油基鉆井液組成應用及綠色發展趨勢

＊王年禧 鄧超 陳瀟 何藝 梁仁剛 劉研萍*

（1.北京化工大學環境科學與工程系 北京 100029 2.四川華潔嘉業環?？萍加邢挢熑喂?四川 644000 3.生態環境部固體廢物與危險化學品管理中心 北京 100029 4.杰瑞環?？萍加邢薰?山東 264600）

鉆井液的性質關乎開采成本、事故風險、環境污染等。目前鉆井液體系繁多，按照其主要成分，鉆井液可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣態鉆井液三大類，在現場中用得最多的是水基泥漿和油基泥漿[1]。油基泥漿的分散介質多采用柴油、白油等，適用于深井、頁巖氣井、超長水平段水平井等復雜條件現場[2]。從相似相溶的角度分析，油基鉆井液抗溫性能、抗污染能力更強，針對地層水敏性較強、復雜井身情況比水基鉆井液更具優勢[3-4]。除強抑制性和潤滑性好外，油基鉆井液更大的優勢是重復使用性強，可大大降低鉆井過程藥劑的成本[5-6]。

由于當下油基鉆井液種類形式繁多，本文從主要組分組成的角度，按照基礎油（體系占比最高）的不同對其進行分類討論。通過基礎油的特點、鉆井液的性能與實際應用，分析油基鉆井液的發展趨勢，為新型環保性鉆井液的研發與應用提供一定參考。

1.油基鉆井液的組成

油基鉆井液一般由基油、水相、主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、親油材料、加重材料等組成。

（1）基油：基油的性質可直接影響鉆井液的性能、市場。以往應用中基油以柴油、粗礦物油為主，而現在多用白油、氣制油等環保型油類作基油，目前國內關于白油的研發與應用更多，國外則以氣制油的應用為主[7]。其中油包水體系中基油的體積分數通常為70%～90%。

（2）水相：以CaCl2水溶液為主。作用是提高鉆井液的流變性與膠粘性，增大泥漿的活性。水滴形式存在的水由于鹽度而引起地層和鉆井液間滲透壓的差異，可抑制頁巖部分的水化，強化井壁[8]，一般全油基體系則不含水相。

（3）主乳化劑：是一種表面活性劑（油酸、脂肪酸的金屬鹽皂等），作用是使水和油乳化，控制失水并維持鉆井液體系的穩定性。常用破乳電壓評價鉆井液的乳化性。

（4）輔乳化劑：與主乳化劑配套使用，目的是將加重材料、巖屑表面濕潤，使其親油提高體系流動性，防止巖屑等吸水對主乳化劑的親油親水的平衡造成破壞[9]。

（5）親油材料：以有機土為主，作用是吸附、懸浮油中的加重材料，調節體系流變性以及降濾失性。

（6）加重材料：廣泛采用重晶石（硫酸鋇），作用是增加鉆井液中固相含量，改變鉆井液性能，提高體系密度。

（7）降濾失劑：以改性瀝青、改性腐殖酸等為主，可降低鉆井過程中鉆井液的流失，控制井壁穩定性[3]。

（8）生石灰：起皂化作用，增強穩定性，調節體系pH以滿足不同場合使用。

各類主要處理劑的一般添加量見表1。

表1 油基鉆井液主要處理劑一般添加量

2.油基鉆井液分類及發展

根據油基鉆井液中含水量的高低，可劃分全油基鉆井液（含水率＜10%）與油包水鉆井液（10%～60%）兩大類[10]。早期的油基鉆井液常用瀝青作核心的增稠劑，基油也以柴油、礦物油為主[1,8]，但隨著環保問題越來越受到重視，瀝青則被性能更優越、污染更低的有機土替代，柴油也被白油、植物油等低毒性的油類取代。在油基鉆井液實際應用中，油包水乳化鉆井液又比全油基鉆井液應用更多[11]。目前，油基鉆井液體系根據基油的不同大致分為：柴油基鉆井液、白油基鉆井液、氣制油基鉆井液、其他油基鉆井液等[3,12]。

