一種環保型鉆井液封堵劑性能評價及應用

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任公司，北京 100028；2．荊州市漢科新技術研究所，湖北荊州 434000；3．海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100028）

隨著勘探開發向新區不斷擴展，鉆遇的地層日趨復雜，井壁不穩定問題日益嚴重。泥頁巖、破碎性煤層、膏鹽層的縮徑與坍塌，都會造成井壁不穩定，影響鉆井效率和固井質量，甚至發生卡鉆，嚴重影響勘探開發進程。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低，有效含量低，低溫下易破乳。聚合醇類封堵劑因濁點效應相變產生的粒子太少，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。瀝青類是目前公認的較為理想的防塌劑，但對于新區塊探井和開發井鉆探，封堵防塌劑因熒光級別高經常被地質部門禁止使用。同時基于目前油田環保形勢嚴峻，鉆井液去磺化和白色化工作也迫在眉睫，因此開發無熒光、具有封堵和抑制作用的白色環保封堵防塌劑具有很好的應用前景。針對熒光和環保問題，研制了一種環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，不影響地質錄井，具有良好環保性能。該封堵防塌劑在新疆油田進行了10余口井的現場應用，應用井井壁穩定，鉆井液色淺、無毒、無熒光，具有較好的工程性能和環保特性，取得了較好的應用效果。

1 環保型無熒光鉆井液封堵劑簡介

環保型無熒光白色化封堵劑HBJ-3是由天然油溶性物質經過酯化反應化學接枝引入強親水基團的一種改性產品，具備一定的水化作用，當吸附在泥頁巖表面上時，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。該產品在鉆井液中可改善泥餅質量，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、白色等環保特性，具有很好的推廣應用前景。

2 環保型封堵劑HBJ-3工程性能評價

2.1 熒光評價

熒光評價方法：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級熒光標準溶液。用50 mL移液管吸取15級熒光標準溶液50.0 mL于100 mL容量瓶中，用三氯甲烷稀釋至刻度，即為14級熒光標準溶液，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，然后在紫外光儀下觀測熒光并與標準系列對比確定熒光級別。

室內按上述評價方法評價了環保型封堵劑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，可用于探井和評價井。

2.2 油溶性和水溶性評價

評價方法：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后稱重，再放入抽提器內的樣品杯中，將樣品杯掛在抽提器內微型冷凝管下方。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并保持沸騰狀態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，計算水溶率和油溶率。

室內按上述評價方法評價了環保型封堵劑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

室內在常規水基鉆井液中對比評價了HBJ-3和磺化瀝青對體系流變性和濾失量的影響，從實驗數據可以看出，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HBJ-3加入后對體系流變性無影響，方便現場維護和補充。HBJ-3封堵能力與磺化瀝青相當，在探井或者環境敏感地區可替代磺化瀝青使用。

基漿配方：2%海水土漿＋0.3% NaOH＋0.3%護膠劑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。封堵性能評價結果見表1。

表1 封堵性能評價

3 環保型封堵劑HBJ-3環保性能評價

3.1 生物毒性評價

室內考察了HBJ-3的生物毒性，實驗評價方法參照中國石油天然氣集團公司標準Q/SY 111—2007油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發光細菌法，其毒性等級具體劃分見表2。

通過發光細菌法測定3% HBJ-3水溶液的急性生物毒性EC50值為183 200 mg/L，實際無毒，說明環保型封堵劑HBJ-3對環境無影響。

表2 生物毒性分級

3.2 降解性評價

室內考察了HBJ-3的生物降解性，在國內外普遍以BOD5/CODcr比值作為鉆井液處理劑生物降解性的評價指標[5]，其中BOD5的測定參照國家環境保護標準HJ 505—2009水質五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法，CODcr的測定參照HJ 828—2017水質化學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，說明環保型封堵劑HBJ-3因其為天然高分子改性，易于被環境中的微生物降解。

3.3 石油類含量評價

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

表3 油田化學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%的標準要求，說明環保型封堵劑HBJ-3石油類含量低，滿足海洋石油勘探開發對石油類含量的要求。

3.4 重金屬含量評價

根據GB 4284—1984農用污泥中污染物控制標準對污水和污泥的排放關于重金屬的要求有5類，分別為鎘、汞、鉛、鉻和砷。鉻、鎘和鉛按照HJ 776—2015水質32種元素的測定中電感耦合等離子體發射光譜法進行測定，汞和砷按照HJ 694—2014水質汞、砷、硒、鉍、銻的測定中原子熒光法進行測定。重金屬含量評價指標見表5，測試結果見表6。對比表5、6可知，封堵劑HBJ-3重金屬含量遠小于標準排放極限。

表5 重金屬含量評價指標

4 現場應用

隨著環保要求日益嚴苛，油田對鉆井液的環保要求日益增高，需要去除磺化材料逐漸使用環保鉆井液，來減少對環境的污染。結合新疆油田地層特點，以無毒、可生物降解的環保型封堵劑HBJ-3對鉆井液的環保性能進行優化，形成了環保型鉆井液體系。該體系在和12井、FNHW4029、FNHW4050等10余口井進行了現場應用。從應用情況來看，其封堵防塌效果明顯，井徑規則，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定，定向順利，后期不影響地質錄井，有利于錄井顯示的發現。

表6 HBJ-3封堵劑重金屬含量測試結果

通過環保型封堵劑HBJ-3的現場應用，可降低石油勘探開發過程中對生態環境造成的污染，減少后續作業中造成環境糾紛和經濟損失，促進石油鉆探的可持續性發展，在石油勘探開發以及后續的廢棄物處理中都具有廣闊的推廣與應用前景。

5 結論

環保型封堵劑HBJ-3是由100～120℃軟化點的天然油溶性物質經過化學接枝引入強親水基團的一種改性產品，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、石油類含量等環保檢測指標評價，環保型封堵劑HBJ-3具有無熒光、無毒、易降解、白色等環保特性，不影響地質錄井，可用于新區勘探和環境敏感地區的鉆井作業。環保型封堵防塌劑HBJ-3在新疆油田進行了10余口井的現場應用，應用井井壁穩定，鉆井液色淺、無毒、無熒光，具有較好的工程性能和環保特性，取得了較好的應用效果。