任冉(中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121)

0 引言

水基鉆屑中鉆井液的主要?dú)埩粑镉芯酆洗?、膨潤土、氯化鉀、純堿、潤滑劑等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對環(huán)境造成危害，目前將其定性為二類一般工業(yè)固體廢棄物，處理起來有一定的難度，尤其對于海上油井的鉆屑處理更加困難。目前對于水基鉆屑的處理方法主要有：(1)填埋法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，成本低，但是易污染地下水，有害物質(zhì)長期保留。(2)注入安全層的方法。海上油井多用此法，該方法不需要添加任何物質(zhì)，缺點(diǎn)是設(shè)備要求高，成本高；受地層的限制，易污染地下水及油層。(3)焚燒法。該方法有害物質(zhì)充分氧化、熱解、無二次污染，但能耗大，需專門的磚窯，焚燒后固相需處理，處置繁瑣。(4)固化法。形成抗水固體，減少有害成分?jǐn)U散和遷移，操作相對簡單，缺點(diǎn)是需專門研制相應(yīng)的固化劑，易二次污染，固化后難恢復(fù)土壤特性[1-6]。從上述幾種水基鉆屑的處理方法來看，首先是成本較高，處置程序繁瑣，其次，上述幾種方式極易造成二次污染。找到一種合理利用水基鉆屑，變廢為寶的方法更契合現(xiàn)在“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保發(fā)展理念。

南京工業(yè)大學(xué)的姚曉等對油基鉆屑經(jīng)過處理后作為固井水泥漿摻料做了研究[7]，證明油井鉆屑作為固井水泥漿的摻料是可行的，但是油基鉆屑作為水泥漿摻料需要的成本較高，大范圍工業(yè)應(yīng)用并不具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而水基泥漿不需要熱解過程就可以回收利用，顯然更具優(yōu)勢。

巖屑出自于地層，不存在與地層不匹配的情況。水基鉆屑經(jīng)過一定的粗加工處理后作為固井水泥漿的一種摻料，室內(nèi)對摻入廢棄泥質(zhì)鉆屑的固井水泥漿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化出了泥質(zhì)水基鉆屑最大摻量的固井水泥漿基本配方，后期施工可以根據(jù)實(shí)際情況對水泥漿性能進(jìn)行調(diào)整。研究表明，水基鉆屑水泥漿能夠達(dá)到普通技術(shù)套管固井作業(yè)要求，該方式可以很好的處理廢棄的水基鉆屑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括：G級油井水泥，葛洲壩特種水泥有限公司；降失水劑、減阻劑、增強(qiáng)劑、納米懸浮劑、膨脹劑、消泡劑，湖北江漢石油技術(shù)有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH570，南京曙光化工集團(tuán)；本研究中的水基鉆屑為渤海區(qū)域油井泥質(zhì)鉆屑，經(jīng)過烘干打磨處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鉆屑的處理及鉆屑懸浮液的配置

(1)鉆屑處理

①考慮到鉆井施工現(xiàn)場條件，將濕水基鉆屑在95 ℃高溫通風(fēng)條件下烘干；

②將烘干后的水基鉆屑進(jìn)行研磨，本研究中將能過60目篩網(wǎng)的鉆屑進(jìn)行收集應(yīng)用，該目數(shù)下的鉆屑加入到水泥漿不會大幅度增稠，也不會有沉降的問題，對水泥漿施工性能的影響不會大幅度波動。

(2)泥質(zhì)水基鉆屑懸浮液及水泥漿的配制

將60目以下的泥質(zhì)鉆屑灰、水、納米懸浮劑按水灰比1：1：0.08的比例配制成鉆屑懸浮液(如圖1所示)，便于后期好混灰。

圖1 泥質(zhì)鉆屑懸浮液的制備

表1 泥巖鉆屑懸浮液基本性能表

如表1所示，泥質(zhì)鉆屑懸浮液的流變學(xué)性能優(yōu)良，配置水泥漿時(shí)可節(jié)省減阻劑的使用量，在固井作業(yè)過程中利于水泥漿下灰。

1.2.2 水泥漿的配置

本研究中水泥漿的配制及實(shí)驗(yàn)均參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》、SY/T 6544—2010《油井水泥漿性能要求》及API規(guī)范SPEC 10 A—2010(R2015)進(jìn)行。本研究中各配方水泥漿如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)配方

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆屑水泥漿的制備及基礎(chǔ)性能評價(jià)

