蔡文军 刘禧元 熊开俊 付伟明 王广财 马平平 朱亮

吐哈油田公司工程技术研究院

常用的聚合物类钻井液体系，由于大量使用磺化类聚合物材料，色度深，生物降解性差，很难达到环境排放标准。国内外主要通过研发天然改性材料如改性淀粉和纤维素和易生物降解、毒性小的聚合物类材料如PAC-142等，来形成性能优良的聚合物环保钻井液体系[1-7]。目前，冀东油田、新疆油田、塔里木油田等多个油田使用该钻井液体系[8-9]。

吐哈葡北油田是吐哈油田上产主力区块，紧邻村庄。该区块上部地层桃树园组及鄯善群盐膏层发育，极易造成井下缩径遇阻遇卡；下部地层西山窑组及八道湾组煤层发育多，齐古组大段硬脆性红色泥岩发育；同时地层破碎带和交界面多，地层孔隙非均值性大。目前，该区块主要应用抗盐聚磺钻井液体系，钻井过程中经常发生塌、卡、划眼等复杂事故。针对吐哈葡北油田钻井难点和环境敏感性特点，优选了关键环保处理剂，形成一套针对性的GRD聚合物环保钻井液配方。GRD聚合物环保钻井液呈土黄色，色度达标， 毒性小，重金属含量达标，极易生物降解[10]，并能够精简钻井液不落地的处理工序，降低处理成本，首次在该区块试验应用。应用结果表明，GRD聚合物环保钻井液不仅能满足环保需求，同时也能够满足该区块复杂钻井要求，各项性能优于常规抗盐聚磺钻井液，对于4000 m左右的中深井，具有推广应用价值。

1 GRD聚合物环保钻井液的研制

GRD聚合物环保钻井液不使用磺化材料，通过引入天然高分子改性材料(如DRGF-1封堵剂)，以及可降解/易降解聚合物处理剂(如丙烯酰胺/丙烯酸多元聚合降滤失剂DRGJ-1和大分子聚丙烯酰胺类抑制剂DRGY-1)，搭配部分无毒处理剂，实现完全去磺化。其中，DRGJ-1协助钻井液中其他大小分子在井壁形成致密的阻隔层。 GRD聚合物环保钻井液主要从抑制防塌和封堵防塌两方面进行防塌技术研究，通过强抑制剂DRGY-1抑制泥岩的分散和膨胀，并利用不同粒径软性粒子填充，复配超细碳酸钙加强封堵，封堵剂微粒将同时沉降于井壁上，能够及时封堵易坍塌地层。

2 GRD聚合物环保钻井液的性能评价

2.1 处理剂优选

2.1.1 降滤失剂优选

3种降滤失材料的流变性和降滤失性见表1和表2。基础淡水配方1#：4%(w)膨润土浆+1%(w)Na2CO3;基础盐水配方2#:10%(w)膨润土浆+1%(w)Na2CO3+4%(w)NaCl。

表1 淡水基浆中不同降滤失剂的流变性和滤失性Table 1 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in freshwater base mud序号六速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:流变性在室温下测试。

表2 盐水基浆中不同降滤失剂的流变性和滤失性Table 2 Rheological properties and fluid loss of different filtration reducers in saltwater base mud序号六速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:流变性在室温下测试。

由表1和表2可知，在淡水和盐水基浆中，测得DRGJ-1的降滤失效果最好，API失水分别是4.8 mL和4.2 mL。增黏性适中，对流变性影响小。

2.1.2 抑制剂优选

依据Q/SH 0053-2010《粘土稳定剂技术要求》， 通过NP-01页岩膨胀测试仪，比较了DRGY-1、ZNP-1、YFKN、CHM 4种抑制剂的抑制效果，结果见图1。从图1可看出，DRGY-1抑制性最优，页岩膨胀率不超过40.1%。

表3 毒性检测Table 3 Toxicity test样品编号样品名称项目/参数检测日期检测结果EC50/(mg·L-1)毒性分级E-2018-004-0011.5%(w)DRGJ-1生物毒性2018-01-094.84×104无毒E-2018-004-0022.0%(w) DRGJ-F2生物毒性2018-01-091.25×105无毒E-2018-004-0032.0%(w)DRGJ-3生物毒性2018-01-091.04×105无毒E-2018-004-0041.5%(w)DRGF-1生物毒性2018-01-096.99×104无毒E-2018-004-0051.5%(w)DRGF-1(II型)生物毒性2018-01-094.83×104无毒E-2018-004-0061.5%(w)DRGF-2生物毒性2018-01-095.94×104无毒E-2018-004-0071.5%(w)DRGF-3生物毒性2018-01-092.47×104无毒E-2018-004-008红台2-127井浆生物毒性2018-01-091.90×105无毒

2.1.3 毒性检测

依据SY/16788-2010《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》，采用DXY-3型生物毒性测试仪对多个样品进行了毒性检测，试验结果见表3。

由表3可知，检测的8个样品(红台2-127井是GRD聚合物环保钻井液在吐哈油田试验应用的第一口井)全部均无毒。

2.2 最优配方

通过处理剂优选 ，形成了GRD聚合物环保钻井液配方：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。该钻井液体系抗温达120 ℃，抗盐钙≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥饼黏滞系数为0.035～0.043。

2.3 抑制性评价

选取应用区块桃树园组岩屑，过1.7～3.35 mm筛的岩样50 g，在120 ℃滚动老化16 h。由图2可知，GRD聚合物环保钻井液的泥页岩滚动回收率达到90%以上，具有较强的抑制性能，优于聚磺钻井液，能够满足该区块钻井要求。

