环保型类无机钻井液体系研究及应用

董宏伟，段志峰，王勇强

1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，2.中国石油长庆油田油气工艺研究院，3.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院：西安 710016

在钻井技术中，钻井液的环保问题受到国家环保法律政策的规范和限制。因此，立足当前环保钻井液技术的发展，探索新型钻井液技术[1-5]，对于钻井技术的发展具有举足轻重的作用。

钻井液被誉钻井的“血液”，当完成钻井工程后，不能回收利用部分的处理是解决钻井液环保性的难点[6-9]，特别是钻井液使用的腐殖酸类、树脂类、沥青类、单宁类、丙烯酸类聚合物等产品，使钻井液COD值、BOD5值普遍偏高，且毒性大，排放物的指标难达到SY/T 6787—2010《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》、SY/T 6788—2010《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》和GB 8978—1996《污水综合排放标准》，目前的处理方法极易造成二次污染，也是国家严令预防的。因而低COD值、BOD5值、毒性小，有利于后期处理的钻井液技术是目前解决环保钻井液的关键。笔者以合成的无机提黏切剂G339为主剂，优选其他环保添加剂，制备环保型类无机钻井液体系，使体系的COD值、BOD5值大大降低，解决了COD值、BOD5值普遍偏高的问题。

1 实验

1.1 原料与仪器

AlCl3、MgCl2、十二烷基硫酸钠(SBS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基单磷酸钾(PK)、KCl、NH4Cl，均为分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；聚丙烯酸钾(KPAM)、PAC-L聚阴离子纤维素(低黏)、PAC-H聚阴离子纤维素(高黏)、ASR-1酸溶性淀粉，均为工业级，河北光大石化有限公司；正电胶(GWMMH)、SO-1、HFT-301，均为工业级，山东得顺源石油科技有限公司；Na2SiO3，分析纯，济南博智化工有限公司；K2SO4，分析纯，连云港科信化工有限公司；ASP-1250，超细碳酸钙(1250目)，工业级，河北佰斯特科技有限公司。

900型黏度测定仪、ZNS中压滤失仪，青岛海通达仪器公司；Fann 212型极压润滑仪、Fann 440毛细管吸收时间测定仪，美国Fanns公司；OFI 150-80-1-230v型高温动态线性页岩膨胀仪、OFI 173-00-1型高温滚子加热炉，美国OFI公司；CFS-700型多功能岩心驱替仪，法国万奇仪器公司；CODMAX PLUS SC铬法COD分析仪、BODTrakTM Ⅱ生化需氧量(BOD)分析仪，美国哈希公司；DXY-3型生物毒性测试仪，中科院南京土壤研究所；Z2000型原子吸收分光光度计，日立公司。

1.2 无机提黏剂G339的合成

三口烧瓶中加入一定量水，根据n(AlCl3)∶n(MgCl2)=1∶3，称取一定量的无机盐AlCl3、无机盐MgCl2和质量分数2.0%改性剂(十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠，十二烷基单磷酸钾)，分别加入三口烧瓶中，充分搅拌；完全溶解后，加入共沉淀剂5∶1(体积比)稀释的氨水，调节体系pH；pH达9.5时，停止加入氨水，反应期间，每加入一次氨水，测定一次乳液pH，并记录；陈化0 .5～1.0 h；抽真空过滤，且洗涤反应生成的盐，形成滤饼；将滤饼密闭于玻璃瓶中，70～80 ℃恒温(胶溶步骤)24 h，制得溶胶产品G339。同时取少量样品，备用。

2 环保型关键处理剂的优选

2.1 无机类提黏剂G339的提黏切效果

使用900型黏度测定仪，对已合成的4种G339产品进行流变性测定，结果见表1。基浆配方：3.0%膨润土浆+0.1%NaOH，试验浆：基浆+1.5%的样品。

由表1可知，改性后的无机提黏剂G339提黏切效果均比正电胶较好，PK插层改性共沉淀样品的提黏切效果最好，表观黏度提高率达300.00%，动切力提高率达350.00%。

2.2 无机类提黏剂G339产品表征

不同改性无机类提黏剂G339扫描电镜照片见图1。不同乳化改性剂乳化造粒效果不同，SDS改性共沉淀产物粒径小但不均匀，PK改性共沉淀产物粒径尺寸合理且大小均匀，PK改性共沉淀产物同时具有插层效果可提高提黏切率。因此，选择PK为无机提黏剂插层改性剂。

