高性能环保水基钻井液技术研究新进展

刘均一

中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 251064

钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分，在钻井工程施工中起着关键性作用，而研发高性能钻井液体系一直是钻井工程技术领域的研究重点与热点。随着油气勘探开发难度的增大以及对经济和环境效益的不断追求，“安全、快速、优质、环保、高效”已成为钻井技术发展的更高目标，这必然对钻井液、完井液提出更全面更高的技术要求[1-4]。

现阶段，聚合物钻井液、聚磺钻井液等传统水基钻井液体系的性能均无法满足复杂结构井的钻井施工要求，环保与抗高温等性能有待全面改进提高，而油基钻井液则具有强抑制性、优良润滑性以及高温稳定性等优点，已成为复杂结构井钻井施工的重要技术手段[5-6]。但随着我国环保法律法规的不断完善及环保要求的不断提高，钻井工程环保形势日益严峻，尤其在环境敏感和生态脆弱地区，钻井液已成为钻井工程的主要污染源之一，大量废弃钻井液与含油钻屑无法直接排放，需要利用特殊工艺进行无害化处理，相关工艺技术复杂，设备投入大，处理成本高，大大限制了油基钻井液的推广应用[7-8]。为此，研发一种具有油基钻井液性能优点，又能克服传统油基钻井液的环保问题及干扰地质录井等缺点，同时配制简单、维护方便，且成本可接受的高性能环保型水基钻井液，有助于显著减少钻井复杂事故，提高油气钻探开发的综合效益，推动复杂油气藏的勘探开发进程。

近年来，国外石油公司陆续研发了仿油基钻井液的环保水基钻井液体系，并提出了“客户定制式”高性能水基钻井液设计理念[9-11]，如M-I SWACO公司UltraDrill、HydraGlyde高性能水基钻井液体系，贝克休斯公司LatiDrill、PerforMax高性能水基钻井液体系，哈里伯顿公司ShaleDril水基钻井液体系，NEWPARK公司Evolution水基钻井液体系等，均取得了良好的现场应用效果。目前我国在环保型水基钻井液方面也取得了较大进展，陆续研发了聚胺仿油基水基钻井液、页岩气“水替油”的高性能水基钻井液等[12-15]，但在钻井液抗高温性能与环保性能等方面仍与国外成熟专利技术存在较大差距，研发具有自主知识产权的高性能环保型水基钻井液关键处理剂及配套体系是当前钻井液工艺技术领域的重要课题之一。因此，本文将从高性能环保水基钻井液体系、环保型钻井液关键处理剂、钻井液环保性能评价方法等3个方面，综述国内外高性能环保水基钻井液技术研究新进展，展望高性能环保水基钻井液技术发展趋势。

1 高性能环保水基钻井液体系的研究

1.1 国外研究进展

随着油气资源勘探开发程度的不断提高，常规油气资源越来越少，钻探开发范围已逐步走向深层超深层、海洋深水、非常规等复杂地质条件地层，这对钻井液技术提出了更高的要求。现阶段，油基钻井液具有强抑制性、优良润滑性以及高温稳定性等优点，已成为复杂结构井钻井施工的重要技术手段，但油基钻井液的环境污染、高成本等缺点同样十分突出，无法满足我国钻井工程日益严格的“环境保护”与“降本增效”要求。而传统水基钻井液体系的性能仍无法满足复杂结构井的钻井工程要求，有待全面改进提高。因此，研发一种具有仿油基钻井液性能的环保型高性能水基钻井液体系，以满足防塌、防泥包、防阻卡、提高钻速，并兼顾储层和环境保护以及控制钻井液成本等更高的技术要求，已成为国内外石油公司的研究热点与重点。

