環保型鉆井液應用分析與發展方向

佟芳芳，蘇碧云，倪炳華

（西安石油大學，陜西西安 710065）

環保型鉆井液應用分析與發展方向

佟芳芳，蘇碧云，倪炳華

（西安石油大學，陜西西安 710065）

論述了廢棄鉆井液日趨嚴峻的環境污染問題和近年來環保型鉆井液的研究及應用進展情況，其中包括白油鉆井液、烷基葡萄糖苷鉆井液、硅酸鹽鉆井液、合成基鉆井液和聚合醇鉆井液，且對這些鉆井液的作用機理、適用性和環保性能進行了分析，并簡述了幾種近年來開發的環保型鉆井液處理劑。最后指出目前環保性鉆井液技術存在的問題及未來的發展方向。

環境保護；生物降解性；鉆井液；鉆井液處理劑

鉆井液保障了鉆井工程安全、優質、快速、高效的需求，但鉆井施工中產生廢棄物中含有有機聚合物、烴類、巖屑、無機物和重金屬等物質，此類化學物品長期滯留在環境中，輕者污染環境，重者影響動、植物的生命。實施油氣田的勘探開發對環境的影響是不可避免的。環境污染日益加重，人們環境保護的意識也越來越強，各國法律都對鉆井液的環保性提出了更為嚴格的要求，積極采取各種對策和措施,減少對環境的污染和對生態環境的破壞。實現經濟效益、環境效益和社會效益的統一是石油工業發展的命脈。環保型鉆井液的開發利用既要滿足鉆井工程安全、優質、快速、高效的需求，還要滿足環保排放標準，不污染周圍的環境（包括土壤、動植物、地下水等），不影響農作物生長及施工人員的健康安全等條件。

從源頭控制污染，最大限度的減少污染，實現“綠色”鉆井。毒性和生物可降解性就成為評價鉆井液環保性必不可少的指標。鉆井液毒性評價采用試驗方法，主要有糠蝦生物檢測法、微生物毒性法和累計生物熒光法。其中糠蝦生物檢測法是美國國家環保局（EPA）正式批準的用于鉆井液毒性評價的唯一方法。使一定數量的浮游動物糠蝦經受96 h不同濃度毒物的毒害，分別記錄每種濃度下所殘存的生物數量。然后，以死亡比率與濃度的關系作圖，由圖中曲線即可得到使50%試驗生物致死的濃度值，該濃度值被稱為96 hLC50值，用以表示毒物毒性的大小。LC50值越大，表示鉆井液的毒性越小。鉆井液處理劑的生物降解性是指鉆井液處理劑分子在微生物的作用下分解轉化為微生物代謝物或細胞物質并產生CO2的性質。目前主要應用的研究生物降解性的方法有有機物衰減法、生化耗氧量法和CO2吸收法等。

1 環保型鉆井液

1.1 白油基鉆井液

隨著石油勘探開發向深井、高溫高壓井，水敏性地區和海上油田勘探開發的不斷深入，油基鉆井液的使用規模將會越來越大。工業白油環烷烴含量高，芳烴和稠環芳烴含量低。以工業白油為基液制得的全白油基鉆井液，生物毒性低，當鉆屑含油量低于15%時，允許將鉆屑直接排放入海，滿足歐盟環保要求[1－2]。穩定性高，黏性強，濾失量小等優于其他鉆井液，全白油基鉆井液抗土、水污染較強且潤滑性良好可以抑制鉆屑水化分散有利于提高鉆速。改變全白油基鉆井液各種成分的含量，可以配制出不同礦井需要的鉆井液，使工作成效到達利益最大化，具有廣闊的應用前景[3]。

1.2 烷基葡萄糖苷鉆井液

烷基葡萄糖苷（APG）鉆井液[4-7]，是近幾年提出的一種替代油基鉆井液的新型水基鉆井液體系。烷基葡萄糖苷是由葡萄糖或淀粉的酶解，經酸催化與脂肪醇脫水縮合生成的一大類有機化合物。由于生產條件和工藝的不同，烷基葡萄糖苷類產品所含的葡萄糖單元數及烷基化度有一定的差別。工業上習慣將此類產品統稱為烷基多糖苷（APG）。C8-18的APG已被證明具有優良的表面活性，無毒，對皮膚無刺激性，生物降解迅速徹底，配伍性能好等特點。

