環(huán)保型鉆井液應(yīng)用分析與發(fā)展方向

佟芳芳，蘇碧云，倪炳華

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

環(huán)保型鉆井液應(yīng)用分析與發(fā)展方向

佟芳芳，蘇碧云，倪炳華

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

論述了廢棄鉆井液日趨嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題和近年來(lái)環(huán)保型鉆井液的研究及應(yīng)用進(jìn)展情況，其中包括白油鉆井液、烷基葡萄糖苷鉆井液、硅酸鹽鉆井液、合成基鉆井液和聚合醇鉆井液，且對(duì)這些鉆井液的作用機(jī)理、適用性和環(huán)保性能進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)述了幾種近年來(lái)開(kāi)發(fā)的環(huán)保型鉆井液處理劑。最后指出目前環(huán)保性鉆井液技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向。

環(huán)境保護(hù)；生物降解性；鉆井液；鉆井液處理劑

鉆井液保障了鉆井工程安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效的需求，但鉆井施工中產(chǎn)生廢棄物中含有有機(jī)聚合物、烴類(lèi)、巖屑、無(wú)機(jī)物和重金屬等物質(zhì)，此類(lèi)化學(xué)物品長(zhǎng)期滯留在環(huán)境中，輕者污染環(huán)境，重者影響動(dòng)、植物的生命。實(shí)施油氣田的勘探開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的影響是不可避免的。環(huán)境污染日益加重，人們環(huán)境保護(hù)的意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，各國(guó)法律都對(duì)鉆井液的環(huán)保性提出了更為嚴(yán)格的要求，積極采取各種對(duì)策和措施,減少對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一是石油工業(yè)發(fā)展的命脈。環(huán)保型鉆井液的開(kāi)發(fā)利用既要滿(mǎn)足鉆井工程安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效的需求，還要滿(mǎn)足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，不污染周?chē)沫h(huán)境（包括土壤、動(dòng)植物、地下水等），不影響農(nóng)作物生長(zhǎng)及施工人員的健康安全等條件。

從源頭控制污染，最大限度的減少污染，實(shí)現(xiàn)“綠色”鉆井。毒性和生物可降解性就成為評(píng)價(jià)鉆井液環(huán)保性必不可少的指標(biāo)。鉆井液毒性評(píng)價(jià)采用試驗(yàn)方法，主要有糠蝦生物檢測(cè)法、微生物毒性法和累計(jì)生物熒光法。其中糠蝦生物檢測(cè)法是美國(guó)國(guó)家環(huán)保局（EPA）正式批準(zhǔn)的用于鉆井液毒性評(píng)價(jià)的唯一方法。使一定數(shù)量的浮游動(dòng)物糠蝦經(jīng)受96 h不同濃度毒物的毒害，分別記錄每種濃度下所殘存的生物數(shù)量。然后，以死亡比率與濃度的關(guān)系作圖，由圖中曲線(xiàn)即可得到使50%試驗(yàn)生物致死的濃度值，該濃度值被稱(chēng)為96 hLC50值，用以表示毒物毒性的大小。LC50值越大，表示鉆井液的毒性越小。鉆井液處理劑的生物降解性是指鉆井液處理劑分子在微生物的作用下分解轉(zhuǎn)化為微生物代謝物或細(xì)胞物質(zhì)并產(chǎn)生CO2的性質(zhì)。目前主要應(yīng)用的研究生物降解性的方法有有機(jī)物衰減法、生化耗氧量法和CO2吸收法等。

