基于天然產物的環保型鉆井液體系研究

顧雪凡 ，高 龍 ，冉照輝 ，周 琳 ，王寶龍 ，張 潔 ，陳 剛

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊 830026；3.陜西省油氣田環境污染控制技術與儲層保護重點實驗室，陜西西安 710065；4.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，中國石油安全環保技術研究院，北京 102206）

隨著國家對環境保護要求的提高，在油氣田勘探中所要面臨的壓力也越來越大。在勘探開發過程中產生的廢棄鉆井液，由于其含有多種化學處理劑，對周圍的生態環境造成了污染，也給后續作業帶來諸多不便，容易造成環境糾紛和經濟損失等不良后果[1，2]。在三磺體系鉆井液中，由于其生物降解性差等原因，其已經不能滿足現今對鉆井液環保的要求。控制鉆井液對環境的污染必須從鉆井液處理劑、鉆井液的毒性、鉆井廢物對環境污染的危害、廢棄鉆井液及鉆屑的排放等方面進行控制[3]。為了改變此現狀，減少鉆井液產生的污染，破壞環境的問題，需要選擇一些既能滿足環保要求的鉆井液處理劑，又能滿足正常鉆井工程的要求，形成一套新型環保鉆井液體系。

傳統的天然鉆井液處理劑（單寧、褐煤、燒堿、純堿、重晶石、土粉），由于受多種因素及其本身局限性的影響，天然原料的鉆井液處理劑的使用受到了限制[4]。天然鉆井液處理劑性能下降的原因是其不耐溫、不耐鹽等較多缺陷，無法適用于特殊復雜的地層[5]。然而，天然材料也有它的優點，并且可以將其改性，拓展它們的應用范圍[6，7]。天然材料和改性天然材料來源豐富，價格低廉，作為鉆井液處理劑可以起降濾失、增黏、降黏、穩定井壁和防塌等作用，是維護鉆井液良好性能的重要產品，如淀粉、纖維素、腐植酸、栲膠（單寧）、木質素等改性材料具有生物降解性[8-13]，既是環保型材料，也可以用作多功能新型鉆井液處理劑[14，15]。目前，天然材料鉆井液體系尚未成熟，本文通過對不同的常用環保型鉆井液處理劑的評價和對比，從而篩選出基于天然材料的環保型鉆井液體系。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

改性淀粉、CMC、胍膠、橡椀栲膠、落葉松栲膠、膨潤土（工業級，取自長慶油田）；無水碳酸鈉（分析純，天津市化學試劑三廠）；雜聚糖（KD-03）（工業級，揚州潤達油田化學劑有限公司）。GJSS-B12變頻高速攪拌器，ZNN-D6六速旋轉黏度計，SD-6多聯中壓失水量測定儀（青島海通達專用儀器廠），BGRL-5型高頻滾子加熱爐（青島同春石油儀器有限公司），電導率儀（DDS-ⅡA，上海電磁儀器廠）；黏滯系數測定儀（NZ-3A，青島海通達專用儀器廠）。

1.2 鉆井液的配制

4%淡水基漿配制：1 000 mL水＋2.0 g碳酸鈉＋40 g膨潤土，高速攪拌2 h，在室溫下老化24 h后備用。處理漿配制：基漿＋處理劑，老化8 h，高速攪拌20 min后測試性能。

1.3 鉆井液的性能評價

根據GB/T16783-1997水基鉆井液現場測試程序中規定的方法，評價鉆井液性能。主要內容包括：采用比重計測試密度，多聯中壓失水量測定儀測試濾失量，通過六速旋轉黏度計測試值計算表觀黏度、塑性黏度和動切力。鉆井液高溫老化條件為：滾子加熱爐中高溫下老化16 h。

2 結果與討論

2.1 常用聚糖類鉆井液處理劑作用效能

向淡水基漿中分別加入改性淀粉、胍膠、雜聚糖（KD-03）和CMC，測試處理漿在室溫下的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、濾失量（FL）等性能參數，測試結果（見表1～表4）。

由表1～表4可知，與4%淡水基漿相比，改性淀粉處理漿、CMC處理漿和胍膠處理漿都能使鉆井液的表觀黏度、動切力增大，濾失量減小；添加相同質量分數的改性淀粉處理漿與胍膠處理漿相比，胍膠處理漿和CMC處理漿比改性淀粉處理漿具有更強的增黏切和降濾失作用；KD-03膠液處理漿與淀粉處理漿、CMC處理漿和胍膠處理漿相比，其增黏、增切、降濾失效果略差，但其具有良好的潤滑效果。

