韓銀府，周書(shū)勝，魏世旺

（荊州嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 434000）

常規(guī)油氣資源的開(kāi)采無(wú)法有效滿足國(guó)內(nèi)能源消耗，促使了鉆探工作向復(fù)雜地層油氣資源投入。復(fù)雜地層鉆探工程給鉆井液技術(shù)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。要求鉆井液具有優(yōu)異的封堵、抑制性能以及低濾失量性能，提高井壁穩(wěn)定性，確保鉆井效率。由于水基鉆井液具有低成本、環(huán)境友好型的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)[3-4]。但水基鉆井液在鉆進(jìn)過(guò)程中壓差和毛管力的作用下，鉆井液濾液進(jìn)入井眼近井地帶，改變井眼應(yīng)力分布且使地層巖石強(qiáng)度降低，易發(fā)生鉆頭憋跳和起下鉆遇阻頻繁，嚴(yán)重影響鉆井周期，不利于鉆井安全[5-6]?？赏ㄟ^(guò)加入封堵劑來(lái)提高鉆井液泥餅質(zhì)量，減少濾液對(duì)地層的干擾，粘結(jié)地層巖石的微裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。瀝青類封堵劑（氧化瀝青，磺化瀝青，乳化瀝青等）應(yīng)用于水基鉆井液中均表現(xiàn)出理想的封堵性能，但該封堵劑熒光級(jí)別高，影響測(cè)井，且環(huán)保性能差，使其應(yīng)用受限制。聚合醇類封堵劑對(duì)于裂縫類地層無(wú)法有效封堵。乳化石蠟類封堵劑低溫穩(wěn)定性較差[7-10]?；谝陨戏治觯男訡5石油樹(shù)脂常用于油基鉆井液中，提高油基鉆井液的穩(wěn)定性和封堵性能[11-12]。本文通過(guò)水溶性多功能單體改性C5石油樹(shù)脂制備一種不含有芳烴等有毒物質(zhì)的環(huán)保型仿瀝青封堵劑FD-HX，并評(píng)價(jià)其封堵性能和與鉆井液的配伍性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要材料與儀器

主要材料：C5石油樹(shù)脂，工業(yè)級(jí)，淄博魯華泓錦新材料股份有限公司；馬來(lái)酸酐（MA）、二叔丁基過(guò)氧化物（DTBP）、單乙醇胺（MEA），Na2CO3，NaOH，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鈉基膨潤(rùn)土，工業(yè)級(jí)，新疆夏子街膨潤(rùn)土有限公司；改性淀粉降濾失劑（STARFLO）、流型調(diào)節(jié)劑VIS-H、聚合物高溫穩(wěn)定劑GW-H，工業(yè)級(jí)，荊州嘉華科技有限公司；KCl、NaCl，工業(yè)級(jí)，青島裕豐達(dá)精細(xì)化工有限公司。

主要儀器：Nicolet710 傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó) Nicolet 公司；GW300 高溫滾子加熱爐、GJSS-B12K 變頻高速攪拌機(jī)、ZNN-D6 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司；GGS42-2A 高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；PPT171-193-1 型滲透性封堵儀，美國(guó)OFITE 公司。

1.2 封堵劑FD-HX 的制備與表征

在裝有攪拌器、冷凝管和溫度計(jì)的三口圓底燒瓶中依次加入50 g C5石油樹(shù)脂和20 g MA（馬來(lái)酸酐），置于恒溫油浴鍋中，溶液體系在攪拌條件下加熱至130 ℃，攪拌10 min 使其混合均勻，再通入氮?dú)?0 min 后，加入0.2 g DTBP（二叔丁基過(guò)氧化物）作為引發(fā)劑，恒溫?cái)嚢柘路磻?yīng)7 h，在C5石油樹(shù)脂上接枝MA 分子，最后加入10 g MEA（單乙醇胺），攪拌條件下加熱至160 ℃反應(yīng)4 h，發(fā)生酰胺化反應(yīng)，將粗產(chǎn)物真空干燥至恒重，破碎、篩分，得到封堵劑FD-HX。取一定量的封堵劑與溴化鉀晶體混合均勻，壓片制樣，通過(guò)紅外光譜儀對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.3 封堵劑FD-HX 性能評(píng)價(jià)

