環(huán)境友好型水基鉆井液GREEN-DRILL的研制與應(yīng)用

胡進(jìn)軍, 孫 強(qiáng), 夏小春, 魏子路, 冀 騰, 項(xiàng) 濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北三河 065201；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300458)

海洋鉆井要求鉆井液具有常規(guī)性能的同時(shí)，還要鉆井液毒性小、生物降解性好、無(wú)生物積累以及排放后對(duì)環(huán)境無(wú)害等[1]。而傳統(tǒng)的水基鉆井液大部分是由合成的高分子聚合物及一些不易被生物降解的處理劑構(gòu)成的，如人工合成的高分子聚合物增黏劑、高分子聚合物降濾失劑、改性纖維及既不溶于水也不溶于油的樹(shù)脂等。由這些處理劑構(gòu)成的水基鉆井液雖然解決了鉆井中的許多難題，但也存在既不容易生物降解，又有可能對(duì)環(huán)境造成污染和危害的缺點(diǎn)。若用傳統(tǒng)的礦物油基鉆井液鉆進(jìn)，雖然能解決復(fù)雜地層的井壁失穩(wěn)及由井斜角大而導(dǎo)致的起下鉆困難等難題，但是鉆屑中含有不易生物降解的礦物油，不能直接排放，需要經(jīng)過(guò)特殊處理，使鉆井成本大大提高。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼研制了一系列環(huán)保的適用于海洋鉆井的鉆井液，如甲基葡萄糖苷鉆井液、硅酸鹽鉆井液、合成基鉆井液[2]、甲酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液等。甲基葡萄糖苷鉆井液和硅酸鹽鉆井液要達(dá)到良好的抑制性，抑制劑的加量非常大，且硅酸鹽鉆井液的流變性和潤(rùn)滑性比較難控制，限制了它們的推廣使用；合成基鉆井液具有無(wú)毒性、可生物降解、對(duì)環(huán)境無(wú)污染及有利于井壁穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，但其成本高，鉆探易漏地層時(shí)風(fēng)險(xiǎn)大[6]；甲酸鹽鉆井液也因成本問(wèn)題一般用于鉆探高溫高壓井儲(chǔ)層段[7-9]；聚合醇鉆井液通過(guò)聚合醇“濁點(diǎn)效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁功能，其功效發(fā)揮與井底溫度、聚合醇類(lèi)型、鉆井液鹽度條件等密切相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)抑制性，常與一定濃度的氯化鉀復(fù)配使用，但是高鹽度的聚合醇鉆井液還是會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響[10]。為此，筆者針對(duì)目前的環(huán)境友好型鉆井液的特點(diǎn)及海洋鉆井作業(yè)的需求，在自主研發(fā)3種環(huán)境友好型處理劑的基礎(chǔ)上，研制出了環(huán)境友好型水基鉆井液GREEN-DRILL，并對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 關(guān)鍵處理劑的研制及加量?jī)?yōu)選

處理劑是鉆井液的組成單元，因此開(kāi)發(fā)新型處理劑是研制鉆井液的關(guān)鍵。在研制鉆井液GREEN-DRILL時(shí)綜合考慮了目前所用鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)選了無(wú)毒且易生物降解的天然材料、惰性低分子改性材料、動(dòng)植物油脂、多元醇、可再分散乳膠聚合物和脂肪烴類(lèi)等原材料，研制了3種環(huán)境友好型處理劑:封堵劑GS、潤(rùn)滑劑GL和抑制劑GG。

1.1 封堵劑GS

將選定的天然惰性微米級(jí)材料、可再分散納米級(jí)改性材料和改性天然材料等按一定比例混合即得封堵劑GS。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的檢驗(yàn)方法測(cè)得半數(shù)致死濃度LC50>30 000 mg/L，由文獻(xiàn)[12]中的生物毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知其為一種無(wú)毒的環(huán)保材料。GS的封堵機(jī)理是在正壓差作用下迅速進(jìn)入近井壁地帶，變形封堵微裂縫和孔喉，形成致密隔離層帶，降低鉆井液濾液的滲透，減緩壓力傳遞，延長(zhǎng)井壁穩(wěn)定時(shí)間。

