生物質合成基鉆井液性能評價*

張 弌，單海霞，李 彬，張曉剛，周亞賢，王中華

（中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001）

油基鉆井液是一種優良的鉆井液體系，在井壁穩定、潤滑防卡、抑制頁巖水化膨脹和地層造漿，以及快速鉆進等方面具有明顯的優勢［1-2］。隨著環保力度不斷加大，世界各國對鉆井液的環保要求日益嚴格。油基鉆井液作為最常用的鉆井液體系，使用的基液多為礦物油，而絕大部分礦物油難降解，有一定毒性，導致油基鉆井液的使用受到了越來越嚴格的限制。在這種情況下，合成基鉆井液應運而生，它不僅具有油基鉆井液的優點，而且具有可生物降解、無毒和環保等優勢。在全世界范圍內，使用合成基鉆井液的地區包括墨西哥灣、北海、遠東、歐洲大陸、南美等和澳大利亞、墨西哥及俄羅斯等國，其中墨西哥灣和北海地區占使用合成基體系總數的90%以上，可以看出使用綠色、環保的合成基鉆井液逐漸成為一種趨勢［3-10］。目前使用的合成基鉆井液主要有α烯烴合成基鉆井液和氣制油合成基鉆井液，這些體系的基液多為國外引進。其中α烯烴結構比較穩定，生物降解性較差，環境可接受程度不高；氣制油合成基鉆井液環保性能好，配制的鉆井液性能優良，但是基液進口價格高，限制了規模化應用［11-12］。上述合成基鉆井液體系多應用于國內外深水鉆井，如果在環境敏感地區的陸地鉆井進行應用還需進一步研究［13］。

筆者以中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院開發的一種生物質合成基液LAE-12為基礎油，制得一種綠色環保的生物質合成基鉆井液（BSDF）。該基液是一種性能優異、可生物降解的“綠色化學品”，以天然來源的月桂醇為原料合成，具有閃點高、不易燃、傾點低、黏度小、流動性好、不含芳烴、潤滑性強等特點［14］。研究了各添加劑加量對鉆井液性能的影響，評價了鉆井液抗溫性、抗污染能力、抑制性、環保性等。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

月桂醇，工業級，南京旭美化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，西隴科學股份有限公司；重晶石（密度4.3 g/cm3），工業級，鄭州市新鄭梅久實業有限公司；石灰，工業級，濮陽市眾成金屬建材有限公司；氯化鈣，分析純，廣東翁江化學試劑有限公司；季銨鹽改性有機土CNL，工業級，四川新創能石油工程技術有限公司；環氧氯代烷、催化劑（絡合物）、基液LAE-12、聚脂胺類乳化劑SMEMUL、腐殖酸改性降濾失劑FA-T，工業級，中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院；酰胺類潤濕劑RF-1，工業級，荊州市學成實業有限公司；鉆屑，長寧工區龍馬溪組；柴油基鉆井液，油水比80∶20、密度2.1 g/cm3、柴油+20%CaCl2水溶液+2%有機土CNL+3%乳化劑SMEMUL+3%潤濕劑RF-1+4%降濾失劑FA-T+3%CaO+重晶石。

QN型精密數顯密度計、GJS-B12K型變頻高速攪拌機、ZNS-4 型鉆井液濾失量測定儀、ZNN-D6B型數控六速黏度計、GW300-PLC 型變頻高溫滾子加熱爐、GGS42-1A高溫高壓濾失量測定儀，青島得順電子機械有限公司；OFI 112-00-1 數顯式極壓潤滑儀，環球（香港）科技有限公司。

1.2 實驗方法

（1）生物質基液LAE-12的制備

向裝有回流冷凝管、溫度計和攪拌裝置的三口燒瓶中加入一定質量比的月桂醇、環氧氯代烷、40%氫氧化鈉溶液和催化劑，攪拌升溫至70數80℃，反應18數20 h，得到月桂醚混合液。將混合液抽濾除鹽，濾液用分液漏斗分離，取上層液體在0.9 MPa、120℃條件下減壓蒸餾1 h，得到生物質基液LAE-12［14］。

