环保型钻井液应用分析与发展方向

佟芳芳，苏碧云，倪炳华

（西安石油大学，陕西西安 710065）

环保型钻井液应用分析与发展方向

佟芳芳，苏碧云，倪炳华

（西安石油大学，陕西西安 710065）

论述了废弃钻井液日趋严峻的环境污染问题和近年来环保型钻井液的研究及应用进展情况，其中包括白油钻井液、烷基葡萄糖苷钻井液、硅酸盐钻井液、合成基钻井液和聚合醇钻井液，且对这些钻井液的作用机理、适用性和环保性能进行了分析，并简述了几种近年来开发的环保型钻井液处理剂。最后指出目前环保性钻井液技术存在的问题及未来的发展方向。

环境保护；生物降解性；钻井液；钻井液处理剂

钻井液保障了钻井工程安全、优质、快速、高效的需求，但钻井施工中产生废弃物中含有有机聚合物、烃类、岩屑、无机物和重金属等物质，此类化学物品长期滞留在环境中，轻者污染环境，重者影响动、植物的生命。实施油气田的勘探开发对环境的影响是不可避免的。环境污染日益加重，人们环境保护的意识也越来越强，各国法律都对钻井液的环保性提出了更为严格的要求，积极采取各种对策和措施,减少对环境的污染和对生态环境的破坏。实现经济效益、环境效益和社会效益的统一是石油工业发展的命脉。环保型钻井液的开发利用既要满足钻井工程安全、优质、快速、高效的需求，还要满足环保排放标准，不污染周围的环境（包括土壤、动植物、地下水等），不影响农作物生长及施工人员的健康安全等条件。

从源头控制污染，最大限度的减少污染，实现“绿色”钻井。毒性和生物可降解性就成为评价钻井液环保性必不可少的指标。钻井液毒性评价采用试验方法，主要有糠虾生物检测法、微生物毒性法和累计生物荧光法。其中糠虾生物检测法是美国国家环保局（EPA）正式批准的用于钻井液毒性评价的唯一方法。使一定数量的浮游动物糠虾经受96 h不同浓度毒物的毒害，分别记录每种浓度下所残存的生物数量。然后，以死亡比率与浓度的关系作图，由图中曲线即可得到使50%试验生物致死的浓度值，该浓度值被称为96 hLC50值，用以表示毒物毒性的大小。LC50值越大，表示钻井液的毒性越小。钻井液处理剂的生物降解性是指钻井液处理剂分子在微生物的作用下分解转化为微生物代谢物或细胞物质并产生CO2的性质。目前主要应用的研究生物降解性的方法有有机物衰减法、生化耗氧量法和CO2吸收法等。

1 环保型钻井液

1.1 白油基钻井液

随着石油勘探开发向深井、高温高压井，水敏性地区和海上油田勘探开发的不断深入，油基钻井液的使用规模将会越来越大。工业白油环烷烃含量高，芳烃和稠环芳烃含量低。以工业白油为基液制得的全白油基钻井液，生物毒性低，当钻屑含油量低于15%时，允许将钻屑直接排放入海，满足欧盟环保要求[1－2]。稳定性高，黏性强，滤失量小等优于其他钻井液，全白油基钻井液抗土、水污染较强且润滑性良好可以抑制钻屑水化分散有利于提高钻速。改变全白油基钻井液各种成分的含量，可以配制出不同矿井需要的钻井液，使工作成效到达利益最大化，具有广阔的应用前景[3]。

1.2 烷基葡萄糖苷钻井液

烷基葡萄糖苷（APG）钻井液[4-7]，是近几年提出的一种替代油基钻井液的新型水基钻井液体系。烷基葡萄糖苷是由葡萄糖或淀粉的酶解，经酸催化与脂肪醇脱水缩合生成的一大类有机化合物。由于生产条件和工艺的不同，烷基葡萄糖苷类产品所含的葡萄糖单元数及烷基化度有一定的差别。工业上习惯将此类产品统称为烷基多糖苷（APG）。C8-18的APG已被证明具有优良的表面活性，无毒，对皮肤无刺激性，生物降解迅速彻底，配伍性能好等特点。

在APG系列中，甲基葡萄糖苷（MEG）的使用尤为突出，具有多方面的优点。（1）较强的抑制性、封堵和降滤失作用，可以较好的稳定井壁；（2）具有良好的润滑性能；（3）具有良好的保护油气层性能；（4）具有良好的生物可降解性和热稳定性；（5）组成简单，流变性易调整，抗污染性强等。其抑制机理是甲基葡萄糖苷能吸附在泥页岩表面形成一层半透膜，通过调节该钻井液的水活度控制钻井液与地层水的运移，使页岩中的水进入钻井液中，从根本上抑制泥页岩的水化膨胀，稳固井壁。浓度80%甲基葡萄糖苷溶液LC50值高于500 g/L，完全符合EPA规定的排放标准。综上所述，甲基葡萄糖苷钻井液是一种无毒、易生物降解的新型环保钻井液。在环保要求严格的地区、海上复杂地层、大斜度井、延伸井和水平井的钻井中均有很好的应用前景。

