卓綠燕，尤志良，周寶義，趙 誠，張 妍

（中國石油大港油田分公司石油工程研究院，天津 300280）

由于重晶石密度大、硬度適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不溶于水和酸、無磁性和毒性，早在20世紀(jì)20年代就被用作石油和天然氣鉆井液的加重劑［1］。但隨著環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，在對重晶石環(huán)保性能排查的過程中發(fā)現(xiàn)，其重金屬砷含量嚴(yán)重超出指標(biāo)要求。大港油田物資供銷公司評價的7 家重晶石結(jié)果顯示，砷含量僅有一家結(jié)果較低，約為92.5 mg/kg，而其他6 家重晶石中的砷含量達(dá)到了350 mg/kg 以上。在此基礎(chǔ)上使用重晶石加重后產(chǎn)生的廢棄鉆井液濾餅因重金屬含量超出國家標(biāo)準(zhǔn)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（暫行）》中第二類建設(shè)用地篩選值要求，不能直接資源化利用，在井場、廢棄物存放場所大量儲存。

常用加重劑鐵礦粉、鈦鐵礦粉對鉆具產(chǎn)生嚴(yán)重磨損、影響電測等問題，目前已甚少使用。碳酸鈣類加重劑密度約為2.7 g/cm3，重金屬含量低。由于其在儲層井壁能通過合理的粒級匹配形成可酸化、可射孔解堵的屏蔽帶，是一種較好的油氣層保護(hù)材料。但目前該材料的使用主要受到以下3項因素約束：（1）受自身密度限制，用量較大，增加鉆井液固相含量，影響了鉆井液流變性能，不利于快速鉆進(jìn)；（2）水溶物中的鈣鎂離子進(jìn)入鉆井液，黏度效應(yīng)較大，引起鉆井液流變性惡化；（3）粒度較小時，表面潤濕性較差，入漿不易分散。

針對上述加重劑環(huán)保性能及應(yīng)用性能存在的不足，本文通過優(yōu)選原材料、摸索涂覆工藝等研究了一種鉆井液用雙保加重劑，評價了其加重能力、環(huán)保性能以及油氣層保護(hù)性能，并在大港王官屯油田和沈家鋪油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，為實現(xiàn)從源頭改善廢棄鉆井液濾餅重金屬超標(biāo)問題提供了技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

加重劑：重晶石，砷含量15 mg/kg，密度4.20 g/cm3，黏度效應(yīng)、75 μm 篩余以及水溶性堿土金屬含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》的要求，簡稱安康重晶石；方解石，細(xì)度為200 目（75 μm）、325目（45 μm），砷含量低于20 mg/kg；白云石，細(xì)度為200目、325目，砷含量低于20 mg/kg；上述加重劑均來自安康市漢濱區(qū)建安礦業(yè)有限公司；方解石，細(xì)度為200 目，砷含量低于20 mg/kg，寧遠(yuǎn)華創(chuàng)粉體材料有限公司；方解石，細(xì)度為200 目，砷含量低于20 mg/kg，靈壽縣安達(dá)礦物粉體廠；石灰石，細(xì)度為200 目、325 目、600 目（23 μm），砷含量低于20 mg/kg，石家莊亞恒礦業(yè)加工廠；重晶石，細(xì)度為200目，砷含量92.5 mg/kg，重慶天陽礦業(yè)有限公司，簡稱重慶重晶石。表面活性劑：TF200-4、TF200-5，主要成分分別為壬基酚聚氧乙烯醚（NP-15）、壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10），含量為99%，上海凱比特化工有限公司。螯合劑CLG-1、CLG-2、CLG-3為乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、有機(jī)磷酸鹽和聚丙烯酸鈉的混合物，占比分別為5%～10%、80%～95%和3%～5%，大港油田石油工程研究院。鉆井液試驗用土，渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)公司；無水碳酸鈉，分析純，天津科密歐科技化學(xué)試劑有限公司；地層水，礦化度27 g/L，取自自27-24井。鉆井液由大港油田正鉆井振動篩后取得，HB 鉆井液、硅基防塌鉆井液、鉀鹽聚合物鉆井液、鑲嵌屏蔽鉆井液分別取自大港油田自26-26 井、大港油田女58-65 井、官東12-2-1H井、大港油田自27-24 井。天然露頭巖心，直徑2.5 cm，長5.0 cm，西南石油大學(xué)。

909型激光粒度儀，珠海歐美克儀器有限公司；ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計、GJD-B12K型高速攪拌器，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；萬能粉碎機(jī)，永康云達(dá)機(jī)械設(shè)備廠；WHL-45B 恒溫干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；YM-1-2-3 型液體密度計，肯測儀器（上海）有限公司；高溫滾子爐、中壓濾失儀，青島創(chuàng)夢儀器有限公司；巖心流動試驗儀、動態(tài)失水儀，湖北荊州創(chuàng)聯(lián)石油科技有限公司。