2.2 聚糖類處理劑與多酚類處理劑的協同作用

從上述實驗結果中選取1.5%改性淀粉處理漿、0.8%胍膠處理漿和0.5%CMC處理漿分別添加不同質量分數的栲膠和腐殖酸進行配伍，測試處理漿在室溫的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、濾失量（FL）等性能參數，測試結果（見表5～表10）。

表1 室溫下改性淀粉添加劑鉆井液性能評價結果

表2 室溫下胍膠添加劑鉆井液性能評價結果

表3 室溫下CMC添加劑鉆井液性能評價結果

表4 室溫下雜聚糖（KD-03）添加劑鉆井液性能評價結果

由表5、表6可知，室溫下，與1.5%改性淀粉處理漿相比，1.5%改性淀粉與2.5%栲膠進行配伍能使鉆井液的表觀黏度降低38.14%且濾失增加2.70%；1.5%改性淀粉與1.5%腐殖酸進行配伍能使鉆井液的表觀黏度增加28.86%且降低濾失量58.33%。由表7、表8可知，室溫下，與0.8%胍膠處理漿相比，0.8%胍膠與1.5%栲膠進行配伍能使鉆井液表觀黏度增加27.81%且濾失降低16.88%；0.8%胍膠與1.0%腐殖酸進行配伍能使鉆井液的表觀黏度增加28.66%且降低濾失量32.46%。由表9、表10可知，室溫下，與0.5%CMC處理漿相比，0.5%CMC與2.0%栲膠進行配伍能使鉆井液的表觀黏度降低12.37%且濾失增加43.07%；0.5%CMC與1.0%腐殖酸進行配伍能使鉆井液的表觀黏度降低8.24%且濾失增加5.88%。

表5 室溫下改性淀粉和栲膠配伍處理漿的性能評價結果

表6 室溫下改性淀粉和腐殖酸配伍處理漿的性能評價結果

表7 室溫下胍膠和栲膠配伍處理漿的性能評價結果

表9 室溫下CMC和栲膠配伍處理漿的性能評價結果

表10 室溫下CMC和腐殖酸配伍處理漿的性能評價結果

從上述實驗結果中可知淀粉具有顯著的降濾失作用，栲膠具有一定的降黏作用，固選取1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿分別添加不同質量分數的KD-03進行配伍，測試處理漿在室溫的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、濾失量（FL）等性能參數，測試結果（見表11）。由表11可知，與1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿相比，1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿與0.3%KD-03配合使用能使鉆井液的表觀黏度降低61.20%，潤滑性有顯著改善，并且濾失量不變，這為形成較寬流變性范圍可控的鉆井液體系研究奠定了基礎。

2.3 抗溫性評價

選取1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿配伍后，分別在90℃、120℃、150℃、180℃下測試處理漿的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、濾失量（FL）等性能參數，測試結果（見表12）。由表12可知，在90℃、120℃、150℃下，與室溫下1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿相比，各項性能穩定；在180℃下，1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿表觀黏度降低85.7%，濾失量顯著增加，故認為1.0%改性淀粉+1.5%栲膠處理漿在180℃下失去作用。

3 結論

（1）在4%淡水基漿中，室溫下，改性淀粉處理漿、胍膠處理漿和CMC處理漿都有好的增黏作用，1.5%改性淀粉處理漿能使鉆井液的濾失降低54.63%；0.8%胍膠處理漿能使鉆井液的濾失降低55.06%；0.5%CMC處理漿能使鉆井液的濾失降低57.23%。

（2）栲膠對改性淀粉漿的降黏作用要強于腐殖酸，2.5%栲膠配合使用能使1.5%改性淀粉鉆井液的表觀黏度降低38.14%；栲膠和腐殖酸則會提高胍膠處理鉆井液的黏度，其中與腐殖酸配合使用可降低濾失量32.46%，改性淀粉+栲膠處理漿與KD-03復配后，具有顯著的增潤滑性和降黏作用。

表11 室溫下1.0%改性淀粉和1.5%栲膠處理漿與KD-03處理漿的性能評價結果

表12 不同溫度下1.0%改性淀粉和1.5%栲膠配伍處理漿的性能評價結果

（3）室溫下，改性淀粉和栲膠配伍普遍具有好的增黏作用和一定降濾失作用，但降濾失性能弱于胍膠，該鉆井液體系抗溫可以達到150℃。

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