一種新型環(huán)保鉆井液降濾失劑研制及特性評價

桑峰軍

（中石化中原石油工程有限公司工程服務管理中心，河南 濮陽 457001）

環(huán)保問題已成為全球各行各業(yè)健康、快速、可持續(xù)發(fā)展的必要前提，特別是能源礦產(chǎn)行業(yè)。油氣資源目前仍是世界能源需求的主要方向，油氣資源勘探開發(fā)過程中的環(huán)境污染問題比較突出，已經(jīng)被人們所關注[1-3]。其中，油氣鉆井過程中，鉆井液的大量使用極易造成井場周圍環(huán)境污染，進而影響周邊居民的生存環(huán)境。因此，鉆井液的環(huán)保性能要求逐漸提高，已成為鉆井液現(xiàn)場使用的必要前提之一。水基鉆井液由于具有相對較低的成本，便于維護，目前仍是油氣鉆探過程中的首選[4-5]。水基鉆井液主要在基漿中加入多種鉆井液處理劑，在一定條件下配制而成，因而處理劑的環(huán)保性能直接關乎鉆井液配方的環(huán)保性。鉆井液對環(huán)境的污染同時還體現(xiàn)在鉆井污水，廢棄鉆井液的處理上，如鉆井液處理劑的可降解性、生物毒性等直接影響著廢棄鉆井液的環(huán)保化處理難度及成本[6]。油氣田現(xiàn)場鉆井過程中，對廢棄鉆井液的處理大多都采用直接填埋、固化再利用及廢液化學處理等措施，最終達到環(huán)保排放要求。由此可見，從源頭上保證鉆井液的環(huán)保性能至關重要，也就是說確保鉆井液處理劑的環(huán)保性對于環(huán)境保護和降本增效意義重大。

鉆井液降濾失劑主要起調整鉆井液降濾失性能，進而維護井壁穩(wěn)定性問題，因此鉆井液處理劑對于鉆井液綜合性能至關重要。目前，國內外學者針對環(huán)保、抗溫、抗鹽等一系列技術難題，開展了大量鉆井液降濾失劑的研究。徐運波等[7]針對深井、超深井鉆探過程中鉆井液降濾失劑耐溫能力不足、濾失造壁性能差等問題，以超分子聚合物的聚合理論為基礎，以AMPS、AM與N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)為單體，合成了一種三元共聚物降濾失劑。該處理劑的降濾失效果優(yōu)良，可抗溫180℃，但環(huán)保性能需要提升。王新銳等[8-9]利用丙烯酰胺（AM）、順丁烯二酸（MA）為功能性單體，過硫酸銨作為引發(fā)劑，采用反相微乳液聚合法制備出聚合物MA-AM，該處理劑具有相對優(yōu)良的降濾失性能，但制備工藝復雜，成本較高。陳思琪、楊超等[10-11]以羧甲基淀粉CMS為合成基體，在過硫酸鉀和亞硫酸鈉氧化還原體系的引發(fā)下，以接枝非離子單體AM和陰離子單體AMPS，合成了改性羧甲基淀粉共聚物。遲姚玲等[12]采用接枝共聚方法在淀粉鏈狀結構上引入丙烯酰胺和丙磺酸單體，優(yōu)化其反應工藝，得到改性淀粉。評價結果表明，該改性淀粉處理劑的耐溫性能大幅提高，降濾失性能優(yōu)良，但制備工藝較復雜，成本相對較高。Luigi F.等[13-14]提出了一種新型的抗高溫鉆井完井液添加劑檸檬酸鋯。室內和現(xiàn)場試驗表明，在鉆井液中加入檸檬酸鋯后，提高了褐煤及木質素磺酸鹽在分散鉆井液中的抗溫穩(wěn)定性，控制了膨潤土在高溫下的膠凝稠化。

由此可見，為有效保證鉆井液配方的環(huán)保性能，鉆井液降濾失劑制備原材料盡可能優(yōu)先選擇天然高分子類，如淀粉、纖維素及木質素等。本文通過優(yōu)選天然高分子淀粉材料，通過改性得到了一種環(huán)保鉆井液降濾失劑FLA-2，為環(huán)保鉆井液配制提供良好的借鑒。

