生態鉆井液研制及其鹽堿地改良效果研究

蒲磊，許明標，，王朝飛，陳侃，周姍姍

（1.長江大學石油工程學院，武漢 430100；2.非常規油氣湖北省協同創新中心（長江大學），武漢 430100；3.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田公司，新疆克拉瑪依 8 340002）

0 引言

新疆地區地質環境較為脆弱，大部分面積為鹽堿地或戈壁，屬于生態敏感地區。貿然開采，可能會造成地質的石漠化、荒漠化等問題[1-2]。油氣開采過程中，廢棄鉆井液所含有的各類聚合物、重金屬離子、鹽類、瀝青類和一些改性處理劑是環境污染的主要來源。目前國內外對廢棄鉆井液處理技術主要是直接填埋、脫穩干化處理法、固化法等，但這些處理方式在有害物質的轉移和處理成本上都存在一定的局限性[3-4]。

一直以來國內外對廢棄鉆井液污泥無害化處理十分重視，早在20 世紀70 年代，為了解決因漏油和泄油而導致土壤污染的問題，美國埃索研究公司[5]在實驗室研究出了一種有效的“細菌播種法”，開創了生物修復土壤的先河。陳立榮[6]等人開展了對微生物-土壤聯合處理廢棄鉆井液渣泥技術的研究，并在投入現場應用后獲得了不錯的效果。冀忠倫[7]直接采取廢棄鉆井液作為沙漠改良劑，從而實現“變廢為寶”，將廢棄鉆井液作為治理荒漠的有利材料。這些通過對鉆井液無害化處理到二次利用，為能夠改良鹽堿地的生態鉆井液研究奠定了基礎。為此，展開了室內研究，基于天然材料研制出生態鉆井液處理劑，開發出一套生態鉆井液體系JH，從源頭上控制鉆井液的毒性。在鹽堿地上對鉆井液進行后期處理，并且鉆井液處理劑有著肥田效果，對鹽堿化土壤起到一定恢復的作用，改良效果并不弱于市面常用的土壤改良劑。對實現鉆采過程中“零污染”、“零排放”以及新疆鹽堿地的開發利用起到了積極作用，貫徹了可持續發展戰略。

1 生態鉆井液JH 核心處理劑研究

室內研制了降濾失劑JH1、流型調節劑JH2 和抑制劑JH3。處理劑原料的選擇從2 方面考慮：①采用重金屬含量低、易降解、生物毒性低的天然材料；②對鹽堿土壤的改良具有一定積極的作用[8-10]。

1.1 流型調節劑JH1

流型調節劑JH1 是以黃原膠為基礎，與沙蒿膠、車前籽膠、魔芋膠、羅望子膠和海藻酸鈉捏合機混合。上述植物膠混合后，不同分子量的大分子聚合物與黃原膠在羥基作用下與水分子協同增黏，增強了JH1 的剪切稀釋性。JH1 可作為一種良好的保水材料，抑制了水分蒸發，提高了土壤飽和含水量，減少土壤水分的滲透和流失。可將溶于水中的化肥，農藥等農作物生長所需要的營養物質固定其中，在一定程度上減少了可溶性養分的淋溶損失[11]。

1.2 降濾失劑JH2

降濾失劑JH2 為天然淀粉，具體由木薯淀粉、芭蕉芋淀粉、馬鈴薯淀粉等基于一定比例復配制得。其中含有上述天然淀粉中所提供不同的分子鏈，分子鏈在水中伸展，形成布滿體系的混合網狀結構，形成致密的濾餅，降低濾失量。流型調節劑JH2富含蛋白質、多糖、脂類等有機物，在微生物分解作用下能有效增加土壤中有機質。