(1)柴油基鉆井液

柴油主要來源于原油蒸餾、催化裂解等生產過程，多用作發動機的專用燃料。因柴油性能均一，易于獲取，在早期的油基鉆井液體系中，柴油常用于油基泥漿的制備，且柴油基鉆井液在較長一段時間里是石油勘探、頁巖氣開發的首選體系之一。

近年來由于環境保護與安全生產的要求，柴油的特殊性質使其在油基鉆井液的應用比重逐漸降低。盡管早期國內對柴油類泥漿的組分含量有要求（芳香烴含量小于10%[1]），實際應用的基礎油也以0號輕柴油為主，但現有生產工藝決定了0號柴油中長鏈烴、環烷烴、芳香烴等含量比同類油（白油、氣制油等）高出許多。除此之外，0號柴油閉杯閃點偏低（55℃，易自燃）的特性使其長期穩定應用受限。而生物柴油的出現及相關體系的研究開辟了另一發展方向。脂肪酸甲酯為生物柴油的主要成分，可從環境友好類的菜籽油、大豆油等植物油制取，無論是作為環保能源還是鉆井液（處理劑）都具有廣闊的市場[13-14]。

由于環保型的白油基鉆井液的普及，使得柴油基鉆井液的發展趨向高溫、高密度以及生物柴油的方向。近些年國內的一些柴油基體系的研究及組成、性能情況見表2。

表2 國內柴油基體系研究及鉆井液組成、性能

通過大量文獻查閱，結合表2可知，傳統的柴油基鉆井液在鉆探領域的發展已相當成熟，但出于環境與成本等因素考慮，該類鉆井液慢慢被取代，而轉向抗高溫的高密度體系方向（滿足更復雜的應用場合）以及環保的生物柴油體系方向發展，以滿足低成本、環境安全的需求。

(2)白油基鉆井液

白油作為一種低毒礦物油，源于石油加氫裂化，多為飽和鏈烷烴和環烷烴的混合物，燃點和閃點均高于一般柴油，芳烴、環烷烴含量比重柴油低，兼顧環保性、高性能、低成本的優勢，逐漸成為鉆井液體系研究與應用的熱點。

相比柴油基鉆井液，白油基鉆井液具有良好的化學惰性、流變性和環保性，逐漸受到國內外石油公司的關注，研發改良了新型白油基鉆井液，并應用于高溫深井、大位移定向井以及多種復雜地形場合[2]。表3列出了白油基體系的組成與應用情況。

表3 國內白油基體系研究及鉆井液組成、性能

白油鉆井液體系從最初的全油基向油包水乳化、可逆乳化、抗高溫高壓低濾失的方向發展[12]，針對復雜地形，油包水體系比全油基體系能更好地起到平衡水和鹽的效果。盡管目前白油基鉆井液應用廣泛，但在其配套的處理劑（有機土、乳化劑、提切劑等）還需進行深入研究，提高配伍性的同時，還需解決現場配置與補充、實際鉆探、廢棄泥漿處理處置等問題[2]。

(3)氣制油鉆井液

氣制油鉆井液屬于環保型鉆井液的體系，天然氣經過費托合成控制條件得到脫硫、脫芳烴的礦物油，該類油的熱穩定性更好且毒性低[22]。氣制油鉆井液黏度低、當量循環密度低，在提高鉆速的同時，可避免多種井下復雜事故的發生[23]。

國內外目前常用的氣制油基礎油為殼牌MDS公司生產的GTL Saraline系列，其中GTL Saraline 185V應用更廣[22]。將殼牌185V氣制油、0#柴油、5#工業白油作基礎油的性質進行，見表4。

表4 三種基礎油的基本性質

由表4可知，氣制油與白油閃點基本接近且具有較高的自燃點，從安全性考慮，比柴油更適合作基礎油，可能造成污染的芳烴與硫的含量為：氣制油＜白油＜柴油，這也符合當前鉆井液體系的發展趨勢。同時殼牌185V氣制油的運動黏度比白油低，在實際應用中也更便于調節流變性及提高機械鉆速[22]。

