GRD聚合物環保鉆井液在吐哈葡北油田的應用

蔡文軍 劉禧元 熊開俊 付偉明 王廣財 馬平平 朱亮

吐哈油田公司工程技術研究院

常用的聚合物類鉆井液體系，由于大量使用磺化類聚合物材料，色度深，生物降解性差，很難達到環境排放標準。國內外主要通過研發天然改性材料如改性淀粉和纖維素和易生物降解、毒性小的聚合物類材料如PAC-142等，來形成性能優良的聚合物環保鉆井液體系[1-7]。目前，冀東油田、新疆油田、塔里木油田等多個油田使用該鉆井液體系[8-9]。

吐哈葡北油田是吐哈油田上產主力區塊，緊鄰村莊。該區塊上部地層桃樹園組及鄯善群鹽膏層發育，極易造成井下縮徑遇阻遇卡；下部地層西山窯組及八道灣組煤層發育多，齊古組大段硬脆性紅色泥巖發育；同時地層破碎帶和交界面多，地層孔隙非均值性大。目前，該區塊主要應用抗鹽聚磺鉆井液體系，鉆井過程中經常發生塌、卡、劃眼等復雜事故。針對吐哈葡北油田鉆井難點和環境敏感性特點，優選了關鍵環保處理劑，形成一套針對性的GRD聚合物環保鉆井液配方。GRD聚合物環保鉆井液呈土黃色，色度達標， 毒性小，重金屬含量達標，極易生物降解[10]，并能夠精簡鉆井液不落地的處理工序，降低處理成本，首次在該區塊試驗應用。應用結果表明，GRD聚合物環保鉆井液不僅能滿足環保需求，同時也能夠滿足該區塊復雜鉆井要求，各項性能優于常規抗鹽聚磺鉆井液，對于4000 m左右的中深井，具有推廣應用價值。

1 GRD聚合物環保鉆井液的研制

GRD聚合物環保鉆井液不使用磺化材料，通過引入天然高分子改性材料(如DRGF-1封堵劑)，以及可降解/易降解聚合物處理劑(如丙烯酰胺/丙烯酸多元聚合降濾失劑DRGJ-1和大分子聚丙烯酰胺類抑制劑DRGY-1)，搭配部分無毒處理劑，實現完全去磺化。其中，DRGJ-1協助鉆井液中其他大小分子在井壁形成致密的阻隔層。 GRD聚合物環保鉆井液主要從抑制防塌和封堵防塌兩方面進行防塌技術研究，通過強抑制劑DRGY-1抑制泥巖的分散和膨脹，并利用不同粒徑軟性粒子填充，復配超細碳酸鈣加強封堵，封堵劑微粒將同時沉降于井壁上，能夠及時封堵易坍塌地層。

2 GRD聚合物環保鉆井液的性能評價

2.1 處理劑優選

2.1.1 降濾失劑優選

3種降濾失材料的流變性和降濾失性見表1和表2?；A淡水配方1#：4%(w)膨潤土漿+1%(w)Na2CO3;基礎鹽水配方2#:10%(w)膨潤土漿+1%(w)Na2CO3+4%(w)NaCl。

表1 淡水基漿中不同降濾失劑的流變性和濾失性Table 1 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in freshwater base mud序號六速AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mL1#9/7/6/4/1/14.522.50.0/0.529.0+1(w)%DRGJ-150/30/22/13/2/125.0205.00.5/4.54.8+1%(w)MV-CMC92/65/56/43/15/1346.02719.08.0/22.07.6+1%(w)JY-125/15/11/8/3/212.5102.51.5/5.08.4 注:流變性在室溫下測試。

表2 鹽水基漿中不同降濾失劑的流變性和濾失性Table 2 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in saltwater base mud序號六速AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mL2#19/14/12/11/6/59.554.51.0/2.568.0+1%(w)DRGJ-131/18/12/7/1/115.5132.50.5/0.54.2+1%(w)MV-CMC66/45/35/23/5/333.02112.01.5/10.04.3+1%(w)JY-129/21/18/16/9/714.586.53.5/7.019.0 注:流變性在室溫下測試。

由表1和表2可知，在淡水和鹽水基漿中，測得DRGJ-1的降濾失效果最好，API失水分別是4.8 mL和4.2 mL。增黏性適中，對流變性影響小。

2.1.2 抑制劑優選

依據Q/SH 0053-2010《粘土穩定劑技術要求》， 通過NP-01頁巖膨脹測試儀，比較了DRGY-1、ZNP-1、YFKN、CHM 4種抑制劑的抑制效果，結果見圖1。從圖1可看出，DRGY-1抑制性最優，頁巖膨脹率不超過40.1%。

