一種高性能環保型鉆井液的研究與應用

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

隨著新的環境保護法的實施，石油行業面臨的環保壓力越來越大，在油氣勘探開發過程中，鉆井液作為第一種入井流體，對油氣開發的效果至關重要，但同時產生的廢棄鉆井液對生態環境也造成了很大的污染[1-2]。目前勝利油田鉆井主要采用聚合物鉆井液，該體系性能上能滿足鉆井的要求，但是存在著處理劑難降解、重金屬離子污染、廢棄物處理難度大等問題，已經不能滿足當前環保形勢的要求。環保鉆井液技術可以實施源頭污染控制，最大限度地減少污染，減少鉆井廢棄物排放量和處理量，滿足環境保護的要求[3-4]。目前環保鉆井液技術研究取得了一定的進展，但是存在著環保性能和鉆井液性能難以兼顧、成本高、現場推廣難度大等問題[5]。因此需要開展高性能環保鉆井液技術的研究，開發出既能滿足鉆井需要，又能達到環保要求的鉆井液技術。本文基于天然高分子材料改性，研制了降濾失劑、潤滑劑等關鍵處理劑，建立了高性能環保鉆井液技術，在現場進行了應用。該技術性能穩定，可滿足鉆井施工的要求，并且環保性能優異，可滿足直接排放的要求，有效解決了鉆井液的污染問題。

1 高性能環保鉆井液體系研究

1.1 環保型降濾失劑

以玉米淀粉為原料，加入醚化劑，采用半干法制備了改性淀粉類降濾失劑HBSJ-1，通過引入苯基陽離子，提高了抗溫能力，抗溫達到150℃[6]。該產品在加量為3%時可將高溫高壓濾失量控制在10 mL以下，此外HBSJ-1還能改善泥餅質量，提高封堵效率，增強體系的防塌性能。

1.2 環保型潤滑劑

以植物油為基礎，通過酯化反應和酯交換反應制備得到環保型潤滑劑HBSR-1。通過加入非離子型表面活性劑Tween80和雙子型表面活性劑C12-2-12的混合物提高其抗溫性能，抗溫能力達到150℃，該潤滑劑性能優異，加量在1%的情況下，潤滑降低率達到88.6%，黏附系數降低率達到80%，能夠滿足鉆井施工的需要[7]。

1.3 流型調節劑

目前環保鉆井液一般使用纖維素或生物聚合物等作為流型調節劑，但纖維素和生物聚合物材料的高溫穩定性較差，當溫度超過130℃時極易發生分解、氧化、斷裂而失效。與纖維素和生物聚合物相比，纖維素納米纖維具有抗溫能力強，提切效果好，強度高等優點，是一種可再生、無毒的天然高分子材料，且制備方法簡單，來源廣，成本低。本文采用羧甲基纖維素納米纖維作為高性能環保型鉆井液的流型調節劑，其平均直徑為10～100 nm，長徑比為100～500。羧甲基纖維素納米纖維通過相互纏繞形成三維網狀的空間網絡結構，達到提高體系切力的目的，同時這種空間網絡結構具有剪切稀釋的特性，能夠實現鉆井液流變性能的有效調控，從而達到攜帶巖屑、清潔井眼的目的。

1.4 其它處理劑

優選陽離子烷基糖苷類處理劑(CAPG)作為抑制劑，該處理劑能有效降低水相的活度，抑制性能優異，且綠色環保[8]。優選聚合醇類處理劑作為防塌處理劑，利用聚合醇的“濁點效應”可充填到孔隙中起到封堵作用，并且能吸附到井壁和泥頁巖界面，起到改變潤濕性的作用。

在研制核心處理劑和優選其它處理劑的基礎上，通過正交實驗確定了處理劑的最優加量，建立了高性能環保型鉆井液體系，其配方為：2%膨潤土+3% HBSJ-1+1% HBSR-1+0.5%羧甲基纖維素納米纖維+2% CAPG+2%聚合醇。

