鉆屑回注漿體性能調控實驗研究＊

趙雄虎何 濤項先忠朱戰兵

(1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室; 2.中海油田服務股份有限公司)

鉆屑回注漿體性能調控實驗研究＊

趙雄虎1何 濤1項先忠2朱戰兵2

(1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室; 2.中海油田服務股份有限公司)

在對國外現場應用數據進行調研的基礎上,確定了鉆屑回注漿體性能參數調控范圍;通過室內實驗,分析了鉆屑加量對回注漿體性能的影響,并優選出了回注漿體合理配方。

鉆屑回注 回注漿體 性能調控 實驗研究

海上石油勘探、開發等生產作業過程中產生的廢棄物(如鉆屑、污水、廢棄鉆井液等)如果直接排放會污染海洋環境。海上鉆井廢棄物主要是運回岸上處理,或回注到地下。以鉆屑回注方式處理海洋鉆井廢棄物是安全可靠、經濟環保的處理方法,可以實現廢棄物零排放[1]。鉆屑回注技術是將鉆井廢棄物從固控設備傳輸到處理設備內,通過研磨、篩選和加處理劑造漿,使鉆屑的粒度和漿體流變性能滿足回注要求,然后通過套管環空或者專用回注井注入到有一定容納漿體能力的深部地層內。回注漿體性能調控是鉆屑回注技術的重要部分,回注漿體性能必須進行合理的調控,才能使之與回注地層配伍。本文通過室內實驗,分析了鉆屑加量對回注漿體性能的影響,并優選出了回注漿體合理配方。

1 回注漿體性能參數調控范圍

為了確保漿體滿足回注要求,必須合理地設計回注漿體性能參數。例如,設計合理的粘度、靜切力等流變參數,可以確保把鉆屑攜帶到回注地層;調整回注漿體懸浮鉆屑能力、巖屑顆粒度以及漿體的固相含量,可以減少巖屑在回注井中沉積,避免造成回注通道的堵塞;控制回注漿體濾失量以減少鉆屑固相在回注井周圍堆積,可以避免回注地層容漿能力減小。

根據國外回注漿體性能參數調控經驗[2-8],筆者對回注漿體性能參數調控范圍進行了歸納總結(表1)。

表1 回注漿體性能參數調控范圍

2 鉆屑回注漿體性能調控實驗研究

2.1 實驗儀器、材料及步驟

實驗儀器:包括電動小型研磨機、50目篩網、ZNN-D6S型旋轉粘度計、漏斗粘度計、API濾失儀、高速攪拌機、ZNG型鉆井液固相含量測定儀、電子天平、鉆井液密度計、秒表、燒杯、試管等。

實驗材料:包括鉆屑、海水、碳酸鈉、石灰、膨潤土、HV-PAC、HPAM、瓜兒膠、NaOH等。

實驗步驟:①把鉆屑研磨至小于 300μm(50目),過篩分離;②利用膨潤土、自來水或者海水、增粘劑、降濾失劑等配制基漿,使基漿性能達到能懸浮鉆屑的目標,找出合理的處理劑配方;③取基漿500 mL,加入研磨好的鉆屑,調整加量,把密度控制在1.1～1.3g/cm3之內,固相含量控制在20～40g/100mL之內,攪拌后測量鉆屑漿體粘度、濾失量等參數;④對回注漿體的配方進行評價,得出最優配方。

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 基漿的選用

海洋平臺鉆井時缺少淡水資源,為了節約回注成本,一般加入海水造漿。由于海水中含有大量的Ca2+、Mg2+離子,會降低增粘劑的增粘效果,使漿體的粘度下降,濾失量增加,加之膨潤土在海水中不容易水化分散,因此通常先把膨潤土加入到淡水中攪拌,水化分散24h,然后再兌入海水造漿(一般按照海水與淡水漿比例為1∶1來配制漿體)。世界各地海水成分有差異,但差別不是太大。以渤海海域海水為例,海水主要成分為 NaCl、MgCl2、MgSO4、CaSO4、KCl等,通過加入NaOH來除去海水中的Mg2+、Ca2+離子。根據化學方程式計算,去除海水中Mg2+、Ca2+離子需加入NaOH的含量為0.4%。

