環保鉆井液發展現狀及展望

王先兵 李 維 楊 歡 陳 龍 周井紅 張佳寅

(1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院；2.中國石油西南油氣田公司；3.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦)

0 引 言

隨著國家對環境保護的日益重視，環保理念進步和環保事業發展對鉆井行業提出了更高要求。由于鉆井液及巖屑是鉆井行業最主要的污染物來源，因此研發環保型鉆井液處理劑，形成滿足鉆井工程和環境保護需要的鉆井液體系成為當前鉆井液技術研究的重要課題，高效、低成本和無毒鉆井液的研發成為重要方向，滿足越來越高鉆井工程要求的同時將鉆井液對環境損害程度控制到最小。

1 環保鉆井液檢測評價方法

鉆井液中含有大量的無機和有機處理劑，廢鉆井液會對生態環境造成嚴重污染，廢鉆井液的主要污染物來源包括有機物、烴類、無機鹽以及土粉、加重材料和鉆屑等固體廢物，主要污染指標是高色度、高礦化度和高CODCr(化學需氧量)、BOD5(五日生化需氧量)等，同時存在重金屬污染和生物毒性等問題。生物降解性和生物毒性評價是目前對鉆井液及其處理劑環境可接受性評價的兩個主要評價指標。

1.1 生物降解性評價方法

鉆井液處理劑利用細菌和真菌等微生物的生化反應(如氧化作用、脫氧作用、還原作用、水解作用、脫羧作用等)，在酶的催化作用下，將鉆井液處理劑中的醛類、脂類、亞硝酸等氧化，將醇類、硫酸鹽和硝酸鹽等還原，從而使鉆井液處理劑分解成簡單的碳水化合物、水和金屬氧化物等簡單基礎化合物。

生物降解性評價方法主要有BOD5/CODCr比值評定方法、生化呼吸線評定方法和三磷酸腺苷(ATP)量測定法，其中，BOD5/CODCr比值評定方法由于設備普遍和操作簡單，得到了國內外的廣泛認可。普遍認為，BOD5/CODCr<0.3的廢液屬于難生物降解廢液，在進行必要的預處理之前不宜采用好氧生物處理；而BOD5/CODCr>0.3的廢液易于生物降解。在各種有機污染物指標中，總有機碳(TOC)、總需氧量(TOD)等指標與CODCr相比，能夠更為快速地通過儀器測定，且測定過程更加可靠，可以更加準確地反映廢水中有機污染物的含量。隨著近幾年來上述指標測定方法的發展、改進，國外多采用BOD5/TOD及BOD5/TOC的比值作為廢水可生化性判定指標，并給出了一系列的標準。但無論BOD5/CODCr、BOD5/TOD或者BOD5/TOC，方法的主要原理都是通過測定可生物降解的有機物(BOD5)占總有機物(CODCr、TOD或TOC)的比例來判定廢水可生化性。該種判定方法的主要優點在于：BOD5、CODCr等水質指標的意義已被廣泛了解和接受，且測定方法成熟，所需儀器簡單[1]。

另外，針對海洋環境，還有一些其他的評價方法[2-3]：(1)海水OECD306評價法，以BOD5為實驗參數，評價有機物在自然海水中好氧生物降解難易的密封瓶評價法，在一定時間內消耗的溶解氧越多，說明其越容易生物降解。自然海水既為實驗介質又為微生物來源。(2)海水BODIS評價法，專門為難溶有機物設計的好氧生物降解性評價方法。自然海水既為實驗介質又為微生物來源。該方法與上述OECD306法的主要區別在于：BODIS法的實驗過程中持續補充氧氣保持海水中的溶解氧始終處于飽和狀態，而OECD306法的實驗過程全密封，不補充氧氣。因此BODIS法的有機物降解速率相對較快，使用的有機物和營養元素濃度較高。(3)海水ISO/DIS11734評價法，以自然海水為實驗介質，根據海水中硫酸鹽減少或溶解硫化物增加來評價有機物在厭氧條件下的生物降解性。