表1 国外油服公司的典型高性能水基钻井液体系

近年来，国外石油公司以无生物毒性、易生物降解、钻井液配方简单为技术目标，研发出了多种高性能环保水基钻井液体系及配套关键处理剂。M-I SWACO公司重点通过优化水基钻井液体系配方以达到仿油基钻井液性能目标，陆续研发了高性能水基钻井液体系(UlraDrill)、高性能环保型水基钻井液体系(HydraGlyde)等，并提出了“客户定制式”高性能水基钻井液设计理念[9-11]。其中，UlraDrill钻井液体系是由低分子量包被剂Ultra-CAP、纤维素降滤失剂Poly-PAC、页岩强抑制剂Ultra-HIB、防泥包剂Ultra-Free等组成，抗高温达135 ℃；HydraGlyde高性能水基钻井液体系是由包被剂HydraCap、生物聚合物Duo-VIS、超低黏度聚阴离子纤维素Polypac-UL、页岩抑制剂HydraHib、润滑提速剂HydraSpeed等组成，既保持了水基钻井液的环境适应性好与成本低等优点，又能够降低扭矩，达到与油基钻井液相媲美的钻速，同时还能避免井壁失稳等钻井复杂情况，为复杂结构井钻井施工提供了一种“快速、安全、灵活”的钻井液技术方案。此外，M-I SWACO公司探索利用新型纳米钻井液处理剂，通过物理封堵微孔缝来阻缓压力传递与滤液侵入，以提高钻井液在页岩地层中的井壁稳定性，其中所使用的纳米材料均满足严格的HSE要求，具有良好的环保性能[16]。

Baker Hughes公司将聚胺化合物与聚合醇的浊点和铝的化合作用相结合，研发了PerforMax高性能水基钻井液体系，该体系利用纳米聚合物封堵剂Max-Shield、铝基化学封堵剂Max-Ples、页岩水化抑制剂Max-Guard、聚合物包被剂New-Drill的共同作用来封堵页岩孔隙与微裂缝，阻止压力传递与滤液侵入，具有抑制性强、高温稳定、保护储层及保护环境等优点，可达到美国环保局规定的墨西哥湾排放要求[17]。

Halliburton公司根据不同页岩地层的复杂特性，研发形成了Shall-Dril高性能水基钻井液体系系列，包括Shall-Dril-F、Shall-Dril-H、Shall-Dril-B、Shall-Dril-E等4套方案[18]，具有强抑制、高润滑、高机械钻速、低成本等优点，并广泛应用于美国Haynesville、Fayetteville、Barnett、Eagle Ford等主要页岩气勘探开发区块。此外，Halliburton公司还以新研制的抗175 ℃高温聚合物增黏提切剂为基础，研发了一套无黏土相、强抑制的hydroGuard高性能水基钻井液体系，其具有类油基钻井液性能特点，可替代油基钻井液应用于深水、页岩气钻井施工，突破了无膨润土钻井液高温稳定性这一技术瓶颈[19]。

综上分析可知，Schlumberger，Baker Hughes，Halliburton等国外石油公司均已研发形成了相对成熟的高性能环保水基钻井液体系及系列配套钻井液处理剂，能够为现场客户提供“个性化定制”的高性能环保水基钻井液技术服务。同时随着高性能水基钻井液技术研究的不断深入，国外最新一代高性能水基钻井液体系具有：环保性能良好、配方组成简单、性能调控简便，只需要在膨润土浆中加入3～4种高性能关键处理剂，即可满足复杂地层的钻井液施工要求，能够显著提高复杂油气钻探开发的综合效益。但值得注意的是，国外石油公司的高性能环保水基钻井液专利技术目前仍处于高度保密阶段，技术服务价格高，国产自主化研发缺乏借鉴参考，技术难度大，亟需针对性地开展相应的研究工作。