1.3 抑制劑JH3

將氨基酸、膽堿、硫酸鉀和磷酸氫二鈣混合，得到鉆井液所用抑制劑JH3。所研究的抑制劑JH3不含有毒的重金屬離子，對環境不造成傷害。JH3含有大量的鉀、鈣、胺根等離子，可中和黏土所帶負電荷而起到抑制黏土水化分散及泥頁巖的水化膨脹的作用。壓縮黏土雙電層厚度，減小δ電位起穩定巖石的作用。同時JH3 富含植物生長所需的N、P、K 元素，能夠增強土壤肥力。

2 生態鉆井液JH 室內研究

在所研制的3 種核心處理劑JH1、JH2、JH3的基礎上，通過篩選其他的環保處理劑，膨潤土選用農業上作為肥料增效劑的凹凸棒土配成膨潤土漿，潤滑劑選擇對環境友好無毒的植物油類，包被劑選擇常作為土壤改良劑的聚丙烯酰。最后形成了抗溫120 ℃生態鉆井液體系JH，體系配方如下。

3%膨潤土+0.2%NaOH+0.4%流型調節劑JH1+2.5%降濾失劑JH2+2%抑制劑JH3+3%植物油+0.6%包被劑+重晶石加至密度為1.3 g/cm3

2.1 生態鉆井液JH體系性能評價

2.1.1 鉆井液基本性能

分別測定生態鉆井液JH 在100、120、140 ℃下熱滾16 h 前后的基本性能，結果見表1。由表1可知，生態鉆井液JH 在 100 與120 ℃熱滾后，鉆井液黏度略微降低，流變性能仍然保持良好，動切力適中，能充分懸浮和攜帶鉆屑。120 ℃熱滾后的API 濾失量為3.4 mL，高溫高壓濾失量為10.2 mL，表明生態鉆井液JH 能滿足常規井鉆井需求；當溫度升至140 ℃后，老化后的鉆井液黏度和切力大幅減小，API 濾失量和高溫高壓濾失量顯著增加，且鉆井液有部分沉降，表明此時使用天然材料制備的處理劑在高溫下降解，鉆井液內部空間網絡結構被破壞，鉆井液性能變差。

表1 生態鉆井液在不同溫度下的基本性能

2.1.2 鉆井液抑制能力

根據SY/T 6335—1997 鉆井液用頁巖抑制劑評價方法[12]，測清水與生態鉆井液JH 在120 ℃下熱滾16 h 的巖屑回收率。結果表明，生態鉆井液JH的泥巖滾動回收率為72.6%，遠大于巖屑在清水中的回收率；生態鉆井液JH 在120 ℃、8 h 線性膨脹率為11.54%，低于在清水中的線性膨脹率（43%）。表明生態鉆井液JH 體系具有較好的抑制性能，能有效抑制泥頁巖水化膨脹與分散。

2.1.3 鉆井液抗污染能力

在生態鉆井液JH 中分別添加NaCl、CaCl2和劣土，在120 ℃、16 h 老化后評價生態鉆井液JH抗鹽、抗鈣及抗劣土能力（見表2）。

表2 生態鉆井液JH 的抗污染性評價

由表2 可知，隨著NaCl 加量增加，鉆井液黏度、切力先增大后降低，而濾失量是逐漸增加。當NaCl 加量為15%時，鉆井液流變性能良好，高溫高壓濾失量為12.5 mL，保持在15 mL 以內，表明其具有一定的抗鹽污染能力；隨著CaCl2增加，鉆井液的黏度和切力略有增加，降濾失量增量也隨之增加。當CaCl2加量為2%時，鉆井液整體流變性能比較穩定，降濾失量為12.8 mL 小于15 mL，表明該鉆井液具有一定的抗鈣污染能力；當CaCl2加量為5%時，由于其生態鉆井液處理劑多為聚合物，對Ca2+具有一定的敏感性，大量的Ca2+使鉆井液處于過度絮凝狀態，增加鉆井液的黏度、切力和濾失量。隨著劣質土加量的逐漸增加，鉆井液內固相顆粒增多，鉆井液表觀黏度和切力所受影響較大，體系黏度增幅較大，同時高溫高壓濾失量也逐漸增大。劣質土加量為5%，鉆井液性能比較穩定，高溫高壓濾失量為14.4 mL，小于15 mL。具有一定的抗劣土污染能力。

