BIODRILL A環(huán)保鉆井液體系固化技術(shù)研究

雷 克，馬春旭，李 斌，張貴磊，張羽臣

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300301；2.中海石油(中國)有限天津分公司，天津 300301)

為適應(yīng)海上鉆井以及環(huán)保需求，中海油田服務(wù)股份有限公司自主開發(fā)了新型的聚胺類高性能環(huán)保鉆井液-BIODRILL A體系。該體系具有強(qiáng)抑制性、良好的潤滑性、抗鹽能力強(qiáng)、低剪切稀釋性等優(yōu)點，并且生物毒性低、易降解，可以在復(fù)雜鉆進(jìn)的同時，確保較低的環(huán)境傷害[1-4]，目前已在渤海多個油田區(qū)塊獲得了廣泛應(yīng)用。但是隨著海上環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，渤海灣設(shè)定了多區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)，生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)要求實現(xiàn)污染物及廢棄物 “全回收”，其中也包括BIODRILL A體系[5-7]。如能夠?qū)⒀h(huán)使用的BIODRILL A體系直接固化應(yīng)用于層間封固，可以減少部分鉆井液后續(xù)處理壓力，節(jié)約成本。針對上述問題，筆者開展了固化配方設(shè)計并進(jìn)行了性能評價。

1 實 驗

1.1 主要材料

BIODRILL A鉆井液；固化材料包括：CS95礦渣、激活劑E-A10、E-A11、E-A12，降失水劑C-FL73(AMPS三元聚合物)、消泡劑C-X60L(有機(jī)酯類)、懸浮劑C-SA62L(生物膠類)等固井添加劑。上述材料由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。

1.2 主要儀器

OWC-9360型水泥漿恒速攪拌器、OWC-9710型失水儀、YYM型壓力密度計、OWC-118型常壓養(yǎng)護(hù)箱、OWC-9350型常壓稠化儀，沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院；3530型自動黏度計、8140D10型增壓稠化儀、5265型超聲波靜膠凝強(qiáng)度分析儀，美國CHANDLER公司；Quanta 200型掃描電鏡，美國FEI 公司。

1.3 實驗方法

由于沒有鉆井液固化方面的標(biāo)準(zhǔn)，因此本實驗借用固井水泥漿測試標(biāo)準(zhǔn)API 10B-2中規(guī)定的流變、強(qiáng)度等測試方法。

2 材料優(yōu)選與配方設(shè)計

2.1 配方設(shè)計原則

鉆井液直接固化技術(shù)可以有效提高頂替效率、有效規(guī)避相容性難題、消除固井界面微間隙，并具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢[8-12]。為使BIODRILL A鉆井液進(jìn)行固化，達(dá)到具有一定強(qiáng)度、稠化時間可控的固化液，進(jìn)而替代固井水泥漿實現(xiàn)有效的層間封隔的目的，通過在鉆井液中添加膠凝材料，并采用激活劑提高其活性，形成了一種適應(yīng)于層間封固的E-BAC體系。

2.2 BIODRILL A鉆井液體系

BIODRILL A鉆井液體系主要由中海油服自主研發(fā)的聚胺抑制劑 PF-BIOTROL(聚胺類)、環(huán)保包被劑PF-BIOCAP(醇胺聚合物)、環(huán)保潤滑劑PF-BIOLUBE A(植物油合成酯類)等材料復(fù)配無機(jī)鹽材料以及加重材料構(gòu)建而成。本實驗選用鉆井液密度為1.30 g/cm3的BIODRILL A鉆井液，其基礎(chǔ)性能見表1。

表1 BIODRILL A體系基礎(chǔ)性能

2.3 高爐礦渣優(yōu)選

高爐礦渣是一種冶金工業(yè)廢料，在堿性體系中可以發(fā)生水化反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的固化液。經(jīng)過優(yōu)選，選用CS95高爐礦渣作為實驗對象。CS95高爐礦渣具有高活性系數(shù)、高比表面積和較小的粒徑，可以實現(xiàn)快速水化，并可以在固化漿體中保持一定的穩(wěn)定性。CS95礦渣基礎(chǔ)性能見表2和表3。

表2 CS95高爐礦渣組成

表3 高爐礦渣的顆粒性能

2.4 激活劑優(yōu)選

礦渣雖然具有一定的活性，但是其活性較低，需要另外添加激活劑對其活化，加速其反應(yīng)速度，從而達(dá)到快速固化的目的。

初步優(yōu)選了E-A10、E-A11和E-A12激活劑。E-A10是一種堿金屬氫氧化物，易溶于水并形成堿性溶液；E-A11是一種堿金屬碳酸鹽，水溶液呈堿性，具有一定的激活作用；E-A12是一種堿金屬硅酸鹽類激活劑，并且在固化漿體中可以起到一定的懸浮作用，有利于漿體的穩(wěn)定。