图1 不同改性无机类提黏剂G339扫描电镜照片

2.3 抑制剂的优选

抑制剂为Na2SiO3、K2SO4、KCl、NH4Cl、KPAM、正电胶(GWMMH)，进行页岩滚动回收率试验，考察各种抑制剂的抑制效果，结果见表2。

表2 不同抑制剂页岩回收率试验结果

注:一次回收率条件90 ℃/16 h，二次回收率条件90 ℃/4 h，岩屑为鄂尔多斯盆地直罗组岩屑；下同。

从表2看出，从一次回收率数据得出抑制剂抑制性顺序：KPAM>K2SO4>正电胶(GWMMH)>Na2SiO3>KCl>NH4Cl；但从二次回收率数据得出，K2SO4抑制性最好。考虑环保要求，选用K2SO4作为体系的抑制剂，并进行了K2SO4加量实验。

采用K2SO4作为体系的抑制剂，在清水中考察K2SO4加量对页岩回收率的影响，结果见表3。

表3 抑制剂K2SO4回收率试验结果

从表3看出，K2SO4加量为3.0%，一次回收率已达92.88%，二次回收率达90.04%，可满足现场需求，硫酸钾加量继续增大，回收率增加并不明显。因此，硫酸钾加量以3.0%为宜。

2.4 降滤失剂的优选

以3.0%膨润土+1.5%G339为基浆，各降滤失剂加量均为1.0%，考察各实验浆在90 ℃/16 h热滚前后流变性及滤失性，以热滚后API滤失量及滤饼质量为主要评价指标，结果表4。

表4 降滤失剂热滚前后钻井液性能对比

注：AV为表观黏度，PV为塑性黏度，YP为动切力，FLAPI为API滤失量；下同。

从表4看出，在降滤失剂相同加量下，降滤失剂HFT-301的降滤失效果最好，SO-1的降滤失效果其次，考虑环保要求，选用SO-1作为体系降滤失剂。

3 环保型类无机钻井液体系性能评价

3.1 环保型类无机钻井液体系加重试验结果

综上所述，确定环保型类无机钻井液体系配方：3.0%膨润土+1.5%G339+5.0%K2SO4+1.0%G314+1.0%SO-1+3.0%固体润滑剂，固体润滑剂选用改性石墨，加量3.0%[10]，热滚条件：90 ℃/16 h，考察其体系加重试验结果，结果见表5。体系密度加重至1.60 g/cm3，体系流变性能良好，静止72 h后无沉淀。

表5 环保型类无机钻井液体系加重试验结果

3.2 耐温性

固定环保型类无机钻井液体系配方，ρ=1.1 g/cm3，考察环保型类无机钻井液体系的耐温性,结果见表6。

表6 环保型类无机钻井液体系的耐温性

由表6看出，热滚温度达150 ℃时，环保型类无机钻井液体系的流变性能及FLAPI滤失量变化不大，但热滚温度达160 ℃时，钻井液体系的表观黏度大幅降低，滤失量增大，说明环保型类无机钻井液体系耐温达150 ℃。

3.3 抑制性

为考察环保型类无机钻井液抑制岩屑分散能力，进行岩屑滚动回收试验，结果见表7。

表7 环保型类无机钻井液体系岩屑滚动回收试验结果

由表7看出，使用环保型类无机钻井液体系时，一次回收率达92.80%，二次回收率达90.24%，表明环保型类无机钻井液体系具有较强的抑制岩屑水化分散能力。

同时，使用OFI 150-80-1-230v型高温动态线性页岩膨胀仪进行了岩心膨胀率测试评价实验，结果见表8。

由表8看出，清水的岩心膨胀率16 h后达88.89%，24 h后达111.11%，而环保型类无机钻井液体系的岩心膨胀率16 h后达22.91%，24 h后达26.95%，再次表明体系具有较强的抑制性。