1.2 生物毒性評價方法

生物毒性評價是用于評估鉆井液體系對環境潛在污染和毒性危害的直接手段。美國石油學會(API)推薦鉆井液毒性評價采用急性毒性試驗方法，根據試驗生物的不同，主要有糠蝦法、微生物毒性法、生物累積發光法和海膽受精法等。其中糠蝦法是美國國家環保局正式批準的常規檢測法。對于海洋鉆井，國內外一般采用96 h內急性半致死濃度 LC50來表示鉆井液的毒性，LC50值越小，其毒性就越大；美國環保局(EPA)規定鉆井液的排放標準是LC50≥30 000 mg/L。而我國考慮自身海域生物的普遍性，規定了中國明對蝦、斑節對蝦、長毛明對蝦、鹵蟲、裸項櫛蝦虎魚、凡納濱對蝦、脊尾白蝦和蒙古裸腹溞8種海洋生物，規定采用兩種或兩種以上實驗生物進行檢驗，涵蓋了魚類、甲殼類和枝角類生物，占據了不同生態位和食物鏈等級。

由于海洋生物與陸上生物的習性和生活環境不同，在陸上生物毒性檢測方面，主要采用發光細菌法、半致死量法等毒性評價方法。發光細菌法 Microtox 生物毒性測試技術以費希爾狐菌(發光細菌)作為受試菌種，利用其接觸有毒污染物后發光強度的變化，快速測試樣品液毒性，具有簡單、快速和廉價的特點，受到了鉆井液毒性測試領域的廣泛重視，已被加拿大和美國等國家批準為鉆井液排放的毒性監測方法。EC50代表半有效抑制濃度，即費希爾狐菌液光強度減少一半時樣品液的有效濃度，其值越小，則毒性越大；當EC50≥30 000 mg/L時即達到排放標準[1-2]。

2 環保鉆井液體系

針對環保鉆井液的研究與應用，國內外學者開展了大量科研工作，形成了多套環保鉆井液體系，并取得了一些應用成果，但應用最多、效果最好的環保鉆井液主要包括多元醇鉆井液、甲基葡萄糖苷鉆井液、有機鹽鉆井液、稀硅酸鹽鉆井液和合成基鉆井液5種體系。

另外，近年來國內外研究者基于植物油、合成酯和聚醚等環保材料研制了XPL+、DFL、GreenLube 等多種環保潤滑劑；基于天然生物材料引入抗溫單體、接枝共聚等改性方法，開發了多種環保降濾失劑；開發出了多羥基糖苷防塌劑DTG-1和聚乙烯多胺等環保防塌處理劑等。這些新研發的環保處理劑開展了部分應用試驗，取得了一些應用成果，但沒有形成成熟體系和達到推廣應用效果[1]。

2.1 多元醇鉆井液體系

多元醇鉆井液體系是一種以多元醇為主劑配制而成的環保型水基鉆井液體系，不僅具有良好的頁巖抑制性、潤滑性、高溫穩定性及抗污染性等，而且無毒，易生物降解，對油層損害小。在國外已經被廣泛用于對付水敏性地層和海洋鉆探，并取得良好效果。

應用在鉆井液中的多元醇以聚多元醇為主，主要有聚乙二醇、聚丙二醇、聚甘油酯和EO/PO共聚物等。一般隨其分子量增大，水溶性和毒性均降低，除聚乙二醇在分子量高于1 000呈固體外，常用的其他產品在室溫下均為黏性液體，無毒。多元醇結構不同、分子量不同以及EO/PO共聚物中EO與PO比例不同，均會改變多元醇的性質，從而會影響多元醇在鉆井液中的使用效果[3-4]。

