趙小平，孫 強(qiáng)

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

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)難度的增大以及對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的不斷追求，“安全、快速、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、高效”已成為鉆井技術(shù)發(fā)展的更高目標(biāo)，這必然對(duì)鉆井液、完井液提出更全面、更高的技術(shù)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(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井施工要求，環(huán)保與抗高溫等性能有待全面改進(jìn)提高，而油基鉆井液則具有強(qiáng)抑制性、優(yōu)良潤(rùn)滑性以及高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井施工的重要技術(shù)手段[5-6]。但隨著我國(guó)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(shì)日益嚴(yán)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(wú)法直接排放，需要利用特殊工藝進(jìn)行無(wú)害化處理，相關(guān)工藝技術(shù)復(fù)雜，設(shè)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(yīng)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(guān)鍵處理劑、鉆井液環(huán)保性能評(píng)價(jià)方法等三個(gè)方面，綜述了高性能環(huán)保型鉆井液技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究新進(jìn)展，展望了環(huán)保型水基鉆井液技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為環(huán)保型鉆井液體系與關(guān)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(guó)外環(huán)保型水基鉆井液體系

近年來(lái)，國(guó)外石油公司以無(wú)生物毒性、易生物降解、鉆井液配方簡(jiǎn)單為技術(shù)目標(biāo)，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(guān)鍵處理劑。M-I SWACO公司重點(diǎn)通過(guò)優(yōu)化水基鉆井液體系配方以達(dá)到仿油基鉆井液性能目標(biāo)，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(shè)計(jì)理念[9-11]，既保持了水基鉆井液的環(huán)境適應(yīng)性好與成本低等優(yōu)點(diǎn)，又能夠降低扭矩，達(dá)到了與油基鉆井液相媲美的鉆速，同時(shí)還能避免井壁失穩(wěn)等鉆井復(fù)雜情況，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井施工提供了一種“快速、安全、靈活”的鉆井液技術(shù)方案。

Baker Hughes公司將聚胺化合物與聚合醇的濁點(diǎn)和鋁的化合作用相結(jié)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(xué)封堵劑MAX-PLEX、頁(yè)巖水化抑制劑MAX-GUARD、聚合物包被劑NEW-DRILL的共同作用來(lái)封堵頁(yè)巖孔隙與微裂縫，阻止壓力傳遞與濾液侵入，具有抑制性強(qiáng)、高溫穩(wěn)定、保護(hù)儲(chǔ)層及保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到美國(guó)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(yè)巖地層的復(fù)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(qiáng)抑制、高潤(rùn)滑、提高機(jī)械鉆速、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于美國(guó)Haynesville、Fayetteville、Barnett、Eagle Ford等主要頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)塊。

綜合分析可知，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton等國(guó)外石油公司均已研發(fā)形成了相對(duì)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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)客戶提供“個(gè)性化定制”的高性能環(huán)保水基鉆井液技術(shù)服務(wù)。但值得注意的是，國(guó)外石油公司的高性能環(huán)保水基鉆井液專利技術(shù)目前仍處于高度保密階段，技術(shù)服務(wù)價(jià)格高，國(guó)產(chǎn)自主化研發(fā)缺乏借鑒參考，技術(shù)難度大，亟需針對(duì)性地開(kāi)展相應(yīng)的研究工作。

1.2 國(guó)內(nèi)環(huán)保型水基鉆井液體系

為了滿足鉆井工程技術(shù)需求，鉆井完井液體系中處理劑的種類(lèi)和數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)脆弱的油田生態(tài)環(huán)境造成的危害也越來(lái)越大。近年來(lái)，我國(guó)持續(xù)研發(fā)了多項(xiàng)鉆井液環(huán)保技術(shù)，但多集中在"末端治理"方面，即廢棄鉆井液無(wú)害化處理與含油鉆屑配套處理技術(shù)等，相關(guān)工藝技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備投入大，處理成本高。因此，國(guó)內(nèi)外自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始重視研發(fā)環(huán)保鉆井液體系，從源頭上控制鉆井液對(duì)環(huán)境的污染，由"末端治理"向"源頭控制、過(guò)程控制"轉(zhuǎn)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(diǎn)是生物毒性小、容易生物降解，對(duì)環(huán)境影響小。但上述鉆井液體系因成本高昂或應(yīng)用效果不理想，未能推廣應(yīng)用。同時(shí)為了滿足復(fù)雜地層條件下的鉆井液性能要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中上述體系均復(fù)配了合成高分子聚合物或磺化類(lèi)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(guān)鍵處理劑研究概況

2.1 國(guó)外環(huán)保型水基鉆井液處理劑研發(fā)

研發(fā)無(wú)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(guān)鍵。國(guó)外石油公司持續(xù)重視對(duì)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(guò)深度改性進(jìn)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(fù)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(guó)內(nèi)環(huán)保型水基鉆井液處理劑研發(fā)

目前，國(guó)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(zhì)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(yīng)用于上部淺層鉆井。其中，抗高溫聚合物降濾失劑類(lèi)國(guó)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(dá)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(yè)巖抑制劑類(lèi)主要有多元醇、烷基葡萄糖苷、有機(jī)鹽、硅酸鹽等，這些處理劑主要是抑制泥頁(yè)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(hù)劑等復(fù)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(rùn)滑劑類(lèi)主要有植物油、聚醚類(lèi)、酯類(lèi)、聚α-烯烴(PAO)類(lèi)等，這些潤(rùn)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(jìn)一步研究完善[15-16]。

綜上所述，國(guó)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(jìn)展，但多數(shù)環(huán)保型鉆井液處理劑普遍存在合成工藝復(fù)雜、成本較高、性能單一等缺點(diǎn)，目前在復(fù)雜高溫地層鉆井過(guò)程中仍然多采用人工合成高分子與磺化類(lèi)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(lái)源豐富、價(jià)格低廉的天然高分子材料，通過(guò)深度化學(xué)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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著環(huán)保鉆井液技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)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(chǎng)應(yīng)用效果，但在抗高溫性能、綜合環(huán)保性能等方面仍需要進(jìn)一步深入研究完善。環(huán)保型水基鉆井液技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(jī)制，并在此基礎(chǔ)上，借鑒先進(jìn)的化學(xué)、生物和納米技術(shù)，利用來(lái)源豐富、價(jià)格低廉的天然原料，如淀粉、纖維素、木質(zhì)素、栲膠和植物膠等，進(jìn)行復(fù)合或深度改性，有針對(duì)性地研發(fā)低成本高效環(huán)保型水基鉆井液處理劑，為構(gòu)建環(huán)保型水基鉆井液體系提供物質(zhì)保障。

(2)選用鉆井液配伍性、抗溫穩(wěn)定性、儲(chǔ)層保護(hù)、環(huán)境友好等性能指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)新型鉆井液處理劑與環(huán)保鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，最終形成環(huán)保型水基鉆井液關(guān)鍵處理劑系列，構(gòu)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，提高鉆井液處理劑與體系環(huán)保性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。