威202H3平台废弃油基钻井液处理技术

王星媛， 欧翔， 明显森

威202H3平台废弃油基钻井液处理技术

王星媛1，2， 欧翔1，2， 明显森1，2

（1.油气田应用化学四川省重点实验室，四川广汉618300；2.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉618300）

王星媛，欧翔，明显森，等.威202H3平台废弃油基钻井液处理技术[J].钻井液与完井液，2017，34（2）：64-69.

Wang Xingyuan，Ou Xiang，Ming Xiansen, et al.Disposing waste oil base drilling fluid from the Wei202H3 platform[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2017, 34（2）：64-69.

目前处理废弃油基钻井液一般采用集中填埋或回注地层，依然存在潜在的环境污染问题，同时也浪费了大量矿物油资源。笔者对威202H3平台废弃油基钻井液进行回收利用研究，首先测定了废弃钻井液本身的性质，测得其表观黏度为100～120 mPa·s、塑性黏度为80～100 mPa·s、动切力为20 Pa、初终切为20/35 Pa/Pa，粒度主要集中在5.59 ～13.74 μm。在现场及实验室进行复配再利用研究，发现在威202H3-3井龙马溪地层加入2 m3废弃油基钻井液后，油基钻井液终切不断升高、动塑比难以控制；利用废弃油基钻井液中劣质固相，在长宁H12-3井用于配制堵漏浆，施工顺利，效果较好。因此得出，废弃油基钻井液回收再利用的困难在于其中含有大量粒径小于20 μm的固体颗粒，现有固控设备难以除去，并且现有处理技术均存在安全、占地面积、能耗、交通运输、环保及成本问题，建议这种废弃油基钻井液体系用于配制页岩地层发生漏失时的堵漏浆，在一定程度上减小经济损失。而在今后废弃油基钻井液处理技术的研究过程中，如果超临界CO2流体萃取技术能够降低成本，将成为废弃油基钻井液重要的处理技术。

回收利用；废弃钻井液；油基钻井液；页岩气

油基钻井液体系具有优异的防塌、抑制、抗污染、抗高温、润滑等优点，在威远-长宁、昭通、涪陵等页岩气示范区得到广泛应用，但在钻井过程中会产生大量废弃油基钻井液，如直接排放会造成严重的环境污染[1-2]。目前，国外主要采用“批次回收、工厂化处理”模式，通过热蒸馏、溶剂萃取、化学破乳等方法对废弃油基钻井液进行回收利用[3-4]，而中国关于废弃油基钻井液重复利用的研究较少。威远-长宁页岩气示范区井位多位于山区地带，平台面积小，运输成本高，工厂化处理模式难以实现。因此笔者针对威202H3平台的废弃油基钻井液，进行“区域化”处理技术的探讨。通过室内及现场试验，对SL-02型岩屑甩干机处理后的废弃油基钻井液进行钻井液复配、粒子分析及堵漏浆试验，发现废弃油基钻井液可作为堵漏浆使用。

1 实验部分

1.1 实验仪器

TDL-50B离心机，LS-900粒度分析仪，ZNN-D6六速旋转黏度计，XGRL-4A高温滚子加热炉，WATTS6000五轴高速搅拌器，ZNG-2油水（固相）分离装置，GGS42-2高温高压滤失仪，SL-02型岩屑甩干机。

1.2 实验药品

白油，CaO（AR），CaCl2（AR），脂肪酸酰胺类乳化剂CQ-ETS，低分子聚酰胺类辅乳化剂CQVEX，纳米有机硅酸盐化合物材料CQ-NZC，改性聚酰胺类流型调节剂CQ-RZL，聚酯树脂类封堵剂CQ-BFX，脂肪酸脂类润湿剂CQ-WBP，乙醇（AR），石油醚（AR），蒸馏水，重晶石。

1.3 实验方法

1.3.1 油基钻井液固相颗粒分离方法

①将搅拌均匀的油基钻井液装入离心管，转速为4 000 r/min，离心30 min后，固液两相分离，取出固相，加入40 mL石油醚混合搅拌30 min，静止沉淀1 h后去除上层液体，再用石油醚反复清洗2次，离心去液相；②将清洗后的固相与40 mL乙醇混合搅拌30 min，静止沉淀1 h后去除上层液体，再用乙醇反复清洗2次，离心去液相；③取出清洗后的固相，加入蒸馏水反复清洗3次，倒出上层液体；④清洗后的固相加入50 mL蒸馏水，搅拌均匀，吸取适量溶液至LS-900激光粒度分析仪，进行粒度分析。

