一種新型環保鉆井液降濾失劑研制及特性評價

桑峰軍

（中石化中原石油工程有限公司工程服務管理中心，河南 濮陽 457001）

環保問題已成為全球各行各業健康、快速、可持續發展的必要前提，特別是能源礦產行業。油氣資源目前仍是世界能源需求的主要方向，油氣資源勘探開發過程中的環境污染問題比較突出，已經被人們所關注[1-3]。其中，油氣鉆井過程中，鉆井液的大量使用極易造成井場周圍環境污染，進而影響周邊居民的生存環境。因此，鉆井液的環保性能要求逐漸提高，已成為鉆井液現場使用的必要前提之一。水基鉆井液由于具有相對較低的成本，便于維護，目前仍是油氣鉆探過程中的首選[4-5]。水基鉆井液主要在基漿中加入多種鉆井液處理劑，在一定條件下配制而成，因而處理劑的環保性能直接關乎鉆井液配方的環保性。鉆井液對環境的污染同時還體現在鉆井污水，廢棄鉆井液的處理上，如鉆井液處理劑的可降解性、生物毒性等直接影響著廢棄鉆井液的環保化處理難度及成本[6]。油氣田現場鉆井過程中，對廢棄鉆井液的處理大多都采用直接填埋、固化再利用及廢液化學處理等措施，最終達到環保排放要求。由此可見，從源頭上保證鉆井液的環保性能至關重要，也就是說確保鉆井液處理劑的環保性對于環境保護和降本增效意義重大。

鉆井液降濾失劑主要起調整鉆井液降濾失性能，進而維護井壁穩定性問題，因此鉆井液處理劑對于鉆井液綜合性能至關重要。目前，國內外學者針對環保、抗溫、抗鹽等一系列技術難題，開展了大量鉆井液降濾失劑的研究。徐運波等[7]針對深井、超深井鉆探過程中鉆井液降濾失劑耐溫能力不足、濾失造壁性能差等問題，以超分子聚合物的聚合理論為基礎，以AMPS、AM與N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)為單體，合成了一種三元共聚物降濾失劑。該處理劑的降濾失效果優良，可抗溫180℃，但環保性能需要提升。王新銳等[8-9]利用丙烯酰胺（AM）、順丁烯二酸（MA）為功能性單體，過硫酸銨作為引發劑，采用反相微乳液聚合法制備出聚合物MA-AM，該處理劑具有相對優良的降濾失性能，但制備工藝復雜，成本較高。陳思琪、楊超等[10-11]以羧甲基淀粉CMS為合成基體，在過硫酸鉀和亞硫酸鈉氧化還原體系的引發下，以接枝非離子單體AM和陰離子單體AMPS，合成了改性羧甲基淀粉共聚物。遲姚玲等[12]采用接枝共聚方法在淀粉鏈狀結構上引入丙烯酰胺和丙磺酸單體，優化其反應工藝，得到改性淀粉。評價結果表明，該改性淀粉處理劑的耐溫性能大幅提高，降濾失性能優良，但制備工藝較復雜，成本相對較高。Luigi F.等[13-14]提出了一種新型的抗高溫鉆井完井液添加劑檸檬酸鋯。室內和現場試驗表明，在鉆井液中加入檸檬酸鋯后，提高了褐煤及木質素磺酸鹽在分散鉆井液中的抗溫穩定性，控制了膨潤土在高溫下的膠凝稠化。

由此可見，為有效保證鉆井液配方的環保性能，鉆井液降濾失劑制備原材料盡可能優先選擇天然高分子類，如淀粉、纖維素及木質素等。本文通過優選天然高分子淀粉材料，通過改性得到了一種環保鉆井液降濾失劑FLA-2，為環保鉆井液配制提供良好的借鑒。