（2）鉆井液配制方法

在高攪杯中加入300 mL 基液，在轉速10000 r/min下邊攪拌邊加入有機土CNL，攪拌5 min后取下高攪杯，加入乳化劑SMEMUL、潤濕劑RF-1和降濾失劑FA-T，攪拌10 min 后加入氯化鈣水溶液，繼續攪拌5 min后，加入石灰（CaO），再攪拌5 min后加入重晶石攪拌20 min。

（3）鉆井液流變和抑制性能評價方法

按國家標準GB/T 16782—1997《油基鉆井液現場測試程序》，在60℃下評價生物質合成基鉆井液的流變性能。按石油天然氣行業標準SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》，測定鉆井液的頁巖回收率和頁巖膨脹量。

（4）鉆井液吸附損失率的測定

①鉆屑樣品制備：依據石油天然氣行業標準SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》制備鉆屑。②鉆井液吸附量的測定：按配方配制鉆井液，稱取一定量鉆屑加入鉆井液中，配制成含鉆屑5%數20%的鉆井液，鉆屑質量記為m0，緩慢攪勻，將含鉆屑的鉆井液于150℃老化16 h，然后將老化后的鉆井液在4000 r/min 的條件下離心5 min。離心結束，此時分為上下兩層，下層鉆屑會黏附一定量的鉆井液，稱量鉆屑和黏附鉆井液的總質量，記為m1。按 w=（m1-m0）/m0×100%計算鉆井液的吸附損失率（w）。

（5）鉆井液的環保性能

根據國家標準GB/T 21603—2008《化學品急性經口毒性試驗方法急性毒性分類法》、GB/T 21605—2008《化學品急性吸入毒性試驗方法》和石油天然氣行業標準SY/T 6787—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術要求》，評價生物質合成基鉆井液的環保性能。評價指標為半數致死量（LD50、表示有毒物質的毒性）、半最大效應濃度（EC50、達到50%最大生物效應對應的毒素的濃度）和可生化性（BOD5/CODCr、表示生物降解的難易程度）。

2 結果與討論

2.1 鉆井液配方優化

生物質合成基鉆井液主要由基液、有機土、乳化劑、潤濕劑、降濾失劑等組成。室內研究了基液LAE-12 的極性，用芘（Py）熒光探針法測得LAE-12的極性為0.95、0#柴油的極性為0.79，LAE-12 極性比柴油高0.16個單位，以此為指導對上述組分進行了優選和加量優化（處理劑加量以基液+CaCl2水溶液質量為基準）。

2.1.1 乳化劑加量

根據乳狀液的穩定性機理和生物質合成基鉆井液乳化劑的選擇原則，以生物質合成基液的極性為指導，優選復配出聚脂胺類乳化劑SMEMUL。該乳化劑碳鏈數為16數18，與基液極性匹配性好。在密度為 2.1 g/cm3、油水比為 80∶20、150℃老化16 h的條件下，乳化劑加量對鉆井液性能的影響見表1。鉆井液配方為：基液+20%CaCl2水溶液+3%有機土CNL+乳化劑SMEMUL+3%潤濕劑RF-1+4%降濾失劑FA-T+3%CaO。由表1可以看出，乳化劑加量在3%數5%時，體系流變性能穩定，高溫高壓濾失量小于5 mL，破乳電壓717數762 V。低于該加量，破乳電壓較低，且濾失量較高，不利于體系的穩定；而高于該加量，雖然體系較為穩定，但乳化劑加量過高一方面會增大體系黏度，另一方面增加成本。乳化劑SMEMUL適宜的加量為3%數5%。

