservoir protection evaluation of drilling fluid in applied well

2.5 環(huán)保指標檢測

對應(yīng)用井的鉆井液環(huán)保性能的測試結(jié)果見表12。從表12可看出，兩口井石油類質(zhì)量分數(shù)均小于0.4%，生物毒性優(yōu)于一級標準。

表12 應(yīng)用井鉆井液環(huán)保性能評價Table 12 Environmental protection evaluation of drilling fluid in applied well

根據(jù)SY/T 7298-2016《陸上石油天然氣開采鉆井廢物處置污染控制技術(shù)要求》第4.4固化/穩(wěn)化物浸出液控制項目限值對石油類限值要求及GB 8978《污水綜合排放標準》對第二類污染物最高允許排放濃度的要求，對于固化土浸出液含油和COD開展環(huán)評指標評價。通過對兩口井廢棄鉆井液處理后的壓濾泥餅進行后續(xù)跟蹤檢測:30天時間內(nèi)，南堡23-2452井固化土油質(zhì)量濃度降低至0.8 mg/L，COD值由112 mg/L降低至81 mg/L;20天的時間內(nèi)，高56-37井固化土油質(zhì)量濃度降低至1.69 mg/L，COD值由120 mg/L降低至93 mg/L;后期固化土色度明顯降低，含油量及COD值均滿足環(huán)保要求。

3 結(jié)論與認識

(1)經(jīng)過室內(nèi)處理劑優(yōu)選，研究出了一套抗120℃的環(huán)境友好型鉆井液體系，該鉆井液體系具有良好的抑制性、潤滑性及油層保護性能，能夠抗鉆屑及水污染，經(jīng)檢測體系無毒。

(2)120℃環(huán)境友好型鉆井液體系能夠滿足現(xiàn)場大位移井鉆井需要，經(jīng)現(xiàn)場12口井的試驗結(jié)果表明，該環(huán)境友好型鉆井液體系性能良好，穩(wěn)定性好，熒光級別低于4級，電阻率可調(diào)，鉆井施工順利，滲透率恢復值均大于90%，油層保護效果好。

(3)取現(xiàn)場試驗井120℃環(huán)境友好型鉆井液樣品測試，樣品在p H值、氯化物含量、石油類、生物降解性和生物毒性等方面均符合環(huán)評標準，廢棄物短期內(nèi)色度明顯降低，降解速度快，環(huán)保效果好。