1 環(huán)保型鉆井液

1.1 白油基鉆井液

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)向深井、高溫高壓井，水敏性地區(qū)和海上油田勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，油基鉆井液的使用規(guī)模將會(huì)越來(lái)越大。工業(yè)白油環(huán)烷烴含量高，芳烴和稠環(huán)芳烴含量低。以工業(yè)白油為基液制得的全白油基鉆井液，生物毒性低，當(dāng)鉆屑含油量低于15%時(shí)，允許將鉆屑直接排放入海，滿(mǎn)足歐盟環(huán)保要求[1－2]。穩(wěn)定性高，黏性強(qiáng)，濾失量小等優(yōu)于其他鉆井液，全白油基鉆井液抗土、水污染較強(qiáng)且潤(rùn)滑性良好可以抑制鉆屑水化分散有利于提高鉆速。改變?nèi)子突@井液各種成分的含量，可以配制出不同礦井需要的鉆井液，使工作成效到達(dá)利益最大化，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1.2 烷基葡萄糖苷鉆井液

烷基葡萄糖苷（APG）鉆井液[4-7]，是近幾年提出的一種替代油基鉆井液的新型水基鉆井液體系。烷基葡萄糖苷是由葡萄糖或淀粉的酶解，經(jīng)酸催化與脂肪醇脫水縮合生成的一大類(lèi)有機(jī)化合物。由于生產(chǎn)條件和工藝的不同，烷基葡萄糖苷類(lèi)產(chǎn)品所含的葡萄糖單元數(shù)及烷基化度有一定的差別。工業(yè)上習(xí)慣將此類(lèi)產(chǎn)品統(tǒng)稱(chēng)為烷基多糖苷（APG）。C8-18的APG已被證明具有優(yōu)良的表面活性，無(wú)毒，對(duì)皮膚無(wú)刺激性，生物降解迅速?gòu)氐?，配伍性能好等特點(diǎn)。

在APG系列中，甲基葡萄糖苷（MEG）的使用尤為突出，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)。（1）較強(qiáng)的抑制性、封堵和降濾失作用，可以較好的穩(wěn)定井壁；（2）具有良好的潤(rùn)滑性能；（3）具有良好的保護(hù)油氣層性能；（4）具有良好的生物可降解性和熱穩(wěn)定性；（5）組成簡(jiǎn)單，流變性易調(diào)整，抗污染性強(qiáng)等。其抑制機(jī)理是甲基葡萄糖苷能吸附在泥頁(yè)巖表面形成一層半透膜，通過(guò)調(diào)節(jié)該鉆井液的水活度控制鉆井液與地層水的運(yùn)移，使頁(yè)巖中的水進(jìn)入鉆井液中，從根本上抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹，穩(wěn)固井壁。濃度80%甲基葡萄糖苷溶液LC50值高于500 g/L，完全符合EPA規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，甲基葡萄糖苷鉆井液是一種無(wú)毒、易生物降解的新型環(huán)保鉆井液。在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)、海上復(fù)雜地層、大斜度井、延伸井和水平井的鉆井中均有很好的應(yīng)用前景。

1.3 硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽鉆井液[8-11]被普遍認(rèn)為是最具發(fā)展前景的水基鉆井液體系，因具有無(wú)毒、無(wú)熒光、良好防塌性能、材料費(fèi)用低等特性，日益受到重視。其中硅酸鈉/鉀鉆井液，能提高機(jī)械鉆速，抑制頁(yè)巖的水化膨脹。硅酸鹽的用量小，降低了成本。殘液中的硅酸鉀還可以作為化肥，減少排放。硅酸鹽鉆井液已在大西洋東部的海灣北海、美國(guó)的阿拉斯加、加拿大的紐芬蘭、墨西哥灣等地區(qū)使用，應(yīng)用前景廣闊。

硅酸鹽鉆井液的作用機(jī)理可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）硅酸鹽在鉆井液中形成不同尺寸的膠體和納米級(jí)粒子，這些粒子與巖石表面或地層水中的鈣、鎂離子發(fā)生反應(yīng)，生成的硅酸鈣沉淀覆蓋在巖石表面起封堵作用；（2）含有硅酸鹽的鉆井液濾液與pH值低的地層水相遇后產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象形成“半透膜”，阻止濾液進(jìn)入地層穩(wěn)定井壁；（3）硅酸鹽與粘土礦物發(fā)生縮合反應(yīng)，產(chǎn)生膠結(jié)性物質(zhì)，抑制頁(yè)巖中粘土礦物水化膨脹和分散；（4）硅酸鹽體系中的高聚物（黃原膠、PAC等）可調(diào)節(jié)體系的流變性，同時(shí)還可增加鉆井液濾液的粘度，減少濾液的浸入量。另外，通過(guò)在硅酸鹽鉆井液中使用適量的KCl、NaCl等無(wú)機(jī)鹽也可起到協(xié)同穩(wěn)定作用。

