環保型類無機鉆井液體系研究及應用

董宏偉，段志峰，王勇強

1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，2.中國石油長慶油田油氣工藝研究院，3.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院：西安 710016

在鉆井技術中，鉆井液的環保問題受到國家環保法律政策的規范和限制。因此，立足當前環保鉆井液技術的發展，探索新型鉆井液技術[1-5]，對于鉆井技術的發展具有舉足輕重的作用。

鉆井液被譽鉆井的“血液”，當完成鉆井工程后，不能回收利用部分的處理是解決鉆井液環保性的難點[6-9]，特別是鉆井液使用的腐殖酸類、樹脂類、瀝青類、單寧類、丙烯酸類聚合物等產品，使鉆井液COD值、BOD5值普遍偏高，且毒性大，排放物的指標難達到SY/T 6787—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術要求》、SY/T 6788—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術評價方法》和GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，目前的處理方法極易造成二次污染，也是國家嚴令預防的。因而低COD值、BOD5值、毒性小，有利于后期處理的鉆井液技術是目前解決環保鉆井液的關鍵。筆者以合成的無機提黏切劑G339為主劑，優選其他環保添加劑，制備環保型類無機鉆井液體系，使體系的COD值、BOD5值大大降低，解決了COD值、BOD5值普遍偏高的問題。

1 實驗

1.1 原料與儀器

AlCl3、MgCl2、十二烷基硫酸鈉(SBS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基單磷酸鉀(PK)、KCl、NH4Cl，均為分析純，天津市致遠化學試劑有限公司；聚丙烯酸鉀(KPAM)、PAC-L聚陰離子纖維素(低黏)、PAC-H聚陰離子纖維素(高黏)、ASR-1酸溶性淀粉，均為工業級，河北光大石化有限公司；正電膠(GWMMH)、SO-1、HFT-301，均為工業級，山東得順源石油科技有限公司；Na2SiO3，分析純，濟南博智化工有限公司；K2SO4，分析純，連云港科信化工有限公司；ASP-1250，超細碳酸鈣(1250目)，工業級，河北佰斯特科技有限公司。

900型黏度測定儀、ZNS中壓濾失儀，青島海通達儀器公司；Fann 212型極壓潤滑儀、Fann 440毛細管吸收時間測定儀，美國Fanns公司；OFI 150-80-1-230v型高溫動態線性頁巖膨脹儀、OFI 173-00-1型高溫滾子加熱爐，美國OFI公司；CFS-700型多功能巖心驅替儀，法國萬奇儀器公司；CODMAX PLUS SC鉻法COD分析儀、BODTrakTM Ⅱ生化需氧量(BOD)分析儀，美國哈希公司；DXY-3型生物毒性測試儀，中科院南京土壤研究所；Z2000型原子吸收分光光度計，日立公司。

1.2 無機提黏劑G339的合成

三口燒瓶中加入一定量水，根據n(AlCl3)∶n(MgCl2)=1∶3，稱取一定量的無機鹽AlCl3、無機鹽MgCl2和質量分數2.0%改性劑(十二烷基硫酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基單磷酸鉀)，分別加入三口燒瓶中，充分攪拌；完全溶解后，加入共沉淀劑5∶1(體積比)稀釋的氨水，調節體系pH；pH達9.5時，停止加入氨水，反應期間，每加入一次氨水，測定一次乳液pH，并記錄；陳化0 .5～1.0 h；抽真空過濾，且洗滌反應生成的鹽，形成濾餅；將濾餅密閉于玻璃瓶中，70～80 ℃恒溫(膠溶步驟)24 h，制得溶膠產品G339。同時取少量樣品，備用。

2 環保型關鍵處理劑的優選

2.1 無機類提黏劑G339的提黏切效果

使用900型黏度測定儀，對已合成的4種G339產品進行流變性測定，結果見表1。基漿配方：3.0%膨潤土漿+0.1%NaOH，試驗漿：基漿+1.5%的樣品。

由表1可知，改性后的無機提黏劑G339提黏切效果均比正電膠較好，PK插層改性共沉淀樣品的提黏切效果最好，表觀黏度提高率達300.00%，動切力提高率達350.00%。

2.2 無機類提黏劑G339產品表征

不同改性無機類提黏劑G339掃描電鏡照片見圖1。不同乳化改性劑乳化造粒效果不同，SDS改性共沉淀產物粒徑小但不均勻，PK改性共沉淀產物粒徑尺寸合理且大小均勻，PK改性共沉淀產物同時具有插層效果可提高提黏切率。因此，選擇PK為無機提黏劑插層改性劑。