2.2 甲基葡萄糖苷鉆井液體系

鉆井液中使用的烷基葡萄糖苷是糖的半縮醛羥基與具有一定活性基團的化合物反應生成含甙鍵結構的淀粉與糖的衍生物。甲基葡萄糖苷 MEG基液本身就是很好的頁巖抑制劑，甲基葡萄糖苷可以吸附在地層泥頁巖表面，形成一層半透膜，因而可通過調節甲基葡萄糖苷鉆井液的水活度來控制鉆井液與地層水的運移，甚至使頁巖中的水進入鉆井液，因此MEG鉆井液體系能有效地抑制泥頁巖水化膨脹，維持井眼穩定，保護油氣層，同時還具有良好的潤滑性能、抗污染能力和高溫穩定性，并且無毒、易生物降解，對環境影響極小。自從1994年MEG鉆井液體系在墨西哥灣高水敏性頁巖層成功應用后，國外已成功地使用 MEG鉆井液鉆大斜度井和水平井。為使鉆井液具有理想的頁巖抑制性及形成有效的半透膜，甲基葡萄糖苷在鉆井液中的用量至少在35%以上，理想加量45%～60%。如果與7%以上的無機鹽復配可將用量降到25%左右，但環保性能又將受到影響[4-6]。

Simpson.J.P.等按EPA規定，對甲基葡萄糖苷進行生物降解評價，分別對濃度為20 mg/L和40 mg/L的甲基葡萄糖苷溶液進行了改進生物降解試驗，結果測得28 d產生的CO2為理論產量的86%，高于EPA規定的60%。濃度為80%的甲基葡萄糖苷溶液的LC50值高于500 g/L，完全符合EPA規定的排放標準。因此，甲基葡萄糖苷鉆井液是一種無毒、易生物降解的環保鉆井液[5]。

2.3 有機鹽鉆井液體系

有機鹽鉆井液主要為甲酸鹽，該體系在防塌性能、抑制性能、保護環境、保護儲層、抗高溫、抗污染、腐蝕性低及可以回收再利用等方面具有顯著特點。甲酸鹽鉆井液體系由甲酸的堿金屬鹽、聚合物增黏劑和降濾失劑等組成，不需要固體加重劑，就可使該體系的密度達到2.3 g/cm3，容易實現無固相鉆進或低固相鉆進；黏度低，流動性好，摩阻小；抑制性強，井壁穩定，井徑規則；對金屬、橡膠等腐蝕性小；可回收，可重復利用，自1995 年試驗成功后在鉆井行業中取得了良好的應用效果。

甲酸鹽鉆井液比常規的鹽水體系更易于為環境所接受，對水域生物的試驗證明，甲酸鈉和甲酸鉀都可以歸入無毒性，甲酸銫可歸于實際無毒性。所有甲酸鹽引入水稀釋后，都能很快降解，在水中只能短期存在，生物降解試驗表明，所有甲酸鹽28 d內生物降解率大于70%，都可以歸入“易生物降解”類物質[3]。

2.4 稀硅酸鹽鉆井液體系

高濃度的硅酸鹽鉆井液因其流變性難以控制而受到應用限制，低濃度的硅酸鹽鉆井液具有優良抑制防塌性、無毒、無熒光、保護環境、保護儲層、低成本等特性受到青睞。普遍使用的硅酸鈉產品溶液模數為2.1～2.5，固相含量為30%～40%，pH值控制在11～12。

現在國內外研制開發和應用的硅酸鹽鉆井液體系主要有：(1)硅酸鹽-聚合物鉆井液體系；(2)硅酸鹽-硼凝膠鉆井液體系；(3)混合金屬硅酸鹽鉆井液體系；(4)植物膠-硅酸鹽鉆井液體系。硅酸鹽鉆井液有較好的穩定井壁作用，其穩定井壁機理有以下3點：(1)硅酸鹽進入地層孔隙形成三維凝膠結構和不溶沉淀物，在近井壁處快速堵塞頁巖孔隙和微裂縫，阻止濾液進入地層，同時減少了壓力穿透；(2)硅酸鹽能抑制頁巖中黏土礦物水化膨脹和分散；(3)硅酸鹽可能與頁巖中黏土礦物發生反應生成有利于井壁穩定的新礦物，如硅酸鹽的硅醇基與黏土礦物的鋁醇基發生縮合反應，把黏土等礦物顆粒膠結成牢固的整體[6-7]。

