高性能環保水基鉆井液技術研究新進展

劉均一

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 251064

鉆井液工藝技術是油氣鉆井工程的重要組成部分，在鉆井工程施工中起著關鍵性作用，而研發高性能鉆井液體系一直是鉆井工程技術領域的研究重點與熱點。隨著油氣勘探開發難度的增大以及對經濟和環境效益的不斷追求，“安全、快速、優質、環保、高效”已成為鉆井技術發展的更高目標，這必然對鉆井液、完井液提出更全面更高的技術要求[1-4]。

現階段，聚合物鉆井液、聚磺鉆井液等傳統水基鉆井液體系的性能均無法滿足復雜結構井的鉆井施工要求，環保與抗高溫等性能有待全面改進提高，而油基鉆井液則具有強抑制性、優良潤滑性以及高溫穩定性等優點，已成為復雜結構井鉆井施工的重要技術手段[5-6]。但隨著我國環保法律法規的不斷完善及環保要求的不斷提高，鉆井工程環保形勢日益嚴峻，尤其在環境敏感和生態脆弱地區，鉆井液已成為鉆井工程的主要污染源之一，大量廢棄鉆井液與含油鉆屑無法直接排放，需要利用特殊工藝進行無害化處理，相關工藝技術復雜，設備投入大，處理成本高，大大限制了油基鉆井液的推廣應用[7-8]。為此，研發一種具有油基鉆井液性能優點，又能克服傳統油基鉆井液的環保問題及干擾地質錄井等缺點，同時配制簡單、維護方便，且成本可接受的高性能環保型水基鉆井液，有助于顯著減少鉆井復雜事故，提高油氣鉆探開發的綜合效益，推動復雜油氣藏的勘探開發進程。

近年來，國外石油公司陸續研發了仿油基鉆井液的環保水基鉆井液體系，并提出了“客戶定制式”高性能水基鉆井液設計理念[9-11]，如M-I SWACO公司UltraDrill、HydraGlyde高性能水基鉆井液體系，貝克休斯公司LatiDrill、PerforMax高性能水基鉆井液體系，哈里伯頓公司ShaleDril水基鉆井液體系，NEWPARK公司Evolution水基鉆井液體系等，均取得了良好的現場應用效果。目前我國在環保型水基鉆井液方面也取得了較大進展，陸續研發了聚胺仿油基水基鉆井液、頁巖氣“水替油”的高性能水基鉆井液等[12-15]，但在鉆井液抗高溫性能與環保性能等方面仍與國外成熟專利技術存在較大差距，研發具有自主知識產權的高性能環保型水基鉆井液關鍵處理劑及配套體系是當前鉆井液工藝技術領域的重要課題之一。因此，本文將從高性能環保水基鉆井液體系、環保型鉆井液關鍵處理劑、鉆井液環保性能評價方法等3個方面，綜述國內外高性能環保水基鉆井液技術研究新進展，展望高性能環保水基鉆井液技術發展趨勢。

1 高性能環保水基鉆井液體系的研究

1.1 國外研究進展

隨著油氣資源勘探開發程度的不斷提高，常規油氣資源越來越少，鉆探開發范圍已逐步走向深層超深層、海洋深水、非常規等復雜地質條件地層，這對鉆井液技術提出了更高的要求。現階段，油基鉆井液具有強抑制性、優良潤滑性以及高溫穩定性等優點，已成為復雜結構井鉆井施工的重要技術手段，但油基鉆井液的環境污染、高成本等缺點同樣十分突出，無法滿足我國鉆井工程日益嚴格的“環境保護”與“降本增效”要求。而傳統水基鉆井液體系的性能仍無法滿足復雜結構井的鉆井工程要求，有待全面改進提高。因此，研發一種具有仿油基鉆井液性能的環保型高性能水基鉆井液體系，以滿足防塌、防泥包、防阻卡、提高鉆速，并兼顧儲層和環境保護以及控制鉆井液成本等更高的技術要求，已成為國內外石油公司的研究熱點與重點。

