一种环保型钻井液封堵剂性能评价及应用

邢希金，，王荐，曹砚锋，舒福昌，向兴金，蒋卓，王斌

（1．中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2．荆州市汉科新技术研究所，湖北荆州 434000；3．海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028）

随着勘探开发向新区不断扩展，钻遇的地层日趋复杂，井壁不稳定问题日益严重。泥页岩、破碎性煤层、膏盐层的缩径与坍塌，都会造成井壁不稳定，影响钻井效率和固井质量，甚至发生卡钻，严重影响勘探开发进程。封堵型防塌剂主要以改性沥青类、乳化石蜡类、聚合醇类、有机铝化合物类和硅酸盐类为主[1-4]。乳化石蜡类封堵剂软化点低，有效含量低，低温下易破乳。聚合醇类封堵剂因浊点效应相变产生的粒子太少，无固相粒子，无法满足防塌封堵的需要，主要起到润滑和微孔封堵作用。沥青类是目前公认的较为理想的防塌剂，但对于新区块探井和开发井钻探，封堵防塌剂因荧光级别高经常被地质部门禁止使用。同时基于目前油田环保形势严峻，钻井液去磺化和白色化工作也迫在眉睫，因此开发无荧光、具有封堵和抑制作用的白色环保封堵防塌剂具有很好的应用前景。针对荧光和环保问题，研制了一种环保易降解仿沥青无荧光封堵剂，该封堵剂具有无荧光、不含有芳烃等有毒物质，不影响地质录井，具有良好环保性能。该封堵防塌剂在新疆油田进行了10余口井的现场应用，应用井井壁稳定，钻井液色浅、无毒、无荧光，具有较好的工程性能和环保特性，取得了较好的应用效果。

1 环保型无荧光钻井液封堵剂简介

环保型无荧光白色化封堵剂HBJ-3是由天然油溶性物质经过酯化反应化学接枝引入强亲水基团的一种改性产品，具备一定的水化作用，当吸附在泥页岩表面上时，可阻止泥页岩黏土矿物的水化分散和膨胀，起到防塌作用。同时不溶于水的部分又能填充到孔喉和微裂缝中起到封堵作用，并可覆盖在泥页岩界面。该产品在钻井液中可改善泥饼质量，降低钻井液的高温高压滤失量，提高钻井液的封堵能力。HBJ-3对钻井液体系流变性无影响，同体系中常规处理剂的配伍性好，可用于不同的水基钻井液体系。HBJ-3是由天然高分子改性制得，具有无荧光、无毒、易降解、白色等环保特性，具有很好的推广应用前景。

2 环保型封堵剂HBJ-3工程性能评价

2.1 荧光评价

荧光评价方法：称取2.5 g（精确至0.000 1 g）脱水原油于250 m/L容量瓶中，用三氯甲烷溶解并稀释至刻度，即为15级荧光标准溶液。用50 mL移液管吸取15级荧光标准溶液50.0 mL于100 mL容量瓶中，用三氯甲烷稀释至刻度，即为14级荧光标准溶液，按此方法逐级稀释至1级。在洗净烘干的50 mL烧杯中加入20 mL氯仿，再加入0.50 g样品，摇匀后用中速定性滤纸过滤，得到的清液倒入干净试管内，然后在紫外光仪下观测荧光并与标准系列对比确定荧光级别。

室内按上述评价方法评价了环保型封堵剂HBJ-3的荧光，通过荧光紫外分析仪测定HBJ-3荧光级别≤1，而一般探井要求钻井液处理剂荧光＜3级，说明HBJ-3对测井无影响，可用于探井和评价井。

2.2 油溶性和水溶性评价

评价方法：取0.2～0.3 g脱脂棉放入一个用擦镜头纸卷成的纸卷中，在（105±3）℃下烘干2 h备用，称取0.50 g试样（精确到0.01 g），放入上述纸卷中包严后称重，再放入抽提器内的样品杯中，将样品杯挂在抽提器内微型冷凝管下方。向抽提器中注入250～300 mL蒸馏水（做水溶物），或四氯化碳（做油溶物），将抽提器放入电热套内并保持沸腾状态3～4 h。取出样品杯，将样品在（120±3）℃下烘干24 h，取出后放入干燥器中冷却30 min后称重，计算水溶率和油溶率。

室内按上述评价方法评价了环保型封堵剂HBJ-3的水溶率和油溶率，其水溶物为42.5%，油溶物为45.8%，剩余物质为惰性刚性颗粒。说明HBJ-3可以通过其水溶物和油溶物吸附、充填到井壁泥页岩表面和微裂隙中，起到防塌作用。