2 高性能環保鉆井液性能評價

對高性能環保鉆井液體系的性能進行了系統地評價，包括基本性能、抑制性、環保性能等。

2.1 基本性能

高性能環保鉆井液體系的基本性能見表1。如表1所示，該體系粘度低，切力高，濾失量低，高溫老化前后性能變化不大，能抗150℃高溫。

表1 環保鉆井液體系基本性能

2.2 抑制性能

采用頁巖回收率測試評價體系的抑制性能，篩選粒徑2.0～3.2 mm巖屑50g，測定清水、常用聚合物鉆井液和高性能環保鉆井液的頁巖滾動回收率。高性能環保鉆井液體系的滾動回收率達到93.1%，和常用聚合物鉆井液(93.5%)基本相當，高于清水(19.6%)，說明該體系具有良好的抑制性。

2.3 環保性能評價

2.3.1 生物毒性評價

采用發光細菌法測定了環保鉆井液體系的生物毒性(中國石油天然氣集團公司標準Q/SY 111-2007)[9]，研制的高性能環保型鉆井液的EC50值為63600 mg/L，高于排放限值(30 000 mg/L)[10]。

2.3.2 降解性評價

目前，普遍以BOD5/CODcr比值作為鉆井液及處理劑能否生物降解的評價標準，其中BOD5的測定依據國家環境保護標準HJ 505-2009水質五日生化需氧量的測定稀釋與接種法，CODcr的測定依據HJ 828-2017水質化學需氧量的測定重鉻酸鉀法[9]。經過測定，環保鉆井液BOD5/CODcr比值為29%，根據分類標準為易降解。

2.3.3 重金屬離子含量評價

委托廣東省微生物檢測中心對配制的高性能環保鉆井液進行了重金屬含量檢測，結果見表2。由檢測結果可知，該體系重金屬離子含量遠小于標準排放極限[9]。

表2 環保鉆井液重金屬離子檢測結果

3 現場應用

高性能環保鉆井液技術在勝利油田濱79區塊進行了應用。該區塊位于濟陽坳陷東營凹陷尚店-平方王潛山披覆構造帶，完鉆井深1800 m左右，完井密度1.10 g/cm3左右，鉆遇地層為平原組、明化鎮組、館陶組、東營組和沙河街組。其中，東營組造漿嚴重，沙河街組易坍塌，提高鉆井液的抑制性和加強封堵是該區塊鉆井液技術的難點。

該井二開采用高性能環保鉆井液體系，上部地層加入0.2%～0.3% CAPG，鉆進至館陶組之后進行轉化。開啟離心機除去有害固相，調整膨潤土含量20～25 g/L，加入0.5%改性淀粉類降濾失劑HBSJ-1，加入1%的CAPG，加入0.5%潤滑劑HBSR-1，加入0.2%羧甲基纖維素納米纖維，循環均勻后繼續鉆進。進入沙河街組地層后，加入2%聚合醇，將HBSJ-1補充至3%，HBSR-1補充至1%，羧甲基纖維素納米纖維補充至0.5%，CAPG補充至2%，加入超細碳酸鈣調整鉆井液的密度，同時起到封堵微裂縫的作用。

該體系在濱79區塊同臺15口井進行了應用，鉆進、完井作業過程中起下鉆、短起下鉆順利，電測一次成功率100%，井徑規則(井徑擴大率<1.65%)，無縮徑、大肚子井眼現象，現場施工順利，無復雜情況發生。并且該體系穩定性好，在該平臺重復利用15次，簡單調整后即可重復利用，有效地降低了成本。

4 結論

(1)基于天然高分子材料改性，研制了降濾失劑、潤滑劑等關鍵處理劑，建立了能的高性能環保鉆井液技術，該體系抗溫能力強(150℃)、環保性能優異，常規性能和常用的聚合物鉆井液基本相當。

(2)現場應用表明，該體系性能穩定，可滿足鉆井施工的要求，處理劑種類少，現場維護簡單，抑制性強，封堵性能優異，能有效解決東營組的造漿問題和沙河街組易坍塌，可滿足鉆井施工的要求。并且該體系性能穩定，可多次重復利用，能有效降低成本，具有顯著的推廣應用價值。