表1 國外油服公司的典型高性能水基鉆井液體系

近年來，國外石油公司以無生物毒性、易生物降解、鉆井液配方簡單為技術目標，研發出了多種高性能環保水基鉆井液體系及配套關鍵處理劑。M-I SWACO公司重點通過優化水基鉆井液體系配方以達到仿油基鉆井液性能目標，陸續研發了高性能水基鉆井液體系(UlraDrill)、高性能環保型水基鉆井液體系(HydraGlyde)等，并提出了“客戶定制式”高性能水基鉆井液設計理念[9-11]。其中，UlraDrill鉆井液體系是由低分子量包被劑Ultra-CAP、纖維素降濾失劑Poly-PAC、頁巖強抑制劑Ultra-HIB、防泥包劑Ultra-Free等組成，抗高溫達135 ℃；HydraGlyde高性能水基鉆井液體系是由包被劑HydraCap、生物聚合物Duo-VIS、超低黏度聚陰離子纖維素Polypac-UL、頁巖抑制劑HydraHib、潤滑提速劑HydraSpeed等組成，既保持了水基鉆井液的環境適應性好與成本低等優點，又能夠降低扭矩，達到與油基鉆井液相媲美的鉆速，同時還能避免井壁失穩等鉆井復雜情況，為復雜結構井鉆井施工提供了一種“快速、安全、靈活”的鉆井液技術方案。此外，M-I SWACO公司探索利用新型納米鉆井液處理劑，通過物理封堵微孔縫來阻緩壓力傳遞與濾液侵入，以提高鉆井液在頁巖地層中的井壁穩定性，其中所使用的納米材料均滿足嚴格的HSE要求，具有良好的環保性能[16]。

Baker Hughes公司將聚胺化合物與聚合醇的濁點和鋁的化合作用相結合，研發了PerforMax高性能水基鉆井液體系，該體系利用納米聚合物封堵劑Max-Shield、鋁基化學封堵劑Max-Ples、頁巖水化抑制劑Max-Guard、聚合物包被劑New-Drill的共同作用來封堵頁巖孔隙與微裂縫，阻止壓力傳遞與濾液侵入，具有抑制性強、高溫穩定、保護儲層及保護環境等優點，可達到美國環保局規定的墨西哥灣排放要求[17]。

Halliburton公司根據不同頁巖地層的復雜特性，研發形成了Shall-Dril高性能水基鉆井液體系系列，包括Shall-Dril-F、Shall-Dril-H、Shall-Dril-B、Shall-Dril-E等4套方案[18]，具有強抑制、高潤滑、高機械鉆速、低成本等優點，并廣泛應用于美國Haynesville、Fayetteville、Barnett、Eagle Ford等主要頁巖氣勘探開發區塊。此外，Halliburton公司還以新研制的抗175 ℃高溫聚合物增黏提切劑為基礎，研發了一套無黏土相、強抑制的hydroGuard高性能水基鉆井液體系，其具有類油基鉆井液性能特點，可替代油基鉆井液應用于深水、頁巖氣鉆井施工，突破了無膨潤土鉆井液高溫穩定性這一技術瓶頸[19]。

綜上分析可知，Schlumberger，Baker Hughes，Halliburton等國外石油公司均已研發形成了相對成熟的高性能環保水基鉆井液體系及系列配套鉆井液處理劑，能夠為現場客戶提供“個性化定制”的高性能環保水基鉆井液技術服務。同時隨著高性能水基鉆井液技術研究的不斷深入，國外最新一代高性能水基鉆井液體系具有：環保性能良好、配方組成簡單、性能調控簡便，只需要在膨潤土漿中加入3～4種高性能關鍵處理劑，即可滿足復雜地層的鉆井液施工要求，能夠顯著提高復雜油氣鉆探開發的綜合效益。但值得注意的是，國外石油公司的高性能環保水基鉆井液專利技術目前仍處于高度保密階段，技術服務價格高，國產自主化研發缺乏借鑒參考，技術難度大，亟需針對性地開展相應的研究工作。