配制1.60 g/cm3的礦渣基礎(chǔ)漿(配方為：100%礦渣+4%膨潤土+淡水)，分別驗證上述3種激活劑及其復(fù)配物的激活能力，即對24 h強(qiáng)度的影響。通過強(qiáng)度對比，得到適宜的E-A10/E-A11/E-A12(質(zhì)量比)為1∶1∶3。

3 固化液配方性能

適應(yīng)于層間封固的E-BAC體系密度為1.60 g/cm3。體系配方為：100%礦渣CS95+15%激活劑E-A10+5%激活劑E-A11+5%激活劑E-A12+0.2%懸浮劑C-SA62L+8%降失水劑C-FL73+40%鉆井液+淡水。

3.1 強(qiáng)度性能

分別在不同溫度條件下，對E-BAC體系進(jìn)行了強(qiáng)度性測試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 固化液抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖1可知，固化液在1 d即表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度性能，可達(dá)12 MPa以上，可以滿足海上固井作業(yè)提高作業(yè)時效的目標(biāo)；隨著養(yǎng)護(hù)時間延長，強(qiáng)度增大，但相對緩慢，主要是由于大量激活劑在早期即可發(fā)揮較強(qiáng)的激活效果，早起強(qiáng)度發(fā)展快。

3.2 固結(jié)體長效性

在45 ℃條件下，對配方A固結(jié)體的強(qiáng)度進(jìn)行了測試，結(jié)果見表4。固結(jié)體滲透率變化情況見圖2、固結(jié)體SEM照片見圖3。

表4 固結(jié)體長期強(qiáng)度情況

圖2 固結(jié)體滲透率變化情況

圖3 固結(jié)體SEM照片

可見，隨著養(yǎng)護(hù)時間延長，固結(jié)體強(qiáng)度增大，在7 d后強(qiáng)度增加較緩慢，最終強(qiáng)度穩(wěn)定在18 MPa左右，可以滿足層間封隔長期強(qiáng)度要求；同時，滲透率逐步降低，超過7 d后，滲透率可下降至0.1×10-2mD以下，生成的膠結(jié)物越來越穩(wěn)定，具有良好的抗?jié)B能力；從微觀形貌可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時間延長，固結(jié)體內(nèi)部孔隙減少，更加致密。

3.3 稠化性能

由于添加了激活劑，每種材料都具有很強(qiáng)的促凝作用，漿體的稠化時間往往不能有效延長。E-R10L是一種有機(jī)弱酸復(fù)配物，添加E-R10L可以中和激活劑，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)稠化時間的目的。在45 ℃條件下，對E-BAC體系稠化時間進(jìn)行了測試，并使用緩凝劑E-R10L對稠化時間的可調(diào)性進(jìn)行了評價，加量分別0，2%，4%，6%(與礦渣質(zhì)量比)，結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖5 稠化時間與緩凝劑加量的關(guān)系

由圖4可知，E-BAC體系稠化曲線良好，過渡時間短，具備良好的防竄性能；稠化時間隨有機(jī)酸緩凝劑E-R10L的增加而延長，規(guī)律性良好，可以實現(xiàn)稠化時間的有效調(diào)節(jié)。

圖4 E-BAC體系在45 ℃條件下的稠化曲線

3.4 與鉆井液相容性

在鉆井液轉(zhuǎn)變?yōu)楣袒汉?，需要將固化液重新泵入需要封隔的層位。在頂替過程中，為了避免固化液與鉆井液的混合過程出現(xiàn)不良現(xiàn)象，需要對其與鉆井液進(jìn)行相容性評價。根據(jù)固井水泥漿相容性測試方法，在不同比例下，進(jìn)行了流變性能和強(qiáng)度性能的相容性測試，結(jié)果見表5。

表5 固化液與鉆井液的相容性性能

由表5可知，隨著E-BAC含量增大，黏度計的刻盤讀數(shù)呈現(xiàn)均勻上升，無數(shù)據(jù)異常，說明E-BAC體系與原BIODRILL A鉆井液體系有良好的相容性；且YP值也有規(guī)律的增大，可以實現(xiàn)對鉆井液的良好頂替；隨著E-BAC體系占比增大，固化強(qiáng)度增大，在一定范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步激活新混入的BIODRILL A鉆井液。

4 結(jié) 論

a.以礦渣為膠凝材料，以堿金屬氫氧化物、堿金屬碳酸鹽、堿金屬硅酸鹽為激活劑，可以有效地將BIODRILL A環(huán)保鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液。

b.構(gòu)建了密度為1.60 g/cm3的E-BAC體系，24 h強(qiáng)度可到12 MPa，長時間養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度無倒縮，固結(jié)體表現(xiàn)出良好的致密性，滿足固井長效封隔要求。有機(jī)酸緩凝劑可以中和激活劑，有效降低促凝效果，起到調(diào)節(jié)稠化時間的作用，可以有效拓展固化液的應(yīng)用邊界。

c.提供了一種有效處理海上鉆井過程中BIODRILL A鉆井液的方法，該法有效推動相關(guān)鉆井液的無害化處理，降低后續(xù)回收處理壓力。