1 實驗材料及方法

1.1 主要實驗材料

實驗中用到的化學材料主要有：無水乙醇，碳酸鈉，氫氧化鈉，過硫酸鉀、丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸鈉，均購自國藥集團化學試劑有限公司。玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等，市售廠家購買。鉆井液用包被劑、防塌劑、固壁劑、封堵劑、成膜劑、稀釋劑等均從油田現場調取。實驗中用到的儀器主要有：ZN-6六速旋轉黏度計、API常溫中壓濾失儀、鉆井液用密度計、鉆井液高溫高壓濾失量測定儀，均購于青島海通達專用儀器有限公司。四口燒瓶、冷凝管、加液漏斗、玻璃瓶塞、燒杯，均購于相關玻璃儀器廠家。DXY-3智能化生物毒性檢測儀，購于山東藍虹光電科技有限公司。生化需氧量測定儀、化學需氧量測定儀，購自青島路博建業環保科技有限公司。

1.2 新型降濾失劑制備及特性評價方法

1）天然淀粉材料優選。目前市售天然淀粉材料種類較多，如玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉等等，且不同的廠家由于原材料及生產工藝不同而生產出的淀粉產品質量也不相同。因此，基于原材料環保性、成本、穩定性及降濾失效果等主要因素，室內通過大量預探性實驗優選了MLS-3玉米淀粉作為降濾失劑的主要原材料。

2） 降濾失劑FLA-2制備。首先，將四口燒瓶固定在加熱到70℃的恒溫水浴鍋中，加入200mL去離子水，15min后，待四口燒瓶中的去離子水達到70℃后，加入40g玉米淀粉，并開啟攪拌，攪拌速度設計為320r/min。攪拌1h后，將水浴溫度降低至45℃，加入10g丙烯酰胺、5g甲基丙烯磺酸鈉。攪拌30min后，加入0.60g過硫酸鉀。反應6h后，終止反應，將反應混合物取出，置于室內，冷卻至常溫。加入大量無水乙醇，將改性產物進行提純，將產生的沉淀置于烘箱內，50℃下烘干研磨，即得到改性降濾失劑FLA-2。

3） 實驗漿的配制。淡水膨潤土基漿：將500mL清水加入不銹鋼杯中，置于高速攪拌機上攪拌，轉速設為10000r/min；加入1.0g無水碳酸鈉，溶解后加入20g鈉基膨潤土，攪拌30min后，靜置24h備用。實驗漿：在淡水膨潤土基漿中加入不同質量的FLA-2和各類處理劑，配制不同的實驗漿。

4） 流變性能測試。采用六速旋轉黏度計，讀取實驗漿的600、300、200、100rpm、6和3讀數，根據鉆井液黏度計算公式求取實驗漿的各項流變參數。

5）生物降解性能及生物毒性測試。依據相關行業測試標準，采用生化需氧量測定儀和化學需氧量測定儀以及生物毒性檢測儀，測定處理劑及實驗漿的生物降解性能及生物毒性。

2 實驗結果及分析

2.1 FLA-2的常規理化性能評價

鉆井液降濾失劑的主要作用是調整鉆井液的濾失性能，但其它常規性能也需要鉆井液使用的基本需求，如對基漿密度、流變性等的影響。將1.0%（質量分數，下同）的FLA-2加入上述淡水膨潤土基漿中，測試常溫條件下實驗漿的密度、流變性能、濾失性能等，實驗結果見表1。從表1中看出，加入1.0%的FLA-2后，實驗基漿的密度變化較小，表觀黏度、塑性黏度及切力均有一定上升，API濾失量顯著降低，降低幅度達73.44%。由此可見，新研制的降濾失劑FLA-2對鉆井液基漿的影響較小，配伍性良好，且降濾失效果顯著。

2.2 FLA-2的加量優選

現場鉆進過程中，由于鉆井液性能需要不斷循環、維護，需要不斷加入鉆井液處理劑，因此造成成本較高。因而較優的鉆井液處理劑加量對于鉆井液配方而言至關重要。分別向淡水膨潤土基漿中加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的FLA-2，分別測試實驗漿的流變性及濾失性能，結果見圖1。從圖1看出，隨著降濾失劑FLA-2加量的逐漸增大，實驗漿的表觀黏度AV、塑性黏度PV逐步升高，且當FLA-2加量增加至1.5wt%后，黏度值增加幅度較大，說明FLA-2具有良好的增黏提切效果；同時，隨著降濾失劑加量的增加，實驗漿的API濾失量逐漸降低，當FLA-2加量增至2.0%后，實驗漿的API濾失量變化較小。因此，綜合考慮降濾失劑的性能及成本，選取FLA-2的較優加量為1.5%～2.0%。