1.3.2 油基钻井液劣质固相计算公式

式中，ρB为盐水密度，kg/m3；ρWMD为重晶石密度，kg/m3；ρADS为固相平均密度，kg/m3；ρo为白油密度，kg/m3；ρM为钻井液密度，kg/m3；ρLGS为低密度固相密度；φB为盐水体积比，%；φHGS为高密度固相含量体积，%；φo为体系含油率，%；φw为体系含水率，%；Aw为水活度；ρTS为总固相比例，kg/m3；φLGS为低密度固相含量体积比，%；φCSV为总固相重量体积比，%。

1.3.3 油基钻井液性能评价方法

基浆配方 20 m3白油+1.5%CQ-VEX+2% CQ-ETS+1.5%CQ-NZC+2%CaO+3.7%CQ-WBP +0.5%CQ-BFX+0.5%CQ-RZL+5 m3CaCl2水（30%）

密度为2.04及2.09 g/cm3的CQ油基钻井液性能如表1所示。实验测量温度为65 ℃；热滚时间为16 h；热滚及高温高压测试温度为120 ℃。

表1 密度大于2.0 g/cm3的CQ油基钻井液的基本性能

2 废弃油基钻井液性能分析

威202H3平台废弃油基钻井液来源于钻进过程中的废弃岩屑，经过SL-02型岩屑甩干机处理，岩屑同油相分离，产生废弃油基钻井液。威202H3平台共消耗油基钻井液716.8 m3，其中回收废弃油基钻井液152.7 m3，回收率达到21.3%。

根据表2可知，威202H3平台废弃油基钻井液密度较低，通过甩干机处理后的密度从2.06～2.09 g/cm3降低为1.73 g/cm3，而表观黏度、塑性黏度、动切力及初终切则分别由30～60 mPa·s、30～50 mPa·s、3～5 Pa、1/5 Pa/Pa升高到100～120 mPa·s、80～100 mPa·s、20 Pa、20/35 Pa/Pa，并且破乳电压值降低50%，而固相含量、油水比变化不大，见表2。分析认为该废弃油基钻井液含有粒径较小、含量较高的劣质固相，且乳化剂含量不足，导致该油基钻井液黏度超高、切力大、乳化稳定性差等现象。

表2 威202H3平台废弃油基钻井液基本性能（120 ℃、16 h）

根据实验方法，对威202H3平台废弃油基钻井液体系进行粒径分析，结果图1所示。

图1 威202H3平台废弃油基钻井液与重晶石粒径对比

根据图1可知，该废弃油基钻井液的粒径分布呈正态分布，主要集中在5.59～13.74 μm范围，粒径均小于20 μm，小于重晶石的粒径，说明该废弃油基钻井液中含有大量粒径微小的劣质固相。对中国现有固控设备[5]调研发现，目前对钻井液中粒径小于20 μm的，特别是小于10 μm部分的固相颗粒，现场设备的清除能力较差，可以说几乎无清除能力，只能通过稀释法来控制。

3 废弃油基钻井液再利用研究

3.1 直接加入到井浆中使用

在该平台的威202H3-3井，钻至井深为2 768 m的龙马溪地层时加入2 m3废弃油基钻井液，并将威202H3-3井与其他4口井的终切、低密度固相含量、动塑比做对比分析，实验结果见图2～图4。

根据图2～图4发现，威202H3-3井在2 768 m处龙马溪地层加入2 m3废弃油基钻井液后，油基钻井液终切不断升高，运用离心机、加白油等手段仍难以降低其终切，与其余4口井在同一层位下相比，威202H3-3井终切高出1.5～2倍，且动塑比难以控制，波动幅度不断增强、陡升陡降现象严重。通过图3可知，威202H3-3井的劣质固相含量低于威202H3-1井，与其余3口井相差不大，并且在加入废弃油基钻井液后，威202H3-3井的劣质固相含量处于持续上升状态，上升幅度不断增大，其余4口井劣质固相较多时均可通过离心机方式进行高效处理。因此，威202H3-3井内加入的废弃油基钻井液大幅度增加了油基钻井液体系内微小粒径劣质固相的含量，增加了劣质固相的聚集程度和处理难度，严重影响了威202H3-3井钻井液的流变参数。因此，废弃油基钻井液在未做处理的情况下不能直接加入到井浆中使用。