圖1 不同改性無機類提黏劑G339掃描電鏡照片

2.3 抑制劑的優選

抑制劑為Na2SiO3、K2SO4、KCl、NH4Cl、KPAM、正電膠(GWMMH)，進行頁巖滾動回收率試驗，考察各種抑制劑的抑制效果，結果見表2。

表2 不同抑制劑頁巖回收率試驗結果

注:一次回收率條件90 ℃/16 h，二次回收率條件90 ℃/4 h，巖屑為鄂爾多斯盆地直羅組巖屑；下同。

從表2看出，從一次回收率數據得出抑制劑抑制性順序：KPAM>K2SO4>正電膠(GWMMH)>Na2SiO3>KCl>NH4Cl；但從二次回收率數據得出，K2SO4抑制性最好。考慮環保要求，選用K2SO4作為體系的抑制劑，并進行了K2SO4加量實驗。

采用K2SO4作為體系的抑制劑，在清水中考察K2SO4加量對頁巖回收率的影響，結果見表3。

表3 抑制劑K2SO4回收率試驗結果

從表3看出，K2SO4加量為3.0%，一次回收率已達92.88%，二次回收率達90.04%，可滿足現場需求，硫酸鉀加量繼續增大，回收率增加并不明顯。因此，硫酸鉀加量以3.0%為宜。

2.4 降濾失劑的優選

以3.0%膨潤土+1.5%G339為基漿，各降濾失劑加量均為1.0%，考察各實驗漿在90 ℃/16 h熱滾前后流變性及濾失性，以熱滾后API濾失量及濾餅質量為主要評價指標，結果表4。

表4 降濾失劑熱滾前后鉆井液性能對比

注：AV為表觀黏度，PV為塑性黏度，YP為動切力，FLAPI為API濾失量；下同。

從表4看出，在降濾失劑相同加量下，降濾失劑HFT-301的降濾失效果最好，SO-1的降濾失效果其次，考慮環保要求，選用SO-1作為體系降濾失劑。

3 環保型類無機鉆井液體系性能評價

3.1 環保型類無機鉆井液體系加重試驗結果

綜上所述，確定環保型類無機鉆井液體系配方：3.0%膨潤土+1.5%G339+5.0%K2SO4+1.0%G314+1.0%SO-1+3.0%固體潤滑劑，固體潤滑劑選用改性石墨，加量3.0%[10]，熱滾條件：90 ℃/16 h，考察其體系加重試驗結果，結果見表5。體系密度加重至1.60 g/cm3，體系流變性能良好，靜止72 h后無沉淀。

表5 環保型類無機鉆井液體系加重試驗結果

3.2 耐溫性

固定環保型類無機鉆井液體系配方，ρ=1.1 g/cm3，考察環保型類無機鉆井液體系的耐溫性,結果見表6。

表6 環保型類無機鉆井液體系的耐溫性

由表6看出，熱滾溫度達150 ℃時，環保型類無機鉆井液體系的流變性能及FLAPI濾失量變化不大，但熱滾溫度達160 ℃時，鉆井液體系的表觀黏度大幅降低，濾失量增大，說明環保型類無機鉆井液體系耐溫達150 ℃。

3.3 抑制性

為考察環保型類無機鉆井液抑制巖屑分散能力，進行巖屑滾動回收試驗，結果見表7。

表7 環保型類無機鉆井液體系巖屑滾動回收試驗結果

由表7看出，使用環保型類無機鉆井液體系時，一次回收率達92.80%，二次回收率達90.24%，表明環保型類無機鉆井液體系具有較強的抑制巖屑水化分散能力。

同時，使用OFI 150-80-1-230v型高溫動態線性頁巖膨脹儀進行了巖心膨脹率測試評價實驗，結果見表8。

由表8看出，清水的巖心膨脹率16 h后達88.89%，24 h后達111.11%，而環保型類無機鉆井液體系的巖心膨脹率16 h后達22.91%，24 h后達26.95%，再次表明體系具有較強的抑制性。

