環(huán)保型鉆井液體系新進(jìn)展

1、環(huán)保型鉆井液體系新進(jìn)展石工 11-12 班摘 要：論述了廢棄鉆井液日趨嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題和近年來環(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 述了幾種近年來開發(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 題及未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：環(huán)保；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、巖屑、無機(jī)物和重金屬等物質(zhì)，此類化學(xué)物品長期滯留在環(huán) 境中，輕者污染環(huán)境，重者影響動、植物的

2、生命。實(shí)施油氣田的勘探開發(fā)對環(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)的意識也越來越強(qiáng)，各國法律都對鉆 井液的環(huán)保性提出了更為嚴(yán)格的要求，積極采取各種對策和措施 , 減少對環(huán)境的污染和 對生態(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)保型鉆井液的開發(fā)利用既要滿足鉆井工程安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效的需求，還要滿足 環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，不污染周圍的環(huán)境（包括土壤、動植物、地下水等） ，不影響農(nóng)作物生長 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 就成為評價鉆井液環(huán)保性必不可少的指標(biāo)。鉆井液毒性評價采用

3、試驗(yàn)方法，主要有糠蝦 生物檢測法、微生物毒性法和累計(jì)生物熒光法。其中糠蝦生物檢測法是美國國家環(huán)保局（EPA正式批準(zhǔn)的用于鉆井液毒性評價的唯一方法。使一定數(shù)量的浮游動物糠蝦經(jīng)受 96h 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，由圖中曲線即可得到使50%試驗(yàn)生物致死的濃度值，該濃度值被稱為96hLG值，用以表示毒物毒性的大小。LC5o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CO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CO吸收

4、法等。1 環(huán)保型鉆井液白油基鉆井液隨著石油勘探開發(fā)向深井、高溫高壓井，水敏性地區(qū)和海上油田勘探開發(fā)的不斷深入，油基鉆井液的使用規(guī)模將會越來越大。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，允許將鉆屑直接排放入海，滿足歐盟環(huán)保要求。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。烷基葡萄糖苷鉆井液烷基葡萄糖苷（APG鉆井液，是近幾年

5、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)慣將此類產(chǎn)品統(tǒng)稱為烷基多糖苷（ APG。 C8-18 的APG已被證明具有優(yōu)良的表面活性，無毒，對皮膚無刺激性，生物降解迅速徹底，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

6、降解性和熱穩(wěn)定性； （ 5）組成簡單， 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巖表面形成一 層半透膜，通過調(diào)節(jié)該鉆井液的水活度控制鉆井液與地層水的運(yùn)移，使頁巖中的水進(jìn)入 鉆井液中，從根本上抑制泥頁巖的水化膨脹，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。硅酸鹽鉆井液硅酸鹽鉆井液被普遍認(rèn)為是最具發(fā)展前景的水基鉆井液體系， 因具有無毒、無熒光、 良好

7、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

8、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，同時還可增加鉆井液濾液的粘度，減少濾液的浸入量。另外，通 過在硅酸鹽鉆井液中使用適量的 KCl、NaCl 等無機(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題，該鉆井液的整體性能難以滿足各種復(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 鹽復(fù)配，使體系的環(huán)保性能受到影響。合成基鉆井液 合成基鉆井液是在水基鉆井液不能

9、滿足井下復(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)場應(yīng)用的合成基鉆井液主要有 酯基，醚基，聚a -烯烴基，線性a -烯烴基等。合成基鉆井液無毒，體系內(nèi)不含有熒光類物質(zhì)，可生物降解，對環(huán)境無污染，是一 種環(huán)保型鉆井液體系。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LG。大于2%,說明酯基鉆井液對環(huán)境無毒，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

10、能穩(wěn)定，易于控制和操作，粘度高，具有較好攜屑性能 和潤滑性能，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。對地質(zhì)復(fù)雜的探井也可以使用合成基鉆井液。 聚合醇鉆井液聚合醇鉆井液（PEM的DOfiC 27h溶解氧量）和CODf

