油基钻井液组成应用及绿色发展趋势

＊王年禧 邓超 陈潇 何艺 梁仁刚 刘研萍*

（1.北京化工大学环境科学与工程系 北京 100029 2.四川华洁嘉业环保科技有限责任公司 四川 644000 3.生态环境部固体废物与危险化学品管理中心 北京 100029 4.杰瑞环保科技有限公司 山东 264600）

钻井液的性质关乎开采成本、事故风险、环境污染等。目前钻井液体系繁多，按照其主要成分，钻井液可分为水基钻井液、油基钻井液、气态钻井液三大类，在现场中用得最多的是水基泥浆和油基泥浆[1]。油基泥浆的分散介质多采用柴油、白油等，适用于深井、页岩气井、超长水平段水平井等复杂条件现场[2]。从相似相溶的角度分析，油基钻井液抗温性能、抗污染能力更强，针对地层水敏性较强、复杂井身情况比水基钻井液更具优势[3-4]。除强抑制性和润滑性好外，油基钻井液更大的优势是重复使用性强，可大大降低钻井过程药剂的成本[5-6]。

由于当下油基钻井液种类形式繁多，本文从主要组分组成的角度，按照基础油（体系占比最高）的不同对其进行分类讨论。通过基础油的特点、钻井液的性能与实际应用，分析油基钻井液的发展趋势，为新型环保性钻井液的研发与应用提供一定参考。

1.油基钻井液的组成

油基钻井液一般由基油、水相、主乳化剂、辅乳化剂、润湿剂、亲油材料、加重材料等组成。

（1）基油：基油的性质可直接影响钻井液的性能、市场。以往应用中基油以柴油、粗矿物油为主，而现在多用白油、气制油等环保型油类作基油，目前国内关于白油的研发与应用更多，国外则以气制油的应用为主[7]。其中油包水体系中基油的体积分数通常为70%～90%。

（2）水相：以CaCl2水溶液为主。作用是提高钻井液的流变性与胶粘性，增大泥浆的活性。水滴形式存在的水由于盐度而引起地层和钻井液间渗透压的差异，可抑制页岩部分的水化，强化井壁[8]，一般全油基体系则不含水相。

（3）主乳化剂：是一种表面活性剂（油酸、脂肪酸的金属盐皂等），作用是使水和油乳化，控制失水并维持钻井液体系的稳定性。常用破乳电压评价钻井液的乳化性。

（4）辅乳化剂：与主乳化剂配套使用，目的是将加重材料、岩屑表面湿润，使其亲油提高体系流动性，防止岩屑等吸水对主乳化剂的亲油亲水的平衡造成破坏[9]。

（5）亲油材料：以有机土为主，作用是吸附、悬浮油中的加重材料，调节体系流变性以及降滤失性。

（6）加重材料：广泛采用重晶石（硫酸钡），作用是增加钻井液中固相含量，改变钻井液性能，提高体系密度。

（7）降滤失剂：以改性沥青、改性腐殖酸等为主，可降低钻井过程中钻井液的流失，控制井壁稳定性[3]。

（8）生石灰：起皂化作用，增强稳定性，调节体系pH以满足不同场合使用。

各类主要处理剂的一般添加量见表1。

表1 油基钻井液主要处理剂一般添加量

2.油基钻井液分类及发展

根据油基钻井液中含水量的高低，可划分全油基钻井液（含水率＜10%）与油包水钻井液（10%～60%）两大类[10]。早期的油基钻井液常用沥青作核心的增稠剂，基油也以柴油、矿物油为主[1,8]，但随着环保问题越来越受到重视，沥青则被性能更优越、污染更低的有机土替代，柴油也被白油、植物油等低毒性的油类取代。在油基钻井液实际应用中，油包水乳化钻井液又比全油基钻井液应用更多[11]。目前，油基钻井液体系根据基油的不同大致分为：柴油基钻井液、白油基钻井液、气制油基钻井液、其他油基钻井液等[3,12]。