2.1.4 鉆井液潤滑性能

利用極壓潤滑儀、濾餅黏黏附系數測定儀，測試了生態鉆井液JH 在 120 ℃、16 h 老化后的潤滑性能。可知，生態鉆井液JH 濾餅黏滯系數和潤滑系數分別為0.0845 和0.106，潤滑性能良好，起到良好的降摩減阻效果。這是由于有機高分子處理劑能改善泥餅質量，提高泥餅的潤滑性能，植物油可通過在金屬、巖石和黏土表面形成吸附膜，降低鉆井液潤滑系數。

2.2 生態鉆井液環保性能評價

1）生物毒性。采用發光細菌法，參考企業標準Q/SY111—2007《油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發光細菌法》[13]。對生態鉆井液使用發光細菌法進行生物毒性檢驗，檢測結果表明EC50為89 600 mg/kg，符合環保要求。

2）生物降解性。通過BOD5/CODCr比值法來表征生態鉆井液JH 的生物降解性。生物毒性值越高毒性越小，當BOD5/CODCr比值大于10%時，表明樣品環保性能合格[13]。生態鉆井液JH 的BOD5/CODCr比值為25.9%，屬于易降解。

3）重金屬含量。重金屬測試采用分光光度法，結果見表3。含量控制標準參考GB15618—1995《土壤環境質量標準》、SY/T6787—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術要求》[13]，低于最低限值。

表3 生態鉆井液JH 的重金屬總含量 （mg·L-1）

3 鹽堿地的改良實驗

生態鉆井液JH 的環境友好型處理劑，在滿足其基本功能的同時，還對鹽堿土壤的理化性質具有好的改善效果。將生態鉆井液JH 施加在鹽堿地進行后期處理，與其他體系廢棄鉆井液處理相比，不僅降低了鉆井成本，二次利用有著很大的優勢[14-16]。

選用經過檸檬酸處理后的生態鉆井液JH、無機改良劑脫硫石膏、有機改良劑腐植酸、鉀基鉆井液和聚磺鉆井液對鹽堿土壤進行實驗處理。使用同一規格的花盆，每盆總土壤量15 kg，所選鹽堿土壤來自新疆鹽堿地，根據每盆土壤總量按百分比施加不同的土壤改良材料。設置1 個對照組CK，5個對照處理組T1、T2、T3、T4、T5，總土壤量均為15 kg。CK 組：加入3%的水進行充分攪拌均勻；T1 組：加入3%經過檸檬酸處理后的生態鉆井液JH，攪拌混勻；T2 組：加入3%無機改良劑脫硫石膏，攪拌混勻；T3 組：加入3%有機改良劑腐植酸，攪拌混勻；T4 組：加入3%鉀基鉆井液，攪拌混勻；T5 組：加入3%聚磺鉆井液，攪拌混勻。每個花盆種植苜蓿，第一天先澆透水，以后每3 d每個花盆分別澆灌500 mL 水，自然穩定30 d，再進行土壤的理化性質測定。

3.1 土壤中的全鹽量和pH值

土壤全鹽量是土壤中水溶性鹽的分析，是判斷土壤的鹽漬化狀況和鹽分動態的重要指標之一[17]，鹽分含量過高會抑制植物生長。土壤pH 值過高，堿化程度越高，理化性狀就越差，濕潤時容易膨脹、泥濘、分散，干燥時則收縮、堅硬、板結，通氣和透水性能都特別差[18]。在25 ℃通過電導法測土壤中的鹽分含量，使用電位法測定土壤pH 值。由表4 可知，與對照組CK 相比，無機改良劑脫硫石膏、有機改良劑腐植酸和生態鉆井液JH 均能有效降低土壤中的全鹽量。而鉀基鉆井液和聚磺鉆井液由于其中含有大量的鉀離子、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子等，使土壤的全鹽量大幅提高。T1 組中，使用生態鉆井液JH 處理的鹽堿土壤降幅最大，降幅為54.3%。