2.3 封堵性能评价

室内在常规水基钻井液中对比评价了HBJ-3和磺化沥青对体系流变性和滤失量的影响，从实验数据可以看出，HBJ-3具有很好的封堵能力。体系中加入3% HBJ-3后，滤失量从18 mL降到10 mL以下，同时HBJ-3加入后对体系流变性无影响，方便现场维护和补充。HBJ-3封堵能力与磺化沥青相当，在探井或者环境敏感地区可替代磺化沥青使用。

基浆配方：2%海水土浆＋0.3% NaOH＋0.3%护胶剂PAC-LV＋0.3%包被剂PLH＋0.15%增黏剂XC＋1.5%润滑剂LUBE＋5% KCl，用重晶石加重至1.2 g/cm3。封堵性能评价结果见表1。

表1 封堵性能评价

3 环保型封堵剂HBJ-3环保性能评价

3.1 生物毒性评价

室内考察了HBJ-3的生物毒性，实验评价方法参照中国石油天然气集团公司标准Q/SY 111—2007油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法发光细菌法，其毒性等级具体划分见表2。

通过发光细菌法测定3% HBJ-3水溶液的急性生物毒性EC50值为183 200 mg/L，实际无毒，说明环保型封堵剂HBJ-3对环境无影响。

表2 生物毒性分级

3.2 降解性评价

室内考察了HBJ-3的生物降解性，在国内外普遍以BOD5/CODcr比值作为钻井液处理剂生物降解性的评价指标[5]，其中BOD5的测定参照国家环境保护标准HJ 505—2009水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法，CODcr的测定参照HJ 828—2017水质化学需氧量的测定重铬酸盐法。钻井液及处理剂的生物降解性等级划分具体见表3。

通过测定，3% HBJ-3水溶液的BOD5/CODcr比值为32%，易降解，说明环保型封堵剂HBJ-3因其为天然高分子改性，易于被环境中的微生物降解。

3.3 石油类含量评价

室内考察了HBJ-3的石油类含量，测试方法和步骤按GB 4914—2008海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值中推荐的红外分光光度法进行，控制指标见表4。

表3 油田化学剂及钻井液生物可降解性分级

表4 钻井液处理剂石油类含量测定

通过红外测油仪测定3% HBJ-3水溶液的含油量为0.27%，小于1%的标准要求，说明环保型封堵剂HBJ-3石油类含量低，满足海洋石油勘探开发对石油类含量的要求。

3.4 重金属含量评价

根据GB 4284—1984农用污泥中污染物控制标准对污水和污泥的排放关于重金属的要求有5类，分别为镉、汞、铅、铬和砷。铬、镉和铅按照HJ 776—2015水质32种元素的测定中电感耦合等离子体发射光谱法进行测定，汞和砷按照HJ 694—2014水质汞、砷、硒、铋、锑的测定中原子荧光法进行测定。重金属含量评价指标见表5，测试结果见表6。对比表5、6可知，封堵剂HBJ-3重金属含量远小于标准排放极限。

表5 重金属含量评价指标

4 现场应用

随着环保要求日益严苛，油田对钻井液的环保要求日益增高，需要去除磺化材料逐渐使用环保钻井液，来减少对环境的污染。结合新疆油田地层特点，以无毒、可生物降解的环保型封堵剂HBJ-3对钻井液的环保性能进行优化，形成了环保型钻井液体系。该体系在和12井、FNHW4029、FNHW4050等10余口井进行了现场应用。从应用情况来看，其封堵防塌效果明显，井径规则，上部地层加入少量HBJ-3即可起到防渗作用（同层位邻井一直存在渗漏），下部地层维持泥浆中2.0%的含量，就能起到防止泥页岩和煤层垮塌的效果，在施工过程中井壁稳定，定向顺利，后期不影响地质录井，有利于录井显示的发现。

表6 HBJ-3封堵剂重金属含量测试结果

通过环保型封堵剂HBJ-3的现场应用，可降低石油勘探开发过程中对生态环境造成的污染，减少后续作业中造成环境纠纷和经济损失，促进石油钻探的可持续性发展，在石油勘探开发以及后续的废弃物处理中都具有广阔的推广与应用前景。

5 结论

环保型封堵剂HBJ-3是由100～120℃软化点的天然油溶性物质经过化学接枝引入强亲水基团的一种改性产品，可以通过其水溶物和油溶物吸附、充填到井壁泥页岩表面和微裂隙中，起到防塌作用。通过荧光、生物毒性、生物降解性、石油类含量等环保检测指标评价，环保型封堵剂HBJ-3具有无荧光、无毒、易降解、白色等环保特性，不影响地质录井，可用于新区勘探和环境敏感地区的钻井作业。环保型封堵防塌剂HBJ-3在新疆油田进行了10余口井的现场应用，应用井井壁稳定，钻井液色浅、无毒、无荧光，具有较好的工程性能和环保特性，取得了较好的应用效果。