固井水泥漿的密度、流變性及抗壓強(qiáng)度是構(gòu)建水泥漿體系的基礎(chǔ)，它們是固井設(shè)計(jì)、安全施工及保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。在不添加水基鉆屑基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，控制水泥漿的密度為1.90 g/cm3，逐步增加泥質(zhì)鉆屑，從10%增至30%，得到試樣 K1、N1、N2、N3、N4，分別在40 ℃條件下進(jìn)行流變性能試驗(yàn)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表3、圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)如表3所示，在最終配制的水泥漿密度恒定的情況下，隨著泥質(zhì)鉆屑加量的增大，水泥漿變的越來越稠。這是因?yàn)槟噘|(zhì)鉆屑顆粒比水泥顆粒大，因此總的比表面積會變小，在水量增大幅度不大的情況下，泥質(zhì)鉆屑顆粒吸水更多[8]，水泥漿中游離液會變少，因此其流變性能變差。(2)如圖2所示，隨著泥質(zhì)鉆屑加量增大，水泥石的強(qiáng)度緩慢降低，這是由于鉆屑代替了部分水泥的量，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度下降。因此，在密度一定的情況下，鉆屑加量最大應(yīng)控制在20%左右，加量過大會導(dǎo)致水泥漿稠度過高，增加泵送難度，同時(shí)水泥石的強(qiáng)度也達(dá)不到固井作業(yè)的要求。

表3 同一密度下，不同鉆屑加量水泥漿性能表

圖2 泥質(zhì)鉆屑加量對抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 同水灰比下，泥質(zhì)鉆屑加量對水泥漿性能的影響

由于泥質(zhì)鉆屑懸加量增大，水泥漿變稠，本研究部分在水泥漿中加入了減阻劑，結(jié)合常規(guī)固井水泥漿水灰比0.44的原則，逐步增加鉆屑的加量，從15% 增至30%得到試樣B1、B2、B3、B4，在此配比下測試了水泥漿90 ℃的性能分別如表4、圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)水灰比恒定下，水泥漿體中隨著鉆屑加量提高會變得越來越稠，當(dāng)鉆屑加量超過30%時(shí)，漿體流態(tài)變差，施工性能大打折扣；(2)隨著鉆屑加量的增大，水泥石早期強(qiáng)度降低，當(dāng)加量為25%時(shí)，常壓下，水泥石24 h強(qiáng)度已不能滿足固井水泥石14 MPa的要求；(3)隨著鉆屑量的增大，水泥漿失水量逐步減小，這是由于泥質(zhì)鉆屑顆粒比水泥顆粒大，因此總的比表面積會變小，在水量增大幅度不大的情況下，泥質(zhì)鉆屑顆粒吸水更多，失水量減小。因此，結(jié)合前部分研究內(nèi)容與本小結(jié)研究內(nèi)容，以消耗最大巖屑為原則可確定泥質(zhì)鉆屑最基礎(chǔ)的配方為G級水泥+17.65%鉆屑懸浮液+51.6%淡水+1.5%降失水劑+1.18%納米懸浮劑+0.45%減阻劑+0.30%消泡劑。后期的現(xiàn)場施工作業(yè)可以根據(jù)給出的基礎(chǔ)配方做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以確保水泥漿更契合現(xiàn)場實(shí)際情況。

表4 同水灰比下不同鉆屑加量水泥漿性能表

圖3 泥質(zhì)鉆屑加量對抗壓強(qiáng)度的影響

3 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的落地及推廣首先需考慮其經(jīng)濟(jì)性。本章節(jié)主要對該技術(shù)在重慶涪陵頁巖氣井二開技術(shù)套管應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了核算。

表5、表6為涪陵頁巖氣某井二開井身基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)套管固井水泥漿用量。

表5 基本井身結(jié)構(gòu)

固井方式采用常規(guī)固井，水泥漿密度采用密度1.90 g/cm3。

表6 水泥漿用量(按井徑擴(kuò)大率按10%計(jì)算)

表7為該井技術(shù)套管固井運(yùn)用常規(guī)固井水泥漿及泥質(zhì)鉆屑水泥漿的成本對比。

表7 成本計(jì)算

如表7所示，一口2 600 m左右的頁巖氣水平井技術(shù)套管的固井，使用鉆屑水泥漿體系比使用常規(guī)水泥漿可以將成本減少35%左右。該方式既能很好的處理鉆屑，又能大幅度地降低成本，社會及經(jīng)濟(jì)效益明顯，特別是對于海上鉆屑處理費(fèi)用較高的情況，該鉆屑處理方式更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)語

(1)泥質(zhì)鉆屑作為油井技術(shù)套管固井摻料是可行的，在本研究中，密度一定的情況下，鉆屑懸浮液的加量最大應(yīng)控制在20%左右，超過該加量會導(dǎo)致水泥漿稠度過高，增加泵送難度，同時(shí)水泥石的強(qiáng)度也達(dá)不到固井作業(yè)的要求；

(2)在水灰比恒定的情況下，以消耗最大巖屑為原則可確定泥質(zhì)鉆屑最基礎(chǔ)的配方G級水泥+17.65%鉆屑懸浮液+51.6%淡水+1.5%降失水劑+1.18%納米懸浮劑+0.45%減阻劑+0.30%消泡劑，最終的施工配方可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；

(3)通過成本核算，普通的頁巖氣水平井技術(shù)套管的固井，使用鉆屑水泥漿體系可以將成本減少35%左右。