使用OFI滲透封堵儀[13]測(cè)試基漿及其添加1.0%、2.0%和3.0%GS封堵劑后在3.5和7.0 MPa壓差下、滲透率5 D砂盤(pán)上的滲透濾失量，結(jié)果見(jiàn)圖1(基漿配方為3.0%膨潤(rùn)土漿+0.3% PAC-LV)。

圖1 GS封堵劑滲透封堵試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of permeability plugging test of GS

由圖1可知，隨著GS加量的增大，其砂盤(pán)濾失量逐漸降低。根據(jù)“滲透封堵濾失量小于15 mL時(shí)封堵性能為良好”的標(biāo)準(zhǔn)，考慮鉆井液的成本，推薦GS加量為2.0%～3.0%。

1.2 潤(rùn)滑劑GL

潤(rùn)滑劑GL由植物油脂、多元醇乳化劑和表面活性劑等采用乳化技術(shù)制得，其加量為3.0%時(shí)，LC50>30 000 mg/L，生物需氧量與化學(xué)耗氧量的比值為98.0%，是一種無(wú)毒、易生物降解的環(huán)保材料。GL的潤(rùn)滑機(jī)理是在金屬、巖石和黏土表面吸附形成疏水膜，使鉆柱與井壁濾餅及巖石之間的固-固摩擦變?yōu)槭杷ぶg的固-液摩擦，降低摩擦阻力及鉆具的扭矩，提高鉆井液的潤(rùn)滑性能。

采用FANN極壓潤(rùn)滑儀測(cè)試6%鈉膨潤(rùn)土淡水基漿和6.0%鈉膨潤(rùn)土海水基漿在添加3.0%潤(rùn)滑劑GL前后的極壓潤(rùn)滑系數(shù)，結(jié)果為：6.0%鈉膨潤(rùn)土淡水基漿添加3.0%GL前后的極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.48和0.10；6.0%鈉膨潤(rùn)土海水基漿添加3.0%潤(rùn)滑劑GL前后的極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.49和0.18。這表明潤(rùn)滑劑GL具有良好的潤(rùn)滑性能。

分別在淡水基漿和海水基漿中加入1.0%～5.0%潤(rùn)滑劑GL，高速攪拌20 min后，用極壓潤(rùn)滑儀測(cè)試其扭矩，同時(shí)測(cè)試空白基漿的扭矩，以空白基漿扭矩為基數(shù)，計(jì)算加入不同量GL基漿的扭矩降低率，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 GL加量對(duì)淡水基漿和海水基漿扭矩降低率的影響Fig.2 Results of lubrication test with different concentrations of GL

由圖2可知，在淡水基漿中加入1.0% GL，可將其扭矩降低43%；繼續(xù)加大GL加量，淡水基漿的扭矩降低率逐漸增大；當(dāng)GL加量達(dá)3.0%～4.0%后，扭矩降低率增幅較小，此時(shí)扭矩降低率約為70%。在海水基漿中加入2.0% GL可將其扭矩降低47%；GL加量增至3.0%后，扭矩降低率約為50%。因此，在淡水基漿和海水基漿中GL的適宜加量均為3.0%～4.0%。

1.3 抑制劑GG

抑制劑GG由多元醇和有機(jī)正電荷材料按一定比例混合而成，是一種液態(tài)透明有機(jī)抑制劑。GG能適度調(diào)節(jié)鉆井液活度，電離出陰、陽(yáng)離子，通過(guò)離子吸附抑制黏土滲透水化和壓縮雙電層抑制黏土分散。采用頁(yè)巖線(xiàn)性膨脹試驗(yàn)考察GG的抑制性能，結(jié)果見(jiàn)圖3(頁(yè)巖線(xiàn)性膨脹試驗(yàn)所用液體為海水+0.3%PHPA+3.0%GG/JLX/JMH-YJ)。

圖3 頁(yè)巖線(xiàn)性膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of shale linear swell test

由圖3可知，抑制劑GG的抑制性能與聚合醇JLX和有機(jī)正電膠抑制劑 JMH-YJ 相當(dāng)，表明其具有良好的抑制性能。

在基漿中加入不同量的抑制劑GG，用Holeplug模擬巖屑進(jìn)行滾動(dòng)回收率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4(試驗(yàn)條件為在120 ℃溫度下滾動(dòng)16 h；基漿配方為3.0%膨潤(rùn)土漿+0.3%PAC+0.2%XC+3.0%GL+3.0%GS+0.3%～0.6%PHPA)。

