一種高性能環(huán)保型鉆井液的研究與應(yīng)用

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257000)

隨著新的環(huán)境保護(hù)法的實(shí)施，石油行業(yè)面臨的環(huán)保壓力越來(lái)越大，在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鉆井液作為第一種入井流體，對(duì)油氣開(kāi)發(fā)的效果至關(guān)重要，但同時(shí)產(chǎn)生的廢棄鉆井液對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了很大的污染[1-2]。目前勝利油田鉆井主要采用聚合物鉆井液，該體系性能上能滿足鉆井的要求，但是存在著處理劑難降解、重金屬離子污染、廢棄物處理難度大等問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前環(huán)保形勢(shì)的要求。環(huán)保鉆井液技術(shù)可以實(shí)施源頭污染控制，最大限度地減少污染，減少鉆井廢棄物排放量和處理量，滿足環(huán)境保護(hù)的要求[3-4]。目前環(huán)保鉆井液技術(shù)研究取得了一定的進(jìn)展，但是存在著環(huán)保性能和鉆井液性能難以兼顧、成本高、現(xiàn)場(chǎng)推廣難度大等問(wèn)題[5]。因此需要開(kāi)展高性能環(huán)保鉆井液技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)出既能滿足鉆井需要，又能達(dá)到環(huán)保要求的鉆井液技術(shù)。本文基于天然高分子材料改性，研制了降濾失劑、潤(rùn)滑劑等關(guān)鍵處理劑，建立了高性能環(huán)保鉆井液技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。該技術(shù)性能穩(wěn)定，可滿足鉆井施工的要求，并且環(huán)保性能優(yōu)異，可滿足直接排放的要求，有效解決了鉆井液的污染問(wèn)題。

1 高性能環(huán)保鉆井液體系研究

1.1 環(huán)保型降濾失劑

以玉米淀粉為原料，加入醚化劑，采用半干法制備了改性淀粉類降濾失劑HBSJ-1，通過(guò)引入苯基陽(yáng)離子，提高了抗溫能力，抗溫達(dá)到150℃[6]。該產(chǎn)品在加量為3%時(shí)可將高溫高壓濾失量控制在10 mL以下，此外HBSJ-1還能改善泥餅質(zhì)量，提高封堵效率，增強(qiáng)體系的防塌性能。

1.2 環(huán)保型潤(rùn)滑劑

以植物油為基礎(chǔ)，通過(guò)酯化反應(yīng)和酯交換反應(yīng)制備得到環(huán)保型潤(rùn)滑劑HBSR-1。通過(guò)加入非離子型表面活性劑Tween80和雙子型表面活性劑C12-2-12的混合物提高其抗溫性能，抗溫能力達(dá)到150℃，該潤(rùn)滑劑性能優(yōu)異，加量在1%的情況下，潤(rùn)滑降低率達(dá)到88.6%，黏附系數(shù)降低率達(dá)到80%，能夠滿足鉆井施工的需要[7]。

1.3 流型調(diào)節(jié)劑

目前環(huán)保鉆井液一般使用纖維素或生物聚合物等作為流型調(diào)節(jié)劑，但纖維素和生物聚合物材料的高溫穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度超過(guò)130℃時(shí)極易發(fā)生分解、氧化、斷裂而失效。與纖維素和生物聚合物相比，纖維素納米纖維具有抗溫能力強(qiáng)，提切效果好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種可再生、無(wú)毒的天然高分子材料，且制備方法簡(jiǎn)單，來(lái)源廣，成本低。本文采用羧甲基纖維素納米纖維作為高性能環(huán)保型鉆井液的流型調(diào)節(jié)劑，其平均直徑為10～100 nm，長(zhǎng)徑比為100～500。羧甲基纖維素納米纖維通過(guò)相互纏繞形成三維網(wǎng)狀的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高體系切力的目的，同時(shí)這種空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有剪切稀釋的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液流變性能的有效調(diào)控，從而達(dá)到攜帶巖屑、清潔井眼的目的。

1.4 其它處理劑

優(yōu)選陽(yáng)離子烷基糖苷類處理劑(CAPG)作為抑制劑，該處理劑能有效降低水相的活度，抑制性能優(yōu)異，且綠色環(huán)保[8]。優(yōu)選聚合醇類處理劑作為防塌處理劑，利用聚合醇的“濁點(diǎn)效應(yīng)”可充填到孔隙中起到封堵作用，并且能吸附到井壁和泥頁(yè)巖界面，起到改變潤(rùn)濕性的作用。

在研制核心處理劑和優(yōu)選其它處理劑的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了處理劑的最優(yōu)加量，建立了高性能環(huán)保型鉆井液體系，其配方為：2%膨潤(rùn)土+3% HBSJ-1+1% HBSR-1+0.5%羧甲基纖維素納米纖維+2% CAPG+2%聚合醇。

2 高性能環(huán)保鉆井液性能評(píng)價(jià)