表1 乳化劑加量對鉆井液性能的影響*

2.1.2 有機土加量

在油水比為 80∶20、密度2.1 g/cm3、150℃老化16 h的條件下，有機土CNL加量對鉆井液性能的影響見表2。鉆井液配方為：基液+20%CaCl2水溶液+有機土CNL+3%乳化劑SMEMUL+3%潤濕劑RF-1+4%降濾失劑FA-T+3% CaO。由表2可以看出，隨著CNL 加量的增大，鉆井液黏切（YP）逐漸上升。當CNL加量為2%時，由于有機土加量較少，懸浮能力較弱，導致鉆井液老化后底部有少量沉降。當加量為6%時，體系黏切較高，不利于現場施工。有機土CNL適宜的加量為3%數5%。

表2 有機土加量對鉆井液性能的影響

2.1.3 降濾失劑加量

在油水比為80∶20、密度2.1 g/cm3、150℃老化16 h的條件下，降濾失劑FA-T加量對鉆井液性能的影響見表3。鉆井液配方為：基液+20%CaCl2水溶液+3%有機土CNL+3%乳化劑SMEMUL+3%潤濕劑RF-1+降濾失劑FA-T+3%CaO。由表3可知，隨著FA-T 加量增大，體系流變性能穩定，未發生較大變化，而高溫高壓濾失量由10.2 mL 降至4.0 mL。當FA-T加量在3%數5%時，濾失量為5.0數4.2 mL，加量繼續增大，濾失量變化不大。降濾失劑FA-T適宜的加量為3%數5%。

表3 降濾失劑加量對鉆井液性能的影響

2.1.4 潤濕劑加量

潤濕劑的加量至關重要，如果加量不足不能充分潤濕重晶石和巖屑，導致重晶石、巖屑下沉。室內優選的酰胺類潤濕劑RF-1碳鏈數為18，親水基團比例大，與乳化劑、基液配伍性較好。在油水比為80∶20、密度2.1 g/cm3、150℃老化16 h 的條件下，潤濕劑RF-1加量對鉆井液性能的影響見圖1。鉆井液配方為：基液+20%CaCl2水溶液+3%有機土CNL+3%乳化劑SMEMUL+潤濕劑RF-1+4%降濾失劑FA-T+3%CaO。由圖1可知，隨著潤濕劑RJ-2 加量的增大，破乳電壓逐漸升高，密度差逐漸減少。當RJ-2加量為2%數4%時，24 h靜置密度差為0.06數0.03 g/cm3，同時破乳電壓＞700 V，說明該潤濕劑不僅能提高鉆井液的沉降穩定性，又能輔助提高乳化穩定性。但進一步提高加量會導致體系黏切升高，因此潤濕劑RJ-2適宜的加量為2%數4%。

圖1 潤滑劑加量對鉆井液性能的影響

綜上，生物質合成基鉆井液的最優配方為：80%數100%基液LAE-12+20%數0 CaCl2水溶液+3%數5%有機土CNL+3%數5%乳化劑SMEMUL+2%數4%潤濕劑RF-1+3%數5%降濾失劑FA-T+3%CaO+重晶石。

2.2 不同密度鉆井液的性能

在油水比為80∶20、150℃老化16 h 的條件下，密度為1.2數2.5 g/cm3鉆井液體系的基本性能見表4。由表4可見，密度為1.2數2.5 g/cm3鉆井液的表觀黏度為41.5數 70 mPa·s，動切力9.5數 12 Pa，高溫高壓濾失量均小于5 mL，破乳電壓＞700 V，潤滑系數＜0.1，說明該鉆井液體系具有良好的流變性能、濾失量控制能力、乳化穩定性和潤滑性。

表4 不同密度生物質合成基鉆井液性能評價

2.3 抗溫能力

配制密度為 2.1 g/cm3、油水比 80∶20 的生物質合成基鉆井液（下同），在120數180℃下老化72 h。由表5可見，生物質合成基鉆井液抗溫可達150℃，隨著溫度的升高體系黏度、動切力變化不大，鉆井液老化72 h 后上部與下部的密度差（⊿ρ）均在0.05 g/cm3以內，高溫高壓濾失量可控制在5 mL 以內。在160℃時，體系黏度、動切力急劇升高，高溫高壓濾失量為8.8 mL，說明此時體系內處理劑發生了降解或解吸附。