1.2 實驗方法

（1）基漿的配制。使用符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5490—2016《鉆井液試驗用土》的膨潤土配制6%基漿，并在（25±3）℃下養(yǎng)護(hù)24 h后使用。

（2）鉆井液性能測試方法。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1部分：水基鉆井液》測定鉆井液的各項性能。

（3）粒度的測定。按照設(shè)備使用要求，選擇蒙脫石為背景，采用濕法進(jìn)行粒度測試。

（4）室內(nèi)樣品制備。按比例稱取各細(xì)度礦石，混合均勻后，使用表面活性劑均勻噴涂，80 ℃烘干1.5 h 后取出冷卻，使用螯合劑進(jìn)行二次噴涂，而后在60 ℃下烘干2 h，取出冷卻后使用粉碎機(jī)打碎3 s，破除結(jié)塊即可。

2 結(jié)果與討論

通過擬算不同密度、不同砷含量加重劑加重鉆井液后濾餅的砷含量，且考慮加重劑密度盡量走高限的原則，設(shè)計最佳基礎(chǔ)配方：安康重晶石、重慶重晶石、碳酸鈣質(zhì)量比為1.5∶0.8∶1，密度3.2～3.5 g/cm3。

2.1 碳酸鈣類加重劑優(yōu)選

石灰石是被廣泛應(yīng)用的碳酸鈣類加重劑，但其黏度效應(yīng)普遍較大。同類礦石方解石、白云石則應(yīng)用于其他行業(yè)。在對比莫氏硬度和價格后，開展加重黏度效應(yīng)對比實驗。實驗漿為6%膨潤土漿，初始密度為1.03 g/cm3，按照鉆井液加重公式計算加重材料加量［2］。

由3 種礦石對膨潤土漿流變參數(shù)的影響（見表1）可見，方解石在基漿中的黏度效應(yīng)（對膨潤土漿黏度的影響）最小。用另外2 種礦源的方解石作相同的測試，結(jié)果一致，說明方解石性能穩(wěn)定，可作為雙保加重原材料。

表1 3種礦石對膨潤土漿流變參數(shù)的影響

2.2 雙保加重劑性能優(yōu)化

雙保加重劑由重晶石和方解石共同組成，其中重晶石占比69.7%，方解石占比30.3%。由于復(fù)合形成的雙保加重劑密度相對較低，引入固相過多引發(fā)的黏度效應(yīng)、沉降失穩(wěn)原理與使用重晶石加重高密度鉆井液性能惡化較為一致。因此，將前人的研究成果應(yīng)用于雙保加重劑性能優(yōu)化中，以期降低其對鉆井液參數(shù)的影響。于彤等［3］提出早期解決黏度效應(yīng)的主要方法應(yīng)從改善黏土-水膠體體系的性質(zhì)入手，降低高密度鉆井液的黏度，以改善其流動性。但由此會產(chǎn)生鉆井液的懸浮能力變差，部分加重材料沉淀的問題，從而使鉆井液的密度降低，影響加重效果。若要達(dá)到原有的密度，需進(jìn)一步加重，形成反復(fù)加重和反復(fù)加水或化學(xué)添加劑進(jìn)行處理的惡性循環(huán)，導(dǎo)致鉆井液的流變性能變差，從而誘發(fā)井噴、井漏、井塌等鉆井事故。趙福等［4］提出選擇適當(dāng)?shù)募壟浞秶又貏┛梢杂行У馗纳沏@井液的流變性和懸浮性。沈偉等［5］用活化劑對重晶石表面進(jìn)行化學(xué)改性，即通過化學(xué)鍵力、極性與極性端之間的親和力等的綜合作用，使活化劑分子與重晶石顆粒的表面結(jié)合，使重晶石顆粒更具有親水性。不僅解決了鉆井液流變性差的問題，而且改善了重晶石在鉆井液中的動力穩(wěn)定性，提高了鉆井效率。就雙保加重劑的原料組成而言，碳酸鈣類加重劑的混入勢必增加游離鈣、鎂離子含量，對鉆井液流變性的影響也不容忽視，因此選用適當(dāng)?shù)拟}鎂螯合劑進(jìn)行表面涂覆，在鈣鎂離子游離初期對其進(jìn)行螯合以降低不利影響。