(1)柴油基钻井液

柴油主要来源于原油蒸馏、催化裂解等生产过程，多用作发动机的专用燃料。因柴油性能均一，易于获取，在早期的油基钻井液体系中，柴油常用于油基泥浆的制备，且柴油基钻井液在较长一段时间里是石油勘探、页岩气开发的首选体系之一。

近年来由于环境保护与安全生产的要求，柴油的特殊性质使其在油基钻井液的应用比重逐渐降低。尽管早期国内对柴油类泥浆的组分含量有要求（芳香烃含量小于10%[1]），实际应用的基础油也以0号轻柴油为主，但现有生产工艺决定了0号柴油中长链烃、环烷烃、芳香烃等含量比同类油（白油、气制油等）高出许多。除此之外，0号柴油闭杯闪点偏低（55℃，易自燃）的特性使其长期稳定应用受限。而生物柴油的出现及相关体系的研究开辟了另一发展方向。脂肪酸甲酯为生物柴油的主要成分，可从环境友好类的菜籽油、大豆油等植物油制取，无论是作为环保能源还是钻井液（处理剂）都具有广阔的市场[13-14]。

由于环保型的白油基钻井液的普及，使得柴油基钻井液的发展趋向高温、高密度以及生物柴油的方向。近些年国内的一些柴油基体系的研究及组成、性能情况见表2。

表2 国内柴油基体系研究及钻井液组成、性能

通过大量文献查阅，结合表2可知，传统的柴油基钻井液在钻探领域的发展已相当成熟，但出于环境与成本等因素考虑，该类钻井液慢慢被取代，而转向抗高温的高密度体系方向（满足更复杂的应用场合）以及环保的生物柴油体系方向发展，以满足低成本、环境安全的需求。

(2)白油基钻井液

白油作为一种低毒矿物油，源于石油加氢裂化，多为饱和链烷烃和环烷烃的混合物，燃点和闪点均高于一般柴油，芳烃、环烷烃含量比重柴油低，兼顾环保性、高性能、低成本的优势，逐渐成为钻井液体系研究与应用的热点。

相比柴油基钻井液，白油基钻井液具有良好的化学惰性、流变性和环保性，逐渐受到国内外石油公司的关注，研发改良了新型白油基钻井液，并应用于高温深井、大位移定向井以及多种复杂地形场合[2]。表3列出了白油基体系的组成与应用情况。

表3 国内白油基体系研究及钻井液组成、性能

白油钻井液体系从最初的全油基向油包水乳化、可逆乳化、抗高温高压低滤失的方向发展[12]，针对复杂地形，油包水体系比全油基体系能更好地起到平衡水和盐的效果。尽管目前白油基钻井液应用广泛，但在其配套的处理剂（有机土、乳化剂、提切剂等）还需进行深入研究，提高配伍性的同时，还需解决现场配置与补充、实际钻探、废弃泥浆处理处置等问题[2]。

(3)气制油钻井液

气制油钻井液属于环保型钻井液的体系，天然气经过费托合成控制条件得到脱硫、脱芳烃的矿物油，该类油的热稳定性更好且毒性低[22]。气制油钻井液黏度低、当量循环密度低，在提高钻速的同时，可避免多种井下复杂事故的发生[23]。

国内外目前常用的气制油基础油为壳牌MDS公司生产的GTL Saraline系列，其中GTL Saraline 185V应用更广[22]。将壳牌185V气制油、0#柴油、5#工业白油作基础油的性质进行，见表4。

表4 三种基础油的基本性质

由表4可知，气制油与白油闪点基本接近且具有较高的自燃点，从安全性考虑，比柴油更适合作基础油，可能造成污染的芳烃与硫的含量为：气制油＜白油＜柴油，这也符合当前钻井液体系的发展趋势。同时壳牌185V气制油的运动黏度比白油低，在实际应用中也更便于调节流变性及提高机械钻速[22]。