11、i （化學(xué)耗氧）遠(yuǎn)低于通用白 油類水基鉆井液，因此可以說該體系屬于無毒型鉆井液。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，對環(huán)境影響小。并且維護(hù)簡單。當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時， 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；同時形成類似油相 的分子膜，提高了鉆井液的潤滑性，進(jìn)而穩(wěn)定井壁。當(dāng)溫度低于濁點(diǎn)時，PEM呈水溶性，聚合物吸附在鉆具和鉆屑表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，改善潤滑性，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

12、鉆井綜合效益。在國外，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足工程需要，就需要加入各種化學(xué)處理劑?；瘜W(xué)處理劑的 種類、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，需要開發(fā)研制各種新型低毒無害的化學(xué)添加劑，以替代傳統(tǒng)的化學(xué)添加劑。環(huán)保型阻垢緩蝕劑聚天冬氨酸聚天冬氨酸（PASP是一種性能優(yōu)異、可

13、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。不但具有無毒水溶性羧酸，而且能全部生物降解 成無毒性的化學(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)對于 CaCO CaSO4具有較好的阻垢作用,而酰胺基 對 Ca3（PO4）2 的阻垢有益。環(huán)保型潤滑劑聚合醚 HLX環(huán)保型潤滑劑聚合醚（HLX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，沒有濁點(diǎn)行為，與 水的混溶性較差

14、。但在水面上能迅速擴(kuò)散，并形成一層類似于油的分子膜，很容易吸附 在井壁和鉆具表面，能提高鉆井液的潤滑效果。聚合醚可抗溫達(dá)到150C,對鉆井液流變 性影響小，性能穩(wěn)定，有利于在寒冷的冬季施工和 4500m以內(nèi)深井施工。HLX 具有降低鉆具阻力，防止鉆具粘卡，且無熒光、無毒、易生物降解等特點(diǎn)。鉆 井液可直接排入海中，對海洋環(huán)境無害。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。環(huán)保型硫化氫清除劑二價鐵的糖類衍生物（葡糖酸亞鐵）鉆井液添加劑作為除硫劑，具有對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)。因糖類分子容易降解，此類除硫劑 與環(huán)境的配伍性良好?？垢邷?/p>

15、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，檸檬酸鋯具有可 生物降解性、無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。復(fù)合離子降粘劑 PX復(fù)合離子降粘劑PX 是一種以季銨鹽陽離子為主要吸附基團(tuán),依靠多種陰離子基團(tuán)來 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分子質(zhì) 量聚合物降粘劑。據(jù)報(bào)道，PX在膨潤土漿、聚合物鉆井液及高密度

16、鉆井液中的降粘效果 都較好，是FCLS的510倍，且加量少，一般為左右。水溶性好，使用方便，是一種 對環(huán)境無害的降粘劑。3 發(fā)展趨勢現(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?（1）利用來源豐富價格低廉的天然材料，進(jìn)行改性，簡化合 成工藝，提高其綜合性能，降低成本； （2）開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

17、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 發(fā)上來，有針對性的開發(fā)高效高性能的環(huán)保型鉆井液處理劑； （ 4）綜合開發(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。參考文獻(xiàn)：1 劉緒全，陳敦輝環(huán)保型全白油基鉆井液的研究與應(yīng)用J 鉆井液與完井液， 2011， 28（2）： 1 0-1 2 2 劉振東，薛玉志全油基鉆井液完井液體系研究及應(yīng)用J 鉆井液與完井液， 2009， 26（ 6）：27-29 3 徐弘 綠色鉆井液體系應(yīng)用分析 J 油氣田環(huán)境保護(hù)， 2011， 21（6）：64-664 李樹斌新型環(huán)保鉆井液體系研究綜述J油氣田環(huán)境保護(hù)，2004, 11 （1）:18-21 5 楊振杰環(huán)保鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.鉆井液與完井液，2004, 21 （2）: 39-416 徐同臺，趙忠舉，徐