圖4 巖屑滾動(dòng)回收率試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of cutting recovery rate test

從圖4可以看出，隨著GG加量的增大，巖屑滾動(dòng)回收率逐漸提高，但超過(guò)3.0%后巖屑滾動(dòng)回收率提高幅度很小，故推薦GG加量為3.0%。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的檢驗(yàn)方法，測(cè)得GG對(duì)裸項(xiàng)櫛蝦虎魚(yú)仔魚(yú)的96 h LC50>32 000 mg/L，對(duì)蒙古裸腹溞Ⅰ齡幼體的72 h LC50>32 000 mg/L，符合文獻(xiàn)[11]中的生物毒性要求，滿(mǎn)足海洋環(huán)境保護(hù)要求，適用于海洋石油勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)。

2 鉆井液GREEN-DRILL性能評(píng)價(jià)

根據(jù)大量室內(nèi)試驗(yàn)，確定了3種處理劑綜合最優(yōu)加量，然后通過(guò)配伍性試驗(yàn)確定了其他處理劑及加量，最終根據(jù)目標(biāo)作業(yè)區(qū)塊特點(diǎn)確定水基鉆井液GREEN-DRILL的基本配方為：2.0%～3.0%膨潤(rùn)土漿+0.3% PAC+0.2%XC+3.0%GS+3.0%GL+3.0%GG+0.3%～0.6%PHPA。

2.1 基本性能

按照基本配方配制鉆井液GREEN-DRILL，采用FANN35型六速流變儀測(cè)試其基本性能，結(jié)果見(jiàn)表1(老化條件為在120 ℃溫度下滾動(dòng)16 h)。

表1 水基鉆井液GREEN-DRILL的基本性能Table 1 Rheology of water-based drilling fluid GREEN-DRILL

由表1可知，水基鉆井液GREEN-DRILL的基本性能非常穩(wěn)定。

2.2 抑制性能

將Holeplug模擬巖屑分別等量加入到水基鉆井液GREEN-DRILL、陽(yáng)離子鉆井液JFC和聚合醇鉆井液PEM中進(jìn)行巖屑滾動(dòng)回收率試驗(yàn)，水基鉆井液GREEN-DRILL、陽(yáng)離子鉆井液JFC和聚合醇鉆井液PEM的巖屑滾動(dòng)回收率分別為89.50%、94.45%和97.25%。可以看出，鉆井液GREEN-DRILL對(duì)Holeplug巖屑的抑制能力介于陽(yáng)離子鉆井液JFC和聚合醇鉆井液PEM之間。陽(yáng)離子鉆井液JFC的配方為2.0%～3.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%PAC+0.2%XC+1.5%DYFT+1.0%JMH-YJ+1.0%LUBE+0.3%～0.7% PHPA。聚合醇鉆井液PEM的配方為2.0%～3.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%PAC+0.2%XC+1.5%LPF+1.0%DYFT+3.0%～5.0%KCl+0.3%～0.7% PHPA+3.0%JLX。試驗(yàn)條件為在100 ℃溫度下滾動(dòng)16 h。

2.3 儲(chǔ)層保護(hù)性能

選擇2塊空氣滲透率為2 000～3 000 mD的高滲巖心進(jìn)行巖心驅(qū)替試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：1)測(cè)定天然巖心的氣測(cè)滲透率K氣；2)將巖心抽真空并飽和地層水，用煤油正向驅(qū)替，建立束縛水飽和度；3)在80 ℃下測(cè)定巖心的油相滲透率K油；4)在80 ℃溫度、3.5 MPa圍壓、3.0 MPa工作壓力條件下，用水基鉆井液GREEN-DRILL反向動(dòng)態(tài)污染巖心2 h；5)用煤油測(cè)定污染后巖心的正向滲透率K污；6)將巖心污染端切去5 mm，再用煤油測(cè)定污染巖心的正向滲透率K切，用K切/K油計(jì)算巖心的滲透率恢復(fù)率。試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖心驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of core displacement experiment