1.2 國內研究進展

為了滿足鉆井工程技術需求，鉆井完井液體系中處理劑的種類和數量越來越多，對脆弱的油田生態環境造成的危害也越來越大。近年來，我國持續研發了多項鉆井液環保技術，但多集中在“末端治理”方面，即廢棄鉆井液無害化處理與含油鉆屑配套處理技術等，相關工藝技術復雜，設備投入大，處理成本高。因此，自20世紀90年代以來，我國開始重視研發環保鉆井液體系，從源頭上控制鉆井液對環境的污染，由“末端治理”向“源頭控制、過程控制”轉變，研發的聚合醇鉆井液、甲酸鹽鉆井液、硅酸鹽鉆井液、烷基葡萄糖苷鉆井液等環保型鉆井液體系[20]，其共同特點是生物毒性小、易降解、對環境影響小。但上述鉆井液體系因成本高或應用效果不理想，未能推廣應用。同時為了滿足復雜地層條件下的鉆井液性能要求，現場應用中上述體系均復配了合成高分子聚合物或磺化類處理劑，從而影響了鉆井液體系的整體環保性能。

1)聚合醇鉆井液體系。該鉆井液體系是以聚合醇作為核心處理劑，利用聚合醇的“濁點效應”，有效地提高鉆井液的封堵、潤滑性能。此外，聚合醇通常需要與KCl共同作用，協同增強鉆井液的水化抑制性能，但加入較高濃度鉀鹽將會顯著影響聚合醇鉆井液的環保性能。

2)甲酸鹽鉆井液體系。該體系具有抑制性強、流變性好、固相含量低等特點，且能夠顯著提高天然高分子的熱穩定性，可將黃原膠的抗溫能力提高到180 ℃以上，但因成本問題一般用于鉆探高溫高壓井儲層段。

3)硅酸鹽鉆井液體系。以不同模數的硅酸鉀或硅酸鈉為核心處理劑，研發的硅酸鹽鉆井液體系，具有優異的封堵防塌、水化抑制與環境相容性能，是一種綜合性能優異、低成本的環保型防塌水基鉆井液體系，但硅酸鹽受溫度和pH值的限制，硅酸鹽鉆井液的流變性和潤滑性現場難以控制，限制了其推廣使用。

4)甲基葡萄糖苷鉆井液體系。甲基葡萄糖苷鉆井液屬于一種無生物毒性、易生物降解的新型環保型水基鉆井液體系，具有仿油基鉆井液的“強抑制、高潤滑”性能，能夠滿足海洋等環境敏感地區的復雜鉆井施工要求。

2 環保型水基鉆井液關鍵處理劑的研究

2.1 國外研究進展

研發無生物毒性、可生物降解的環保鉆井液處理劑是配制環保型鉆井液體系的關鍵。近年來，國外石油公司相繼研發了抗高溫降濾失劑、環保潤滑劑等新型鉆井液處理劑[21-22]，以滿足環保鉆井液性能要求。在抗高溫降濾失劑方面，美國NALCO公司研發了AMPS、AM和MBA的共聚物，該共聚物含有AMPS單體鏈節含量達57%～61%，具有很好的抗高溫性和抗硬水性，主要應用于高溫高壓高礦化度條件下鉆井液用降濾失劑和流型調節劑。巴斯夫公司研發了一種抗200 ℃高溫的聚合物降濾失劑Poly-drill，其分子量在2×105左右，具有優異的抗鹽(飽和)、抗鈣鎂性能，能夠滿足抗高溫飽和鹽水鉆井液的降濾失性能要求。BP-Amoco公司以磺化苯乙烯(SS)、馬來酸酐(MA)為聚合單體，研發了一種抗200 ℃高溫降濾失劑。Baker Hughes公司則以丙烯酰胺(AM)、N-烷基丙烯酰胺(NAAM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)為合成單體，通過共聚反應合成了2種抗高溫鉆井液降濾失劑Pyro-Trol、Kem-Seal，適用于抗溫180 ℃的海洋鉆井施工要求。

此外，國外石油公司持續重視對淀粉、纖維素等天然高分子材料的深度改性優化，相繼研發了多種環保型鉆井液處理劑，以滿足環保鉆井液性能要求，但其抗高溫能力通常在130 ℃以下，仍需通過深度改性進一步提高天然高分子降濾失劑的抗高溫性能。M-I SWACO公司研發了多種抗高溫淀粉降濾失劑Poly-Sal、Flo-Trol、Duo-Flo，并與聚陰離子纖維素PAC-LV復配使用，研發了抗溫130～150 ℃的抗高溫環保型水基鉆井液體系，鉆井液的API濾失量可控制在10 mL以內。此外，甲酸鹽可以顯著提高淀粉降濾失劑等天然高分子處理劑的抗溫耐溫性能。