在APG系列中，甲基葡萄糖苷（MEG）的使用尤為突出，具有多方面的優點。（1）較強的抑制性、封堵和降濾失作用，可以較好的穩定井壁；（2）具有良好的潤滑性能；（3）具有良好的保護油氣層性能；（4）具有良好的生物可降解性和熱穩定性；（5）組成簡單，流變性易調整，抗污染性強等。其抑制機理是甲基葡萄糖苷能吸附在泥頁巖表面形成一層半透膜，通過調節該鉆井液的水活度控制鉆井液與地層水的運移，使頁巖中的水進入鉆井液中，從根本上抑制泥頁巖的水化膨脹，穩固井壁。濃度80%甲基葡萄糖苷溶液LC50值高于500 g/L，完全符合EPA規定的排放標準。綜上所述，甲基葡萄糖苷鉆井液是一種無毒、易生物降解的新型環保鉆井液。在環保要求嚴格的地區、海上復雜地層、大斜度井、延伸井和水平井的鉆井中均有很好的應用前景。

1.3 硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽鉆井液[8-11]被普遍認為是最具發展前景的水基鉆井液體系，因具有無毒、無熒光、良好防塌性能、材料費用低等特性，日益受到重視。其中硅酸鈉/鉀鉆井液，能提高機械鉆速，抑制頁巖的水化膨脹。硅酸鹽的用量小，降低了成本。殘液中的硅酸鉀還可以作為化肥，減少排放。硅酸鹽鉆井液已在大西洋東部的海灣北海、美國的阿拉斯加、加拿大的紐芬蘭、墨西哥灣等地區使用，應用前景廣闊。

硅酸鹽鉆井液的作用機理可歸納為以下幾點：（1）硅酸鹽在鉆井液中形成不同尺寸的膠體和納米級粒子，這些粒子與巖石表面或地層水中的鈣、鎂離子發生反應，生成的硅酸鈣沉淀覆蓋在巖石表面起封堵作用；（2）含有硅酸鹽的鉆井液濾液與pH值低的地層水相遇后產生膠凝現象形成“半透膜”，阻止濾液進入地層穩定井壁；（3）硅酸鹽與粘土礦物發生縮合反應，產生膠結性物質，抑制頁巖中粘土礦物水化膨脹和分散；（4）硅酸鹽體系中的高聚物（黃原膠、PAC等）可調節體系的流變性，同時還可增加鉆井液濾液的粘度，減少濾液的浸入量。另外，通過在硅酸鹽鉆井液中使用適量的KCl、NaCl等無機鹽也可起到協同穩定作用。

目前硅酸鹽鉆井液依然存在一些問題，該鉆井液的整體性能難以滿足各種復雜井和特殊井的要求。受使用溫度和pH值的限制，為達到良好的抑制性能，必須保證硅酸鹽有較大的加量，增加了成本。要達到較好的鉆井液性能，必須與其他非環保處理劑和低價鹽復配，使體系的環保性能受到影響。

1.4 合成基鉆井液

合成基鉆井液是在水基鉆井液不能滿足井下復雜情況的性能要求，油基鉆井液和礦物油基鉆井液不能滿足環境保護要求的情況下應運而生的，合成基鉆井液以人工合成或改性的有機物為連續相，鹽水為分散液相，并有乳化劑、流型調節劑等形成油包水逆乳化懸浮分散體系，具有油基鉆井液的工作性能。現已在現場應用的合成基鉆井液主要有酯基，醚基，聚α-烯烴基，線性α-烯烴基等。

合成基鉆井液無毒，體系內不含有熒光類物質，可生物降解，對環境無污染，是一種環保型鉆井液體系[12-15]。鉆井排水，鉆屑和廢棄鉆井液均可向海洋排放。其中新研制的典型酯基鉆井液的LC50大于2%，說明酯基鉆井液對環境無毒，厭氧降解是酯基鉆井液生物降解的主要方式。

