環(huán)保型類無機鉆井液體系研究及應(yīng)用

董宏偉，段志峰，王勇強

1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，2.中國石油長慶油田油氣工藝研究院，3.川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院：西安 710016

在鉆井技術(shù)中，鉆井液的環(huán)保問題受到國家環(huán)保法律政策的規(guī)范和限制。因此，立足當(dāng)前環(huán)保鉆井液技術(shù)的發(fā)展，探索新型鉆井液技術(shù)[1-5]，對于鉆井技術(shù)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

鉆井液被譽鉆井的“血液”，當(dāng)完成鉆井工程后，不能回收利用部分的處理是解決鉆井液環(huán)保性的難點[6-9]，特別是鉆井液使用的腐殖酸類、樹脂類、瀝青類、單寧類、丙烯酸類聚合物等產(chǎn)品，使鉆井液COD值、BOD5值普遍偏高，且毒性大，排放物的指標(biāo)難達到SY/T 6787—2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護技術(shù)要求》、SY/T 6788—2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護技術(shù)評價方法》和GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，目前的處理方法極易造成二次污染，也是國家嚴(yán)令預(yù)防的。因而低COD值、BOD5值、毒性小，有利于后期處理的鉆井液技術(shù)是目前解決環(huán)保鉆井液的關(guān)鍵。筆者以合成的無機提黏切劑G339為主劑，優(yōu)選其他環(huán)保添加劑，制備環(huán)保型類無機鉆井液體系，使體系的COD值、BOD5值大大降低，解決了COD值、BOD5值普遍偏高的問題。

1 實驗

1.1 原料與儀器

AlCl3、MgCl2、十二烷基硫酸鈉(SBS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基單磷酸鉀(PK)、KCl、NH4Cl，均為分析純，天津市致遠化學(xué)試劑有限公司；聚丙烯酸鉀(KPAM)、PAC-L聚陰離子纖維素(低黏)、PAC-H聚陰離子纖維素(高黏)、ASR-1酸溶性淀粉，均為工業(yè)級，河北光大石化有限公司；正電膠(GWMMH)、SO-1、HFT-301，均為工業(yè)級，山東得順源石油科技有限公司；Na2SiO3，分析純，濟南博智化工有限公司；K2SO4，分析純，連云港科信化工有限公司；ASP-1250，超細碳酸鈣(1250目)，工業(yè)級，河北佰斯特科技有限公司。

900型黏度測定儀、ZNS中壓濾失儀，青島海通達儀器公司；Fann 212型極壓潤滑儀、Fann 440毛細管吸收時間測定儀，美國Fanns公司；OFI 150-80-1-230v型高溫動態(tài)線性頁巖膨脹儀、OFI 173-00-1型高溫滾子加熱爐，美國OFI公司；CFS-700型多功能巖心驅(qū)替儀，法國萬奇儀器公司；CODMAX PLUS SC鉻法COD分析儀、BODTrakTM Ⅱ生化需氧量(BOD)分析儀，美國哈希公司；DXY-3型生物毒性測試儀，中科院南京土壤研究所；Z2000型原子吸收分光光度計，日立公司。

1.2 無機提黏劑G339的合成

三口燒瓶中加入一定量水，根據(jù)n(AlCl3)∶n(MgCl2)=1∶3，稱取一定量的無機鹽AlCl3、無機鹽MgCl2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%改性劑(十二烷基硫酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基單磷酸鉀)，分別加入三口燒瓶中，充分?jǐn)嚢?；完全溶解后，加入共沉淀?∶1(體積比)稀釋的氨水，調(diào)節(jié)體系pH；pH達9.5時，停止加入氨水，反應(yīng)期間，每加入一次氨水，測定一次乳液pH，并記錄；陳化0 .5～1.0 h；抽真空過濾，且洗滌反應(yīng)生成的鹽，形成濾餅；將濾餅密閉于玻璃瓶中，70～80 ℃恒溫(膠溶步驟)24 h，制得溶膠產(chǎn)品G339。同時取少量樣品，備用。

2 環(huán)保型關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選

2.1 無機類提黏劑G339的提黏切效果

使用900型黏度測定儀，對已合成的4種G339產(chǎn)品進行流變性測定，結(jié)果見表1。基漿配方：3.0%膨潤土漿+0.1%NaOH，試驗漿：基漿+1.5%的樣品。

由表1可知，改性后的無機提黏劑G339提黏切效果均比正電膠較好，PK插層改性共沉淀樣品的提黏切效果最好，表觀黏度提高率達300.00%，動切力提高率達350.00%。

2.2 無機類提黏劑G339產(chǎn)品表征

不同改性無機類提黏劑G339掃描電鏡照片見圖1。不同乳化改性劑乳化造粒效果不同，SDS改性共沉淀產(chǎn)物粒徑小但不均勻，PK改性共沉淀產(chǎn)物粒徑尺寸合理且大小均勻，PK改性共沉淀產(chǎn)物同時具有插層效果可提高提黏切率。因此，選擇PK為無機提黏劑插層改性劑。