表4 土壤中全鹽量和pH 值

CK 中鹽堿土壤的pH 值為8.74；T1 處理后，由于生態鉆井液JH 經過檸檬酸處理后，對pH 值也有中和作用，加入鹽堿土壤后，降低土壤pH 值至6.942，使土壤改良至中性，到達正常水平，能夠滿足植物的正常生長；T2，T3 處理中pH 值略微下降，降幅分別為7%，5.2%；而T4，T5 處理中的鉀基鉆井液和聚磺鉆井液，由于本身呈堿性，因此反而加重了土壤的堿性程度。

綜上所述，由于生態鉆井液JH 本身攜帶有大量水分，同時其體系中所使用的高分子處理劑，流型調節劑有機膠、包被劑聚丙烯酰胺和降濾失劑淀粉聚合物等含有大量的親水分基團，能夠大量吸附土壤中的水分，抑制土壤中的水分蒸發，是優良的保水材料。因此可以稀釋土壤含鹽量及降低pH 值；生態鉆井液JH 中的膨潤土，具有很強吸附能力和離子交換能力，可對鈉、氯等有害離子進行置換吸附，能夠有效降低土壤含鹽量；抑制劑JH-3 中含有豐富的鈣離子，可以通過離子交換吸附置換出鹽堿地中的鈉離子，促進鹽分淋洗，使其隨水分流出，減少土壤鹽分含量。因此生態鉆井液JH 排鹽能力不弱于其他市面常見的土壤改良劑。

3.2 土壤容重

容重是土壤的重要物理性狀，影響著土壤的通氣性、含水量以及礦質元素的運移等方面，對土壤的孔隙度及土壤穿透阻力產生影響，從而影響土壤肥力的發揮和作物的生長[18]。測定土壤容重通常采用環刀法，用一定容積的環刀切割代表性的原狀土，使土樣充滿其中，稱量后計算單位容積的烘干土（105 ℃）質量[19]。土壤容重計算式見式（1）。

式中，ρ為土壤容積，g/cm3；m1環刀的質量，g；m2環刀+烘干土質量，g；V為環刀容積，cm3。

表5 表明，對照組CK 的鹽堿土的土壤容重為1.51 g/cm3。T1、T2、T3 各處理的土壤容重均明顯低于對照組CK 的土壤，分別降低了13.3%、6%、4.7%。其中T1 處理后的降幅最大。經過生態鉆井液處理后的鹽堿土壤，由于鉆井液中凹凸棒土獨特的層鏈狀結構特征和高分子處理劑自身擁有的多種官能團，與土壤發生各種物理化學反應從而改變土壤結構，減小土壤顆粒的密度，降低了土壤容重。而T4、T5 處理后容重反而增大，說明鉀基鉆井液和聚磺鉆井液并沒有對鹽堿土壤的容重有改善的效果，反而板結了土壤，增加了土壤容重。

表5 不同處理下鹽堿土壤的對比

3.3 土壤各團聚體直徑所占百分數

土壤結構性狀通常是由測定土壤團聚體來鑒別的，是土壤肥力的中心調節器，其大小分布和穩定性影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性[20]。土壤各團聚體測定的方法用干篩法[19]。實驗數據見表6。