目前硅酸鹽鉆井液依然存在一些問(wèn)題，該鉆井液的整體性能難以滿(mǎn)足各種復(fù)雜井和特殊井的要求。受使用溫度和pH值的限制，為達(dá)到良好的抑制性能，必須保證硅酸鹽有較大的加量，增加了成本。要達(dá)到較好的鉆井液性能，必須與其他非環(huán)保處理劑和低價(jià)鹽復(fù)配，使體系的環(huán)保性能受到影響。

1.4 合成基鉆井液

合成基鉆井液是在水基鉆井液不能滿(mǎn)足井下復(fù)雜情況的性能要求，油基鉆井液和礦物油基鉆井液不能滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求的情況下應(yīng)運(yùn)而生的，合成基鉆井液以人工合成或改性的有機(jī)物為連續(xù)相，鹽水為分散液相，并有乳化劑、流型調(diào)節(jié)劑等形成油包水逆乳化懸浮分散體系，具有油基鉆井液的工作性能?，F(xiàn)已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的合成基鉆井液主要有酯基，醚基，聚α-烯烴基，線(xiàn)性α-烯烴基等。

合成基鉆井液無(wú)毒，體系內(nèi)不含有熒光類(lèi)物質(zhì)，可生物降解，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種環(huán)保型鉆井液體系[12-15]。鉆井排水，鉆屑和廢棄鉆井液均可向海洋排放。其中新研制的典型酯基鉆井液的LC50大于2%，說(shuō)明酯基鉆井液對(duì)環(huán)境無(wú)毒，厭氧降解是酯基鉆井液生物降解的主要方式。

合成基鉆井液體系的常規(guī)性能穩(wěn)定，易于控制和操作，粘度高，具有較好攜屑性能和潤(rùn)滑性能，可用于大斜度井及水平井鉆進(jìn)。高閃點(diǎn)，低凝固點(diǎn)，可在寒冷地區(qū)和深水海域應(yīng)用。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。但由于使用合成基鉆井液提高了鉆速，能使井眼穩(wěn)定，節(jié)約了油基鉆井液用于處理鉆屑和環(huán)境污染的費(fèi)用。因此，使用合成基鉆井液的綜合鉆井成本比油基甚至比水基鉆井液都低。應(yīng)用結(jié)果表明，使用合成基鉆井液比水基鉆井液鉆井快，綜合成本低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。適合在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)、海上復(fù)雜地層、大斜度井、延伸井和水平井的鉆井中使用。對(duì)地質(zhì)復(fù)雜的探井也可以使用合成基鉆井液。

1.5 聚合醇鉆井液

聚合醇鉆井液（PEM）[16-21]的DO值（27 h溶解氧量）和COD值（化學(xué)耗氧）遠(yuǎn)低于通用白油類(lèi)水基鉆井液，因此可以說(shuō)該體系屬于無(wú)毒型鉆井液。PEM具有很強(qiáng)的抑制性與封堵性，能有效地穩(wěn)定井壁。潤(rùn)滑性能好，能降低鉆井液的表面張力與界面張力，有利于保護(hù)油氣層。毒性極低，易生物降解，對(duì)環(huán)境影響小。并且維護(hù)簡(jiǎn)單。當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時(shí)，PEM發(fā)生相分離，不溶解的聚合物能封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層；同時(shí)形成類(lèi)似油相的分子膜，提高了鉆井液的潤(rùn)滑性，進(jìn)而穩(wěn)定井壁。當(dāng)溫度低于濁點(diǎn)時(shí)，PEM呈水溶性，聚合物吸附在鉆具和鉆屑表面，形成憎水膜，阻止泥頁(yè)巖水化分散，改善潤(rùn)滑性，降低鉆具扭矩和摩阻，穩(wěn)定鉆井液性能并控制壓力傳遞。