1.3.1 鈉基膨潤(rùn)土基漿的配制

基漿配制：將1.2 g Na2CO3溶解于400 mL淡水中，分別加入12 g、24 g 鈉基膨潤(rùn)土，在高速攪拌器下攪拌30 min，使鈉基膨潤(rùn)土充分分散、在密閉容器中養(yǎng)護(hù)24 h 后分別得到3%、6%鈉基膨潤(rùn)土基漿。

1.3.2 高溫高壓靜失水評(píng)價(jià)

將3% 封堵劑分別加入上述3% 鈉基膨潤(rùn)土基漿，并以6% 鈉基膨潤(rùn)土基漿作為對(duì)比樣，分別置于溫度為120 ℃滾子加熱爐熱滾16 h，參考GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1 部分：水基鉆井液》，采用高溫高壓濾失儀評(píng)價(jià)封堵劑的封堵效果。

1.3.3 PPT 封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

將3%封堵劑分別加入上述3%鈉基膨潤(rùn)土基漿，120 ℃下熱滾16 h 后，置于滲透性封堵儀中，將實(shí)驗(yàn)溫度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間分別設(shè)置為110 ℃和30 min，釜體壓差為3.5 MPa，以濾失量作為封堵性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.4 環(huán)境友好型分析

參考GB/T 18420.2—2009《海油石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性 第二部分：檢測(cè)方法》，評(píng)價(jià)封堵劑的生物毒性對(duì)鹵蟲(chóng)幼體的影響，測(cè)試封堵劑對(duì)鹵蟲(chóng)的半數(shù)致死濃度LC50，封堵劑最大使用濃度為5%；參考SY/T 6788—2020《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法》，評(píng)價(jià)封堵劑的生物降解性能。

1.4 封堵劑對(duì)水基鉆井液性能的影響

水基鉆井液配方：3%鈉基膨潤(rùn)土基漿+0.25%NaOH+0.2%Na2CO3+3%STARFLO+0.5%VIS-H+3%GW-H+5%KCl+5%NaCl+封堵劑+重晶石（密度為1.3 g/cm3），溫度為120 ℃下熱滾16 h，參考GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1 部分：水基鉆井液》規(guī)定的測(cè)試程序，進(jìn)行鉆井液流變性和濾失量的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 封堵劑FD-HX 結(jié)構(gòu)表征

封堵劑FD-HX 結(jié)構(gòu)表征見(jiàn)圖1。從圖1 可知，3 310 cm-1處出現(xiàn)寬又強(qiáng)的-OH 伸縮振動(dòng)峰；2 950 cm-1處出現(xiàn)胺基的N-H 伸縮吸收峰；1 638 cm-1處出現(xiàn)酰胺基團(tuán)較強(qiáng)的吸收峰；720 cm-1處出現(xiàn)-CH2-所組成的長(zhǎng)鏈搖擺振動(dòng)吸收峰，800 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰歸屬于六元環(huán)主鏈結(jié)構(gòu)的存在，上述分析表明原料間發(fā)生了接枝反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖1 封堵劑FD-HX 紅外光譜圖

2.2 高溫高壓濾失量評(píng)價(jià)

將6%鈉基膨潤(rùn)土基漿和含有封堵劑的3%鈉基膨潤(rùn)土基漿熱滾后，采用高溫高壓靜失水方法評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)溫度為熱滾溫度（120 ℃），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 可知，隨著封堵劑的加入，均使鈉基膨潤(rùn)土基漿的高溫高壓濾失量（FL(HTHP)）明顯下降，化學(xué)封堵劑顆粒能吸附在黏土顆粒表面，降低泥餅的孔隙，提高其致密性，使泥餅的滲透率明顯降低；惰性封堵劑能有效填充在泥餅孔隙，從而降低泥餅的滲透率，均表現(xiàn)處較好的封堵效果?；腔癁r青、封堵劑FD-HX 的封堵效果更為明顯，使高溫高壓濾失量降低超過(guò)65%，其中本文制備的仿瀝青封堵劑的封堵效果最佳，使高溫高壓濾失量降低超過(guò)70%。

