*李偉 武同良 卜繼勇 郭玉樹 李斌 張貴磊
(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油化事業(yè)部 天津 300459 2.中國石油大學(xué)(華東)山東 266580)
隨著國家環(huán)保政策越來越嚴(yán)格,海洋鉆井對環(huán)境的影響越來越受到重視。渤海灣是我國海上油氣主要聚集區(qū)之一,水體交換速度慢,一旦水體受到污染,生態(tài)恢復(fù)周期長[1]。渤海油田鉆井過程中,會(huì)產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物,從保護(hù)渤海灣生態(tài)環(huán)境來看,所有海上油氣鉆井所涉及到的鉆井液和鉆屑做到零排放勢在必行[2]。目前,國內(nèi)外對于鉆井液的處理方法有回注、固化處理法、鉆井液轉(zhuǎn)固井液法(MTC)、固液分離、蒸餾熱處理法、生物降解法等[3-5]。其中,MTC技術(shù)不僅能有效處理廢棄鉆井液,而且能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物再利用。2008年新疆石油管理局張興國等人[6]根據(jù)新疆油田現(xiàn)場工況,研制出一種新型超低密度MTC固化液體系,較好地解決了這些區(qū)塊地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜、壓力安全窗口窄、固井過程中易漏易侵的問題。楊振杰等人[7]提出了使用優(yōu)質(zhì)鉆井液提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的觀點(diǎn),UF技術(shù)和MTC技術(shù)均能有效地降低循環(huán)漏失,改善油氣井固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量,進(jìn)而提高固井質(zhì)量。冀東石油勘探開發(fā)公司,大港油田,西南石油大學(xué),中國石化石油勘探開發(fā)研究院,德州石油鉆井研究所等單位[8]分別以不同的方法對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)研究,并取得了階段性成果。
為此,本文針對渤海油田廢棄PEC鉆井液,結(jié)合渤海油田現(xiàn)場具體工況,優(yōu)選出適用于其鉆井液體系的粉煤灰、MTC增強(qiáng)用激發(fā)劑、分散劑、降失水劑,形成低密度固化液基本配方,構(gòu)建MTC固井用水泥漿體系,大幅改進(jìn)固化體力學(xué)性能,解決了廢棄PEC鉆井液處理環(huán)保要求嚴(yán)格的問題。
渤海油田PEC鉆井液(現(xiàn)場取樣);堿激發(fā)粉煤灰;MTC用系列增強(qiáng)激發(fā)劑(德州華聯(lián)高新技術(shù)有限公司);MTC用分散劑(C-F42L、SYJZ-1、DHM401);MTC用降失水劑(DHM301、DHG301、DHG306)。
水泥漿恒速攪拌機(jī)、水泥石方形制形模具、水泥石水浴養(yǎng)護(hù)箱中壓失水儀(青島同春石油儀器有限公司)、ZNN-D68型電動(dòng)六速粘度計(jì)(青島海通達(dá)專用儀器有限公司)。
基于渤海水基鉆井液體系組成,以堿激發(fā)粉煤灰為膠結(jié)材料,研選適合的MTC用增強(qiáng)激發(fā)劑及鉆井液摻量比,達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求(MTC水泥漿密度在1.4~1.6g/cm3條件下;36h,45℃,強(qiáng)度10MPa)。
以膠結(jié)材料干粉質(zhì)量為基準(zhǔn),將膠結(jié)材料和不同的激活劑混合均勻,以鉆井液作為液相,控制膠結(jié)材料與鉆井液的摻量比,手動(dòng)攪拌均勻后利用恒速攪拌機(jī)以低速4000r/min進(jìn)行攪拌,15s之后,機(jī)器將以12000r/min的速率轉(zhuǎn)動(dòng)35s,轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后,水泥漿配制完成,測試不同摻量比下MTC水泥漿密度。設(shè)計(jì)MTC固化液密度在1.4~1.6g/cm3范圍內(nèi),如表1所示,優(yōu)選堿激發(fā)粉煤灰加量,對PEC鉆井液體系,粉煤灰加量為50%。
表1 MTC固化工作液體系密度設(shè)計(jì)Tab.1 Density design of MTC curing working fluid system
將混合均勻的膠結(jié)材料和激活劑加入鉆井液,之后將制備好的水泥漿倒入50mm×50mm×50mm(柱形養(yǎng)護(hù)試件可能需要定制成可拆卸式)的方形模具中,把模具放入常溫常壓養(yǎng)護(hù)箱或者高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜進(jìn)行一定溫度、時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后取出,冷卻后,利用水泥石強(qiáng)度測試儀測試不同MTC水泥石強(qiáng)度。
在激活劑DHM101和DHM102及其對應(yīng)激活助劑不同加量條件下,對PEC體系進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究,如表2與表3,當(dāng)激活劑加量為4.5%時(shí),PEC體系形成的水泥石抗壓強(qiáng)度超過10MPa,滿足技術(shù)指標(biāo)要求,其中,激活劑DHM101與激活助劑DHM201的效果要優(yōu)于激活劑DHM102與激活助劑DHM202的效果。從表2還可看出,當(dāng)DHM101加量一定時(shí),隨著激活助劑DHM201加量的增加,抗壓強(qiáng)度增加,但增加幅度較小。因此,確定PEC體系增強(qiáng)激發(fā)劑為4.5% DHM101和2.5% DHM201。
表2 激活劑DHM101加量優(yōu)選Tab.2 Dosage optimization of activator DHM101
表3 激活劑DHM102加量優(yōu)選Tab.3 Dosage optimization of activator DHM102