表3 毒性檢測Table 3 Toxicity test樣品編號樣品名稱項目/參數檢測日期檢測結果EC50/(mg·L-1)毒性分級E-2018-004-0011.5%(w)DRGJ-1生物毒性2018-01-094.84×104無毒E-2018-004-0022.0%(w) DRGJ-F2生物毒性2018-01-091.25×105無毒E-2018-004-0032.0%(w)DRGJ-3生物毒性2018-01-091.04×105無毒E-2018-004-0041.5%(w)DRGF-1生物毒性2018-01-096.99×104無毒E-2018-004-0051.5%(w)DRGF-1(II型)生物毒性2018-01-094.83×104無毒E-2018-004-0061.5%(w)DRGF-2生物毒性2018-01-095.94×104無毒E-2018-004-0071.5%(w)DRGF-3生物毒性2018-01-092.47×104無毒E-2018-004-008紅臺2-127井漿生物毒性2018-01-091.90×105無毒

2.1.3 毒性檢測

依據SY/16788-2010《水溶性油田化學劑環境保護技術評價方法》，采用DXY-3型生物毒性測試儀對多個樣品進行了毒性檢測，試驗結果見表3。

由表3可知，檢測的8個樣品(紅臺2-127井是GRD聚合物環保鉆井液在吐哈油田試驗應用的第一口井)全部均無毒。

2.2 最優配方

通過處理劑優選 ，形成了GRD聚合物環保鉆井液配方：5%(w)土粉+0.1%(w)Na2CO3+0.3%(w)DRGY-1+2% (w)QCX+(1～4)%(w)NFA-25+(0.5～0.0)%(w)DRGJ-1+(0.5～1.0)%(w)DRGF-1+(0.5～1.0)%(w)DRGJD-1。該鉆井液體系抗溫達120 ℃，抗鹽鈣≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥餅黏滯系數為0.035～0.043。

2.3 抑制性評價

選取應用區塊桃樹園組巖屑，過1.7～3.35 mm篩的巖樣50 g，在120 ℃滾動老化16 h。由圖2可知，GRD聚合物環保鉆井液的泥頁巖滾動回收率達到90%以上，具有較強的抑制性能，優于聚磺鉆井液，能夠滿足該區塊鉆井要求。

2.4 配伍性評價

在GRD配方中分別加入10%(w)劣質土、10%(w)NaCl和5%(w)CaSO4，在120 ℃下老化16 h后，測定鉆井液配伍性，結果見表4。

表4 配伍性評價Table 4 Compatibility evaluation鉆井液配方AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaFLAPI/mLFLHTHP/mL實驗條件GRD4625213.610.8常溫4524214.011.0老化后+10%(w)劣質土5833253.410.0常溫5532233.810.6老化后+10%(w)NaCl3822164.613.8常溫3619175.414.6老化后+5%(w)CaSO45533225.013.6常溫5231215.814.8老化后

由表4可知，10%(w)的劣質土污染鉆井液體系后，體系塑性黏度和表觀黏度均上升，API失水和HTHP失水變化小，體系仍具有較好的流動性；10%(w)NaCl溶液污染該體系后，體系黏切下降明顯，失水略為升高；5%(w)CaSO4污染體系后，體系黏切輕微升高，API失水和HTHP失水顯著上升，但仍可滿足現場鉆井施工的要求。

2.5 環保性評價

依據GB/T 5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》和GB/T 7466-1987《水質總鉻的測定》分別檢測了GRD聚合物環保鉆井液和抗鹽聚磺鉆井液的重金屬含量；依據HJ 505-2009《水質 五日生化需氧量的測定 稀釋與接種法》和HJ 828-2017《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》分別檢測了GRD聚合物環保鉆井液和抗鹽聚磺鉆井液的BOD值和COD值，生物降解性采用BOD值/COD值得到。試驗結果見表5。

表5 環保性評價Table 5 Evaluation for environment protection項目檢測因子ρ(總鎘)/(mg·L-1)ρ(總汞)/(mg·L-1)ρ(總鉛)/(mg·L-1)ρ(總鉻)/(mg·L-1)ρ(總砷)/(mg·L-1)BOD/COD%二級排放標準≤0.1≤0.05≤1≤1.5≤0.5≥25抗鹽聚磺鉆井液0.2970.044 019.816800.783.6GRD聚合物環保鉆井液0.0050.000 5<0.20.0540.022 630.9

由表5可知，抗鹽聚磺鉆井液重金屬含量嚴重超標，BOD值/COD值<5%，難降解；GRD聚合物環保鉆井液重金屬含量滿足二級排放標準要求，BOD值/COD值>25%，屬于極易降解物質，體系具有優良的環保性能。

