一種環(huán)保型鉆井液封堵劑性能評價(jià)及應(yīng)用

邢希金，，王薦，曹硯鋒，舒福昌，向興金，蔣卓，王斌

（1．中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2．荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州 434000；3．海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

隨著勘探開發(fā)向新區(qū)不斷擴(kuò)展，鉆遇的地層日趨復(fù)雜，井壁不穩(wěn)定問題日益嚴(yán)重。泥頁巖、破碎性煤層、膏鹽層的縮徑與坍塌，都會造成井壁不穩(wěn)定，影響鉆井效率和固井質(zhì)量，甚至發(fā)生卡鉆，嚴(yán)重影響勘探開發(fā)進(jìn)程。封堵型防塌劑主要以改性瀝青類、乳化石蠟類、聚合醇類、有機(jī)鋁化合物類和硅酸鹽類為主[1-4]。乳化石蠟類封堵劑軟化點(diǎn)低，有效含量低，低溫下易破乳。聚合醇類封堵劑因濁點(diǎn)效應(yīng)相變產(chǎn)生的粒子太少，無固相粒子，無法滿足防塌封堵的需要，主要起到潤滑和微孔封堵作用。瀝青類是目前公認(rèn)的較為理想的防塌劑，但對于新區(qū)塊探井和開發(fā)井鉆探，封堵防塌劑因熒光級別高經(jīng)常被地質(zhì)部門禁止使用。同時(shí)基于目前油田環(huán)保形勢嚴(yán)峻，鉆井液去磺化和白色化工作也迫在眉睫，因此開發(fā)無熒光、具有封堵和抑制作用的白色環(huán)保封堵防塌劑具有很好的應(yīng)用前景。針對熒光和環(huán)保問題，研制了一種環(huán)保易降解仿瀝青無熒光封堵劑，該封堵劑具有無熒光、不含有芳烴等有毒物質(zhì)，不影響地質(zhì)錄井，具有良好環(huán)保性能。該封堵防塌劑在新疆油田進(jìn)行了10余口井的現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用井井壁穩(wěn)定，鉆井液色淺、無毒、無熒光，具有較好的工程性能和環(huán)保特性，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 環(huán)保型無熒光鉆井液封堵劑簡介

環(huán)保型無熒光白色化封堵劑HBJ-3是由天然油溶性物質(zhì)經(jīng)過酯化反應(yīng)化學(xué)接枝引入強(qiáng)親水基團(tuán)的一種改性產(chǎn)品，具備一定的水化作用，當(dāng)吸附在泥頁巖表面上時(shí)，可阻止泥頁巖黏土礦物的水化分散和膨脹，起到防塌作用。同時(shí)不溶于水的部分又能填充到孔喉和微裂縫中起到封堵作用，并可覆蓋在泥頁巖界面。該產(chǎn)品在鉆井液中可改善泥餅質(zhì)量，降低鉆井液的高溫高壓濾失量，提高鉆井液的封堵能力。HBJ-3對鉆井液體系流變性無影響，同體系中常規(guī)處理劑的配伍性好，可用于不同的水基鉆井液體系。HBJ-3是由天然高分子改性制得，具有無熒光、無毒、易降解、白色等環(huán)保特性，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

2 環(huán)保型封堵劑HBJ-3工程性能評價(jià)

2.1 熒光評價(jià)

熒光評價(jià)方法：稱取2.5 g（精確至0.000 1 g）脫水原油于250 m/L容量瓶中，用三氯甲烷溶解并稀釋至刻度，即為15級熒光標(biāo)準(zhǔn)溶液。用50 mL移液管吸取15級熒光標(biāo)準(zhǔn)溶液50.0 mL于100 mL容量瓶中，用三氯甲烷稀釋至刻度，即為14級熒光標(biāo)準(zhǔn)溶液，按此方法逐級稀釋至1級。在洗凈烘干的50 mL燒杯中加入20 mL氯仿，再加入0.50 g樣品，搖勻后用中速定性濾紙過濾，得到的清液倒入干凈試管內(nèi)，然后在紫外光儀下觀測熒光并與標(biāo)準(zhǔn)系列對比確定熒光級別。

室內(nèi)按上述評價(jià)方法評價(jià)了環(huán)保型封堵劑HBJ-3的熒光，通過熒光紫外分析儀測定HBJ-3熒光級別≤1，而一般探井要求鉆井液處理劑熒光＜3級，說明HBJ-3對測井無影響，可用于探井和評價(jià)井。

2.2 油溶性和水溶性評價(jià)

評價(jià)方法：取0.2～0.3 g脫脂棉放入一個用擦鏡頭紙卷成的紙卷中，在（105±3）℃下烘干2 h備用，稱取0.50 g試樣（精確到0.01 g），放入上述紙卷中包嚴(yán)后稱重，再放入抽提器內(nèi)的樣品杯中，將樣品杯掛在抽提器內(nèi)微型冷凝管下方。向抽提器中注入250～300 mL蒸餾水（做水溶物），或四氯化碳（做油溶物），將抽提器放入電熱套內(nèi)并保持沸騰狀態(tài)3～4 h。取出樣品杯，將樣品在（120±3）℃下烘干24 h，取出后放入干燥器中冷卻30 min后稱重，計(jì)算水溶率和油溶率。

室內(nèi)按上述評價(jià)方法評價(jià)了環(huán)保型封堵劑HBJ-3的水溶率和油溶率，其水溶物為42.5%，油溶物為45.8%，剩余物質(zhì)為惰性剛性顆粒。說明HBJ-3可以通過其水溶物和油溶物吸附、充填到井壁泥頁巖表面和微裂隙中，起到防塌作用。

2.3 封堵性能評價(jià)