合成基鉆井液體系的常規性能穩定，易于控制和操作，粘度高，具有較好攜屑性能和潤滑性能，可用于大斜度井及水平井鉆進。高閃點，低凝固點，可在寒冷地區和深水海域應用。缺點是價格較貴。但由于使用合成基鉆井液提高了鉆速，能使井眼穩定，節約了油基鉆井液用于處理鉆屑和環境污染的費用。因此，使用合成基鉆井液的綜合鉆井成本比油基甚至比水基鉆井液都低。應用結果表明，使用合成基鉆井液比水基鉆井液鉆井快，綜合成本低，具有顯著的經濟和環境效益。適合在環保要求嚴格的地區、海上復雜地層、大斜度井、延伸井和水平井的鉆井中使用。對地質復雜的探井也可以使用合成基鉆井液。

1.5 聚合醇鉆井液

聚合醇鉆井液（PEM）[16-21]的DO值（27 h溶解氧量）和COD值（化學耗氧）遠低于通用白油類水基鉆井液，因此可以說該體系屬于無毒型鉆井液。PEM具有很強的抑制性與封堵性，能有效地穩定井壁。潤滑性能好，能降低鉆井液的表面張力與界面張力，有利于保護油氣層。毒性極低，易生物降解，對環境影響小。并且維護簡單。當溫度高于濁點時，PEM發生相分離，不溶解的聚合物能封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層；同時形成類似油相的分子膜，提高了鉆井液的潤滑性，進而穩定井壁。當溫度低于濁點時，PEM呈水溶性，聚合物吸附在鉆具和鉆屑表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，改善潤滑性，降低鉆具扭矩和摩阻，穩定鉆井液性能并控制壓力傳遞。

PEM特別適用大斜度定向井使用要求，可提高鉆井綜合效益。在國外，PEM已在墨西哥灣、大西洋東部的海灣北海、蘇丹等許多油田使用。在國內，該鉆井液已在渤海、南海西部、東海、遼河、大港、塔里木和江蘇等油田推廣應用。其中在渤海、南海西部近10個油田的50多口直井、斜井、三維井和深井中成功應用，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

2 環保型鉆井液處理劑

為使鉆井液體系更好的滿足工程需要，就需要加入各種化學處理劑。化學處理劑的種類、性質和投入數量范圍很大。要使鉆井液體系環境友好，則加入的處理劑必須是環保型的，需要開發研制各種新型低毒無害的化學添加劑，以替代傳統的化學添加劑。

2.1 環保型阻垢緩蝕劑聚天冬氨酸

聚天冬氨酸[22-26]（PASP）是一種性能優異、可生物降解的“綠色化學品”。具有優良的阻垢分散和降粘作用。還能用作肥料增效劑、殺蟲劑、保濕劑等。PASP是受海洋軟體生物代謝的啟發而研制的一種生物高分子。不但具有無毒水溶性羧酸，而且能全部生物降解成無毒性的化學品。是公認的綠色聚合物和水處理劑的更新換代產品。聚天冬氨酸還具有很好的阻垢緩蝕性，其羧酸官能團對于CaCO3、CaSO4具有較好的阻垢作用,而酰胺基對Ca3（PO4）2的阻垢有益。

2.2 環保型潤滑劑聚合醚HLX

環保型潤滑劑聚合醚（HLX）[27-28]是由天然物質經精煉提純后，在一定溫度、壓力和縮合劑的作用下與低分子烷氧基化合物縮合而成。HLX屬非離子處理劑，沒有濁點行為，與水的混溶性較差。但在水面上能迅速擴散，并形成一層類似于油的分子膜，很容易吸附在井壁和鉆具表面，能提高鉆井液的潤滑效果。聚合醚可抗溫達到150℃，對鉆井液流變性影響小，性能穩定，有利于在寒冷的冬季施工和4500 m以內深井施工。