3 現場應用

葡北3-25井是吐哈盆地葡北油田葡北23塊的一口采油井，井型為直井，設計井深3740 m，目的層J2s。該井采用GRD聚合物環保鉆井液進行鉆井施工。2018年9月4日17：00，一開鉆進，表層采用Ф311 mm鉆頭鉆至井深805 m，Ф244.5 mm表層套管下至804.51 m；9月12日5：00，采用Ф216 mm鉆頭二開鉆進；10月3日4：00，鉆至井深3740 m完鉆后通井，測井一次成功；10月6日19：00， Ф139.7 mm油層套管下至3737.72 m。全井鉆井周期28.45天，建井周期32.43天，平均機械鉆速9.06 m/h。

3.1 現場施工情況

GRD聚合物環保鉆井液現場應用過程中， HTHP濾失小，流變性穩定，環保性能合格。鉆井過程中，偶爾有少量掉塊返出，但無遇阻劃眼等復雜情況，按設計井深順利完鉆，實鉆性能見表6。

表6 葡北3-25井用GRD聚合物環保鉆井液現場性能Table 6 Field performance of GRD polymer environment-friendly drilling fluid in 3-25 well of Pubei oilfield井深/m密度/(g·cm-3)FV/sAV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/(Pa/Pa)FLAPI/mLFLHTHP/mL32971.33654528174/84.5/0.512.033801.34684629174/84.5/0.511.235001.34725132194/84.0/0.510.036251.34705030204/83.8/0.510.037401.34684729185/84.0/0.510.0 注:FLHTHP測試溫度為120 ℃。

3.2 現場應用效果分析

(1) GRD聚合物環保鉆井液能夠顯著降低葡北油田鉆井復雜時效，提高機械鉆速，縮減完鉆周期，同時能夠降低鉆井液完鉆密度(見表7)。

表7 GRD聚合物環保鉆井液現場應用效果分析Table 7 Analysis of field application effect of GRD polymer environment-friendly drilling fluid井號井型井深/m完鉆密度/(g·cm-3)完鉆周期/天機械鉆速/(m·h-1)事故復雜時間/h葡北106直井37151.3536.719.0118葡北4-22定向井39601.3572.886.85156葡北3-21定向井37981.3974.915.28240葡北108直井37501.3441.796.9910葡北3-31定向井38501.460.086.23144葡北3-62定向井37561.3835.638.9122葡北3-43直井36981.3538.467.470葡北802定向井34441.3435.677.840葡北3-53直井37321.3936.718.4415葡北3-42定向井37671.3637.588.860鄰井平均直井37471.3747.047.5960.5試驗井直井37401.3428.459.060變化↓2.19%↓39.52%↑19.37%↓100%

(2) 試驗井井徑規則，平均井徑擴大率小。試驗井二開全井段平均井徑擴大率為2.62%，比聚磺鉆井液的小40.86%。在齊古組段2985～3235 m，井徑擴大率大，鉆井過程中有垮塌現象?，F場主要通過提高封堵防塌劑有效濃度，QCX、NFA-25和 DGRF-1按質量比2∶4∶1加入，聚合物類膠體填充空隙，進一步降低API失水和高溫高壓失水，同時對已經剝落的掉塊，保持鉆井液的攜帶性將其帶出。具體數據見圖3。

(3) GRD聚合物環保鉆井液對環境影響小。由圖4和圖5可知，試驗井應用GRD聚合物環保鉆井液后，污水池顯土黃色，能夠與地表環境很好融合。

截至目前，GRD聚合物環保鉆井液已在吐哈油田多個區塊、各類井型現場應用達60余井次。

4 結論

(1) 針對吐哈葡北油田含鹽膏質泥巖、大段煤層、硬脆性泥巖發育、地層孔隙非均值性大等難點，形成一套成熟的GRD聚合物環保鉆井液配方。該配方流變性穩定，抗溫達120 ℃，抗鹽鈣≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥餅黏滯系數為 0.035～0.043，泥頁巖滾動回收率達到90%以上。

(2) GRD聚合物環保鉆井液性能穩定，在現場應用過程中，與常規抗鹽聚磺鉆井液相比，機械鉆速提高19.37%，鉆井周期縮短39.52%，完鉆密度降低2.19%，井徑擴大率縮小40.86%，無復雜情況。

(3) 現場應用GRD聚合物環保鉆井液的污水池呈土黃色，室內檢測井漿EC50>30 000，無毒， 重金屬含量達標，極易生物降解，能滿足吐哈油田地層復雜、環境敏感性區塊的鉆井需要。