2.2.1 加重劑粒級匹配

室內(nèi)復(fù)配了2 個粒度分布的雙保加重劑，依據(jù)其粒度分布，命名為粗粒徑和細(xì)粒徑，其配制比例分別為安康重晶石、重慶重晶石、200目方解石、325目方解石質(zhì)量比1.5∶0.8∶0.8∶0.2 和1.5∶0.8∶0.3∶0.7。為了便于區(qū)分鉆井液，以粒度測試結(jié)果中的重量比表面積Sw作為相對粗、細(xì)分散鉆井液的區(qū)分指標(biāo)。將Sw低于1500的鉆井液定義為相對粗分散（如HB 鉆井液），Sw高于1500 的定義為相對細(xì)分散（如硅基防塌鉆井液）。

將復(fù)配的兩種雙保加重劑按照250 g/L 的加量分別加入相對粗分散和相對細(xì)分散鉆井液中，黏度測定結(jié)果如表2、表3所示。在相對粗分散鉆井液中加入細(xì)粒徑加重劑以及相對細(xì)分散鉆井液中加入粗粒徑加重劑均能降低對鉆井液黏度的影響。

表2 在相對粗分散（HB）鉆井液中的黏度測定結(jié)果

表3 在相對細(xì)分散（硅基防塌）鉆井液中的黏度測定結(jié)果

Furnas 理論表明，當(dāng)小顆粒恰好能填入大顆粒間的空隙時，可以形成致密堆積［6-7］。基礎(chǔ)理論研究及實驗研究均表明［8］，顆粒粒度分布越廣泛，其顆粒間的孔隙越小，即越致密。加重劑顆粒較粗且粒度分布越窄時，顆粒間搭橋現(xiàn)象越嚴(yán)重，空隙越大，摩擦力增大。體系中顆粒粒度分布越廣泛，越能填充大顆粒之間的空隙，減輕了粗顆粒之間的搭橋造成的摩阻效應(yīng)［8］。因此，通過合理的粒度級配，可使加重劑盡量滿足致密堆積，有利于改善鉆井液的流變性。王平全［9］、趙福［4］等通過對不同粒度分布的重晶石粉復(fù)配的結(jié)果表明，小顆粒可以在大顆粒的縫隙之間充當(dāng)軸承作用，大幅減小了內(nèi)摩擦阻力，從而增強(qiáng)了流動性。

2.2.2 加重劑活化處理

在無機(jī)粉體的活化工藝中，主要有干法活化和濕法活化兩類。干法活化指粉體不事先經(jīng)過處理，直接加入到高速捏合機(jī)中，在旋轉(zhuǎn)過程中加入活化劑進(jìn)行反應(yīng)。濕法活化則將粉體配成懸浮液，在一定的條件下加入活化劑進(jìn)行反應(yīng)［10］。石油行業(yè)現(xiàn)有的重晶石沉降測試方法是針對不同的沉降條件建立的，如模擬靜態(tài)條件、動態(tài)條件、傾斜角度、流動回路、高溫高壓等［11］。為了方便實驗操作，采用老化觀察法，分別使用重晶石和雙保加重劑將硅基防塌鉆井液加重至1.35 g/cm3，其中雙保加重劑加重的鉆井液中再加入0.2 g/L 表面活性劑TF200-4 或TF200-5，在100 ℃下靜置24 h后觀察鉆井液中加重劑的沉降情況，以此判斷其懸浮穩(wěn)定性，如無沉降則懸浮穩(wěn)定性良好。由表4可見，TF200-5可以起到改善雙保加重劑懸浮穩(wěn)定性的作用。考慮生產(chǎn)條件，選擇干法活化工藝。通過表面活性劑對加重劑表面進(jìn)行處理，使活性基團(tuán)代替水分子，降低加重劑顆粒的表面能，從而阻止加重劑在鉆井液中的聚結(jié)沉降，增強(qiáng)加重劑顆粒在鉆井液中的分散性和懸浮性。后續(xù)實驗中均用0.2 g/L TF200-5對雙保加重劑進(jìn)行活化處理。

表4 表面活性劑對硅基防塌鉆井液老化性能的影響

2.2.3 加重劑表面涂覆

鈣鎂二價離子易與鈉土中的Na+發(fā)生離子交換，變鈉土為鈣土，使分散程度降低，水化膜變薄，顆粒趨于聚結(jié)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，導(dǎo)致鉆井液黏切上升，濾失量增大。因此，優(yōu)選螯合劑對加重劑表面進(jìn)行處理，以降低鈣鎂離子污染。在硅基防塌鉆井液中分別加入重晶石、雙保加重劑將其加重至1.35 g/cm3，按照表5 中的加量向鉆井液中加入螯合劑，在100 ℃下滾動老化16 h 后測定鉆井液的流變參數(shù)。由表5 數(shù)據(jù)，優(yōu)選CLG-2 螯合劑作為加重劑的表面涂覆劑，用量為1%即可。