表5 溫度對生物質合成基鉆井液性能的影響

2.4 抗污染能力

鉆井過程中不可避免地會遇到水侵、鉆屑、鹽膏污染的情況。水和鉆屑對生物質合成基鉆井液性能的影響見表6。鉆井液體系抗水污染15%，抗鉆屑污染20%。隨著水和鉆屑加量的增大，體系黏度和動切力增加。當水和鉆屑加量分別為15%和20%時，鉆井液的穩定性變化較小，說明生物質合成基鉆井液具有較強的抗水和鉆屑污染能力。無機鹽對生物質合成基鉆井液的影響主要體現在乳化穩定性方面，對體系流變性能的影響程度很小。由圖2可知，體系抗CaSO4和NaCl 污染分別可達15%和20%，具有較強的抗鹽污染能力。隨著鹽加量增大，體系破乳電壓逐漸降低，主要是由于部分鹽在體系中電離，增加了電解質濃度，導致了破乳電壓的降低。

表6 生物質合成基鉆井液的抗污染性能評價*

圖2 鹽加量對生物質合成基鉆井液破乳電壓的影響

2.5 抑制性

清水、柴油基鉆井液和生物質合成基鉆井液的頁巖回收率分別為25.2%、99.4%和99.7%，兩種鉆井液24 h 頁巖膨脹量分別為0.02 mm 和0.04 mm，生物質合成基鉆井液與柴油基鉆井液的抑制性相當，說明生物質合成基鉆井液能有效抑制泥頁巖的膨脹，有利于保持井壁穩定，抑制性能優良。

2.6 環保性

生物質合成基鉆井液的LD50、EC50和BOD5/CODCr指標見表7。根據國家標準GB/T 21605—2008和石油天然氣行業標準SY/T 6787—2010中對毒性的分級判定，生物質合成基鉆井液無毒、綠色環保，易降解。

表7 生物質合成基鉆井液的環保性*

2.7 吸附損失和鉆屑處理

生物質合成基鉆井液和柴油基鉆井液的吸附損失率隨鉆屑加量的變化見圖3。生物質合成基鉆井液和油基鉆井液的吸附損失率分別為50.2%數52.9%和82.3%數89.2%，前者僅約為后者的60%，說明生物質合成基鉆井液能有效減少鉆井液吸附損失，大幅減少綜合成本。生物質合成基鉆井液廢棄物經過固化處理后滿足國家標準GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的一級標準（表8），即生物質合成基鉆井液產生的鉆屑可按一般工業固廢處理，不屬于危廢，處置簡單，可大幅減少鉆井廢棄物的處理成本。

圖3 鉆井液的吸附損失率隨鉆屑加量的變化

表8 生物質合成基鉆井液廢棄物相關指標

3 結論與建議

以生物質基液LAE-12 的極性為指導，通過對處理劑加量的優化，形成了密度為1.2數2.5 g/cm3、抗溫150℃的生物質合成基鉆井液，體系抗水污染15%、抗鉆屑污染20%、抗CaSO4污染15%、抗NaCl污染20%。生物質合成基鉆井液具有良好的流變性能、濾失量控制能力、乳液穩定性潤滑性及抑制性，且無毒、綠色環保、易降解，鉆井液的吸附損失率為油基鉆井液的60%，鉆井液產生的廢棄物可按一般工業固廢處理，能有效降低綜合成本。

對于生物質合成基鉆井液體系的研究有以下幾點建議：（1）針對該體系研發系列生物質基液和生物質處理劑，進一步優化體系性能，如抗高溫能力、沉降穩定性等；（2）加強生物質合成基鉆井液重復利用技術的研究；（3）針對產生的鉆屑等廢棄物，形成一套鉆屑處理及土壤修復技術。