環(huán)境友好型水基鉆井液技術研究新進展

趙小平，孫 強

(1.中石化勝利石油工程公司塔里木分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.中石化勝利石油工程公司鉆井工程技術公司,山東 東營 257064)

隨著油氣勘探開發(fā)難度的增大以及對經(jīng)濟和環(huán)境效益的不斷追求，“安全、快速、優(yōu)質、環(huán)保、高效”已成為鉆井技術發(fā)展的更高目標，這必然對鉆井液、完井液提出更全面、更高的技術要求[1-4]?，F(xiàn)階段聚合物鉆井液、聚磺鉆井液等傳統(tǒng)水基鉆井液體系的性能均無法滿足復雜結構井的鉆井施工要求，環(huán)保與抗高溫等性能有待全面改進提高，而油基鉆井液則具有強抑制性、優(yōu)良潤滑性以及高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點，已成為復雜結構井鉆井施工的重要技術手段[5-6]。但隨著我國環(huán)保法律法規(guī)的不斷完善及環(huán)保要求的不斷提高，鉆井工程環(huán)保形勢日益嚴峻，尤其在環(huán)境敏感和生態(tài)脆弱地區(qū)，鉆井液已成為鉆井工程的主要污染源之一，大量廢棄鉆井液與含油鉆屑無法直接排放，需要利用特殊工藝進行無害化處理，相關工藝技術復雜，設備投入大，處理成本高，大大限制了油基鉆井液的規(guī)?；茝V應用[7-8]。

本文從環(huán)保型水基鉆井液體系、環(huán)保型鉆井液關鍵處理劑、鉆井液環(huán)保性能評價方法等三個方面，綜述了高性能環(huán)保型鉆井液技術國內(nèi)外研究新進展，展望了環(huán)保型水基鉆井液技術發(fā)展趨勢，為環(huán)保型鉆井液體系與關鍵處理劑研發(fā)提供了參考。

1 環(huán)保型水基鉆井液體系研究概況

1.1 國外環(huán)保型水基鉆井液體系

近年來，國外石油公司以無生物毒性、易生物降解、鉆井液配方簡單為技術目標，研發(fā)出了多種高性能環(huán)保型水基鉆井液體系及配套關鍵處理劑。M-I SWACO公司重點通過優(yōu)化水基鉆井液體系配方以達到仿油基鉆井液性能目標，陸續(xù)研發(fā)了高性能水基鉆井液體系(ULTRADRILL)、高性能環(huán)保型水基鉆井液體系(HydraGlyde)等，并提出了“客戶定制式”高性能水基鉆井液設計理念[9-11]，既保持了水基鉆井液的環(huán)境適應性好與成本低等優(yōu)點，又能夠降低扭矩，達到了與油基鉆井液相媲美的鉆速，同時還能避免井壁失穩(wěn)等鉆井復雜情況，為復雜結構井鉆井施工提供了一種“快速、安全、靈活”的鉆井液技術方案。

Baker Hughes公司將聚胺化合物與聚合醇的濁點和鋁的化合作用相結合，研發(fā)了PERFORMAX高性能水基鉆井液體系，該體系利用納米聚合物封堵劑MAX-SHIELD、鋁基化學封堵劑MAX-PLEX、頁巖水化抑制劑MAX-GUARD、聚合物包被劑NEW-DRILL的共同作用來封堵頁巖孔隙與微裂縫，阻止壓力傳遞與濾液侵入，具有抑制性強、高溫穩(wěn)定、保護儲層及保護環(huán)境等優(yōu)點，可達到美國環(huán)保局規(guī)定的墨西哥灣排放要求[12]。Halliburton公司根據(jù)不同頁巖地層的復雜特性，研發(fā)形成了SHALE-DRIL高性能水基鉆井液體系系列，包括SHALE-DRIL-F、SHALE-DRIL-H、SHALE-DRIL-B、SHALE-DRIL-E等四套方案[13]，其具有強抑制、高潤滑、提高機械鉆速、成本低等優(yōu)點，并廣泛應用于美國Haynesville、Fayetteville、Barnett、Eagle Ford等主要頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊。

綜合分析可知，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton等國外石油公司均已研發(fā)形成了相對成熟的高性能環(huán)保水基鉆井液體系及系列配套鉆井液處理劑，能夠為現(xiàn)場客戶提供“個性化定制”的高性能環(huán)保水基鉆井液技術服務。但值得注意的是，國外石油公司的高性能環(huán)保水基鉆井液專利技術目前仍處于高度保密階段，技術服務價格高，國產(chǎn)自主化研發(fā)缺乏借鑒參考，技術難度大，亟需針對性地開展相應的研究工作。

1.2 國內(nèi)環(huán)保型水基鉆井液體系

為了滿足鉆井工程技術需求，鉆井完井液體系中處理劑的種類和數(shù)量越來越多，對脆弱的油田生態(tài)環(huán)境造成的危害也越來越大。近年來，我國持續(xù)研發(fā)了多項鉆井液環(huán)保技術，但多集中在"末端治理"方面，即廢棄鉆井液無害化處理與含油鉆屑配套處理技術等，相關工藝技術復雜，設備投入大，處理成本高。因此，國內(nèi)外自20世紀90年代以來，我國開始重視研發(fā)環(huán)保鉆井液體系，從源頭上控制鉆井液對環(huán)境的污染，由"末端治理"向"源頭控制、過程控制"轉變，研發(fā)的聚合醇鉆井液、甲酸鹽鉆井液、硅酸鹽鉆井液、烷基葡萄糖苷鉆井液等環(huán)保型鉆井液體系[14]，其共同特點是生物毒性小、容易生物降解，對環(huán)境影響小。但上述鉆井液體系因成本高昂或應用效果不理想，未能推廣應用。同時為了滿足復雜地層條件下的鉆井液性能要求，現(xiàn)場應用中上述體系均復配了合成高分子聚合物或磺化類處理劑，從而影響了鉆井液體系的整體環(huán)保性能。