1.2 国内研究进展

为了满足钻井工程技术需求，钻井完井液体系中处理剂的种类和数量越来越多，对脆弱的油田生态环境造成的危害也越来越大。近年来，我国持续研发了多项钻井液环保技术，但多集中在“末端治理”方面，即废弃钻井液无害化处理与含油钻屑配套处理技术等，相关工艺技术复杂，设备投入大，处理成本高。因此，自20世纪90年代以来，我国开始重视研发环保钻井液体系，从源头上控制钻井液对环境的污染，由“末端治理”向“源头控制、过程控制”转变，研发的聚合醇钻井液、甲酸盐钻井液、硅酸盐钻井液、烷基葡萄糖苷钻井液等环保型钻井液体系[20]，其共同特点是生物毒性小、易降解、对环境影响小。但上述钻井液体系因成本高或应用效果不理想，未能推广应用。同时为了满足复杂地层条件下的钻井液性能要求，现场应用中上述体系均复配了合成高分子聚合物或磺化类处理剂，从而影响了钻井液体系的整体环保性能。

1)聚合醇钻井液体系。该钻井液体系是以聚合醇作为核心处理剂，利用聚合醇的“浊点效应”，有效地提高钻井液的封堵、润滑性能。此外，聚合醇通常需要与KCl共同作用，协同增强钻井液的水化抑制性能，但加入较高浓度钾盐将会显著影响聚合醇钻井液的环保性能。

2)甲酸盐钻井液体系。该体系具有抑制性强、流变性好、固相含量低等特点，且能够显著提高天然高分子的热稳定性，可将黄原胶的抗温能力提高到180 ℃以上，但因成本问题一般用于钻探高温高压井储层段。

3)硅酸盐钻井液体系。以不同模数的硅酸钾或硅酸钠为核心处理剂，研发的硅酸盐钻井液体系，具有优异的封堵防塌、水化抑制与环境相容性能，是一种综合性能优异、低成本的环保型防塌水基钻井液体系，但硅酸盐受温度和pH值的限制，硅酸盐钻井液的流变性和润滑性现场难以控制，限制了其推广使用。

4)甲基葡萄糖苷钻井液体系。甲基葡萄糖苷钻井液属于一种无生物毒性、易生物降解的新型环保型水基钻井液体系，具有仿油基钻井液的“强抑制、高润滑”性能，能够满足海洋等环境敏感地区的复杂钻井施工要求。

2 环保型水基钻井液关键处理剂的研究

2.1 国外研究进展

研发无生物毒性、可生物降解的环保钻井液处理剂是配制环保型钻井液体系的关键。近年来，国外石油公司相继研发了抗高温降滤失剂、环保润滑剂等新型钻井液处理剂[21-22]，以满足环保钻井液性能要求。在抗高温降滤失剂方面，美国NALCO公司研发了AMPS、AM和MBA的共聚物，该共聚物含有AMPS单体链节含量达57%～61%，具有很好的抗高温性和抗硬水性，主要应用于高温高压高矿化度条件下钻井液用降滤失剂和流型调节剂。巴斯夫公司研发了一种抗200 ℃高温的聚合物降滤失剂Poly-drill，其分子量在2×105左右，具有优异的抗盐(饱和)、抗钙镁性能，能够满足抗高温饱和盐水钻井液的降滤失性能要求。BP-Amoco公司以磺化苯乙烯(SS)、马来酸酐(MA)为聚合单体，研发了一种抗200 ℃高温降滤失剂。Baker Hughes公司则以丙烯酰胺(AM)、N-烷基丙烯酰胺(NAAM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为合成单体，通过共聚反应合成了2种抗高温钻井液降滤失剂Pyro-Trol、Kem-Seal，适用于抗温180 ℃的海洋钻井施工要求。

此外，国外石油公司持续重视对淀粉、纤维素等天然高分子材料的深度改性优化，相继研发了多种环保型钻井液处理剂，以满足环保钻井液性能要求，但其抗高温能力通常在130 ℃以下，仍需通过深度改性进一步提高天然高分子降滤失剂的抗高温性能。M-I SWACO公司研发了多种抗高温淀粉降滤失剂Poly-Sal、Flo-Trol、Duo-Flo，并与聚阴离子纤维素PAC-LV复配使用，研发了抗温130～150 ℃的抗高温环保型水基钻井液体系，钻井液的API滤失量可控制在10 mL以内。此外，甲酸盐可以显著提高淀粉降滤失剂等天然高分子处理剂的抗温耐温性能。