2.4 配伍性评价

在GRD配方中分别加入10%(w)劣质土、10%(w)NaCl和5%(w)CaSO4，在120 ℃下老化16 h后，测定钻井液配伍性，结果见表4。

表4 配伍性评价Table 4 Compatibility evaluation钻井液配方AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaFLAPI/mLFLHTHP/mL实验条件GRD4625213.610.8常温4524214.011.0老化后+10%(w)劣质土5833253.410.0常温5532233.810.6老化后+10%(w)NaCl3822164.613.8常温3619175.414.6老化后+5%(w)CaSO45533225.013.6常温5231215.814.8老化后

由表4可知，10%(w)的劣质土污染钻井液体系后，体系塑性黏度和表观黏度均上升，API失水和HTHP失水变化小，体系仍具有较好的流动性；10%(w)NaCl溶液污染该体系后，体系黏切下降明显，失水略为升高；5%(w)CaSO4污染体系后，体系黏切轻微升高，API失水和HTHP失水显著上升，但仍可满足现场钻井施工的要求。

2.5 环保性评价

依据GB/T 5750-2006《生活饮用水标准检验方法》和GB/T 7466-1987《水质总铬的测定》分别检测了GRD聚合物环保钻井液和抗盐聚磺钻井液的重金属含量；依据HJ 505-2009《水质 五日生化需氧量的测定 稀释与接种法》和HJ 828-2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》分别检测了GRD聚合物环保钻井液和抗盐聚磺钻井液的BOD值和COD值，生物降解性采用BOD值/COD值得到。试验结果见表5。

表5 环保性评价Table 5 Evaluation for environment protection项目检测因子ρ(总镉)/(mg·L-1)ρ(总汞)/(mg·L-1)ρ(总铅)/(mg·L-1)ρ(总铬)/(mg·L-1)ρ(总砷)/(mg·L-1)BOD/COD%二级排放标准≤0.1≤0.05≤1≤1.5≤0.5≥25抗盐聚磺钻井液0.2970.044 019.816800.783.6GRD聚合物环保钻井液0.0050.000 5<0.20.0540.022 630.9

由表5可知，抗盐聚磺钻井液重金属含量严重超标，BOD值/COD值<5%，难降解；GRD聚合物环保钻井液重金属含量满足二级排放标准要求，BOD值/COD值>25%，属于极易降解物质，体系具有优良的环保性能。

3 现场应用

葡北3-25井是吐哈盆地葡北油田葡北23块的一口采油井，井型为直井，设计井深3740 m，目的层J2s。该井采用GRD聚合物环保钻井液进行钻井施工。2018年9月4日17：00，一开钻进，表层采用Ф311 mm钻头钻至井深805 m，Ф244.5 mm表层套管下至804.51 m；9月12日5：00，采用Ф216 mm钻头二开钻进；10月3日4：00，钻至井深3740 m完钻后通井，测井一次成功；10月6日19：00， Ф139.7 mm油层套管下至3737.72 m。全井钻井周期28.45天，建井周期32.43天，平均机械钻速9.06 m/h。

3.1 现场施工情况

GRD聚合物环保钻井液现场应用过程中， HTHP滤失小，流变性稳定，环保性能合格。钻井过程中，偶尔有少量掉块返出，但无遇阻划眼等复杂情况，按设计井深顺利完钻，实钻性能见表6。

表6 葡北3-25井用GRD聚合物环保钻井液现场性能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测试温度为120 ℃。

3.2 现场应用效果分析

(1) GRD聚合物环保钻井液能够显著降低葡北油田钻井复杂时效，提高机械钻速，缩减完钻周期，同时能够降低钻井液完钻密度(见表7)。

表7 GRD聚合物环保钻井液现场应用效果分析Table 7 Analysis of field application effect of GRD polymer environment-friendly drilling fluid井号井型井深/m完钻密度/(g·cm-3)完钻周期/天机械钻速/(m·h-1)事故复杂时间/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邻井平均直井37471.3747.047.5960.5试验井直井37401.3428.459.060变化↓2.19%↓39.52%↑19.37%↓100%

(2) 试验井井径规则，平均井径扩大率小。试验井二开全井段平均井径扩大率为2.62%，比聚磺钻井液的小40.86%。在齐古组段2985～3235 m，井径扩大率大，钻井过程中有垮塌现象。现场主要通过提高封堵防塌剂有效浓度，QCX、NFA-25和 DGRF-1按质量比2∶4∶1加入，聚合物类胶体填充空隙，进一步降低API失水和高温高压失水，同时对已经剥落的掉块，保持钻井液的携带性将其带出。具体数据见图3。

(3) GRD聚合物环保钻井液对环境影响小。由图4和图5可知，试验井应用GRD聚合物环保钻井液后，污水池显土黄色，能够与地表环境很好融合。

截至目前，GRD聚合物环保钻井液已在吐哈油田多个区块、各类井型现场应用达60余井次。

4 结论

(1) 针对吐哈葡北油田含盐膏质泥岩、大段煤层、硬脆性泥岩发育、地层孔隙非均值性大等难点，形成一套成熟的GRD聚合物环保钻井液配方。该配方流变性稳定，抗温达120 ℃，抗盐钙≥10 000 mg/L，HTHP失水≤12 mL，泥饼黏滞系数为 0.035～0.043，泥页岩滚动回收率达到90%以上。

(2) GRD聚合物环保钻井液性能稳定，在现场应用过程中，与常规抗盐聚磺钻井液相比，机械钻速提高19.37%，钻井周期缩短39.52%，完钻密度降低2.19%，井径扩大率缩小40.86%，无复杂情况。

(3) 现场应用GRD聚合物环保钻井液的污水池呈土黄色，室内检测井浆EC50>30 000，无毒， 重金属含量达标，极易生物降解，能满足吐哈油田地层复杂、环境敏感性区块的钻井需要。