選擇性絮凝劑在頁巖氣廢棄油基鉆井液中的應用

＊王建華 耿愿* 黃賢斌 屈沅治 閆麗麗 史赫

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206 2.中國石油大學（華東）石油工程學院 山東 266580）

鉆井液又稱泥漿，被稱為鉆井的“血液”，是粘土粒子、多種化學劑在水中形成的復雜膠體-懸浮體多級分散體系。鉆井液的功能包括攜巖、冷卻鉆具、平衡地層壓力、穩定井壁、傳遞水動力和保護儲層。近年來，鉆井液在不斷發展進步，鉆井液的分類逐漸細化，按流體介質分類可分為，水基鉆井液、油基鉆井液、合成基鉆井液以及氣體鉆井液等類型。由于油基鉆井液的成本高和環境污染較大，目前水基鉆井液是國內外主要用的鉆井液體系。但是與水基鉆井液相比，油基鉆井液有耐高溫、抗污染、有利于井壁穩定、良好的潤滑性以及保護油氣儲層等優點。隨著現有的復雜地層對鉆井液的要求越來越高，油基鉆井液還能適應于各種復雜和高難度井段。

油基鉆井液主要包括各種油類、添加劑、有機土和水等，主要涵蓋全油基和油包水反相乳化兩種鉆井液體系。這種油基鉆井液體系通常適用于考量鉆井液穩定性以及頁巖限制性兩種因素的地層，具體可包括高溫井、深井、粘卡和井壁垮塌等性質較為復雜的地層。油基鉆井液具有極強的限制性和抗鹽、鈣污染的良好性能，而抗高溫性能強的油基鉆井液則可適用于深井；對于潤滑性能強的油基鉆井液則可以應用于水平井，從而有效地為油氣層提供保護作用。當前階段，我國油基鉆井液大多適用于深井、大位移井、水平井等。

油基鉆井液是以油為外相的油包水乳液體系，具有強抑制性和高效潤滑性等優點，目前廣泛應用于頁巖氣鉆井過程中[1]。在油基鉆井液作業過程中，由于頁巖氣井水平段較長、油基鉆井液攜巖能力差、固控設備性能有限等原因，部分巖屑反復在井內磨削，經鉆頭處高速剪切，使部分巖屑的粒徑大幅減小，大幅度增大了鉆井液中的低密度固相含量[2]。

油基鉆井液巖屑是一種危險廢物，處理成本高[3]。鉆井過程中，由振動篩出來的巖屑中含有大量的油，為了巖屑減量化，鉆井現場會利用甩干機對巖屑進行甩干處理，甩干后出來的液體進入高速離心機進一步處理，甩干和離心后的固相運輸至專業化工廠處理[4]。如果油基鉆井液密度低，高速離心機處理后排除的液體（簡稱離心液）粘度低，可以直接用來配制油基鉆井液。但是較高密度條件下，離心液中低密度劣質固相（主要是微小尺度巖屑）含量高，離心液類膏狀十分粘稠，難以重復利用[5]。經調研，川渝地區單口井油基鉆井液鉆進過程中會產生40～60方離心液，該部分離心液由于劣質固相含量過高，無法重復配漿，運輸和處理成本高且存在污染環境的潛在風險。

現有鉆井液絮凝劑主要是針對水基鉆井液或油田廢水[6]，用于油基鉆井液的絮凝劑鮮有報道。中國石油大學（華東）和中石油工程技術研究院合作研制了一種油基鉆井液絮凝劑，在頁巖氣井廢棄油基鉆井液中開展了現場試驗，本文主要介紹了油基鉆井液絮凝劑的現場應用工藝和效果。

1.頁巖氣油基鉆井液中低密度固相的特點

油基鉆井液低密度固相指的是鉆井液中的有機土和巖屑,通常平均密度為2.6g/cm3。對于使用時間較長的油基鉆井液，巖屑的含量遠大于有機土的含量。因此，本文中提到的低密度固相主要是指巖屑。

由于油基鉆井液在水平段攜巖能力有限、離心機配套應用時間不足等原因，導致大量巖屑反復在井內循環磨削，使其粒徑大幅減小。除了粒度較小，由于頁巖氣地層巖石富含有機質，油相頁巖表面接觸角小親油性強，且與水相相比，油相鋪展速度極快，說明頁巖表面十分容易被油潤濕，進而容易在油基鉆井液中分散。此外油基鉆井液中的處理劑如潤濕劑、乳化劑等在巖屑表面的吸附進一步使其膠體化，增大了去除難度。

2.油基鉆井液絮凝劑及絮凝機理簡介

油基鉆井液絮凝劑是利用親油單體、陽離子單體聚合反應而成，是一種油溶性的聚合物。油基鉆井液絮凝劑是陽離子聚合物，帶正電。低密度劣質固相主要是巖屑，表面帶負電，可與陽離子絮凝劑通過靜電作用吸附。因此，利用油基鉆井液絮凝劑與油基鉆井液中固相之間作用力的強弱，可達到選擇性絮凝劣質固相的目的。