表1 FLA-2的常規理化性能實驗評價結果

2.3 FLA-2的抗溫效果評價

圖1 FLA-2加量優選實驗評價結果

現場實踐表明，天然高分子類鉆井液材料的抗溫能力普遍較差，這也是限制環保類鉆井液處理劑推廣應用的關鍵問題之一。向淡水膨潤土基漿中加入2.0%的FLA-2，分別考察110℃/16h、120℃/16h、130℃/16h及150℃/16h熱滾前后實驗漿的流變性及濾失性能，實驗結果見表2。

表2表明，在一定加量條件下，隨著熱滾溫度的升高，實驗漿熱滾前后的黏度值逐漸降低，當溫度達到150℃時，實驗漿的表觀黏度降低率超過50%，且API濾失量、HTHP濾失量均較大。此外，通過對比觀察API濾失量和HTHP濾失量測試后的泥餅質量可返現，當熱滾溫度150℃后，實驗漿的API泥餅和HTHP泥餅均顯著增厚，主要是由于高溫條件下處理劑的耐溫穩定性被破壞，導致大量固相顆粒沉積在泥餅表面，泥餅虛厚且不致密，進而造成濾失量顯著增加。因此，可認為降濾失劑FLA-2可抗溫130℃。

表2 不同溫度熱滾前后實驗漿的流變性及濾失性能

2.4 FLA-2的環保性能評價

1） 生物降解性測試。按照GB11914-89《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鉀法》和HJ505-2009《水質五日生化需氧量的測定稀釋與接種法》，采用ρ（BOD5）和ρ（CODCr）比值法進行評價，對FLA-2的生物降解性能進行了實驗評價。實驗結果表明，降濾失劑FLA-2的ρ（BOD5）/ρ（CODCr）值為20.68%，根據相關評價標準指標，可認為降濾失劑FLA-2屬于比較容易降解。

2） 生物毒性測試。參考GB/T18420.2-2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性第2部分：檢驗方法》及GB/T18420.1-2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性第1部分：分級》，采用發光細菌法，測試了FLA-2的生物毒性EC50。實驗結果表明，FLA-2溶液的EC50值為4.2×104mg/L，遠高于國家標準規定的2×104mg/L，滿足環保需求。

2.5 與市售常用環保降濾失劑性能對比

采用淡水膨潤土基漿，分別選取市售常用效果較好的環保型降濾失劑（包括馬鈴薯淀粉類FJJ-1、玉米淀粉類FJJ-2、纖維素類FJJ-3、合成聚合物類FJJ-4），對比考察1.5%加量條件下，FLA-2與現有降濾失劑的降濾失效果及環保性能，實驗結果見表3。從表3結果可看出，自制降濾失劑FLA-2的API濾失量降低率相對最高，同時生物可降解性[ρ（BOD5）/ρ（CODCr）]和生物毒性（EC50）測試結果均優于其它幾類降濾失劑。綜上所述，降濾失劑FLA-2的降濾失效果及環保性能較優，性價比較高。

3 結論及建議

1）通過天然高分子材料優選得到MLS-3玉米淀粉，并以其為基礎，通過一系列化學改性過程制備出綜合性能較優的環保型降濾失劑FLA-2。該降濾失劑與鉆井液的配伍性較好，增黏提切效果明顯，且在4%淡水膨潤土基漿中的API濾失量降低率達到73.44%，降濾失效果優良。

表3 不同環保型降濾失劑的降濾失效果及環保性能對比

2） 降濾失劑FLA-2的較優加量為1.5%～2.0%，可抗溫130℃，屬于較易生物降解類型，無生物毒性，滿足環保需求，且降濾失效果及環保性能均優于市售常用效果較好的降濾失劑產品。建議后續展開降濾失劑FLA系列產品的抗溫性能優化及作用機理分析相關研究工作。