表6 不同處理劑對鹽堿土壤各團聚體直徑所占百分數的影響

由表6 可知，T1、T2、T3 處理在0.5～0.25和小于 0.25 mm 的微團聚體數量均高于CK 中的純鹽堿土，其中T1 處理為最高，且小于 0.25 mm 的微團聚體數量占總含量的20%以上，處理后的鹽堿土壤能達到壤土顆粒含量標準，屬于壤土范圍。這是由于生態鉆井液JH 中部分處理劑具有較強吸附能力。凹凸棒土含有豐富的孔道結構加其特殊的表面物理化學結構及離子狀態；聚丙烯酰胺可與許多物質產生親和、吸附，表現出顯著的絮凝、團聚作用；流型調節劑JH1 作為一種親水性的有機膠體，能與土壤中的礦物質發生凝聚反應形成有機-無機復合體。這些處理劑可將周圍土壤中的一些細小土壤顆粒吸附和黏聚在一起，增加土壤中微團聚體數量。微團聚體數量的增加使得不同粒徑的土壤顆粒搭配更加合理協調，改善土壤的通氣透水性。而T4 和T5 的鉀基鉆井液和聚磺鉆井液處理后，微團聚體數量降低，土壤大顆粒的含量升高，土壤板結，易導致土壤的透水與通氣能力下降，對土壤的并沒有改善作用。

3.4 土壤的N，P，K含量與有機質含量

土壤有效氮也稱水解性氮，是植物從土壤中吸收和利用氮的主要形式。土壤中磷素的營養狀況是影響作物產量和品質的重要因素之一。鉀與氮、磷同屬于植物所需的大量元素。土壤缺乏鉀素，也是糧食生產的障礙因素。土壤有機質是土壤中礦質營養和有機營養的重要來源，又是土壤中微生物的能源物質，對土壤理化性質具有重要的影響[21-22]。土壤養分含量的測定使用有機質采用K2Cr2O7滴定法；有效氮采用NaOH-堿解擴散法；有效磷采用NaHCO3-鉬銻抗比色法；有效鉀采用 NH4OAc-火焰光度法[19]。對比分析改良后土壤理化性質，改良后土壤N，P，K 與有機質含量如表7 所示。

表7 改良后鹽堿地土壤中N、P、K 含量

可以看出，對照組CK 中的鹽堿土的土壤肥力較低，與之對比，T1、T2、T3、T4、T5 有機質有含量均有增加，其中T1、T4、T5 處理后的有機質含量增幅較大，增幅達49.7%～65.8%。與CK 組相比，T1 處理后的氮、磷、鉀含量增幅變化大，達 59.25%～113.82%。由于鉆井液中處理劑大多數為天然材料以及天然改性產物，如流型調節劑JH1、降濾失劑JH2、聚丙烯酰胺和植物油均為可被植物或者微生物分解為有機質。而抑制劑JH3中的氨基酸、膽堿、硫酸鉀和磷酸氫二鈣可提高土壤中的N、P、K 元素。由此可見，生態鉆井液JH能夠有效提高土壤肥力，對植物生長起促進作用。

4 結論

1.通過研選基于天然材料且具有肥田效果的降濾失劑JH1、流型調節劑JH2 與抑制劑JH3，并選擇其他環境友好型處理劑，形成了抗溫達120 ℃的生態鉆井液JH。結果表明，該體系在常溫及120 ℃下都具有穩定的流變性能，抗鹽、鈣及抗劣質土污染能力，能滿足鉆探作業對鉆井液性能的要求。

2.土壤實驗結果表明，生態鉆井液JH 能夠改善土壤通透性、降低土壤容重；有效地降低土壤鹽分含量及pH 值；提高土壤保水、保肥能力，同時為土壤、作物提供了充足的有機物及N、P、K 等營養物質。生態鉆井液JH 對土壤理化性質的影響存在一定的協同作用，綜合性能好于單施某一種土壤改良劑。

3.生態鉆井液體系JH 對環境友好，符合環保排放標準，可用于新疆脆弱地質區域鉆探施工，解決生態敏感區域鉆探的環保問題，對解決廢棄鉆井液處理難的問題以及改善新疆貧瘠的土壤條件有著重要的應用價值。