表1 封堵劑對(duì)基漿濾失量的影響

2.3 PPT 封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

采用滲透性封堵儀進(jìn)一步評(píng)價(jià)磺化瀝青、封堵劑FD-HX 的封堵性能，并以6%鈉基膨潤(rùn)土基漿作為對(duì)比樣，采用滲透率為400 mD 的砂盤(pán)模擬地層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可知，測(cè)試液每隔5 min測(cè)試濾失量，6%基漿在不同時(shí)段的濾失量均較大，濾失總量為24 mL；加入3%封堵劑后，其不同時(shí)段的濾失量均出現(xiàn)明顯下降，其中封堵劑FD-HX 使測(cè)試液濾失量下降更為明顯，含3%封堵劑FD-HX 的測(cè)試液的濾失總量?jī)H為4.7 mL，測(cè)試液的封堵性能與高溫高壓濾失量評(píng)價(jià)效果一致。

表2 封堵性能評(píng)價(jià)

2.4 封堵劑環(huán)保性能評(píng)價(jià)

對(duì)封堵劑FD-HX 的環(huán)境友好型分析，以磺化瀝青作為對(duì)比樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可知，封堵劑FD-HX 的LC50為1.1×105mg/L，遠(yuǎn)大于3.0×104mg/L 標(biāo)準(zhǔn)值，而磺化瀝青的LC50僅為1.8×104mg/L，小于3.0×104mg/L 標(biāo)準(zhǔn)值；封堵劑FD-HX 的BOD5與CODcr 的比值為15.8%，大于10%的標(biāo)準(zhǔn)要求，而磺化瀝青的BOD5與CODcr 的比值僅為5.1%，表明封堵劑FD-HX 具有良好的環(huán)境好友性，而磺化瀝青達(dá)不到環(huán)境保護(hù)要求。由于瀝青分子本身環(huán)保性能較差，且分子含有大量的磺酸基團(tuán)，抑制酶滲透進(jìn)入分子的活性部位，降低大分子發(fā)生水解反應(yīng)，對(duì)生物降解性有抑制作用[13]。

表3 封堵劑環(huán)保性能評(píng)價(jià)

2.5 封堵劑對(duì)水基鉆井液性能的影響

在上述水基鉆井液配方中分別加入一定量的封堵劑FD-HX，熱滾后測(cè)試其流變性和濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 可知，隨著封堵劑FD-HX 的增加，鉆井液的濾失量逐漸降低，表明封堵劑FD-HX 有效地填充泥餅，降低泥餅的滲透率；當(dāng)封堵劑FD-HX加量為5%時(shí)，其鉆井液濾失量?jī)H為4.2 mL，且封堵劑FD-HX 加入對(duì)鉆井液的流變性能影響較小。

表4 封堵劑對(duì)水基鉆井液性能的影響

3 結(jié) 論

以C5石油樹(shù)脂、馬來(lái)酸酐和單乙醇胺為原料制備的仿瀝青封堵劑FD-HX 使鈉基膨潤(rùn)土基漿的高溫高壓濾失量顯著降低，該封堵劑分子具有瀝青的封堵性能，且含有大量的水化活性基團(tuán)，能吸附在黏土顆粒表面，降低泥餅的孔隙，提高其致密性，使泥餅的滲透率明顯降低，使高溫高壓濾失量降低超過(guò)70%；封堵劑FD-HX 加入水基鉆井液中，能顯著降低鉆井液的高溫高壓濾失量，且封堵劑FD-HX 加入對(duì)鉆井液的流變性能影響較小。從生物毒性以及生物降解性實(shí)驗(yàn)分析，封堵劑FD-HX 具有良好的環(huán)境好友性，且不含有磺酸基團(tuán)，有利于酶滲透進(jìn)入分子的活性部位，促進(jìn)大分子發(fā)生水解反應(yīng)。