在环保型润滑剂方面，Baker Hughes利用脂肪酸和多乙烯多胺形成脂肪酸铵盐与脂肪酸甲酯复配，其中脂肪酸铵盐对钻具和岩体表面具有强吸附作用，能够形成稳定油膜，从而增强润滑和稳定井壁的能力。美国倚科能源有限公司推出了一种Egstm DFL钻井液用键合型润滑剂，DFL中的活性组分与井眼内的自由离子缔合产生平滑表面，能够对流动界面内固有涡流进行有效控制，在大位移井增斜井段等复杂钻井施工中使用可有效降低摩阻，提高机械钻速。美国ProOne公司开发的高性能润滑剂XPL与倚科能源DFL相当，使用该产品时摩擦力和扭矩在整个系统都得以减低，即使在井眼曲率较大处也可以提高时效50%。国外公司利用键合型润滑剂使得传统的水基钻井液在润滑性能上获得了革命性的突破，有效提高钻井整体作业效率达25%以上。

2.2 国内研究进展

目前，国内环保型水基钻井液处理剂主要集中在淀粉、纤维素、木质素、植物胶等天然高分子材料，易生物降解，环保性能好，但抗高温一般在120 ℃左右，主要应用于上部浅层钻井。其中，抗高温聚合物降滤失剂类国内采用AMPS、AM、AA、NVP等单体与天然高分子聚合物接枝共聚，研制了多种抗高温降滤失剂，抗高温最高可达180 ℃，但都处于室内研究阶段，且环保性能受AMPS、AM等残留合成单体的影响较大；页岩抑制剂类主要有多元醇、烷基葡萄糖苷、有机盐、硅酸盐等，这些处理剂主要是抑制泥页岩水化膨胀，其他配套处理剂仍需完善；高温增黏剂主要有高温弱凝胶GEL和80A-51，GEL是以生物聚合物为主要原料，经表面活化后与聚合物以及高温保护剂等复合，80A-51是丙烯酸盐共聚物，两种处理剂的抗高温性均低于150 ℃；极压润滑剂类主要有植物油、聚醚类、酯类、聚α-烯烃(PAO)类等，这些润滑剂生物毒性低、易生物降解，但热稳定性和氧化稳定性能仍需进一步研究完善[23-24]。

无毒且可生物降解的环保钻井液处理剂是配制环保型钻井液体系的关键。现阶段，我国环保型处理剂的研究主要集中在降滤失剂上，同时环保型降滤失剂的热稳定性则直接影响了环保型钻井液体系的抗温稳定性能。其中，改性淀粉作为一种无毒、易降解的环保型钻井液降滤失剂，抗温能力通常小于130 ℃，普遍应用于地层温度较低的油气钻探区块，无法满足高温高压地层的钻井液施工要求[25]。由于淀粉分子中存在大量可反应性羟基，国内外通常利用接枝共聚法、交联/醚化复合改性法、交联抗氧化法等方法来提高改性淀粉的抗温降滤失效果，但仍停留在实验室阶段，未见相关现有应用报道。其中，以玉米淀粉为原料研制的复合离子型改性淀粉降滤失剂CSJ，可抗饱和盐水、抗温140 ℃，综合性能均优于抗温改性淀粉DFD；降滤失剂FL-W20则是通过在淀粉分子中引入无毒的无机硅，将改性淀粉的抗温性能提高至150 ℃。

此外，国内外也陆续研发了环保型抑制防塌剂、环保型润滑剂等。其中，白沥青W-ASP是以高级脂肪醇树脂为原材料，经过一系列水溶改性而得到的一种无荧光防塌剂，具有类似于沥青的封堵防塌、降滤失性能；聚醚型多元醇防塌剂SYP-1、多羟基聚合物防塌剂CXC-1、强力抑制防塌剂QYJ等，均具有良好的封堵、抑制性能，且无生物毒性、易生物降解，满足环保性能要求。

