一种新型环保钻井液降滤失剂研制及特性评价

2020-06-12桑峰军

云南化工 2020年5期

桑峰军

（中石化中原石油工程有限公司工程服务管理中心，河南濮阳 457001）

环保问题已成为全球各行各业健康、快速、可持续发展的必要前提，特别是能源矿产行业。油气资源目前仍是世界能源需求的主要方向，油气资源勘探开发过程中的环境污染问题比较突出，已经被人们所关注[1-3]。其中，油气钻井过程中，钻井液的大量使用极易造成井场周围环境污染，进而影响周边居民的生存环境。因此，钻井液的环保性能要求逐渐提高，已成为钻井液现场使用的必要前提之一。水基钻井液由于具有相对较低的成本，便于维护，目前仍是油气钻探过程中的首选[4-5]。水基钻井液主要在基浆中加入多种钻井液处理剂，在一定条件下配制而成，因而处理剂的环保性能直接关乎钻井液配方的环保性。钻井液对环境的污染同时还体现在钻井污水，废弃钻井液的处理上，如钻井液处理剂的可降解性、生物毒性等直接影响着废弃钻井液的环保化处理难度及成本[6]。油气田现场钻井过程中，对废弃钻井液的处理大多都采用直接填埋、固化再利用及废液化学处理等措施，最终达到环保排放要求。由此可见，从源头上保证钻井液的环保性能至关重要，也就是说确保钻井液处理剂的环保性对于环境保护和降本增效意义重大。

钻井液降滤失剂主要起调整钻井液降滤失性能，进而维护井壁稳定性问题，因此钻井液处理剂对于钻井液综合性能至关重要。目前，国内外学者针对环保、抗温、抗盐等一系列技术难题，开展了大量钻井液降滤失剂的研究。徐运波等[7]针对深井、超深井钻探过程中钻井液降滤失剂耐温能力不足、滤失造壁性能差等问题，以超分子聚合物的聚合理论为基础，以AMPS、AM与N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)为单体，合成了一种三元共聚物降滤失剂。该处理剂的降滤失效果优良，可抗温180℃，但环保性能需要提升。王新锐等[8-9]利用丙烯酰胺（AM）、顺丁烯二酸（MA）为功能性单体，过硫酸铵作为引发剂，采用反相微乳液聚合法制备出聚合物MA-AM，该处理剂具有相对优良的降滤失性能，但制备工艺复杂，成本较高。陈思琪、杨超等[10-11]以羧甲基淀粉CMS为合成基体，在过硫酸钾和亚硫酸钠氧化还原体系的引发下，以接枝非离子单体AM和阴离子单体AMPS，合成了改性羧甲基淀粉共聚物。迟姚玲等[12]采用接枝共聚方法在淀粉链状结构上引入丙烯酰胺和丙磺酸单体，优化其反应工艺，得到改性淀粉。评价结果表明，该改性淀粉处理剂的耐温性能大幅提高，降滤失性能优良，但制备工艺较复杂，成本相对较高。Luigi F.等[13-14]提出了一种新型的抗高温钻井完井液添加剂柠檬酸锆。室内和现场试验表明，在钻井液中加入柠檬酸锆后，提高了褐煤及木质素磺酸盐在分散钻井液中的抗温稳定性，控制了膨润土在高温下的胶凝稠化。

由此可见，为有效保证钻井液配方的环保性能，钻井液降滤失剂制备原材料尽可能优先选择天然高分子类，如淀粉、纤维素及木质素等。本文通过优选天然高分子淀粉材料，通过改性得到了一种环保钻井液降滤失剂FLA-2，为环保钻井液配制提供良好的借鉴。

1 实验材料及方法

1.1 主要实验材料

实验中用到的化学材料主要有：无水乙醇，碳酸钠，氢氧化钠，过硫酸钾、丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸钠，均购自国药集团化学试剂有限公司。玉米淀粉、马铃薯淀粉等，市售厂家购买。钻井液用包被剂、防塌剂、固壁剂、封堵剂、成膜剂、稀释剂等均从油田现场调取。实验中用到的仪器主要有：ZN-6六速旋转黏度计、API常温中压滤失仪、钻井液用密度计、钻井液高温高压滤失量测定仪，均购于青岛海通达专用仪器有限公司。四口烧瓶、冷凝管、加液漏斗、玻璃瓶塞、烧杯，均购于相关玻璃仪器厂家。DXY-3智能化生物毒性检测仪，购于山东蓝虹光电科技有限公司。生化需氧量测定仪、化学需氧量测定仪，购自青岛路博建业环保科技有限公司。

1.2 新型降滤失剂制备及特性评价方法

1）天然淀粉材料优选。目前市售天然淀粉材料种类较多，如玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等等，且不同的厂家由于原材料及生产工艺不同而生产出的淀粉产品质量也不相同。因此，基于原材料环保性、成本、稳定性及降滤失效果等主要因素，室内通过大量预探性实验优选了MLS-3玉米淀粉作为降滤失剂的主要原材料。

2）降滤失剂FLA-2制备。首先，将四口烧瓶固定在加热到70℃的恒温水浴锅中，加入200mL去离子水，15min后，待四口烧瓶中的去离子水达到70℃后，加入40g玉米淀粉，并开启搅拌，搅拌速度设计为320r/min。搅拌1h后，将水浴温度降低至45℃，加入10g丙烯酰胺、5g甲基丙烯磺酸钠。搅拌30min后，加入0.60g过硫酸钾。反应6h后，终止反应，将反应混合物取出，置于室内，冷却至常温。加入大量无水乙醇，将改性产物进行提纯，将产生的沉淀置于烘箱内，50℃下烘干研磨，即得到改性降滤失剂FLA-2。