國外的氣制油鉆井液體系從研發到環境健康評估再到實際應用已有30多年的歷程，而我國的氣制油系列從引入到改良、應用的進程相對滯后。羅健生等[28]使用氣制油鉆井液（配方為：氣制油+30% CaCl2+2%有機土+（3%～4%）乳化劑+0.5%潤濕劑+（1.5%～2%）CaO+重晶石）在渤海、印尼進行鉆井工作，平均鉆速可在46m/h以上，當量循環密度比同類油基鉆井液低，流變性良好。王茂功等[29]采用240mL氣制油Saraline185V+60mL 20% CaCl2+7.5g有機土DR-GEL+9g主乳化劑DREM-1+12g輔乳化劑DRCO-1+12g降濾失劑DR-FLCA+6g CaO的基礎配方在印尼JABUNG區塊的大斜度定向井應用，體系表現出較好的乳化穩定性（現場破乳電壓維持在2000V），高溫濾失量低于2.5mL，攜屑返砂效果好。近幾年山東大學關于氣制油鉆井液的研究較多，主要從處理劑機理、優化等方面，開展了相關工作，如輔助乳化劑、高效有機土的研制[25]，固相分散穩定性控制[30]、氣制油基油包水體系穩定性機理相關的研究[31]等，但國內關于現場實際應用的報道還較少。

總體而言，氣制油與白油基體系將是未來鉆井液體系發展的主要方向，而氣制油在國外已有大量的研究與實踐報道，并且具有更低的毒性與高降解性?；偷墨@取及成本問題可能是阻礙其在國內發展應用的主要原因，但整體來看氣制油基鉆井液有望超越白油基鉆井液成為下一個研究熱點。

(4)其他油基鉆井液

除了采用傳統柴油、白油等作基油，其他種類如石蠟、生物質油等合成油作基油的鉆井液也占有一定比例。張弌等[32]以生物質基液LAE-12（月桂醇為主原料）為基油，對其進行組分優選與優化，最終制備的鉆井液也能有良好的性質（高溫高壓濾失量＜5mL，破乳電壓＞700V）且毒性參照SY/T 6787-2010屬于無毒易降解類型。張潔等[33]采用植物油作基油，研制出的植物油全油基鉆井液，該鉆井液在熱滾前后塑性黏度、動切力與濾失量略有上升，抗污染能力一般。

其他油基鉆井液大多存在于實驗室探索階段，實際應用較少，研究的初衷依舊是從低成本、環保低毒兩個方向出發，雖然該類鉆井液應用中大多不及柴油、白油等體系成熟，但從固體廢物資源化的角度，該類鉆井液亦有很大潛力。

3.油基鉆井泥漿的應用特點及發展趨勢

本文對比了幾種油基鉆井液體系在應用方面的特點與發展方向，列于表5。各類基礎油均有優缺點，在實際場合的應用中更應結合地層特點、經濟性與環保政策等決定最宜采用的鉆井液體系。

表5 幾種油基鉆井液體系的應用情況與發展方向對比

4.結論

近年來，復雜的開采情景與嚴格的環保要求使得新型油基鉆井液的研發與應用備受關注。鉆井液的研發與各組成成分間的關系密不可分，本文重點從基礎油的層面討論幾類油基鉆井液的配方組成情況與實際性能。

從基礎油的環保性與鉆井液研發與應用情況來看，以傳統柴油做基礎油的鉆井液使用漸少，但衍生的生物柴油基鉆井液具有較好的研究發展趨勢。白油基鉆井液在目前以及未來較長一段時間內仍會是國內應用最廣泛的體系，但未來生物柴油、氣制油、其他油類鉆井液將隨著某一技術性的突破而獲得更廣泛的應用?？傮w而言，油基鉆井液體系正向著低成本、安全、低毒、環保的方向發展。但除了開發新型鉆井液外，配套的末端管理、風險評價體系、法律規定的制定、完善與落實指導著鉆井液發展；理清它們與鉆井液組成的關系，可更好地指導鉆井液科學綠色發展。