1 實驗材料及方法

1.1 主要實驗材料

實驗中用到的化學材料主要有：無水乙醇，碳酸鈉，氫氧化鈉，過硫酸鉀、丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸鈉，均購自國藥集團化學試劑有限公司。玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等，市售廠家購買。鉆井液用包被劑、防塌劑、固壁劑、封堵劑、成膜劑、稀釋劑等均從油田現(xiàn)場調取。實驗中用到的儀器主要有：ZN-6六速旋轉黏度計、API常溫中壓濾失儀、鉆井液用密度計、鉆井液高溫高壓濾失量測定儀，均購于青島海通達專用儀器有限公司。四口燒瓶、冷凝管、加液漏斗、玻璃瓶塞、燒杯，均購于相關玻璃儀器廠家。DXY-3智能化生物毒性檢測儀，購于山東藍虹光電科技有限公司。生化需氧量測定儀、化學需氧量測定儀，購自青島路博建業(yè)環(huán)保科技有限公司。

1.2 新型降濾失劑制備及特性評價方法

1）天然淀粉材料優(yōu)選。目前市售天然淀粉材料種類較多，如玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉等等，且不同的廠家由于原材料及生產(chǎn)工藝不同而生產(chǎn)出的淀粉產(chǎn)品質量也不相同。因此，基于原材料環(huán)保性、成本、穩(wěn)定性及降濾失效果等主要因素，室內通過大量預探性實驗優(yōu)選了MLS-3玉米淀粉作為降濾失劑的主要原材料。

2） 降濾失劑FLA-2制備。首先，將四口燒瓶固定在加熱到70℃的恒溫水浴鍋中，加入200mL去離子水，15min后，待四口燒瓶中的去離子水達到70℃后，加入40g玉米淀粉，并開啟攪拌，攪拌速度設計為320r/min。攪拌1h后，將水浴溫度降低至45℃，加入10g丙烯酰胺、5g甲基丙烯磺酸鈉。攪拌30min后，加入0.60g過硫酸鉀。反應6h后，終止反應，將反應混合物取出，置于室內，冷卻至常溫。加入大量無水乙醇，將改性產(chǎn)物進行提純，將產(chǎn)生的沉淀置于烘箱內，50℃下烘干研磨，即得到改性降濾失劑FLA-2。

3） 實驗漿的配制。淡水膨潤土基漿：將500mL清水加入不銹鋼杯中，置于高速攪拌機上攪拌，轉速設為10000r/min；加入1.0g無水碳酸鈉，溶解后加入20g鈉基膨潤土，攪拌30min后，靜置24h備用。實驗漿：在淡水膨潤土基漿中加入不同質量的FLA-2和各類處理劑，配制不同的實驗漿。

4） 流變性能測試。采用六速旋轉黏度計，讀取實驗漿的600、300、200、100rpm、6和3讀數(shù)，根據(jù)鉆井液黏度計算公式求取實驗漿的各項流變參數(shù)。

5）生物降解性能及生物毒性測試。依據(jù)相關行業(yè)測試標準，采用生化需氧量測定儀和化學需氧量測定儀以及生物毒性檢測儀，測定處理劑及實驗漿的生物降解性能及生物毒性。

2 實驗結果及分析

2.1 FLA-2的常規(guī)理化性能評價

鉆井液降濾失劑的主要作用是調整鉆井液的濾失性能，但其它常規(guī)性能也需要鉆井液使用的基本需求，如對基漿密度、流變性等的影響。將1.0%（質量分數(shù)，下同）的FLA-2加入上述淡水膨潤土基漿中，測試常溫條件下實驗漿的密度、流變性能、濾失性能等，實驗結果見表1。從表1中看出，加入1.0%的FLA-2后，實驗基漿的密度變化較小，表觀黏度、塑性黏度及切力均有一定上升，API濾失量顯著降低，降低幅度達73.44%。由此可見，新研制的降濾失劑FLA-2對鉆井液基漿的影響較小，配伍性良好，且降濾失效果顯著。

2.2 FLA-2的加量優(yōu)選

現(xiàn)場鉆進過程中，由于鉆井液性能需要不斷循環(huán)、維護，需要不斷加入鉆井液處理劑，因此造成成本較高。因而較優(yōu)的鉆井液處理劑加量對于鉆井液配方而言至關重要。分別向淡水膨潤土基漿中加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的FLA-2，分別測試實驗漿的流變性及濾失性能，結果見圖1。從圖1看出，隨著降濾失劑FLA-2加量的逐漸增大，實驗漿的表觀黏度AV、塑性黏度PV逐步升高，且當FLA-2加量增加至1.5wt%后，黏度值增加幅度較大，說明FLA-2具有良好的增黏提切效果；同時，隨著降濾失劑加量的增加，實驗漿的API濾失量逐漸降低，當FLA-2加量增至2.0%后，實驗漿的API濾失量變化較小。因此，綜合考慮降濾失劑的性能及成本，選取FLA-2的較優(yōu)加量為1.5%～2.0%。