在環保型潤滑劑方面，Baker Hughes利用脂肪酸和多乙烯多胺形成脂肪酸銨鹽與脂肪酸甲酯復配，其中脂肪酸銨鹽對鉆具和巖體表面具有強吸附作用，能夠形成穩定油膜，從而增強潤滑和穩定井壁的能力。美國倚科能源有限公司推出了一種Egstm DFL鉆井液用鍵合型潤滑劑，DFL中的活性組分與井眼內的自由離子締合產生平滑表面，能夠對流動界面內固有渦流進行有效控制，在大位移井增斜井段等復雜鉆井施工中使用可有效降低摩阻，提高機械鉆速。美國ProOne公司開發的高性能潤滑劑XPL與倚科能源DFL相當，使用該產品時摩擦力和扭矩在整個系統都得以減低，即使在井眼曲率較大處也可以提高時效50%。國外公司利用鍵合型潤滑劑使得傳統的水基鉆井液在潤滑性能上獲得了革命性的突破，有效提高鉆井整體作業效率達25%以上。

2.2 國內研究進展

目前，國內環保型水基鉆井液處理劑主要集中在淀粉、纖維素、木質素、植物膠等天然高分子材料，易生物降解，環保性能好，但抗高溫一般在120 ℃左右，主要應用于上部淺層鉆井。其中，抗高溫聚合物降濾失劑類國內采用AMPS、AM、AA、NVP等單體與天然高分子聚合物接枝共聚，研制了多種抗高溫降濾失劑，抗高溫最高可達180 ℃，但都處于室內研究階段，且環保性能受AMPS、AM等殘留合成單體的影響較大；頁巖抑制劑類主要有多元醇、烷基葡萄糖苷、有機鹽、硅酸鹽等，這些處理劑主要是抑制泥頁巖水化膨脹，其他配套處理劑仍需完善；高溫增黏劑主要有高溫弱凝膠GEL和80A-51，GEL是以生物聚合物為主要原料，經表面活化后與聚合物以及高溫保護劑等復合，80A-51是丙烯酸鹽共聚物，兩種處理劑的抗高溫性均低于150 ℃；極壓潤滑劑類主要有植物油、聚醚類、酯類、聚α-烯烴(PAO)類等，這些潤滑劑生物毒性低、易生物降解，但熱穩定性和氧化穩定性能仍需進一步研究完善[23-24]。

無毒且可生物降解的環保鉆井液處理劑是配制環保型鉆井液體系的關鍵。現階段，我國環保型處理劑的研究主要集中在降濾失劑上，同時環保型降濾失劑的熱穩定性則直接影響了環保型鉆井液體系的抗溫穩定性能。其中，改性淀粉作為一種無毒、易降解的環保型鉆井液降濾失劑，抗溫能力通常小于130 ℃，普遍應用于地層溫度較低的油氣鉆探區塊，無法滿足高溫高壓地層的鉆井液施工要求[25]。由于淀粉分子中存在大量可反應性羥基，國內外通常利用接枝共聚法、交聯/醚化復合改性法、交聯抗氧化法等方法來提高改性淀粉的抗溫降濾失效果，但仍停留在實驗室階段，未見相關現有應用報道。其中，以玉米淀粉為原料研制的復合離子型改性淀粉降濾失劑CSJ，可抗飽和鹽水、抗溫140 ℃，綜合性能均優于抗溫改性淀粉DFD；降濾失劑FL-W20則是通過在淀粉分子中引入無毒的無機硅，將改性淀粉的抗溫性能提高至150 ℃。

此外，國內外也陸續研發了環保型抑制防塌劑、環保型潤滑劑等。其中，白瀝青W-ASP是以高級脂肪醇樹脂為原材料，經過一系列水溶改性而得到的一種無熒光防塌劑，具有類似于瀝青的封堵防塌、降濾失性能；聚醚型多元醇防塌劑SYP-1、多羥基聚合物防塌劑CXC-1、強力抑制防塌劑QYJ等，均具有良好的封堵、抑制性能，且無生物毒性、易生物降解，滿足環保性能要求。