3）实验浆的配制。淡水膨润土基浆：将500mL清水加入不锈钢杯中，置于高速搅拌机上搅拌，转速设为10000r/min；加入1.0g无水碳酸钠，溶解后加入20g钠基膨润土，搅拌30min后，静置24h备用。实验浆：在淡水膨润土基浆中加入不同质量的FLA-2和各类处理剂，配制不同的实验浆。

4）流变性能测试。采用六速旋转黏度计，读取实验浆的600、300、200、100rpm、6和3读数，根据钻井液黏度计算公式求取实验浆的各项流变参数。

5）生物降解性能及生物毒性测试。依据相关行业测试标准，采用生化需氧量测定仪和化学需氧量测定仪以及生物毒性检测仪，测定处理剂及实验浆的生物降解性能及生物毒性。

2 实验结果及分析

2.1 FLA-2的常规理化性能评价

钻井液降滤失剂的主要作用是调整钻井液的滤失性能，但其它常规性能也需要钻井液使用的基本需求，如对基浆密度、流变性等的影响。将1.0%（质量分数，下同）的FLA-2加入上述淡水膨润土基浆中，测试常温条件下实验浆的密度、流变性能、滤失性能等，实验结果见表1。从表1中看出，加入1.0%的FLA-2后，实验基浆的密度变化较小，表观黏度、塑性黏度及切力均有一定上升，API滤失量显著降低，降低幅度达73.44%。由此可见，新研制的降滤失剂FLA-2对钻井液基浆的影响较小，配伍性良好，且降滤失效果显著。

2.2 FLA-2的加量优选

现场钻进过程中，由于钻井液性能需要不断循环、维护，需要不断加入钻井液处理剂，因此造成成本较高。因而较优的钻井液处理剂加量对于钻井液配方而言至关重要。分别向淡水膨润土基浆中加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的FLA-2，分别测试实验浆的流变性及滤失性能，结果见图1。从图1看出，随着降滤失剂FLA-2加量的逐渐增大，实验浆的表观黏度AV、塑性黏度PV逐步升高，且当FLA-2加量增加至1.5wt%后，黏度值增加幅度较大，说明FLA-2具有良好的增黏提切效果；同时，随着降滤失剂加量的增加，实验浆的API滤失量逐渐降低，当FLA-2加量增至2.0%后，实验浆的API滤失量变化较小。因此，综合考虑降滤失剂的性能及成本，选取FLA-2的较优加量为1.5%～2.0%。

表1 FLA-2的常规理化性能实验评价结果

2.3 FLA-2的抗温效果评价

图1 FLA-2加量优选实验评价结果

现场实践表明，天然高分子类钻井液材料的抗温能力普遍较差，这也是限制环保类钻井液处理剂推广应用的关键问题之一。向淡水膨润土基浆中加入2.0%的FLA-2，分别考察110℃/16h、120℃/16h、130℃/16h及150℃/16h热滚前后实验浆的流变性及滤失性能，实验结果见表2。

表2表明，在一定加量条件下，随着热滚温度的升高，实验浆热滚前后的黏度值逐渐降低，当温度达到150℃时，实验浆的表观黏度降低率超过50%，且API滤失量、HTHP滤失量均较大。此外，通过对比观察API滤失量和HTHP滤失量测试后的泥饼质量可返现，当热滚温度150℃后，实验浆的API泥饼和HTHP泥饼均显著增厚，主要是由于高温条件下处理剂的耐温稳定性被破坏，导致大量固相颗粒沉积在泥饼表面，泥饼虚厚且不致密，进而造成滤失量显著增加。因此，可认为降滤失剂FLA-2可抗温130℃。

表2 不同温度热滚前后实验浆的流变性及滤失性能

2.4 FLA-2的环保性能评价

1）生物降解性测试。按照GB11914-89《水质化学需氧量的测定重铬酸钾法》和HJ505-2009《水质五日生化需氧量的测定稀释与接种法》，采用ρ（BOD5）和ρ（CODCr）比值法进行评价，对FLA-2的生物降解性能进行了实验评价。实验结果表明，降滤失剂FLA-2的ρ（BOD5）/ρ（CODCr）值为20.68%，根据相关评价标准指标，可认为降滤失剂FLA-2属于比较容易降解。

2）生物毒性测试。参考GB/T18420.2-2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性第2部分：检验方法》及GB/T18420.1-2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性第1部分：分级》，采用发光细菌法，测试了FLA-2的生物毒性EC50。实验结果表明，FLA-2溶液的EC50值为4.2×104mg/L，远高于国家标准规定的2×104mg/L，满足环保需求。

2.5 与市售常用环保降滤失剂性能对比

采用淡水膨润土基浆，分别选取市售常用效果较好的环保型降滤失剂（包括马铃薯淀粉类FJJ-1、玉米淀粉类FJJ-2、纤维素类FJJ-3、合成聚合物类FJJ-4），对比考察1.5%加量条件下，FLA-2与现有降滤失剂的降滤失效果及环保性能，实验结果见表3。从表3结果可看出，自制降滤失剂FLA-2的API滤失量降低率相对最高，同时生物可降解性[ρ（BOD5）/ρ（CODCr）]和生物毒性（EC50）测试结果均优于其它几类降滤失剂。综上所述，降滤失剂FLA-2的降滤失效果及环保性能较优，性价比较高。