一种高性能环保型钻井液的研究与应用

王旭东

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

随着新的环境保护法的实施，石油行业面临的环保压力越来越大，在油气勘探开发过程中，钻井液作为第一种入井流体，对油气开发的效果至关重要，但同时产生的废弃钻井液对生态环境也造成了很大的污染[1-2]。目前胜利油田钻井主要采用聚合物钻井液，该体系性能上能满足钻井的要求，但是存在着处理剂难降解、重金属离子污染、废弃物处理难度大等问题，已经不能满足当前环保形势的要求。环保钻井液技术可以实施源头污染控制，最大限度地减少污染，减少钻井废弃物排放量和处理量，满足环境保护的要求[3-4]。目前环保钻井液技术研究取得了一定的进展，但是存在着环保性能和钻井液性能难以兼顾、成本高、现场推广难度大等问题[5]。因此需要开展高性能环保钻井液技术的研究，开发出既能满足钻井需要，又能达到环保要求的钻井液技术。本文基于天然高分子材料改性，研制了降滤失剂、润滑剂等关键处理剂，建立了高性能环保钻井液技术，在现场进行了应用。该技术性能稳定，可满足钻井施工的要求，并且环保性能优异，可满足直接排放的要求，有效解决了钻井液的污染问题。

1 高性能环保钻井液体系研究

1.1 环保型降滤失剂

以玉米淀粉为原料，加入醚化剂，采用半干法制备了改性淀粉类降滤失剂HBSJ-1，通过引入苯基阳离子，提高了抗温能力，抗温达到150℃[6]。该产品在加量为3%时可将高温高压滤失量控制在10 mL以下，此外HBSJ-1还能改善泥饼质量，提高封堵效率，增强体系的防塌性能。

1.2 环保型润滑剂

以植物油为基础，通过酯化反应和酯交换反应制备得到环保型润滑剂HBSR-1。通过加入非离子型表面活性剂Tween80和双子型表面活性剂C12-2-12的混合物提高其抗温性能，抗温能力达到150℃，该润滑剂性能优异，加量在1%的情况下，润滑降低率达到88.6%，黏附系数降低率达到80%，能够满足钻井施工的需要[7]。

1.3 流型调节剂

目前环保钻井液一般使用纤维素或生物聚合物等作为流型调节剂，但纤维素和生物聚合物材料的高温稳定性较差，当温度超过130℃时极易发生分解、氧化、断裂而失效。与纤维素和生物聚合物相比，纤维素纳米纤维具有抗温能力强，提切效果好，强度高等优点，是一种可再生、无毒的天然高分子材料，且制备方法简单，来源广，成本低。本文采用羧甲基纤维素纳米纤维作为高性能环保型钻井液的流型调节剂，其平均直径为10～100 nm，长径比为100～500。羧甲基纤维素纳米纤维通过相互缠绕形成三维网状的空间网络结构，达到提高体系切力的目的，同时这种空间网络结构具有剪切稀释的特性，能够实现钻井液流变性能的有效调控，从而达到携带岩屑、清洁井眼的目的。

1.4 其它处理剂

优选阳离子烷基糖苷类处理剂(CAPG)作为抑制剂，该处理剂能有效降低水相的活度，抑制性能优异，且绿色环保[8]。优选聚合醇类处理剂作为防塌处理剂，利用聚合醇的“浊点效应”可充填到孔隙中起到封堵作用，并且能吸附到井壁和泥页岩界面，起到改变润湿性的作用。

在研制核心处理剂和优选其它处理剂的基础上，通过正交实验确定了处理剂的最优加量，建立了高性能环保型钻井液体系，其配方为：2%膨润土+3% HBSJ-1+1% HBSR-1+0.5%羧甲基纤维素纳米纤维+2% CAPG+2%聚合醇。