2 環(huán)保型水基鉆井液關鍵處理劑研究概況

2.1 國外環(huán)保型水基鉆井液處理劑研發(fā)

研發(fā)無生物毒性、可生物降解的環(huán)保鉆井液處理劑是配制環(huán)保型鉆井液體系的關鍵。國外石油公司持續(xù)重視對淀粉、纖維素等天然高分子材料的深度改性優(yōu)化，相繼研發(fā)了多種環(huán)保型鉆井液處理劑，以滿足環(huán)保鉆井液性能要求，但其抗高溫能力通常在130℃以下，仍需通過深度改性進一步提高天然高分子降濾失劑的抗高溫性能。MI SWACO公司研發(fā)了多種抗高溫淀粉降濾失劑Poly-Sal、Flo-Trol、Duo-Flo，并與聚陰離子纖維素PAC-LV復配使用，研發(fā)了抗溫130～150℃的抗高溫環(huán)保型水基鉆井液體系，鉆井液的API濾失量可控制在10mL以內(nèi)。此外，甲酸鹽可以顯著提高淀粉降濾失劑等天然高分子處理劑的抗溫性能。

2.2 國內(nèi)環(huán)保型水基鉆井液處理劑研發(fā)

目前，國內(nèi)環(huán)保型水基鉆井液處理劑主要集中在淀粉、纖維素、木質素、植物膠等天然高分子材料，易生物降解，環(huán)保性能好，但抗高溫一般在120℃左右，主要應用于上部淺層鉆井。其中，抗高溫聚合物降濾失劑類國內(nèi)采用AMPS、AM、AA、NVP等單體與天然高分子聚合物接枝共聚，研制了多種抗高溫降濾失劑，抗高溫最高可達180℃，但都處于室內(nèi)研究階段，且環(huán)保性能受AMPS、AM等殘留合成單體的影響較大；頁巖抑制劑類主要有多元醇、烷基葡萄糖苷、有機鹽、硅酸鹽等，這些處理劑主要是抑制泥頁巖水化膨脹，其他配套處理劑仍需完善；高溫增粘劑主要有高溫弱凝膠GEL和80A-51，GEL是以生物聚合物為主要原料，經(jīng)表面活化后與聚合物以及高溫保護劑等復合，80A-51是丙烯酸鹽共聚物，兩種處理劑的抗高溫性均低于150℃；極壓潤滑劑類主要有植物油、聚醚類、酯類、聚α-烯烴(PAO)類等，這些潤滑劑生物毒性低、易生物降解，但熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性能仍需進一步研究完善[15-16]。

綜上所述，國內(nèi)在環(huán)保型鉆井液處理劑與體系方面也取得了較大進展，但多數(shù)環(huán)保型鉆井液處理劑普遍存在合成工藝復雜、成本較高、性能單一等缺點，目前在復雜高溫地層鉆井過程中仍然多采用人工合成高分子與磺化類處理劑，尚未有效解決鉆井液處理劑環(huán)保性與高溫穩(wěn)定性之間的矛盾。因此，下一步仍需要利用淀粉、纖維素、植物膠等來源豐富、價格低廉的天然高分子材料，通過深度化學改性工藝，研發(fā)出新型環(huán)保鉆井液處理劑，以替代合成聚合物、瀝青等常用非環(huán)保鉆井液處理劑。

3 環(huán)保型水基鉆井液技術的發(fā)展趨勢

隨著環(huán)保鉆井液技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外陸續(xù)研發(fā)了一批仿油基鉆井液性能的環(huán)保型水基鉆井液體系，并取得了較好的現(xiàn)場應用效果，但在抗高溫性能、綜合環(huán)保性能等方面仍需要進一步深入研究完善。環(huán)保型水基鉆井液技術發(fā)展趨勢概括如下：

(1)深入研究提高天然高分子材料抗高溫性的作用機制，并在此基礎上，借鑒先進的化學、生物和納米技術，利用來源豐富、價格低廉的天然原料，如淀粉、纖維素、木質素、栲膠和植物膠等，進行復合或深度改性，有針對性地研發(fā)低成本高效環(huán)保型水基鉆井液處理劑，為構建環(huán)保型水基鉆井液體系提供物質保障。

(2)選用鉆井液配伍性、抗溫穩(wěn)定性、儲層保護、環(huán)境友好等性能指標，綜合評價新型鉆井液處理劑與環(huán)保鉆井液體系的現(xiàn)場應用效果，最終形成環(huán)保型水基鉆井液關鍵處理劑系列，構建仿油基鉆井液性能的環(huán)保型水基鉆井液體系，以獲得最佳的綜合效益。

(3)盡快從生物毒性、生物降解性、重金屬元素含量等方面規(guī)范建立鉆井液環(huán)保性能評價標準體系，提高鉆井液處理劑與體系環(huán)保性能評價的準確性和科學性。