由此可见，国内在环保型钻井液处理剂与体系方面也取得了较大进展，但多数环保型钻井液处理剂普遍存在合成工艺复杂、成本较高、性能单一等缺点，目前在复杂高温地层钻井过程中仍然多采用人工合成高分子与磺化类处理剂，尚未有效解决钻井液处理剂环保性与高温稳定性之间的矛盾。因此，下一步仍需要利用淀粉、纤维素、植物胶等来源丰富、价格低廉的天然高分子材料，通过深度化学改性工艺，研发出新型环保钻井液处理剂，以替代合成聚合物、沥青等常用非环保钻井液处理剂。

3 钻井液环保指标及评价方法的研究

随着环保钻井液技术的不断发展，国内外相继研发了多种环保型钻井液处理剂及配套体系，但尚未建立统一的钻井液环保性能检测标准和评价体系，缺乏对环保钻井液处理剂及配套体系的环保性能检测数据支撑。国外通常将废弃钻井液归类为工业固体废弃物，按照工业固废物标准来进行贮存、处置和污染物控制；而在我国并未形成废弃钻井液污染控制与处理专用标准，往往需要参考水污染、固体废物污染控制标准与法规。

参考OSPAR、OECD、ISO等国外组织对有机污染物的管理要求，结合《钻井废物管理的规定》(Alberta Energy and Utilities Board Guidelines 50)、《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)、《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)等相关环保标准，总结提出了钻井液环保性能评价指标与推荐评价方法，包括生物毒性、生物降解性、重金属元素(镉、汞、铬、铅、砷)、石油类、pH值等5类9项指标，分别对废钻井液的毒性、残留有机物、累积性重金属、烃类含量等进行重点评价[26-28]，见表2。

表2 钻井液环保性能评价指标与推荐评价方法

表3 生物毒性等级划分标准

表3为钻井液生物毒性等级划分标准，生物毒性(急性毒性)测试方法以糠虾试验法和发光细菌法为主，其中与糠虾试验法相比，发光细菌法检测精度更高，而且检测时间短、成本低，被美国EPA和API等权威机构认证为钻井液生物毒性推荐测试方法。此外，推荐采用BOD5/CODCr的比值评定钻井液处理剂的可生物降解性，其中BOD5/CODCr<10%属于“难生物降解”、10%≤BOD5/CODCr<25%属于“可生物降解”、BOD5/CODCr≥25%属于“易生物降解”。

4 高性能环保水基钻井液技术发展趋势

随着高性能环保钻井液技术的不断发展，国内外陆续研发了一批仿油基钻井液性能的高性能环保水基钻井液体系，并取得了较好的现场应用效果，但在抗高温性能、综合环保性能等方面仍需要进一步深入研究完善。高性能环保水基钻井液技术发展趋势概括如下：

1)深入研究提高天然高分子材料抗高温性的作用机制，并在此基础上，借鉴先进的化学、生物和纳米技术，利用来源丰富、价格低廉的天然原料，如淀粉、纤维素、木质素、栲胶和植物胶等，进行复合或深度改性，有针对性地研发低成本高效环保型水基钻井液处理剂，为构建高性能环保水基钻井液体系提供物质保障。

2)选用钻井液配伍性、抗温稳定性、储层保护、环境友好等性能指标，综合评价新型钻井液处理剂与环保钻井液体系的现场应用效果，最终形成环保型水基钻井液关键处理剂系列，构建仿油基钻井液性能的高性能环保水基钻井液体系，以获得最佳的综合效益。

3)尽快从生物毒性、生物降解性、重金属元素含量等方面规范建立钻井液环保性能评价标准体系，提高钻井液处理剂与体系环保性能评价的准确性和科学性。