3.4 儲層保護性能

選用2塊巖心，環保型類無機鉆井液體系配方室內配制，使用CFS-700型多功能驅替儀進行傷害評價，滲透率隨時間變化關系見圖2。

圖2 巖心滲透率隨時間變化曲線

從圖2看出，1#巖心傷害率為6.73%，2#巖心傷害率為5.86%，平均傷害率為6.295%，屬于低傷害范圍。

3.5 環保型類無機鉆井液體系環保指標評價

將環保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑分別進行COD和BOD5檢測，結果見表9。

環保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結果見表10，表11為環保型類無機鉆井液體系中重金屬離子含量。

表9 環保型類無機鉆井液體系中單個處理劑COD和BOD5檢測結果

表10 環保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結果

表11 環保型類無機鉆井液體系重金屬離子含量

由表9和表10看出，環保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑的COD值和BOD值都偏低，BOD5/CODCr>0.05，易降解，環保型類無機鉆井液體系生物毒性EC50為36 000 mg/L，為無毒。從表11看出，體系中重金屬離子含量符合GB 8978—1996《污水綜合排放標準》。

3.6 環保型類無機鉆井液體系與其他鉆井液體系降解后性能比較

考察無機鉆井液體系降解后性能，并與KCl聚合物鉆井液體系和無土相低傷害鉆井液體系比較，結果見表12。

表12 環保型類無機鉆井液體系與其他鉆井液體系降解后性能比較

由表12看出，環保型類無機鉆井液體系的COD值、BOD5值及生物毒性EC50值隨著時間增加變化不大，說明環保型類無機鉆井液體系基本不降解，可回收重復使用；而KCl聚合物鉆井液體系和無土相低傷害鉆井液體系隨著時間增加，其COD值、BOD5值明顯增大，同時濾失量也增大，說明其已腐敗降解。

4 現場試驗應用

4.1 現場概況

針對常用鉆井液體系與環境保護的矛盾愈加突出等問題，研發并優選出滿足長慶地區環保要求的鉆井液處理劑，并對處理劑進行配伍性研究，形成既滿足長慶地區優快鉆井工程需要又符合環保要求的環保型類無機鉆井液體系。現場試驗應用了2口井。整個施工試驗井段鉆井液性能穩定，流變性、防塌抑制性、潤滑性能佳，試驗a井鉆井周期僅14 d，試驗b井鉆井周期僅8 d，井眼清潔，通井電測順利。同時該鉆井液體系環保性能優良，滿足當地環保要求，完井后鉆井液性能穩定可直接運往下一口井使用。其中試驗a井現場鉆井液體系克服了大段水泥塞鉆進污染、周圍注水井壓力達15 MPa和密度窗口窄等困難，日進尺達157 m創我院油井側鉆井項目最快單日進尺記錄。

4.2 現場環保型類無機鉆井液環保指標評價

現場環保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結果表13，現場環保型類無機鉆井液體系重金屬離子含量見表14。

表13 現場環保型類無機鉆井液COD和BOD5檢測結果

表14 現場環保型類無機鉆井液重金屬離子含量

從表13和表14看出，試驗a井和b井環保型類無機鉆井液體系的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性為無毒，重金屬離子符合GB 8978—1996《污水綜合排放標準》。

4.3 環保型類無機鉆井液完成井段的井徑擴大率隨井深的變化

試驗a井和b井環保型類無機鉆井液完成井段的井徑擴大率隨井深的變化分別見圖3和圖4。

圖3 試驗a井井徑擴大率隨井深的變化曲線

圖4 試驗b井井徑擴大率隨井深的變化曲線

試驗a井平均井徑擴大率為6.26%，試驗b井平均井徑擴大率為9.92%，兩口井井徑規則，均無大肚子井眼形成。

4.4 環保型類無機鉆井液回收利用率

環保型類無機鉆井液體系環保性能優良，滿足當地環保要求，固井后罐面鉆井液除罐底固相外全部回收利用，完井后鉆井液性能穩定，直接運往下一口井使用。2口井的鉆井液回收利用率見表15。

表15 2口試驗井的鉆井液回收利用率

5 結論

1)研發的環保型類無機鉆井液體系性能穩定，耐溫達150 ℃，流變性良好、防塌抑制性16 h后巖心膨脹率達22.91%。

2)環保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性為無毒。

3)環保型類無機鉆井液體系現場試驗2口井，環保性能優良，滿足當地環保要求，固井后罐面鉆井液除罐底固相外全部回收利用，試驗井鉆井液回收利用率分別為74.4%，71.6%，完井后鉆井液性能穩定直接運往下一口井使用。