发布时间：2021-08-17所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 当代化工
《环保型钻井液添加剂的优选及性能评价实验》论文发表期刊：《当代化工》；发表周期：2021年04期
《环保型钻井液添加剂的优选及性能评价实验》论文作者信息：刘宇龙（1995-），男，山西省大同市人，长江大学石油工程学院硕士研究生在读，研究方向：石油与天然气工程。 熊青山（1972-），男，教授，博士后，研究方向：钻井工艺技术。
摘 要： 基于常用的钻井液添加剂，优选出了 IDH-32、FDL-2、NFG-28、HJK 和 PE 等 5 种典型添加剂，对其抗温性、生物降解性、毒性及环境效应等主要性能进行实验评价研究，结合 5 种添加剂初步复配出了一种新型的环保型钻井液添加剂体系。实验结果表明：①160 ℃高温条件下，所选的 5 种添加剂具备良好的表观黏度及滤失性，且优于低温条件;②所有添加剂的 EC50 值均处于 3×106 之上，即远远满足排放标准，处于无毒级别，同时其均具有很强的生物降解性;③复配出的钻井液体系 w(泥土基浆)4.0% + w(NaOH)0.05% + w(IDH-32)0.3% + w(NFG-28)3.0% + w(HJK)2.0% + w(FDL-2)1.0% + w(PE)3.0%，具备良好的稳定性、易生物降解、无毒、抗污染能力强，且有利于对油气层的保护。
关 键 词：钻井液;环保;生物降解;抗温性;实验评价;毒性
Abstract: Five typical additives including IDH-32, FDL-2, NFG-28, HJK and PE were selected from commonly used drilling fluid additives. Their main properties of temperature resistance, biodegradability, toxicity and environmental effect were experimentally evaluated. And a new environmentally friendly drilling fluid additive system was initially formulated with the five additives. The results showed that at 160 C. the five selected additives had good apparent viscosity and fluid loss, which were superior to those at low temperature conditions: The EC50 values of all additives were above 3x106, that was, it met the emission standards far, and was in a non-toxic level. and they were all highly biodegradable, The compounded drilling fluid system was determined as follows: w (soil-based slurry) 4.0%+w (NaOH ) 0.05% + w (IDH1-32 ) 0.3% + w (NFG-28) 3.0% + v (HJK ) 2.0% + w (FDL-2 ) 1.0% +w (PE ) 3.0%.It had good stability and strong anti-pollution abilitvand was easy biodegradation, non-toxic, and conducive to protection of oil and gas layers.
Key words: Drilling fluid; Environmental protection; Biodegradation; Temperature resistance; Experimental evaluation; Toxicity
石油勘探开发过程中，会在钻井施工环节产生岩屑、钻井液等排出物"。废弃钻井液中通常会含有复杂多样的化学制剂，如聚合物、重金属、无机物等，其大多为有毒物质"。一旦这些有毒物质未经处理被排放或泄露至生态环境中，会对环境造成严重的污染-，同时还可能污染饮用水源和农耕土壤，进而对人类造成危害。这不仅会影响钻井施工的正常顺利开展，还有可能对社会经济效益造成严重损害"，因此钻井施工中的环保问题关系重大。近年来，随着油气钻探技术的不断进步及人类对生态环境保护问题的密切关注，石油钻井过程中对环保型钻井液的需要日益迫切0。环保型钻井液不仅需要具备传统钻井液的钻进润滑、稳定井壁及保护储层等基础功能，还需要满足环境友好要求"。