PEM特別適用大斜度定向井使用要求，可提高鉆井綜合效益。在國(guó)外，PEM已在墨西哥灣、大西洋東部的海灣北海、蘇丹等許多油田使用。在國(guó)內(nèi)，該鉆井液已在渤海、南海西部、東海、遼河、大港、塔里木和江蘇等油田推廣應(yīng)用。其中在渤海、南海西部近10個(gè)油田的50多口直井、斜井、三維井和深井中成功應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 環(huán)保型鉆井液處理劑

為使鉆井液體系更好的滿(mǎn)足工程需要，就需要加入各種化學(xué)處理劑。化學(xué)處理劑的種類(lèi)、性質(zhì)和投入數(shù)量范圍很大。要使鉆井液體系環(huán)境友好，則加入的處理劑必須是環(huán)保型的，需要開(kāi)發(fā)研制各種新型低毒無(wú)害的化學(xué)添加劑，以替代傳統(tǒng)的化學(xué)添加劑。

2.1 環(huán)保型阻垢緩蝕劑聚天冬氨酸

聚天冬氨酸[22-26]（PASP）是一種性能優(yōu)異、可生物降解的“綠色化學(xué)品”。具有優(yōu)良的阻垢分散和降粘作用。還能用作肥料增效劑、殺蟲(chóng)劑、保濕劑等。PASP是受海洋軟體生物代謝的啟發(fā)而研制的一種生物高分子。不但具有無(wú)毒水溶性羧酸，而且能全部生物降解成無(wú)毒性的化學(xué)品。是公認(rèn)的綠色聚合物和水處理劑的更新?lián)Q代產(chǎn)品。聚天冬氨酸還具有很好的阻垢緩蝕性，其羧酸官能團(tuán)對(duì)于CaCO3、CaSO4具有較好的阻垢作用,而酰胺基對(duì)Ca3（PO4）2的阻垢有益。

2.2 環(huán)保型潤(rùn)滑劑聚合醚HLX

環(huán)保型潤(rùn)滑劑聚合醚（HLX）[27-28]是由天然物質(zhì)經(jīng)精煉提純后，在一定溫度、壓力和縮合劑的作用下與低分子烷氧基化合物縮合而成。HLX屬非離子處理劑，沒(méi)有濁點(diǎn)行為，與水的混溶性較差。但在水面上能迅速擴(kuò)散，并形成一層類(lèi)似于油的分子膜，很容易吸附在井壁和鉆具表面，能提高鉆井液的潤(rùn)滑效果。聚合醚可抗溫達(dá)到150℃，對(duì)鉆井液流變性影響小，性能穩(wěn)定，有利于在寒冷的冬季施工和4500 m以?xún)?nèi)深井施工。

HLX具有降低鉆具阻力，防止鉆具粘卡，且無(wú)熒光、無(wú)毒、易生物降解等特點(diǎn)。鉆井液可直接排入海中，對(duì)海洋環(huán)境無(wú)害。與海水鉆井液體系具有良好的配伍性，可增強(qiáng)海水鉆井液體系的抗污染能力。

2.3 環(huán)保型硫化氫清除劑

二價(jià)鐵的糖類(lèi)衍生物[29]（葡糖酸亞鐵）鉆井液添加劑作為除硫劑，具有對(duì)pH值不敏感，不影響鉆井液流變性，與鉆井液的配伍性好等特點(diǎn)。因糖類(lèi)分子容易降解，此類(lèi)除硫劑與環(huán)境的配伍性良好。