3.試驗工藝和實驗方法

(1)對廢棄巖屑離心液的處理工藝

①將泥漿罐中的離心液攪拌0.5h，取樣為樣品1。

②開啟高速離心機，主機轉速為3200r/min，將泥漿罐中的離心液進行再次離心處理后取樣為樣品2。

③在另一個泥漿罐中加入1%的油基絮凝劑，攪拌0.5h，開啟離心機，主機轉速：3200r/min，將罐內漿體進行離心處理，取樣為樣品3。

(2)固相含量和低密度固相含量的測試

利用固相含量測試儀對離心液或鉆井液進行蒸餾，收集水相和油相，稱量固相的質量，參考GB/T 16783.2鉆井液現場試驗第2部分油基鉆井液，計算固相含量和低密度固相含量。

(3)流變參數、電穩定性的測試

參照GB/T 16783.2鉆井液現場試驗第2部分油基鉆井液中的要求，測試老化前后離心液或鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動塑比、初終切等流變參數以及破乳電壓。

4.試驗結果與討論

(1)與鉆井液的配伍性

由表1可見，加入絮凝劑后，鉆井液表觀粘度和塑性粘度均有一定程度的降低，表明絮凝劑對鉆井液的流變參數無不良影響，并可以通過絮凝劣質固相，改善鉆井液的流變性能。

表1 絮凝劑對現場鉆井液性能的影響

(2)絮凝效果分析

表2 絮凝劑對離心液的處理效果

對現場離心液進行了絮凝處理，并做了對比實驗。樣品1是原始的離心液，也就是巖屑經過甩干機和離心機處理之后得到的液相，高含微固相，總固相含量為29.3%，低密度固相為15.97%，密度為1.54g/cm3；樣品2是原始離心液經過了二次離心（未添加絮凝劑）后得到的液體，總固相含量為27.5%，低密度固相為14.71%，密度為1.51g/cm3，樣品2的目的是為了和樣品3做對比實驗；樣品3是原始的離心液加入1%絮凝劑之后，經過離心后得到的液體，總固相含量為21.5%，低密度固相為10.85%，密度為1.39g/cm3。可見，不添加絮凝劑對離心液進行處理，鉆井液密度、總固相含量和低密度固相含量下降幅度不大，從表象來看，即是離心機離心出來的固相較少，其中低密度固相含量下降1.26%。而加入絮凝劑之后，鉆井液密度、總固相含量和低密度固相含量下降較為明顯，其中低密度固相含量下降5.06%。現場井漿的低密度含量為10.91%，與絮凝離心后的樣品較為接近。因此，經過絮凝劑離心處理，廢棄離心液的低密度固相含量和現場井漿的相當，達到了回收利用的要求。此外，絮凝劑對油基鉆井液油水比幾乎沒有影響。

(3)離心液重復利用

將絮凝后的離心液加重至現場鉆井液的密度，按照10%、20%、30%的質量比混入現場鉆井液中，測試鉆井液性能變化。參照上述方法，絮凝后的離心液與未經絮凝處理的離心液作對比實驗，實驗結果如表3所示。可見，在井漿基礎之上加入未絮凝的離心液并加重，鉆井液粘度和切力上升較大，破乳電壓降低。這主要是因為離心液本身十分粘稠，微固相尤其是低密度固相含量高，不利于鉆井液的流變性。而井漿加入10%～20%絮凝處理的離心液之后，粘度切力均下降明顯，這說明絮凝劑在油基鉆井液中起到了關鍵的作用。但是當絮凝處理后的離心液加量過大時（比如30%），井漿的粘切仍然會明顯上升，且老化后略有上升，尤其是終切上升較大。因此，井漿中混入絮凝離心液的體積最大為20%。通過加入絮凝劑對離心液進行處理后，按照20%的量混入井漿中進行回收利用，單口井可回收40～45方的廢棄離心液，一方面使廢棄離心液重復利用，另一方面也節省了廢棄離心液的運輸和處理費用。

表3 離心液對現場鉆井液流變參數的影響

5.結論

油基鉆井液鉆井過程中產生的巖屑離心液具有低密度、高固相、粘度大以及難以重復利用等難以處理的問題。針對上述問題，本文首先介紹了頁巖氣油基鉆井液中低密度固相的特點、使用的油基鉆井液絮凝劑和絮凝機理以及巖屑廢棄離心液中的現場處理工藝，實驗研究了油基鉆井液絮凝劑與現場鉆井液的配伍性，最后分析了油基鉆井液絮凝劑的作用效果以及絮凝后離心液的回收處理方法，并得到以下結論：

（1）頁巖氣油基鉆井液廢棄離心液中劣質固相含量高、粒度小、親油性強，常規的三級固控設備難以去除；

（2）油基鉆井液絮凝劑是一種陽離子的聚合物，能夠選擇性絮凝微小尺度的巖屑；

（3）油基鉆井液絮凝劑與現場鉆井液配伍性良好，可以一定程度上降低油基鉆井液的粘度，改善流變性；

（4）油基鉆井液絮凝劑可以大幅度降低廢棄離心液的低密度固相含量，處理后低密度固相含量與現場油基鉆井液的低密度固相含量相當；

（5）絮凝處理后的離心液按20%的加量加入到油基鉆井液中，對油基鉆井液的性能影響很小，可以使廢棄物得到重復利用。