国外的气制油钻井液体系从研发到环境健康评估再到实际应用已有30多年的历程，而我国的气制油系列从引入到改良、应用的进程相对滞后。罗健生等[28]使用气制油钻井液（配方为：气制油+30% CaCl2+2%有机土+（3%～4%）乳化剂+0.5%润湿剂+（1.5%～2%）CaO+重晶石）在渤海、印尼进行钻井工作，平均钻速可在46m/h以上，当量循环密度比同类油基钻井液低，流变性良好。王茂功等[29]采用240mL气制油Saraline185V+60mL 20% CaCl2+7.5g有机土DR-GEL+9g主乳化剂DREM-1+12g辅乳化剂DRCO-1+12g降滤失剂DR-FLCA+6g CaO的基础配方在印尼JABUNG区块的大斜度定向井应用，体系表现出较好的乳化稳定性（现场破乳电压维持在2000V），高温滤失量低于2.5mL，携屑返砂效果好。近几年山东大学关于气制油钻井液的研究较多，主要从处理剂机理、优化等方面，开展了相关工作，如辅助乳化剂、高效有机土的研制[25]，固相分散稳定性控制[30]、气制油基油包水体系稳定性机理相关的研究[31]等，但国内关于现场实际应用的报道还较少。

总体而言，气制油与白油基体系将是未来钻井液体系发展的主要方向，而气制油在国外已有大量的研究与实践报道，并且具有更低的毒性与高降解性。基油的获取及成本问题可能是阻碍其在国内发展应用的主要原因，但整体来看气制油基钻井液有望超越白油基钻井液成为下一个研究热点。

(4)其他油基钻井液

除了采用传统柴油、白油等作基油，其他种类如石蜡、生物质油等合成油作基油的钻井液也占有一定比例。张弌等[32]以生物质基液LAE-12（月桂醇为主原料）为基油，对其进行组分优选与优化，最终制备的钻井液也能有良好的性质（高温高压滤失量＜5mL，破乳电压＞700V）且毒性参照SY/T 6787-2010属于无毒易降解类型。张洁等[33]采用植物油作基油，研制出的植物油全油基钻井液，该钻井液在热滚前后塑性黏度、动切力与滤失量略有上升，抗污染能力一般。

其他油基钻井液大多存在于实验室探索阶段，实际应用较少，研究的初衷依旧是从低成本、环保低毒两个方向出发，虽然该类钻井液应用中大多不及柴油、白油等体系成熟，但从固体废物资源化的角度，该类钻井液亦有很大潜力。

3.油基钻井泥浆的应用特点及发展趋势

本文对比了几种油基钻井液体系在应用方面的特点与发展方向，列于表5。各类基础油均有优缺点，在实际场合的应用中更应结合地层特点、经济性与环保政策等决定最宜采用的钻井液体系。

表5 几种油基钻井液体系的应用情况与发展方向对比

4.结论

近年来，复杂的开采情景与严格的环保要求使得新型油基钻井液的研发与应用备受关注。钻井液的研发与各组成成分间的关系密不可分，本文重点从基础油的层面讨论几类油基钻井液的配方组成情况与实际性能。

从基础油的环保性与钻井液研发与应用情况来看，以传统柴油做基础油的钻井液使用渐少，但衍生的生物柴油基钻井液具有较好的研究发展趋势。白油基钻井液在目前以及未来较长一段时间内仍会是国内应用最广泛的体系，但未来生物柴油、气制油、其他油类钻井液将随着某一技术性的突破而获得更广泛的应用。总体而言，油基钻井液体系正向着低成本、安全、低毒、环保的方向发展。但除了开发新型钻井液外，配套的末端管理、风险评价体系、法律规定的制定、完善与落实指导着钻井液发展；理清它们与钻井液组成的关系，可更好地指导钻井液科学绿色发展。