HLX具有降低鉆具阻力，防止鉆具粘卡，且無熒光、無毒、易生物降解等特點。鉆井液可直接排入海中，對海洋環境無害。與海水鉆井液體系具有良好的配伍性，可增強海水鉆井液體系的抗污染能力。

2.3 環保型硫化氫清除劑

二價鐵的糖類衍生物[29]（葡糖酸亞鐵）鉆井液添加劑作為除硫劑，具有對pH值不敏感，不影響鉆井液流變性，與鉆井液的配伍性好等特點。因糖類分子容易降解，此類除硫劑與環境的配伍性良好。

2.4 抗高溫鉆井液添加劑檸檬酸鋯

用氧氯化鋯和檸檬酸鈉反應制得抗高溫的鉆井液添加劑檸檬酸鋯[30-31]，檸檬酸鋯具有可生物降解性、無毒及配伍性能好等特點。在鉆井液中添加檸檬酸鋯，能提高褐煤及木質素磺酸鹽在分散鉆井液中的抗溫穩定性，以及控制膨潤土高溫下的膠凝稠化。在聚合物鉆井液中，檸檬酸鋯能有效的控制鉆井液的流變性能，減少鉆井液的稀釋量。成為抗高溫鉆井液中FCLS和重鉻酸鉀的替代品。

2.5 復合離子降粘劑PX

復合離子降粘劑PX[32]是一種以季銨鹽陽離子為主要吸附基團,依靠多種陰離子基團來拆散鉆井液中的網架結構，具有一定的抗鹽、抗鈣能力和優良抗溫性能的低相對分子質量聚合物降粘劑。據報道，PX在膨潤土漿、聚合物鉆井液及高密度鉆井液中的降粘效果都較好，是FCLS的5～10倍，且加量少，一般為0.1%左右。水溶性好，使用方便，是一種對環境無害的降粘劑。

3 發展趨勢

現有的環保型鉆井液處理劑和鉆井液普遍存在成本較高，性能單一，應用結果不夠理想等缺陷。很多新型環保型處理劑合成工藝比較復雜，現場大量應用受到限制。環保性處理劑生物降解性和性能穩定性的矛盾問題還未能完好解決。因此，環保型鉆井液處理劑和體系的研究方向為：（1）利用來源豐富價格低廉的天然材料，進行改性，簡化合成工藝，提高其綜合性能，降低成本；（2）開展鉆井液處理劑作用機理的基礎研究，為環保型鉆井液的開發提供理論支持，并盡快將已經研究成功的科研成果投入到批量生產和實際應用中；（3）將先進的化學、生物技術和納米技術應用到鉆井液處理劑的研制開發上來，有針對性的開發高效高性能的環保型鉆井液處理劑；（4）綜合開發利用工業廢物，變廢為寶，既有利于環境保護，又能降低鉆井液成本。

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Analysis of the environmental-protecting drilling fluids application and development direction

TONG Fangfang，SU Biyun，NI Binghua
（Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

This article discusses the increasingly severe environmental pollution problems on waste drillidg fluids,and the researches and applications of environmental-protecting drilling fluids in recent years.The drilling fluids include white oil base drilling fluid,alkyl glucoside drilling fluid,silicate drilling fluid，synthetic drilling fluid and JLX drilling fluid.Their effect mechanisms and suitabilities are analyzed.The additives for the environmentprotecting drilling fluids developed in present years are summarized.The difficulties existing in the development of the environment-protecting drilling fluids are pointed out,and the development trend in the study of the environment-protecting drilling fluid is put forward.

environmental protection；biodegradability；drilling fluid；drilling fluid additive

10.3969/j.issn.1673-5285.2012.11.001

TE254.4

A

1673－5285（2012）11－0001－05

2012-10-15

陜西省教育廳專項科研計劃項目（No.09JK696）、陜西省自然科學基礎研究計劃項目（No.2009JQ2006）、天然氣

水套加熱爐腐蝕防護技術研究（長慶油田分公司第二采氣廠2011年科研項目）。

佟芳芳，女（1984-），西安石油大學化學工程與工藝專業研究生，郵箱：tongff1984@163.com。