室內(nèi)在常規(guī)水基鉆井液中對比評價(jià)了HBJ-3和磺化瀝青對體系流變性和濾失量的影響，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，HBJ-3具有很好的封堵能力。體系中加入3% HBJ-3后，濾失量從18 mL降到10 mL以下，同時(shí)HBJ-3加入后對體系流變性無影響，方便現(xiàn)場維護(hù)和補(bǔ)充。HBJ-3封堵能力與磺化瀝青相當(dāng)，在探井或者環(huán)境敏感地區(qū)可替代磺化瀝青使用。

基漿配方：2%海水土漿＋0.3% NaOH＋0.3%護(hù)膠劑PAC-LV＋0.3%包被劑PLH＋0.15%增黏劑XC＋1.5%潤滑劑LUBE＋5% KCl，用重晶石加重至1.2 g/cm3。封堵性能評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 封堵性能評價(jià)

3 環(huán)保型封堵劑HBJ-3環(huán)保性能評價(jià)

3.1 生物毒性評價(jià)

室內(nèi)考察了HBJ-3的生物毒性，實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法參照中國石油天然氣集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111—2007油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發(fā)光細(xì)菌法，其毒性等級具體劃分見表2。

通過發(fā)光細(xì)菌法測定3% HBJ-3水溶液的急性生物毒性EC50值為183 200 mg/L，實(shí)際無毒，說明環(huán)保型封堵劑HBJ-3對環(huán)境無影響。

表2 生物毒性分級

3.2 降解性評價(jià)

室內(nèi)考察了HBJ-3的生物降解性，在國內(nèi)外普遍以BOD5/CODcr比值作為鉆井液處理劑生物降解性的評價(jià)指標(biāo)[5]，其中BOD5的測定參照國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 505—2009水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法，CODcr的測定參照HJ 828—2017水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法。鉆井液及處理劑的生物降解性等級劃分具體見表3。

通過測定，3% HBJ-3水溶液的BOD5/CODcr比值為32%，易降解，說明環(huán)保型封堵劑HBJ-3因其為天然高分子改性，易于被環(huán)境中的微生物降解。

3.3 石油類含量評價(jià)

室內(nèi)考察了HBJ-3的石油類含量，測試方法和步驟按GB 4914—2008海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值中推薦的紅外分光光度法進(jìn)行，控制指標(biāo)見表4。

表3 油田化學(xué)劑及鉆井液生物可降解性分級

表4 鉆井液處理劑石油類含量測定

通過紅外測油儀測定3% HBJ-3水溶液的含油量為0.27%，小于1%的標(biāo)準(zhǔn)要求，說明環(huán)保型封堵劑HBJ-3石油類含量低，滿足海洋石油勘探開發(fā)對石油類含量的要求。

3.4 重金屬含量評價(jià)

根據(jù)GB 4284—1984農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)對污水和污泥的排放關(guān)于重金屬的要求有5類，分別為鎘、汞、鉛、鉻和砷。鉻、鎘和鉛按照HJ 776—2015水質(zhì)32種元素的測定中電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行測定，汞和砷按照HJ 694—2014水質(zhì)汞、砷、硒、鉍、銻的測定中原子熒光法進(jìn)行測定。重金屬含量評價(jià)指標(biāo)見表5，測試結(jié)果見表6。對比表5、6可知，封堵劑HBJ-3重金屬含量遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)排放極限。

表5 重金屬含量評價(jià)指標(biāo)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)苛，油田對鉆井液的環(huán)保要求日益增高，需要去除磺化材料逐漸使用環(huán)保鉆井液，來減少對環(huán)境的污染。結(jié)合新疆油田地層特點(diǎn)，以無毒、可生物降解的環(huán)保型封堵劑HBJ-3對鉆井液的環(huán)保性能進(jìn)行優(yōu)化，形成了環(huán)保型鉆井液體系。該體系在和12井、FNHW4029、FNHW4050等10余口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。從應(yīng)用情況來看，其封堵防塌效果明顯，井徑規(guī)則，上部地層加入少量HBJ-3即可起到防滲作用（同層位鄰井一直存在滲漏），下部地層維持泥漿中2.0%的含量，就能起到防止泥頁巖和煤層垮塌的效果，在施工過程中井壁穩(wěn)定，定向順利，后期不影響地質(zhì)錄井，有利于錄井顯示的發(fā)現(xiàn)。

表6 HBJ-3封堵劑重金屬含量測試結(jié)果

通過環(huán)保型封堵劑HBJ-3的現(xiàn)場應(yīng)用，可降低石油勘探開發(fā)過程中對生態(tài)環(huán)境造成的污染，減少后續(xù)作業(yè)中造成環(huán)境糾紛和經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)石油鉆探的可持續(xù)性發(fā)展，在石油勘探開發(fā)以及后續(xù)的廢棄物處理中都具有廣闊的推廣與應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

環(huán)保型封堵劑HBJ-3是由100～120℃軟化點(diǎn)的天然油溶性物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)接枝引入強(qiáng)親水基團(tuán)的一種改性產(chǎn)品，可以通過其水溶物和油溶物吸附、充填到井壁泥頁巖表面和微裂隙中，起到防塌作用。通過熒光、生物毒性、生物降解性、石油類含量等環(huán)保檢測指標(biāo)評價(jià)，環(huán)保型封堵劑HBJ-3具有無熒光、無毒、易降解、白色等環(huán)保特性，不影響地質(zhì)錄井，可用于新區(qū)勘探和環(huán)境敏感地區(qū)的鉆井作業(yè)。環(huán)保型封堵防塌劑HBJ-3在新疆油田進(jìn)行了10余口井的現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用井井壁穩(wěn)定，鉆井液色淺、無毒、無熒光，具有較好的工程性能和環(huán)保特性，取得了較好的應(yīng)用效果。