2 高性能环保钻井液性能评价

对高性能环保钻井液体系的性能进行了系统地评价，包括基本性能、抑制性、环保性能等。

2.1 基本性能

高性能环保钻井液体系的基本性能见表1。如表1所示，该体系粘度低，切力高，滤失量低，高温老化前后性能变化不大，能抗150℃高温。

表1 环保钻井液体系基本性能

2.2 抑制性能

采用页岩回收率测试评价体系的抑制性能，筛选粒径2.0～3.2 mm岩屑50g，测定清水、常用聚合物钻井液和高性能环保钻井液的页岩滚动回收率。高性能环保钻井液体系的滚动回收率达到93.1%，和常用聚合物钻井液(93.5%)基本相当，高于清水(19.6%)，说明该体系具有良好的抑制性。

2.3 环保性能评价

2.3.1 生物毒性评价

采用发光细菌法测定了环保钻井液体系的生物毒性(中国石油天然气集团公司标准Q/SY 111-2007)[9]，研制的高性能环保型钻井液的EC50值为63600 mg/L，高于排放限值(30 000 mg/L)[10]。

2.3.2 降解性评价

目前，普遍以BOD5/CODcr比值作为钻井液及处理剂能否生物降解的评价标准，其中BOD5的测定依据国家环境保护标准HJ 505-2009水质五日生化需氧量的测定稀释与接种法，CODcr的测定依据HJ 828-2017水质化学需氧量的测定重铬酸钾法[9]。经过测定，环保钻井液BOD5/CODcr比值为29%，根据分类标准为易降解。

2.3.3 重金属离子含量评价

委托广东省微生物检测中心对配制的高性能环保钻井液进行了重金属含量检测，结果见表2。由检测结果可知，该体系重金属离子含量远小于标准排放极限[9]。

表2 环保钻井液重金属离子检测结果

3 现场应用

高性能环保钻井液技术在胜利油田滨79区块进行了应用。该区块位于济阳坳陷东营凹陷尚店-平方王潜山披覆构造带，完钻井深1800 m左右，完井密度1.10 g/cm3左右，钻遇地层为平原组、明化镇组、馆陶组、东营组和沙河街组。其中，东营组造浆严重，沙河街组易坍塌，提高钻井液的抑制性和加强封堵是该区块钻井液技术的难点。

该井二开采用高性能环保钻井液体系，上部地层加入0.2%～0.3% CAPG，钻进至馆陶组之后进行转化。开启离心机除去有害固相，调整膨润土含量20～25 g/L，加入0.5%改性淀粉类降滤失剂HBSJ-1，加入1%的CAPG，加入0.5%润滑剂HBSR-1，加入0.2%羧甲基纤维素纳米纤维，循环均匀后继续钻进。进入沙河街组地层后，加入2%聚合醇，将HBSJ-1补充至3%，HBSR-1补充至1%，羧甲基纤维素纳米纤维补充至0.5%，CAPG补充至2%，加入超细碳酸钙调整钻井液的密度，同时起到封堵微裂缝的作用。

该体系在滨79区块同台15口井进行了应用，钻进、完井作业过程中起下钻、短起下钻顺利，电测一次成功率100%，井径规则(井径扩大率<1.65%)，无缩径、大肚子井眼现象，现场施工顺利，无复杂情况发生。并且该体系稳定性好，在该平台重复利用15次，简单调整后即可重复利用，有效地降低了成本。

4 结论

(1)基于天然高分子材料改性，研制了降滤失剂、润滑剂等关键处理剂，建立了能的高性能环保钻井液技术，该体系抗温能力强(150℃)、环保性能优异，常规性能和常用的聚合物钻井液基本相当。

(2)现场应用表明，该体系性能稳定，可满足钻井施工的要求，处理剂种类少，现场维护简单，抑制性强，封堵性能优异，能有效解决东营组的造浆问题和沙河街组易坍塌，可满足钻井施工的要求。并且该体系性能稳定，可多次重复利用，能有效降低成本，具有显著的推广应用价值。