圖1 不同改性無機類提黏劑G339掃描電鏡照片

2.3 抑制劑的優(yōu)選

抑制劑為Na2SiO3、K2SO4、KCl、NH4Cl、KPAM、正電膠(GWMMH)，進行頁巖滾動回收率試驗，考察各種抑制劑的抑制效果，結(jié)果見表2。

表2 不同抑制劑頁巖回收率試驗結(jié)果

注:一次回收率條件90 ℃/16 h，二次回收率條件90 ℃/4 h，巖屑為鄂爾多斯盆地直羅組巖屑；下同。

從表2看出，從一次回收率數(shù)據(jù)得出抑制劑抑制性順序：KPAM>K2SO4>正電膠(GWMMH)>Na2SiO3>KCl>NH4Cl；但從二次回收率數(shù)據(jù)得出，K2SO4抑制性最好?？紤]環(huán)保要求，選用K2SO4作為體系的抑制劑，并進行了K2SO4加量實驗。

采用K2SO4作為體系的抑制劑，在清水中考察K2SO4加量對頁巖回收率的影響，結(jié)果見表3。

表3 抑制劑K2SO4回收率試驗結(jié)果

從表3看出，K2SO4加量為3.0%，一次回收率已達92.88%，二次回收率達90.04%，可滿足現(xiàn)場需求，硫酸鉀加量繼續(xù)增大，回收率增加并不明顯。因此，硫酸鉀加量以3.0%為宜。

2.4 降濾失劑的優(yōu)選

以3.0%膨潤土+1.5%G339為基漿，各降濾失劑加量均為1.0%，考察各實驗漿在90 ℃/16 h熱滾前后流變性及濾失性，以熱滾后API濾失量及濾餅質(zhì)量為主要評價指標(biāo)，結(jié)果表4。

表4 降濾失劑熱滾前后鉆井液性能對比

注：AV為表觀黏度，PV為塑性黏度，YP為動切力，F(xiàn)LAPI為API濾失量；下同。

從表4看出，在降濾失劑相同加量下，降濾失劑HFT-301的降濾失效果最好，SO-1的降濾失效果其次，考慮環(huán)保要求，選用SO-1作為體系降濾失劑。

3 環(huán)保型類無機鉆井液體系性能評價

3.1 環(huán)保型類無機鉆井液體系加重試驗結(jié)果

綜上所述，確定環(huán)保型類無機鉆井液體系配方：3.0%膨潤土+1.5%G339+5.0%K2SO4+1.0%G314+1.0%SO-1+3.0%固體潤滑劑，固體潤滑劑選用改性石墨，加量3.0%[10]，熱滾條件：90 ℃/16 h，考察其體系加重試驗結(jié)果，結(jié)果見表5。體系密度加重至1.60 g/cm3，體系流變性能良好，靜止72 h后無沉淀。

表5 環(huán)保型類無機鉆井液體系加重試驗結(jié)果

3.2 耐溫性

固定環(huán)保型類無機鉆井液體系配方，ρ=1.1 g/cm3，考察環(huán)保型類無機鉆井液體系的耐溫性,結(jié)果見表6。

表6 環(huán)保型類無機鉆井液體系的耐溫性

由表6看出，熱滾溫度達150 ℃時，環(huán)保型類無機鉆井液體系的流變性能及FLAPI濾失量變化不大，但熱滾溫度達160 ℃時，鉆井液體系的表觀黏度大幅降低，濾失量增大，說明環(huán)保型類無機鉆井液體系耐溫達150 ℃。

3.3 抑制性

為考察環(huán)保型類無機鉆井液抑制巖屑分散能力，進行巖屑滾動回收試驗，結(jié)果見表7。

表7 環(huán)保型類無機鉆井液體系巖屑滾動回收試驗結(jié)果

由表7看出，使用環(huán)保型類無機鉆井液體系時，一次回收率達92.80%，二次回收率達90.24%，表明環(huán)保型類無機鉆井液體系具有較強的抑制巖屑水化分散能力。

同時，使用OFI 150-80-1-230v型高溫動態(tài)線性頁巖膨脹儀進行了巖心膨脹率測試評價實驗，結(jié)果見表8。

由表8看出，清水的巖心膨脹率16 h后達88.89%，24 h后達111.11%，而環(huán)保型類無機鉆井液體系的巖心膨脹率16 h后達22.91%，24 h后達26.95%，再次表明體系具有較強的抑制性。

3.4 儲層保護性能

選用2塊巖心，環(huán)保型類無機鉆井液體系配方室內(nèi)配制，使用CFS-700型多功能驅(qū)替儀進行傷害評價，滲透率隨時間變化關(guān)系見圖2。

圖2 巖心滲透率隨時間變化曲線

從圖2看出，1#巖心傷害率為6.73%，2#巖心傷害率為5.86%，平均傷害率為6.295%，屬于低傷害范圍。

3.5 環(huán)保型類無機鉆井液體系環(huán)保指標(biāo)評價

將環(huán)保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑分別進行COD和BOD5檢測，結(jié)果見表9。