由表2可知，水基鉆井液GREEN-DRILL的滲透率恢復(fù)率均超過(guò)90%，符合《海洋石油手冊(cè)》中鉆井液滲透率恢復(fù)率≥85%的規(guī)定，能夠滿(mǎn)足海上鉆井對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)的要求。

2.4 生物降解性能

生物降解性能除受處理劑自身結(jié)構(gòu)的影響外，還與溫度、pH值、受試物濃度以及與其他物質(zhì)的作用、其他生物源、生物量等生物條件有關(guān)[14]。生物降解可分為使物質(zhì)喪失其特性的初級(jí)生物降解，使物質(zhì)對(duì)環(huán)境不良影響消失的環(huán)境可接受的生物降解，物質(zhì)被降解成二氧化碳、水和無(wú)機(jī)鹽或分解成參與微生物代謝過(guò)程的物質(zhì)的極限生物降解。模擬天然水源、土壤等環(huán)境條件可以對(duì)鉆井液的生物降解性能進(jìn)行研究。

根據(jù)相關(guān)資料和室內(nèi)研究條件，選擇了生化需氧量(BOD5)[15]、化學(xué)需氧量(COD)來(lái)評(píng)價(jià)水基鉆井液GREEN-DRILL的生物降解性能，其結(jié)果是BOD5/COD=67.5%。按照BOD5/COD<10%難降解、10%≤BOD5/COD<25%可降解、BOD5/COD≥25%易降解的分級(jí)，水基鉆井液GREEN-DRILL的生物降解性能優(yōu)異。

2.5 生物毒性

根據(jù)文獻(xiàn)[14]水基鉆井液的生物毒性容許值規(guī)定，在一級(jí)海區(qū)中，如果生物毒性檢驗(yàn)結(jié)果不小于30 000 mg/L，便符合生物毒性要求。依據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)水基鉆井液GREEN-DRILL進(jìn)行了72 h靜水式生物毒性檢驗(yàn)，結(jié)果為對(duì)蒙古裸腹溞Ⅰ齡幼體72 h LC50大于60 000 mg/L，符合Ⅰ級(jí)海域排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

水基鉆井液GREEN-DRILL在渤?？碧介_(kāi)發(fā)區(qū)域已進(jìn)行5井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。X井為渤海金縣的一口生產(chǎn)井，井深2 600 m，φ311.1 mm井段從井深250 m鉆至井深2 600 m完鉆，穿越明華鎮(zhèn)組、館陶組和東營(yíng)組多套地層，多套壓力系統(tǒng)同處在裸眼井段；在垂深1 100 m附近分布2個(gè)斷層，斷層間的距離30～100 m不等。以往鉆井經(jīng)驗(yàn)表明，該層位發(fā)生滲漏甚至井漏的風(fēng)險(xiǎn)很高；館陶組地層粗砂巖、砥礪巖發(fā)育，不能一次鉆穿；此外，該井井眼軌跡為“S”形，較為復(fù)雜，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能要求較高。應(yīng)用水基鉆井液GREEN-DRILL后一次鉆穿館陶組地層，且未發(fā)生任何滲漏，減少了兩次起下鉆作業(yè)。該井段鉆井液性能良好且穩(wěn)定(見(jiàn)表3)，取得了較為理想的效果。取現(xiàn)場(chǎng)用水基鉆井液GREEN-DRILL送國(guó)家海洋局北海分局進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，符合一級(jí)海域環(huán)保要求。

表3 不同井深GREEN-DRILL水基鉆井液的性能Table 3 Performance of drilling fluid GREEN-DRILL at different depth

4 結(jié) 論

1) 應(yīng)用天然原材料、改性原材料研發(fā)了3種環(huán)境友好型處理劑(封堵劑GS、水基潤(rùn)滑劑GL和水溶性抑制劑GG)，其生物毒性L(fǎng)C50均大于30 000 mg/L，無(wú)毒性。

2) 研制的環(huán)境友好型水基鉆井液GREEN-DRILL具有優(yōu)異的生物降解性能，生物毒性滿(mǎn)足一級(jí)海域排放規(guī)定，應(yīng)用前景良好。

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