图2 威202H3平台各井油基钻井液终切

图3 威202H3平台各井油基钻井液劣质固相

3.2 与去掉纳米材料的钻井液复配后使用

根据现场试验，发现该废弃钻井液体系处理难度在于微小粒径的劣质固相，该劣质固相粒径小、数量多、易聚集，对流变性影响较大。该废弃钻井液体系含油量高，因此去掉原有配方内的纳米材料CQ-NZC及润湿剂CQ-WBP，复配为混合钻井液，复配基浆共有2种，分别为A基浆配方（240 mL白油+2%CQ-ETS+1%CQ-VEX +2%CaO+0.5%CQ-BFX+60 mLCaCl2水（25%）+0.5%CQ-RZL）及B基浆配方（240 mL白油+2% CQ-ETS+1%CQ-VEX+2%CaO+0.5%CQ-BFX+ 60 mLCaCl2水（25%）），分别按照1∶1及2∶1比例与废弃油基钻井液进行混合，调整密度为2.25～2.30 g/cm3。实验结果如表3所示。

图4 威202H3平台各井油基钻井液动塑比

表3 不同配方混合钻井液性能

通过表3可知，1#及2#钻井液体系性能较好，沉降现象不明显，但滤失量较高，且作为基浆其终切较高，3#及4#混合钻井液热滚16 h前后的流变性、乳化稳定性较好，但是热滚72 h后，该体系出现软沉淀现象，且滤失量较高，破乳电压较低，由400 V左右降低到200 V左右，说明乳化稳定性差。在分别放置15 d及20 d后发生沉降。因此废弃油基钻井液中的劣质固相无法代替纳米材料，不具有吸附、致密、保护乳化膜和增强乳化膜强度的作用。

在现场再利用过程中，微小粒径劣质固相的堆积量会不断增加，由于现有固控设备对其无法处理，混合钻井液体系的再次使用率会越来越差，对油基钻井液体系的破坏程度不断加大，是一种不可持续使用的稀释方法。再者，油基钻井液体系的多样性使得废弃油基钻井液性能存在差异性，则复合配方就需要不断改变。该方法只针对于笔者所在单位自主研发的油基钻井液体系，具有一定的参考价值。

3.3 作为堵漏浆使用

硬脆性泥页岩层理、微裂缝和毛细裂缝发育[6]，钻井液滤液侵入后极易引起岩体的分散、剥落和垮塌，导致严重的井壁失稳，而在漏失层位采用大量水基堵漏容易造成黏土矿物的水化膨胀[7]，使孔隙压力增加，泥页岩强度降低，最终发生井壁失稳，影响安全生产。而废弃油基钻井液含油率高达80%，体系中含有大量粒径小于20 μm的固相颗粒，并且是稳定的油包水体系，能有效地包裹、堆积在微型裂缝及孔喉中，在缝内喉道处能形成相对较致密的封堵层，而不会引发岩体水化膨胀。

长宁H12平台位于四川省宜宾市，产层为龙马溪段。H12-3井于2015年2月7日用密度为2.12 g/cm3白油基钻井液复合钻进时发生井漏，漏失层位为龙马溪组，井深为3 664.79 m，泵压为31.7 MPa，排量为27 L/s，泵压由31.7 MPa下降到26.1 MPa，至2015年2月12日累计漏失127.4 m3白油基钻井液，其中运用威202H3平台67.6 m3白油基废弃钻井液配制堵漏浆，堵漏成功。堵漏浆配方为：威202H3平台废弃油基钻井液+1%CaCO3+5%SDL+7%FDJ-1+9%FDJ-2+8%QDL+3%FDJ-3+0.7%NRH。

根据2.3复配实验发现，通过甩干机处理后的废弃油基钻井液复配后效果较差，其关键在于钻井液内部存在难以消除的劣质固相。目前关于废弃油基钻井液的处理较为成熟的方法为热解吸、摩擦热解吸技术，然而存在能耗高、占地大、设备投入高等缺点，而对于以山区地形特征为主的长宁-威远区块，存在井场能耗有限、占地面积小、运输成本高、地形险峻（位于地震带上）等特点，因此在不建立热解吸化工厂，统一大量处理废弃油基钻井液的前提下，热解吸技术并不具有较高的经济效益。而由长宁H12-3井堵漏实践可知，废弃油基钻井液可以用于配制油基堵漏浆，该堵漏浆能有效地减少废弃油基钻井液处理、运输和储存费用，降低环保压力。因此目前关于油基钻井液的处理，主要采用备存方式，即将废弃油基钻井液储存在钻井液站，以备现场发生紧急或严重井漏时，可将油基钻井液配制为堵漏浆使用。如果废弃油基钻井液中的液相能够有效地和固相分离，并且能不损害其中乳化剂、封堵剂、流行调节剂等材料的化学性能，则可直接回收作为钻井液使用，将大大地节约钻井成本。