環(huán)保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結(jié)果見表10，表11為環(huán)保型類無機鉆井液體系中重金屬離子含量。

表9 環(huán)保型類無機鉆井液體系中單個處理劑COD和BOD5檢測結(jié)果

表10 環(huán)保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結(jié)果

表11 環(huán)保型類無機鉆井液體系重金屬離子含量

由表9和表10看出，環(huán)保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑的COD值和BOD值都偏低，BOD5/CODCr>0.05，易降解，環(huán)保型類無機鉆井液體系生物毒性EC50為36 000 mg/L，為無毒。從表11看出，體系中重金屬離子含量符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

3.6 環(huán)保型類無機鉆井液體系與其他鉆井液體系降解后性能比較

考察無機鉆井液體系降解后性能，并與KCl聚合物鉆井液體系和無土相低傷害鉆井液體系比較，結(jié)果見表12。

表12 環(huán)保型類無機鉆井液體系與其他鉆井液體系降解后性能比較

由表12看出，環(huán)保型類無機鉆井液體系的COD值、BOD5值及生物毒性EC50值隨著時間增加變化不大，說明環(huán)保型類無機鉆井液體系基本不降解，可回收重復(fù)使用；而KCl聚合物鉆井液體系和無土相低傷害鉆井液體系隨著時間增加，其COD值、BOD5值明顯增大，同時濾失量也增大，說明其已腐敗降解。

4 現(xiàn)場試驗應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場概況

針對常用鉆井液體系與環(huán)境保護的矛盾愈加突出等問題，研發(fā)并優(yōu)選出滿足長慶地區(qū)環(huán)保要求的鉆井液處理劑，并對處理劑進行配伍性研究，形成既滿足長慶地區(qū)優(yōu)快鉆井工程需要又符合環(huán)保要求的環(huán)保型類無機鉆井液體系。現(xiàn)場試驗應(yīng)用了2口井。整個施工試驗井段鉆井液性能穩(wěn)定，流變性、防塌抑制性、潤滑性能佳，試驗a井鉆井周期僅14 d，試驗b井鉆井周期僅8 d，井眼清潔，通井電測順利。同時該鉆井液體系環(huán)保性能優(yōu)良，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，完井后鉆井液性能穩(wěn)定可直接運往下一口井使用。其中試驗a井現(xiàn)場鉆井液體系克服了大段水泥塞鉆進污染、周圍注水井壓力達15 MPa和密度窗口窄等困難，日進尺達157 m創(chuàng)我院油井側(cè)鉆井項目最快單日進尺記錄。

4.2 現(xiàn)場環(huán)保型類無機鉆井液環(huán)保指標(biāo)評價

現(xiàn)場環(huán)保型類無機鉆井液體系COD和BOD5檢測結(jié)果表13，現(xiàn)場環(huán)保型類無機鉆井液體系重金屬離子含量見表14。

表13 現(xiàn)場環(huán)保型類無機鉆井液COD和BOD5檢測結(jié)果

表14 現(xiàn)場環(huán)保型類無機鉆井液重金屬離子含量

從表13和表14看出，試驗a井和b井環(huán)保型類無機鉆井液體系的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性為無毒，重金屬離子符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

4.3 環(huán)保型類無機鉆井液完成井段的井徑擴大率隨井深的變化

試驗a井和b井環(huán)保型類無機鉆井液完成井段的井徑擴大率隨井深的變化分別見圖3和圖4。

圖3 試驗a井井徑擴大率隨井深的變化曲線

圖4 試驗b井井徑擴大率隨井深的變化曲線

試驗a井平均井徑擴大率為6.26%，試驗b井平均井徑擴大率為9.92%，兩口井井徑規(guī)則，均無大肚子井眼形成。

4.4 環(huán)保型類無機鉆井液回收利用率

環(huán)保型類無機鉆井液體系環(huán)保性能優(yōu)良，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，固井后罐面鉆井液除罐底固相外全部回收利用，完井后鉆井液性能穩(wěn)定，直接運往下一口井使用。2口井的鉆井液回收利用率見表15。

表15 2口試驗井的鉆井液回收利用率

5 結(jié)論

1)研發(fā)的環(huán)保型類無機鉆井液體系性能穩(wěn)定，耐溫達150 ℃，流變性良好、防塌抑制性16 h后巖心膨脹率達22.91%。

2)環(huán)保型類無機鉆井液體系所用單個處理劑的COD值和BOD5值均偏低，BOD5/CODCr﹥0.05，易降解，生物毒性為無毒。

3)環(huán)保型類無機鉆井液體系現(xiàn)場試驗2口井，環(huán)保性能優(yōu)良，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，固井后罐面鉆井液除罐底固相外全部回收利用，試驗井鉆井液回收利用率分別為74.4%，71.6%，完井后鉆井液性能穩(wěn)定直接運往下一口井使用。