2.4 抗高溫鉆井液添加劑檸檬酸鋯

用氧氯化鋯和檸檬酸鈉反應(yīng)制得抗高溫的鉆井液添加劑檸檬酸鋯[30-31]，檸檬酸鋯具有可生物降解性、無(wú)毒及配伍性能好等特點(diǎn)。在鉆井液中添加檸檬酸鋯，能提高褐煤及木質(zhì)素磺酸鹽在分散鉆井液中的抗溫穩(wěn)定性，以及控制膨潤(rùn)土高溫下的膠凝稠化。在聚合物鉆井液中，檸檬酸鋯能有效的控制鉆井液的流變性能，減少鉆井液的稀釋量。成為抗高溫鉆井液中FCLS和重鉻酸鉀的替代品。

2.5 復(fù)合離子降粘劑PX

復(fù)合離子降粘劑PX[32]是一種以季銨鹽陽(yáng)離子為主要吸附基團(tuán),依靠多種陰離子基團(tuán)來(lái)拆散鉆井液中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有一定的抗鹽、抗鈣能力和優(yōu)良抗溫性能的低相對(duì)分子質(zhì)量聚合物降粘劑。據(jù)報(bào)道，PX在膨潤(rùn)土漿、聚合物鉆井液及高密度鉆井液中的降粘效果都較好，是FCLS的5～10倍，且加量少，一般為0.1%左右。水溶性好，使用方便，是一種對(duì)環(huán)境無(wú)害的降粘劑。

3 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有的環(huán)保型鉆井液處理劑和鉆井液普遍存在成本較高，性能單一，應(yīng)用結(jié)果不夠理想等缺陷。很多新型環(huán)保型處理劑合成工藝比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用受到限制。環(huán)保性處理劑生物降解性和性能穩(wěn)定性的矛盾問(wèn)題還未能完好解決。因此，環(huán)保型鉆井液處理劑和體系的研究方向?yàn)椋海?）利用來(lái)源豐富價(jià)格低廉的天然材料，進(jìn)行改性，簡(jiǎn)化合成工藝，提高其綜合性能，降低成本；（2）開(kāi)展鉆井液處理劑作用機(jī)理的基礎(chǔ)研究，為環(huán)保型鉆井液的開(kāi)發(fā)提供理論支持，并盡快將已經(jīng)研究成功的科研成果投入到批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中；（3）將先進(jìn)的化學(xué)、生物技術(shù)和納米技術(shù)應(yīng)用到鉆井液處理劑的研制開(kāi)發(fā)上來(lái)，有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)高效高性能的環(huán)保型鉆井液處理劑；（4）綜合開(kāi)發(fā)利用工業(yè)廢物，變廢為寶，既有利于環(huán)境保護(hù)，又能降低鉆井液成本。

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Analysis of the environmental-protecting drilling fluids application and development direction

TONG Fangfang，SU Biyun，NI Binghua
（Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

This article discusses the increasingly severe environmental pollution problems on waste drillidg fluids,and the researches and applications of environmental-protecting drilling fluids in recent years.The drilling fluids include white oil base drilling fluid,alkyl glucoside drilling fluid,silicate drilling fluid，synthetic drilling fluid and JLX drilling fluid.Their effect mechanisms and suitabilities are analyzed.The additives for the environmentprotecting drilling fluids developed in present years are summarized.The difficulties existing in the development of the environment-protecting drilling fluids are pointed out,and the development trend in the study of the environment-protecting drilling fluid is put forward.

environmental protection；biodegradability；drilling fluid；drilling fluid additive

10.3969/j.issn.1673-5285.2012.11.001

TE254.4

A

1673－5285（2012）11－0001－05

2012-10-15

陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（No.09JK696）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（No.2009JQ2006）、天然氣

水套加熱爐腐蝕防護(hù)技術(shù)研究（長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠(chǎng)2011年科研項(xiàng)目）。

佟芳芳，女（1984-），西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)研究生，郵箱：tongff1984@163.com。