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。
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。
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。
1.3.1 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。
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。
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
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
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)
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)
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
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)。