針對海上平臺作業特點和回注漿體的性能要求選用了如下4種基漿。

(1)基漿1:4%膨潤土 +淡水 +0.3%HVPAC。

(2)基漿2:4%膨潤土+淡水+0.3%HPAM。

(3)基漿3:4%膨潤土+淡水+0.4%瓜兒膠。

(4)基漿4:4%膨潤土+淡水和海水(1∶1)+ 0.4%NaOH+0.3%HV-PAC。

2.2.2 鉆屑加量對基漿性能的影響

鉆屑加量對基漿性能有明顯的影響,應在保持鉆屑懸浮性和可注入性前提下使漿體盡可能多的容納鉆屑,鉆屑加量對基漿性能的影響的實驗結果見表2～5。

表2 鉆屑加量對基漿1性能的影響

表3 鉆屑加量對基漿2性能的影響

表4 鉆屑加量對基漿3性能的影響

表5 鉆屑加量對基漿4性能的影響

2.2.3 實驗結果分析

根據以上回注漿體性能調控實驗結果,鉆屑加量對基漿表觀粘度、API濾失量、動切力、動塑比及密度的影響如圖1～5所示。

圖1 鉆屑加量對基漿表觀粘度的影響(100 r/min)

根據表1回注漿體性能參數調控范圍,回注漿體的表觀粘度控制在70～160mPa·s(170s-1)之間才有利于漿體的回注。由圖1可以看出,隨著鉆屑加量增大,漿體的粘度不斷增加。基漿3中鉆屑加量大于10%和基漿4中鉆屑加量大于22%時,粘度超過回注范圍。

由圖2可以看出,隨著鉆屑加量增大,基漿的濾失量不斷減小;基漿3中加入瓜兒膠配制漿體時,濾失量偏大,因此不滿足回注要求。

由圖3可以看出,隨著鉆屑加量增大,基漿的動切力不斷增大,有助于懸浮鉆屑但動切力太大會影響到注入,也會對壓裂開泵造成困難;基漿3在鉆屑加量超過15%和基漿4在鉆屑含量超過25%時,動切力偏大,因此不滿足回注要求。

由圖4可以看出,鉆屑加量增大到20%之前,基漿的動塑比有變化,但不是很劇烈;而當鉆屑加量超過20%時,基漿1和基漿4的動塑比明顯增大。鉆井液的動塑比值越高,其剪切稀釋特性越好,所以為了實現在高剪率下有效破巖和在低剪率下有效攜帶巖屑,通常要求鉆井液具有較高的動塑比。對于回注漿體,控制合適的動塑比有助于懸浮鉆屑和回注。

根據表1回注漿體性能參數調控范圍,漿體的密度應該控制在1.1～1.3g/cm3范圍內。從基漿1隨鉆屑加量變化曲線(圖5)可以看出,鉆屑加量大于32%時基漿密度超過回注要求的范圍。

通過以上分析,可以得出鉆屑回注漿體配方為:①4%膨潤土+0.4%NaOH+0.3%HV-PAC+淡水和海水(1∶1)+20%～25%鉆屑;②4%膨潤土+ 0.3%HV-PAC+淡水+26%鉆屑。在陸地回注時可以利用淡水配漿,在海上平臺回注時可以利用海水配漿。

3 結論

(1)回注漿體的性能要求為:表觀粘度在70～160mPa·s(170s-1)之間,鉆屑顆粒度不大于300 μm(50目),密度為1.1～1.3g/cm3,固相含量控制在15%～30%之間,濾失量應低于API濾失量且盡可能小,濾失系數小于0.000 7m/min1/2,與地層配伍性好。

(2)在海上鉆井平臺利用海水配制回注鉆屑漿體時,需利用氧化鈣或者氫氧化鈉處理海水。

(3)實驗得出回注漿體處理配方為:①4%膨潤土+0.4%NaOH+0.3%HV-PAC+淡水和海水(1∶1)+20%～25%鉆屑;②4%膨潤土+0.3%HVPAC+淡水+26%鉆屑。

[1] 趙雄虎,王風春.廢棄鉆井液處理研究進展[J].鉆井液與完井液,2004,21(2):45-48.

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(編輯:葉秋敏)

Abstract:This paper confirms the performance standard of cuttings re-injection slurry based on the information of the cuttings re-injection operation abroad.The influence of the added cuttings dosage on the performance of re-injection slurry is analyzed by experiments.The reasonable treating formula of re-injection slurry is provided.

Key words:cuttings re-injection;re-injection slurry; performance control;experimental study

Experimental study on control of performance of the cuttings re-injection slurry

Zhao Xionghu1He Tao1
Xiang Xianzhong2Zhu Zhanbing2
(1.CMOE Key L aboratory ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Beijing,102249;
2.China Of f shore Oilf ield Service Ltd., CNOOC,Beijing,101149)

2009-06-18 改回日期:2009-10-14

＊中海油田服務股份有限公司項目(編號:JSKF2007YJ0023)部分研究成果。

趙雄虎,男,教授,現主要從事鉆井液以及油田化學方面的教學與研究工作。地址:北京昌平中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院(郵編:102249)。E-mail:cpbzxh@cup.edu.cn。