由此可見，國內在環保型鉆井液處理劑與體系方面也取得了較大進展，但多數環保型鉆井液處理劑普遍存在合成工藝復雜、成本較高、性能單一等缺點，目前在復雜高溫地層鉆井過程中仍然多采用人工合成高分子與磺化類處理劑，尚未有效解決鉆井液處理劑環保性與高溫穩定性之間的矛盾。因此，下一步仍需要利用淀粉、纖維素、植物膠等來源豐富、價格低廉的天然高分子材料，通過深度化學改性工藝，研發出新型環保鉆井液處理劑，以替代合成聚合物、瀝青等常用非環保鉆井液處理劑。

3 鉆井液環保指標及評價方法的研究

隨著環保鉆井液技術的不斷發展，國內外相繼研發了多種環保型鉆井液處理劑及配套體系，但尚未建立統一的鉆井液環保性能檢測標準和評價體系，缺乏對環保鉆井液處理劑及配套體系的環保性能檢測數據支撐。國外通常將廢棄鉆井液歸類為工業固體廢棄物，按照工業固廢物標準來進行貯存、處置和污染物控制；而在我國并未形成廢棄鉆井液污染控制與處理專用標準，往往需要參考水污染、固體廢物污染控制標準與法規。

參考OSPAR、OECD、ISO等國外組織對有機污染物的管理要求，結合《鉆井廢物管理的規定》(Alberta Energy and Utilities Board Guidelines 50)、《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)、《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)等相關環保標準，總結提出了鉆井液環保性能評價指標與推薦評價方法，包括生物毒性、生物降解性、重金屬元素(鎘、汞、鉻、鉛、砷)、石油類、pH值等5類9項指標，分別對廢鉆井液的毒性、殘留有機物、累積性重金屬、烴類含量等進行重點評價[26-28]，見表2。

表2 鉆井液環保性能評價指標與推薦評價方法

表3 生物毒性等級劃分標準

表3為鉆井液生物毒性等級劃分標準，生物毒性(急性毒性)測試方法以糠蝦試驗法和發光細菌法為主，其中與糠蝦試驗法相比，發光細菌法檢測精度更高，而且檢測時間短、成本低，被美國EPA和API等權威機構認證為鉆井液生物毒性推薦測試方法。此外，推薦采用BOD5/CODCr的比值評定鉆井液處理劑的可生物降解性，其中BOD5/CODCr<10%屬于“難生物降解”、10%≤BOD5/CODCr<25%屬于“可生物降解”、BOD5/CODCr≥25%屬于“易生物降解”。

4 高性能環保水基鉆井液技術發展趨勢

隨著高性能環保鉆井液技術的不斷發展，國內外陸續研發了一批仿油基鉆井液性能的高性能環保水基鉆井液體系，并取得了較好的現場應用效果，但在抗高溫性能、綜合環保性能等方面仍需要進一步深入研究完善。高性能環保水基鉆井液技術發展趨勢概括如下：

1)深入研究提高天然高分子材料抗高溫性的作用機制，并在此基礎上，借鑒先進的化學、生物和納米技術，利用來源豐富、價格低廉的天然原料，如淀粉、纖維素、木質素、栲膠和植物膠等，進行復合或深度改性，有針對性地研發低成本高效環保型水基鉆井液處理劑，為構建高性能環保水基鉆井液體系提供物質保障。

2)選用鉆井液配伍性、抗溫穩定性、儲層保護、環境友好等性能指標，綜合評價新型鉆井液處理劑與環保鉆井液體系的現場應用效果，最終形成環保型水基鉆井液關鍵處理劑系列，構建仿油基鉆井液性能的高性能環保水基鉆井液體系，以獲得最佳的綜合效益。

3)盡快從生物毒性、生物降解性、重金屬元素含量等方面規范建立鉆井液環保性能評價標準體系，提高鉆井液處理劑與體系環保性能評價的準確性和科學性。