3.4 储层保护性能

选用2块岩心，环保型类无机钻井液体系配方室内配制，使用CFS-700型多功能驱替仪进行伤害评价，渗透率随时间变化关系见图2。

图2 岩心渗透率随时间变化曲线

从图2看出，1#岩心伤害率为6.73%，2#岩心伤害率为5.86%，平均伤害率为6.295%，属于低伤害范围。

3.5 环保型类无机钻井液体系环保指标评价

将环保型类无机钻井液体系所用单个处理剂分别进行COD和BOD5检测，结果见表9。

环保型类无机钻井液体系COD和BOD5检测结果见表10，表11为环保型类无机钻井液体系中重金属离子含量。

表9 环保型类无机钻井液体系中单个处理剂COD和BOD5检测结果

表10 环保型类无机钻井液体系COD和BOD5检测结果

表11 环保型类无机钻井液体系重金属离子含量

由表9和表10看出，环保型类无机钻井液体系所用单个处理剂的COD值和BOD值都偏低，BOD5/CODCr>0.05，易降解，环保型类无机钻井液体系生物毒性EC50为36 000 mg/L，为无毒。从表11看出，体系中重金属离子含量符合GB 8978—1996《污水综合排放标准》。

3.6 环保型类无机钻井液体系与其他钻井液体系降解后性能比较

考察无机钻井液体系降解后性能，并与KCl聚合物钻井液体系和无土相低伤害钻井液体系比较，结果见表12。

表12 环保型类无机钻井液体系与其他钻井液体系降解后性能比较

由表12看出，环保型类无机钻井液体系的COD值、BOD5值及生物毒性EC50值随着时间增加变化不大，说明环保型类无机钻井液体系基本不降解，可回收重复使用；而KCl聚合物钻井液体系和无土相低伤害钻井液体系随着时间增加，其COD值、BOD5值明显增大，同时滤失量也增大，说明其已腐败降解。

4 现场试验应用

4.1 现场概况

针对常用钻井液体系与环境保护的矛盾愈加突出等问题，研发并优选出满足长庆地区环保要求的钻井液处理剂，并对处理剂进行配伍性研究，形成既满足长庆地区优快钻井工程需要又符合环保要求的环保型类无机钻井液体系。现场试验应用了2口井。整个施工试验井段钻井液性能稳定，流变性、防塌抑制性、润滑性能佳，试验a井钻井周期仅14 d，试验b井钻井周期仅8 d，井眼清洁，通井电测顺利。同时该钻井液体系环保性能优良，满足当地环保要求，完井后钻井液性能稳定可直接运往下一口井使用。其中试验a井现场钻井液体系克服了大段水泥塞钻进污染、周围注水井压力达15 MPa和密度窗口窄等困难，日进尺达157 m创我院油井侧钻井项目最快单日进尺记录。

4.2 现场环保型类无机钻井液环保指标评价

现场环保型类无机钻井液体系COD和BOD5检测结果表13，现场环保型类无机钻井液体系重金属离子含量见表14。

表13 现场环保型类无机钻井液COD和BOD5检测结果

表14 现场环保型类无机钻井液重金属离子含量

从表13和表14看出，试验a井和b井环保型类无机钻井液体系的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性为无毒，重金属离子符合GB 8978—1996《污水综合排放标准》。

4.3 环保型类无机钻井液完成井段的井径扩大率随井深的变化

试验a井和b井环保型类无机钻井液完成井段的井径扩大率随井深的变化分别见图3和图4。

图3 试验a井井径扩大率随井深的变化曲线

图4 试验b井井径扩大率随井深的变化曲线

试验a井平均井径扩大率为6.26%，试验b井平均井径扩大率为9.92%，两口井井径规则，均无大肚子井眼形成。

4.4 环保型类无机钻井液回收利用率

环保型类无机钻井液体系环保性能优良，满足当地环保要求，固井后罐面钻井液除罐底固相外全部回收利用，完井后钻井液性能稳定，直接运往下一口井使用。2口井的钻井液回收利用率见表15。

表15 2口试验井的钻井液回收利用率

5 结论

1)研发的环保型类无机钻井液体系性能稳定，耐温达150 ℃，流变性良好、防塌抑制性16 h后岩心膨胀率达22.91%。

2)环保型类无机钻井液体系所用单个处理剂的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性为无毒。

3)环保型类无机钻井液体系现场试验2口井，环保性能优良，满足当地环保要求，固井后罐面钻井液除罐底固相外全部回收利用，试验井钻井液回收利用率分别为74.4%，71.6%，完井后钻井液性能稳定直接运往下一口井使用。