表5 螯合劑對硅基防塌鉆井液流變參數(shù)的影響

2.3 與鉆井液的配伍性

在4種鉆井液中分別加入重慶重晶石和雙保加重劑，將鉆井液加重至表6中的密度，在100 ℃下滾動老化16 h 后測試其流變參數(shù)。由表6 可見，與重慶重晶石加重相比，雙保加重劑加重時引起的黏度、濾失量變化均保持一致。

表6 雙保加重劑和重慶重晶石與鉆井液的配伍性對比

2.4 中試生產(chǎn)及環(huán)保指標(biāo)

雙保加重劑以雷蒙磨粉機(jī)、活化涂覆裝置為主要設(shè)備，按照破碎原礦石、提升至雷蒙磨粉機(jī)、風(fēng)選分級、按比例混合、干法活化、涂覆5 個工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，目前生產(chǎn)能力達(dá)2萬噸/年。生產(chǎn)后依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》和GB 15618—2018《檢測重金屬含量土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》檢測重金屬含量。由表7可見，不同取樣時間（批號）的雙保加重劑中重金屬的含量測值達(dá)到篩選值要求。

表7 不同批號雙保加重劑的重金屬含量測定結(jié)果

2.5 油氣層保護(hù)效果

采用粒級匹配后的雙保加重劑將硅基防塌鉆井液加重至1.30 g/cm3后，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價方法》，在80 ℃下測定巖心滲透率恢復(fù)值。由表8可見，與重晶石加重相比，加入雙保加重劑后巖心滲透率恢復(fù)值提高15.2百分點。

表8 巖心滲透率恢復(fù)值測試

2.6 現(xiàn)場應(yīng)用

雙保加重劑先導(dǎo)試驗完成10井次實施，均為硅基防塌鉆井液，實施井均安全鉆進(jìn)，未發(fā)生與本項技術(shù)實施相關(guān)事故復(fù)雜。

2.6.1 現(xiàn)場鉆井液性能控制

加重技術(shù)會對鉆井液的PV、YP 以及FL 3 項參數(shù)產(chǎn)生一定影響。由表9 檢測結(jié)果可見，該技術(shù)符合設(shè)計率達(dá)到90%。

表9 應(yīng)用井流變參數(shù)

2.6.2 工程指標(biāo)完成情況

將機(jī)械鉆速、井徑擴(kuò)大率與鄰井均值進(jìn)行了對比。40口鄰井的機(jī)械鉆速均值為20.80 m/h，10口試驗井的機(jī)械鉆速均值為31.03 m/h，提高49.18%；40口鄰井的井徑擴(kuò)大率均值的平均值為10.46%，10口試驗井的井徑擴(kuò)大率平均值為8.62%，降低1.84 百分點。

2.6.3 環(huán)保指標(biāo)完成情況

由表10可見，完井濾餅中的重金屬指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 36600—2018 中第二類建設(shè)用地篩選值要求。

表10 完井濾餅重金屬檢測結(jié)果

2.6.4 投產(chǎn)井生產(chǎn)情況

投產(chǎn)井均未進(jìn)行酸化措施，但由于加重劑進(jìn)行了級配，提高了鉆井液的封堵性，降低了對儲層的固相、液相侵入。投產(chǎn)井中官77-36、官98-1、官99-8、官46-16 和家32-8 5 口井產(chǎn)量均高于鄰井均值，平均每米產(chǎn)層增油達(dá)到0.60 t，油氣層保護(hù)效果較好。

3 結(jié)論

優(yōu)選了一種黏度效應(yīng)小的碳酸鈣類加重劑方解石，同時將高密度鉆井液中加重劑性能優(yōu)化的理論與技術(shù)方法應(yīng)用于低密度加重劑的性能優(yōu)化，如粒級匹配、干法活化處理、螯合劑表面涂覆。由重晶石和方解石組成的雙保加重劑與鉆井液的配伍性良好，實現(xiàn)不增黏、懸浮穩(wěn)定性好的目的。雙保加重劑的環(huán)保指標(biāo)達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時具有良好的油氣層保護(hù)效果，滲透率恢復(fù)值較重晶石加重可提高15.2 百分點。雙保加重劑實施井均安全鉆進(jìn)，與鄰井均值相比，機(jī)械鉆速提高49.18%，平均井徑擴(kuò)大率降低1.84百分點，平均單井每米產(chǎn)層增油0.60 t，濾餅重金屬砷含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)篩選值要求（低于60 mg/kg），現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可用于重金屬砷超標(biāo)濾餅達(dá)標(biāo)處置。