基于激活劑及鉆井液摻量比優(yōu)選,配制MTC水泥漿,加入不同分散劑,參照API標(biāo)準(zhǔn)10B-2,利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量流變性。應(yīng)用賓漢模型和冪律模型的計(jì)算方法分別計(jì)算出塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)。
PEC體系MTC水泥漿基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿1#:PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201;
實(shí)驗(yàn)水泥漿2#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% C-F42L;
實(shí)驗(yàn)水泥漿3#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% SYJZ-1;
實(shí)驗(yàn)水泥漿4#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4,由表4可看出,當(dāng)分散劑的加量為0.5%時(shí),PEC體系水泥漿的流性指數(shù)n>0.55,此時(shí),水泥漿的流變性能良好。說明該水泥體系與常用分散劑均有比較好的配伍性,流變性比較容易調(diào)節(jié)。上述三種分散劑中,DHM401加量在0.5%時(shí),水泥漿的流性指數(shù)最大且稠度系數(shù)K<0.7。因此,優(yōu)選DHM401為此PEC水泥體系的分散劑。
表4 分散劑對PEC體系水泥漿流變性能影響實(shí)驗(yàn)Tab.4 Effect of dispersant on rheological properties of PEC system cement slurry
基于激活劑及鉆井液摻量比優(yōu)選,配制MTC水泥漿,加入不同降失水劑,參照API標(biāo)準(zhǔn)10B-2,利用常溫常壓稠化儀稠化20min,后取出放入靜態(tài)濾失儀,對水泥漿的失水量進(jìn)行測試。
實(shí)驗(yàn)水泥漿5#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHM301;
實(shí)驗(yàn)水泥漿6#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHG301;
實(shí)驗(yàn)水泥漿7#:實(shí)驗(yàn)漿1#+0.5% DHM401+0.5% DHG306。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5所示,由表中數(shù)據(jù)可看出,針對PEC體系,優(yōu)選出的MTC用降失水劑為DHM301。
表5 降失水劑對PEC體系水泥漿濾失性能影響實(shí)驗(yàn)Tab.5 Effect of fluid loss additive on filtration performance of PEC system cement slurry
通過對MTC固井水泥漿體系的外加劑進(jìn)行優(yōu)選,確定固井水泥漿體系各種外加劑的類型和加量,得到基礎(chǔ)配方為:PEC體系MTC水泥漿配方PM:PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201+0.5% DHM401+0.5% DHM301。
水泥漿的流變模式確定:
式中,F(xiàn)—流變模式判別系數(shù);
θ200—轉(zhuǎn)速200r/min時(shí)的儀器讀數(shù)。
當(dāng)0.5-0.03<F<0.5+0.03時(shí)選用賓漢模式,否則選用冪律模式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算得到本體系水泥漿流變模式判別系數(shù)F=0.536,因此選用冪律模式。通過冪律模式的公式計(jì)算得出流性指數(shù)n=0.856,稠度系數(shù)K=0.536Pa·sn,冪律方程為τ=0.536γ0.856。
將配制好的水泥漿裝入常壓稠化儀,于80℃,0.1MPa條件下測得PEC水泥漿體系的稠化時(shí)間為316min,初始稠度為4Bc,稠化過渡時(shí)間為18min。
將水泥漿放入稠度儀中于相應(yīng)溫度下稠化20min,然后盡可能快地將水泥漿放入濾失儀中。最初施加壓力的瞬間開始記時(shí),濾液讀數(shù)應(yīng)在30s、1min、2min、5min、7.5min、10min、15min、25min和30min時(shí)各記錄一次,精確到±1mL。計(jì)算濾失量,用mL/30min表示。對于滿30min未發(fā)生氣穿的實(shí)驗(yàn),測量所收集的濾液體積,并乘以2作為濾失量。
由表6看出,30min時(shí)未發(fā)生氣穿,此時(shí)PEC體系固井泥漿失水12.8mL,水泥漿體系的濾失量為25.6mL/30min,滿足《SY/T 6544-2017油井水泥漿性能要求》,小于50mL/30min。
表6 氣穿前不同時(shí)間濾液的體積Tab.6 Filtrate volume at different time before gas penetration
將配好的水泥漿倒入模具中,在45℃×0.1MPa的條件下分別養(yǎng)護(hù)24h、36h、48h、7d,并測得它們的單軸抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表7。由表中數(shù)據(jù)可知,PEC體系水泥石養(yǎng)護(hù)36h抗壓強(qiáng)度為13.968MPa,7d抗壓強(qiáng)度為27.215MPa,滿足油田現(xiàn)場工程需要。
表7 水泥漿抗壓強(qiáng)度Tab.7 Compressive strength of cement slurry
(1)通過對MTC固井水泥漿體系的外加劑進(jìn)行優(yōu)選,確定固井水泥漿體系各種外加劑的類型和加量,得到基礎(chǔ)PEC體系MTC水泥漿配方PM,組成如下:
PEC鉆井液+50%堿激發(fā)粉煤灰+4.5% DHM101+2.5% DHM201+0.5% DHM401+0.5% DHM301。
(2)渤海廢棄水基鉆井液MTC水泥漿體系具有良好的流變性能,且其流變模式更符合冪律模式。
(3)渤海廢棄水基鉆井液MTC水泥漿體系稠化時(shí)間為316min、濾失量為25.6mL/30min、水泥石養(yǎng)護(hù)36h抗壓強(qiáng)度為13.968MPa、7d抗壓強(qiáng)度為27.215MPa,滿足油田現(xiàn)場工程需要。