1.3 硅酸盐钻井液

硅酸盐钻井液[8-11]被普遍认为是最具发展前景的水基钻井液体系，因具有无毒、无荧光、良好防塌性能、材料费用低等特性，日益受到重视。其中硅酸钠/钾钻井液，能提高机械钻速，抑制页岩的水化膨胀。硅酸盐的用量小，降低了成本。残液中的硅酸钾还可以作为化肥，减少排放。硅酸盐钻井液已在大西洋东部的海湾北海、美国的阿拉斯加、加拿大的纽芬兰、墨西哥湾等地区使用，应用前景广阔。

硅酸盐钻井液的作用机理可归纳为以下几点：（1）硅酸盐在钻井液中形成不同尺寸的胶体和纳米级粒子，这些粒子与岩石表面或地层水中的钙、镁离子发生反应，生成的硅酸钙沉淀覆盖在岩石表面起封堵作用；（2）含有硅酸盐的钻井液滤液与pH值低的地层水相遇后产生胶凝现象形成“半透膜”，阻止滤液进入地层稳定井壁；（3）硅酸盐与粘土矿物发生缩合反应，产生胶结性物质，抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散；（4）硅酸盐体系中的高聚物（黄原胶、PAC等）可调节体系的流变性，同时还可增加钻井液滤液的粘度，减少滤液的浸入量。另外，通过在硅酸盐钻井液中使用适量的KCl、NaCl等无机盐也可起到协同稳定作用。

目前硅酸盐钻井液依然存在一些问题，该钻井液的整体性能难以满足各种复杂井和特殊井的要求。受使用温度和pH值的限制，为达到良好的抑制性能，必须保证硅酸盐有较大的加量，增加了成本。要达到较好的钻井液性能，必须与其他非环保处理剂和低价盐复配，使体系的环保性能受到影响。

1.4 合成基钻井液

合成基钻井液是在水基钻井液不能满足井下复杂情况的性能要求，油基钻井液和矿物油基钻井液不能满足环境保护要求的情况下应运而生的，合成基钻井液以人工合成或改性的有机物为连续相，盐水为分散液相，并有乳化剂、流型调节剂等形成油包水逆乳化悬浮分散体系，具有油基钻井液的工作性能。现已在现场应用的合成基钻井液主要有酯基，醚基，聚α-烯烃基，线性α-烯烃基等。

合成基钻井液无毒，体系内不含有荧光类物质，可生物降解，对环境无污染，是一种环保型钻井液体系[12-15]。钻井排水，钻屑和废弃钻井液均可向海洋排放。其中新研制的典型酯基钻井液的LC50大于2%，说明酯基钻井液对环境无毒，厌氧降解是酯基钻井液生物降解的主要方式。

合成基钻井液体系的常规性能稳定，易于控制和操作，粘度高，具有较好携屑性能和润滑性能，可用于大斜度井及水平井钻进。高闪点，低凝固点，可在寒冷地区和深水海域应用。缺点是价格较贵。但由于使用合成基钻井液提高了钻速，能使井眼稳定，节约了油基钻井液用于处理钻屑和环境污染的费用。因此，使用合成基钻井液的综合钻井成本比油基甚至比水基钻井液都低。应用结果表明，使用合成基钻井液比水基钻井液钻井快，综合成本低，具有显著的经济和环境效益。适合在环保要求严格的地区、海上复杂地层、大斜度井、延伸井和水平井的钻井中使用。对地质复杂的探井也可以使用合成基钻井液。

1.5 聚合醇钻井液

聚合醇钻井液（PEM）[16-21]的DO值（27 h溶解氧量）和COD值（化学耗氧）远低于通用白油类水基钻井液，因此可以说该体系属于无毒型钻井液。PEM具有很强的抑制性与封堵性，能有效地稳定井壁。润滑性能好，能降低钻井液的表面张力与界面张力，有利于保护油气层。毒性极低，易生物降解，对环境影响小。并且维护简单。当温度高于浊点时，PEM发生相分离，不溶解的聚合物能封堵岩石孔隙，阻止滤液渗入地层；同时形成类似油相的分子膜，提高了钻井液的润滑性，进而稳定井壁。当温度低于浊点时，PEM呈水溶性，聚合物吸附在钻具和钻屑表面，形成憎水膜，阻止泥页岩水化分散，改善润滑性，降低钻具扭矩和摩阻，稳定钻井液性能并控制压力传递。

PEM特别适用大斜度定向井使用要求，可提高钻井综合效益。在国外，PEM已在墨西哥湾、大西洋东部的海湾北海、苏丹等许多油田使用。在国内，该钻井液已在渤海、南海西部、东海、辽河、大港、塔里木和江苏等油田推广应用。其中在渤海、南海西部近10个油田的50多口直井、斜井、三维井和深井中成功应用，取得了显著的社会效益和经济效益。