2.5 合成基鉆井液體系

合成基鉆井液以人工合成或改性有機物，即合成基液為連續相，鹽水為分散相配制而成的油包水乳化鉆井液。合成基鉆井液依據基液的分子結構特征可分為：脂肪酸與醇類反應而成的酯類；醇類縮合反應而成的醚類；乙烯、丙烯等單體調聚而成的聚α-烯烴(PAO)類；由石油分餾精制提純的線性石蠟；線性α-烯烴(LAO)；異構烯烴(IO)。

合成基鉆井液不含芳香烴，毒性小，可生物降解，對環境無污染；高閃點，低凝固點，可在寒冷地區和深水海域應用；鉆井污水、鉆屑和廢鉆井液可直接向海洋排放。此外，合成基鉆井液還具有潤滑性能良好、有利于油層保護和穩定井壁、不含熒光類物質、不影響測井和試井資料等優點。盡管合成基鉆井液配制成本遠高于水基鉆井液和油基鉆井液，但使用合成基鉆井液減少了處理油基鉆井液廢液的費用和使用水基鉆井液時鉆機占用時間及復雜情況，因此，在大多數井中，使用合成基鉆井液的鉆井總成本要低于使用油基鉆井液和水基鉆井液的鉆井總成本[6-7]。

上述5種環保鉆井液體系經過國內外多年的研究與應用，取得了成功應用案例，能部分滿足環境敏感地區的作業要求，具有低毒或無毒、可生物降解性能，但其總體成本高，無法廣泛推廣使用；其次，當前這些環保鉆井液多數要與其他非環保處理劑復配使用才能達到良好性能，致使體系的環保優勢受到不同程度的影響；再次，部分環保鉆井液的流變性控制困難、抗溫和抗污染性能不足，在高溫深井、復雜井中的應用受限。

3 鉆井液環保方面存在的問題及發展方向

環保鉆井液的研究與應用持續了多年，但環保鉆井液的應用效果和普及程度不理想，主要存在以下原因。

1)環保意識和認識應更清晰

環境意識包括兩個方面的含義，其一是人們對環境的認識水平，即環境價值觀念；其二是指人們保護環境行為的自覺程度。這兩者相輔相成，缺一不可。環保工作是一個系統工程，涉及到生產中各個環節，且投入成本高，需要各級工作人員從潛意識中注重環保，堅定環保態度并應用于工作中各個方面。

就鉆井液專業而言，環保意識正在逐漸建立，但對環保工作的理解，一方面存在認識不夠透徹，未完全領悟到環保工作的本質要求。某些環保工作流于形式、居于表面，為了工期進度或者節約成本而降低環保要求。

另一方面存在認識不夠準確，甚至出現一些偏激現象。不經刪選地斷定與鉆井液相關的廢物均為危化品，甚至談“鉆井液”色變，沒能很好地認識理解環保概念和工作生產。因此，應在堅定地樹立環保意識的同時更準確地認識、理解環保工作，協調好環保與生產的關系，在安全環保條件下放心大膽地開展工作。

2)環保法規和環保評價標準應更細化明了和因地制宜

為了使作業人員能更清晰地認識和理解環保工作，除了宣傳灌輸環保概念之外，應對各個地區的自然環境綜合評估后制定針對該地區的鉆井液環保法規和環保評價標準，使鉆井液環保工作有章可循，有標可查，做到有理有據，明目清晰。

國際和國外組織(如ISO、API)在其石油天然氣開采業標準體系中，都含有環境保護專業的標準，包括大量的單項標準。API標準中約有15%的標準為專項環保標準，另外約20%的標準涉及到污染預防與控制。國際上大部分國家都有系統的石油天然氣開采污染物排放控制標準，如美國、英國、加拿大、尼日利亞等，這些標準在制訂過程中，由于石油公司的廣泛參與，標準主要是基于最佳實用技術而制訂的，具有顯著的行業特點和地區特點，有些還有明確的工藝技術要求，便于執行、檢查和評估。

因此，可借鑒API等國際標準和海洋石油勘探開發的環保標準，以及陸地污水排放標準和固廢處理標準，結合當地具體自然環境，因地制宜，制定詳細的陸地鉆井液環保法規和環保評價標準，例如針對飲用水源區、農業灌溉區、沙漠戈壁區、牧場區等，制定相應的鉆井液及鉆屑的環保處理標準。