表1 FLA-2的常規(guī)理化性能實驗評價結果

2.3 FLA-2的抗溫效果評價

圖1 FLA-2加量優(yōu)選實驗評價結果

現(xiàn)場實踐表明，天然高分子類鉆井液材料的抗溫能力普遍較差，這也是限制環(huán)保類鉆井液處理劑推廣應用的關鍵問題之一。向淡水膨潤土基漿中加入2.0%的FLA-2，分別考察110℃/16h、120℃/16h、130℃/16h及150℃/16h熱滾前后實驗漿的流變性及濾失性能，實驗結果見表2。

表2表明，在一定加量條件下，隨著熱滾溫度的升高，實驗漿熱滾前后的黏度值逐漸降低，當溫度達到150℃時，實驗漿的表觀黏度降低率超過50%，且API濾失量、HTHP濾失量均較大。此外，通過對比觀察API濾失量和HTHP濾失量測試后的泥餅質量可返現(xiàn)，當熱滾溫度150℃后，實驗漿的API泥餅和HTHP泥餅均顯著增厚，主要是由于高溫條件下處理劑的耐溫穩(wěn)定性被破壞，導致大量固相顆粒沉積在泥餅表面，泥餅虛厚且不致密，進而造成濾失量顯著增加。因此，可認為降濾失劑FLA-2可抗溫130℃。

表2 不同溫度熱滾前后實驗漿的流變性及濾失性能

2.4 FLA-2的環(huán)保性能評價

1） 生物降解性測試。按照GB11914-89《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鉀法》和HJ505-2009《水質五日生化需氧量的測定稀釋與接種法》，采用ρ（BOD5）和ρ（CODCr）比值法進行評價，對FLA-2的生物降解性能進行了實驗評價。實驗結果表明，降濾失劑FLA-2的ρ（BOD5）/ρ（CODCr）值為20.68%，根據(jù)相關評價標準指標，可認為降濾失劑FLA-2屬于比較容易降解。

2） 生物毒性測試。參考GB/T18420.2-2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第2部分：檢驗方法》及GB/T18420.1-2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第1部分：分級》，采用發(fā)光細菌法，測試了FLA-2的生物毒性EC50。實驗結果表明，F(xiàn)LA-2溶液的EC50值為4.2×104mg/L，遠高于國家標準規(guī)定的2×104mg/L，滿足環(huán)保需求。

2.5 與市售常用環(huán)保降濾失劑性能對比

采用淡水膨潤土基漿，分別選取市售常用效果較好的環(huán)保型降濾失劑（包括馬鈴薯淀粉類FJJ-1、玉米淀粉類FJJ-2、纖維素類FJJ-3、合成聚合物類FJJ-4），對比考察1.5%加量條件下，F(xiàn)LA-2與現(xiàn)有降濾失劑的降濾失效果及環(huán)保性能，實驗結果見表3。從表3結果可看出，自制降濾失劑FLA-2的API濾失量降低率相對最高，同時生物可降解性[ρ（BOD5）/ρ（CODCr）]和生物毒性（EC50）測試結果均優(yōu)于其它幾類降濾失劑。綜上所述，降濾失劑FLA-2的降濾失效果及環(huán)保性能較優(yōu)，性價比較高。

3 結論及建議

1）通過天然高分子材料優(yōu)選得到MLS-3玉米淀粉，并以其為基礎，通過一系列化學改性過程制備出綜合性能較優(yōu)的環(huán)保型降濾失劑FLA-2。該降濾失劑與鉆井液的配伍性較好，增黏提切效果明顯，且在4%淡水膨潤土基漿中的API濾失量降低率達到73.44%，降濾失效果優(yōu)良。

表3 不同環(huán)保型降濾失劑的降濾失效果及環(huán)保性能對比

2） 降濾失劑FLA-2的較優(yōu)加量為1.5%～2.0%，可抗溫130℃，屬于較易生物降解類型，無生物毒性，滿足環(huán)保需求，且降濾失效果及環(huán)保性能均優(yōu)于市售常用效果較好的降濾失劑產(chǎn)品。建議后續(xù)展開降濾失劑FLA系列產(chǎn)品的抗溫性能優(yōu)化及作用機理分析相關研究工作。