2 环保型钻井液处理剂

为使钻井液体系更好的满足工程需要，就需要加入各种化学处理剂。化学处理剂的种类、性质和投入数量范围很大。要使钻井液体系环境友好，则加入的处理剂必须是环保型的，需要开发研制各种新型低毒无害的化学添加剂，以替代传统的化学添加剂。

2.1 环保型阻垢缓蚀剂聚天冬氨酸

聚天冬氨酸[22-26]（PASP）是一种性能优异、可生物降解的“绿色化学品”。具有优良的阻垢分散和降粘作用。还能用作肥料增效剂、杀虫剂、保湿剂等。PASP是受海洋软体生物代谢的启发而研制的一种生物高分子。不但具有无毒水溶性羧酸，而且能全部生物降解成无毒性的化学品。是公认的绿色聚合物和水处理剂的更新换代产品。聚天冬氨酸还具有很好的阻垢缓蚀性，其羧酸官能团对于CaCO3、CaSO4具有较好的阻垢作用,而酰胺基对Ca3（PO4）2的阻垢有益。

2.2 环保型润滑剂聚合醚HLX

环保型润滑剂聚合醚（HLX）[27-28]是由天然物质经精炼提纯后，在一定温度、压力和缩合剂的作用下与低分子烷氧基化合物缩合而成。HLX属非离子处理剂，没有浊点行为，与水的混溶性较差。但在水面上能迅速扩散，并形成一层类似于油的分子膜，很容易吸附在井壁和钻具表面，能提高钻井液的润滑效果。聚合醚可抗温达到150℃，对钻井液流变性影响小，性能稳定，有利于在寒冷的冬季施工和4500 m以内深井施工。

HLX具有降低钻具阻力，防止钻具粘卡，且无荧光、无毒、易生物降解等特点。钻井液可直接排入海中，对海洋环境无害。与海水钻井液体系具有良好的配伍性，可增强海水钻井液体系的抗污染能力。

2.3 环保型硫化氢清除剂

二价铁的糖类衍生物[29]（葡糖酸亚铁）钻井液添加剂作为除硫剂，具有对pH值不敏感，不影响钻井液流变性，与钻井液的配伍性好等特点。因糖类分子容易降解，此类除硫剂与环境的配伍性良好。

2.4 抗高温钻井液添加剂柠檬酸锆

用氧氯化锆和柠檬酸钠反应制得抗高温的钻井液添加剂柠檬酸锆[30-31]，柠檬酸锆具有可生物降解性、无毒及配伍性能好等特点。在钻井液中添加柠檬酸锆，能提高褐煤及木质素磺酸盐在分散钻井液中的抗温稳定性，以及控制膨润土高温下的胶凝稠化。在聚合物钻井液中，柠檬酸锆能有效的控制钻井液的流变性能，减少钻井液的稀释量。成为抗高温钻井液中FCLS和重铬酸钾的替代品。

2.5 复合离子降粘剂PX

复合离子降粘剂PX[32]是一种以季铵盐阳离子为主要吸附基团,依靠多种阴离子基团来拆散钻井液中的网架结构，具有一定的抗盐、抗钙能力和优良抗温性能的低相对分子质量聚合物降粘剂。据报道，PX在膨润土浆、聚合物钻井液及高密度钻井液中的降粘效果都较好，是FCLS的5～10倍，且加量少，一般为0.1%左右。水溶性好，使用方便，是一种对环境无害的降粘剂。

3 发展趋势

现有的环保型钻井液处理剂和钻井液普遍存在成本较高，性能单一，应用结果不够理想等缺陷。很多新型环保型处理剂合成工艺比较复杂，现场大量应用受到限制。环保性处理剂生物降解性和性能稳定性的矛盾问题还未能完好解决。因此，环保型钻井液处理剂和体系的研究方向为：（1）利用来源丰富价格低廉的天然材料，进行改性，简化合成工艺，提高其综合性能，降低成本；（2）开展钻井液处理剂作用机理的基础研究，为环保型钻井液的开发提供理论支持，并尽快将已经研究成功的科研成果投入到批量生产和实际应用中；（3）将先进的化学、生物技术和纳米技术应用到钻井液处理剂的研制开发上来，有针对性的开发高效高性能的环保型钻井液处理剂；（4）综合开发利用工业废物，变废为宝，既有利于环境保护，又能降低钻井液成本。

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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

陕西省教育厅专项科研计划项目（No.09JK696）、陕西省自然科学基础研究计划项目（No.2009JQ2006）、天然气

水套加热炉腐蚀防护技术研究（长庆油田分公司第二采气厂2011年科研项目）。

佟芳芳，女（1984-），西安石油大学化学工程与工艺专业研究生，邮箱：tongff1984@163.com。