例如，對于水基鉆屑，目前大多采用固化處理方法。鉆井過程中，從表層段到產層段、從清水/無固相鉆井液到聚磺鉆井液，將所有的巖屑全部固化處理，這樣沒有區別的處理方式不僅增加了巖屑處理成本，同時增加了二次污染風險。因此，可根據不同的鉆井液體系而制定不同的巖屑處理標準、采用不同的方法處理地層巖屑。

3)建立環保監測制度

根據確切自然環境和鉆井液體系制定的鉆井液及鉆屑的環保處理標準，建立對應的環保檢測制度，開展各個環節的實時環保檢測。

例如，對配制鉆井液所使用的原材料和處理劑、實鉆鉆井液、返出的巖屑、處理后的巖屑、生產廢水等，分別進行環保跟蹤評價。以檢測數據為依據判斷鉆井液及巖屑的環保性，減少人為因素干擾，避免主觀判斷，避免談“鉆井液”色變的現象。

4)嚴格現場操作規范

按照環保規章制度和環保標準，為了達到環保要求，在現場實際生產過程中，必須建立起相應的操作規范，并嚴格遵守，才能達到預期環保目標。

例如，因鉆井工程需要，在不同井深、不同層位將采用不同鉆井液體系，其中，一部分鉆井液體系滿足環保要求，另一部分達不到環保要求，在現場實際生產過程中，就應該嚴守操作規范，將不同環保屬性的鉆井液和巖屑嚴格分開使用和存放，做到專“液”專用，定點存放，盡可能不讓環保鉆井液受到交叉污染。這會增加一定的生產費用，但同時會降低后期環保處理費用。

5)環保鉆井液體系價格昂貴和環保處理劑抗溫性不足

目前已研發出并有成果應用的環保鉆井液體系，沒有得到大面積推廣應用的主要原因之一是環保鉆井液體系價格昂貴及環保處理劑抗溫性不足。一方面環保鉆井液的成本居高不下，不滿足降本增效的經營要求；另一方面，對于深井、超深井、復雜井，大部分的環保鉆井液性能難以滿足鉆井工程需求，尤其是環保處理劑的抗溫能力不足[8-9]。

國內常說的環保鉆井液體系很難做到真正環保，因為體系中的環保主劑使用量遠遠達不到要求，遠達不到該環保體系的加量標準。例如，MEG環保鉆井液，甲基葡萄糖苷在鉆井液中的用量至少在35%以上，理想加量45%～60%，而日常應用中加量卻很難超過8%，只是在常用的聚磺鉆井液中加入了少量的環保處理劑，改變不了鉆井液不環保的本質。

因此，研發性能優良、成本低和無毒環保型鉆井液處理劑和體系，達到滿足鉆井工程和環境保護需要是環保鉆井液發展的重要方向。

4 結 論

針對鉆井行業的環境保護工作，一方面需要加強樹立環保意識，另一方面也需要對環保工作有清晰的認識，以量化指標判斷工業廢物的環保性；應對各個地區的自然環境綜合評估后制定針對該地區的鉆井液環保法規和環保評價標準，做到明目清晰、細化明了、量身訂做和因地制宜；根據法規和標準，建立對應的環保檢測制度，開展施工過程各個環節的實時環保檢測；在現場實際生產過程中，建立起相應的操作規范，并嚴格遵守，最終達到預期環保目標。

鉆井液處理劑的環保屬性、成本與鉆井液性能穩定性的矛盾是技術攻關的重要方向，盡可能利用來源豐富、價格低廉的天然材料進行化學改性，提高其綜合性能，降低成本；在新處理劑及鉆井液體系的推廣應用過程中，要將鉆井和環境保護有機地結合起來，從鉆井成本和環境效益兩個方面綜合評判新型處理劑及鉆井液體系的推廣應用效果，以獲得最佳的綜合效益，低成本高性能的無毒環保鉆井液是發展的主要方向。