對(duì)高性能環(huán)保鉆井液體系的性能進(jìn)行了系統(tǒng)地評(píng)價(jià)，包括基本性能、抑制性、環(huán)保性能等。

2.1 基本性能

高性能環(huán)保鉆井液體系的基本性能見(jiàn)表1。如表1所示，該體系粘度低，切力高，濾失量低，高溫老化前后性能變化不大，能抗150℃高溫。

表1 環(huán)保鉆井液體系基本性能

2.2 抑制性能

采用頁(yè)巖回收率測(cè)試評(píng)價(jià)體系的抑制性能，篩選粒徑2.0～3.2 mm巖屑50g，測(cè)定清水、常用聚合物鉆井液和高性能環(huán)保鉆井液的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率。高性能環(huán)保鉆井液體系的滾動(dòng)回收率達(dá)到93.1%，和常用聚合物鉆井液(93.5%)基本相當(dāng)，高于清水(19.6%)，說(shuō)明該體系具有良好的抑制性。

2.3 環(huán)保性能評(píng)價(jià)

2.3.1 生物毒性評(píng)價(jià)

采用發(fā)光細(xì)菌法測(cè)定了環(huán)保鉆井液體系的生物毒性(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111-2007)[9]，研制的高性能環(huán)保型鉆井液的EC50值為63600 mg/L，高于排放限值(30 000 mg/L)[10]。

2.3.2 降解性評(píng)價(jià)

目前，普遍以BOD5/CODcr比值作為鉆井液及處理劑能否生物降解的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中BOD5的測(cè)定依據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 505-2009水質(zhì)五日生化需氧量的測(cè)定稀釋與接種法，CODcr的測(cè)定依據(jù)HJ 828-2017水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鉀法[9]。經(jīng)過(guò)測(cè)定，環(huán)保鉆井液BOD5/CODcr比值為29%，根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)為易降解。

2.3.3 重金屬離子含量評(píng)價(jià)

委托廣東省微生物檢測(cè)中心對(duì)配制的高性能環(huán)保鉆井液進(jìn)行了重金屬含量檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由檢測(cè)結(jié)果可知，該體系重金屬離子含量遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)排放極限[9]。

表2 環(huán)保鉆井液重金屬離子檢測(cè)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高性能環(huán)保鉆井液技術(shù)在勝利油田濱79區(qū)塊進(jìn)行了應(yīng)用。該區(qū)塊位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷尚店-平方王潛山披覆構(gòu)造帶，完鉆井深1800 m左右，完井密度1.10 g/cm3左右，鉆遇地層為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組和沙河街組。其中，東營(yíng)組造漿嚴(yán)重，沙河街組易坍塌，提高鉆井液的抑制性和加強(qiáng)封堵是該區(qū)塊鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)。

該井二開(kāi)采用高性能環(huán)保鉆井液體系，上部地層加入0.2%～0.3% CAPG，鉆進(jìn)至館陶組之后進(jìn)行轉(zhuǎn)化。開(kāi)啟離心機(jī)除去有害固相，調(diào)整膨潤(rùn)土含量20～25 g/L，加入0.5%改性淀粉類降濾失劑HBSJ-1，加入1%的CAPG，加入0.5%潤(rùn)滑劑HBSR-1，加入0.2%羧甲基纖維素納米纖維，循環(huán)均勻后繼續(xù)鉆進(jìn)。進(jìn)入沙河街組地層后，加入2%聚合醇，將HBSJ-1補(bǔ)充至3%，HBSR-1補(bǔ)充至1%，羧甲基纖維素納米纖維補(bǔ)充至0.5%，CAPG補(bǔ)充至2%，加入超細(xì)碳酸鈣調(diào)整鉆井液的密度，同時(shí)起到封堵微裂縫的作用。

該體系在濱79區(qū)塊同臺(tái)15口井進(jìn)行了應(yīng)用，鉆進(jìn)、完井作業(yè)過(guò)程中起下鉆、短起下鉆順利，電測(cè)一次成功率100%，井徑規(guī)則(井徑擴(kuò)大率<1.65%)，無(wú)縮徑、大肚子井眼現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工順利，無(wú)復(fù)雜情況發(fā)生。并且該體系穩(wěn)定性好，在該平臺(tái)重復(fù)利用15次，簡(jiǎn)單調(diào)整后即可重復(fù)利用，有效地降低了成本。

4 結(jié)論

(1)基于天然高分子材料改性，研制了降濾失劑、潤(rùn)滑劑等關(guān)鍵處理劑，建立了能的高性能環(huán)保鉆井液技術(shù)，該體系抗溫能力強(qiáng)(150℃)、環(huán)保性能優(yōu)異，常規(guī)性能和常用的聚合物鉆井液基本相當(dāng)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該體系性能穩(wěn)定，可滿足鉆井施工的要求，處理劑種類少，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單，抑制性強(qiáng)，封堵性能優(yōu)異，能有效解決東營(yíng)組的造漿問(wèn)題和沙河街組易坍塌，可滿足鉆井施工的要求。并且該體系性能穩(wěn)定，可多次重復(fù)利用，能有效降低成本，具有顯著的推廣應(yīng)用價(jià)值。