4 废弃油基钻井液处理技术讨论

目前，国内外关于废弃油基钻井液处理的方法主要有热蒸馏法、溶剂萃取法、超临界流体萃取法、坑内密封掩埋、注入安全地层或环形空间、生物修复、化学破乳等[8-10]。然而由于现场的生产条件、环境安全、人员健康及经济效率等多方面的限制，还未找到合适的方法。

超临界流体萃取技术是一种安全、环保、高效的处理方式，成本较高。超临界流体萃取技术目前主要采用CO2萃取，CO2流体具有无毒、不燃、无味、临界压力为7.4 MPa、临界温度为40 ℃等优点，达到临界条件后的CO2流体处于非气非液状态，既具有气相的低表面张力、高扩散率，又具有液相的黏度、密度及溶解性，是一种优质、高效的萃取剂。如图5、图6和图7所示，Stephane Saintpere等[11]建立了6 kg静态处理装置，其一般处理压力为50 MPa，温度为25 ℃，一次性可处理200g岩屑，CO2最高浓度可达到6 kg/hr，实验结果表明其处理废弃油基钻井液后岩屑的残余油含量均小于1%；Christianne Street[12]等研制了可处理50 g废弃油基钻井液的超临界CO2萃取装置，实验结果表明，其岩屑残留量小于2%。Lopez-Gomez. J.J[13]， Odusanva. O.O[14]等也对超临界CO2流体萃取废弃油基钻井液进行了研究，发现油基钻井液中的油萃取率均不小于98%。然而，由于超临界流体萃取技术目前还较为昂贵，溶剂萃取技术仍广泛应用，而超临界技术仅限制用于医药、食品等行业。

图5 超临界CO2工作原理图

图6 6 kg超临界CO2萃取装置示意图

图7 室内简易CO2萃取装置示意图

5 结论与建议

1.根据现场实践及室内实验发现，废弃油基钻井液回收再利用的困难在于其中含有大量粒径小于20 μm的固体颗粒，现有固控设备难以除去，并且现有处理技术均存在安全、占地面积、能耗、交通运输、环境保护及成本问题，因此建议这种废弃油基钻井液体系用于配制页岩气地层发生漏失时的堵漏浆，在一定程度上减小经济损失。

2.在今后废弃油基钻井液处理技术的研究过程中，如果超临界CO2流体萃取技术能够降低成本将成为废弃油基钻井液重要的处理技术。

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Disposing Waste Oil Base Drilling Fluid from the Wei202H3 Platform

WANG Xingyuan1,2, OU Xiang1,2, MING Xiansen1,2
(1. Oil & Gas Field Applied Chemistry Key Laboratory of Sichuan Province, Guanghan, Sichuan 618300; 2. Drilling & Production Technology Research Institute of CCDE, Guanghan, Sichuan 618300)

Waste oil base muds (OBMs) are disposed of presently by burial or reinjection. Potential pollution to environment and waste of large amount of mineral oil are the problems inusing these disposal methods. A study has been conducted on the recycling of waste OBMs from the Platform 202H3. The waste mud had apparent viscosity of 100-120 mPa·s, plastic viscosity (PV) of 80-100 mPa·s, yield point (YP) of 20 Pa, and 10”/10’ gel strengths of 20/35 Pa/Pa The particle sizes of the mud lied between 5.59 μm and 13.74 μm. Studies showed that injection of 2 m3waste oil base mud back into the well We202H3-3, which penetrated the Longmaxi formation, the fnal gel strength of the oil base mud in use was increased and the YP/PV ratio became uncontrollable. Use the low quality solids from the waste OBMs, a lost control slurry (LCM muds) was prepared and successfully used in controlling mud losses occurred in the well Changning-H12-3. From these practices, it was concluded that the troubles in recycling waste OBMs lied in the large amount of particles with sizes less than 20 μm, which were diffcult to remove with the solids control equipment currently available. Technologies currently available in disposing of waste OBMs will be faced with problems such as safety, large spaces required, energy consumption, transportation, environment protection, and cost. It is thus suggested that the waste OBMs be used in formulating LCM muds, which can be used in controlling mud losses in shale gas drilling, thereby reducing economic losses to some extent. It is also suggested that if supercritical CO2fuid extraction technology can be used in cost control, it will be an important technology in waste OBMs disposal.

Recycle; Waste drilling fuid; Oil base mud; Shale gas

TE922

A

1001-5620（2017）02-0064-06

2016-11-20；HGF=1605F1；编辑 付玥颖）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.011

四川省科技项目“页岩气钻完井工程技术研究”（15ZC1582）。

王星媛，1989年生，硕士研究生，毕业于西南石油大学化学工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。电话18582735008；E-mail：450370213@qq.com。