环保型钻井液体系通常具备无毒或弱毒剂易生物降解等特点，而其主要与所采用的添加剂关系密切，因此需要对钻井液添加剂进行控制优选"。国内外学者在环保型钻井液添加剂方面进行了大量实验和数值模拟研究，取得了很多的成果[219，国外早已形成了较为成熟用于钻井液添加剂可生物降解性评价体系;国内则相对较晚，在该方面的评定方法及评价体系不够成熟。中国石油大学最近研制了一种抑制和润滑性能优良的环保型钻井液添加剂，不仅可通用于淡水及盐水钻井液，且可降解性强、无毒。除此之外，还有很多学者也进行了钻井液添加剂方面的创新研究，且部分成果已经被进行实际应用。
但从目前国内的实际应用情况来看，对环保型钻井液添加剂的研究还不够深入，尤其是在其配制工艺、使用条件及作用机理方面。因此，本文基于此背景，在钻井液添加剂中优选了最为常用的5种，对其进行了深入研究，通过室内实验对添加剂的抗温性、环保型及可降解性等主要性能进行了评价分析，实验结果可为实际钻井过程中添加剂的选取提供一定的理论基础。
1实验部分1.1材料
质量分数为98%的氯化钠(Nacl)、质量分数为95%的氢氧化钠(NaOH)、硫酸钙(CasO4)、包被剂(IDH-32)、无荧光润滑剂(FDL-2)、降滤失剂(NFG-28和HJK)、聚合物PE以及实验室自制的蒸馏水和泥土基浆。
1.2仪器
高温高压滤失仪(GGS42-2A型)、双数显黏滞系数测量仪(NZ-3A型)、极压润滑仪(EP-B型)、化学耗氧量COD测定仪(GDYS-101sQ型)、便携式数字测氧仪(KY-200型)、生物发光光度计
(GDJ-2型)、直读式黏度计(Fann-35型)、磁力加热搅拌器(CIAA78-1型)、数显高速搅拌器、微量注射器、干燥箱以及电子天平等。
1.3方法及流程
1)添加剂选取：基于现场数据及相关资料，本实验针对性地选出了1DH-32，FDL-2，NFG-28，HJK及聚合物PE等5种具有代表性的钻井液添加剂。依据实验筛选和研制原则对环保型钻井液进行配制"。
2)性能评价：首先对钻井液体系的抑制性及润滑性进行实验评价，通过测量岩心的渗透率变化及恢复来评价其对油层的保护性能，结合化学方法评估其对环境污染性及抗污染能力，并对各个实验结果进行汇总收集。
3)毒性测定：结合主流BOD/COD法及细菌测试法评定不同添加剂的生物毒性，进而通过菌体发光强度对其生物毒性进行判定分级，具体分级标准参考相关文献。
2结果与讨论
2.1添加剂优选及其基本性能参数
环保型钻井液主要是由有几种不同类型的添加剂共同组成的，例如包被剂、防塌剂、降滤失剂。一般来说，这些添加剂的类型在7种左右，由此也可以得知环保型钻井液的添加剂成分不算特别复杂，实验的可行性比较高。
结合实际钻井开发及环境保护部分的规章要求，对选择及研发环保型钻井液添加剂时的标准进行了归纳：0环境友好型，也就是无毒，对人畜安全无害;②注入后与储层孔隙水具有良好的相容性，不易发生沉淀，且较短时间内可快速自行发生生物降解，不会堵塞储层通道及对油气层造成损害;③具备优良的钻井液基本性能，即使处于高温条件下其流变性依旧稳定，锁水性好且方便后期维护10，实验结果表明，本文所选择的IDH-32.FDL-2
NFG-28，HJK及聚合物PE等5种钻井液添加剂都不具有毒性，符合环保型的排放标准，同时都具有较为良好的生物降解性，不会对环境造成长期的威胁，对于油层的保护作用也是比较明显的。从初步结果看来，这几种添加剂都可以用作环保型钻井液的研发。因此，本文将其添加至本实验配置的环保型钻井液中，从而进行其他性能指标的评价。通过多次反复实验，最终确定出性能优良的环保型钻井液配方，具体由质量分数为4.0%的泥土基浆、质量分数为0.05%的NaOH、质量分数为0.3%的IDH-32质量分数为3.0%的NFG-28、质量分数为2.0%的HJK、质量分数为1.0%的FDL-2和质量分数为3.0%
的PE聚合物共同组成。实验所研制的环保型钻井液具有如表1所示的性能。
2.2环保型钻井液整体性能分析
对所配制的环保型钻井液和聚磺钻井液体系的抑制性能进行了评价分析。结果显示，前者的岩屑回收率超过80%，而后者则仅为59%，即环保型钻井液体系具有良好的抑制能力。其次，环保型钻井液体系的PE浊点为62 ℃，可以有效堵住泥饼孔隙，同时降低其表面张力，进而与盐水体系可以协同阻碍储层中黏土矿物发生膨胀。通过比较不同钻井液的岩心渗透率恢复结果可以发现，环保型钻井液的渗透率恢复值高达78.5%，相应地岩心渗透率的恢复也保持较高值，而聚合物钻井液则仅为53.6%，表明前者的表现明显更胜一筹。在实验过程中，计算钻井液侵入深度采取的方法是岩心切割，计算结果表明环保型钻井液所侵入的深度是比较小的，这个结果从侧面也证实了环保型钻井液对于油层的保护作用要更加明显。
在实验中还进行了钻井液体系的环境效应评价，结果表明环保型钻井液的毒性十分微弱，无论是在化学效应还是生物效应方面，同时生物降解性能表现得比较良好，不会对生态环境造成长期或难以接受的负担。分别向环保型钻井液中添加了不同质量分数的基浆、氯化钠及硫酸钙以评价其性能。如表2所示，在评价环保型钻井液的抗盐侵、抗钙和抗土侵能力的结果中可以看出，钻井液在这3个指标上表现良好。且润滑性评价结果也告诉我们，相较于其他类型的钻井液来说，环保型钻井液的润滑性要明显好出很多。
2.3 不同质量分数钻井液添加剂抗温性能分析
图 1 为基浆中添加不同质量分数钻井液添加剂IDH-32 时体系表观黏度随温度的变化规律。由图 1可以看出，添加剂 IDH-32 的增黏效果比较明显，添加剂的量越多，增黏的效果就会越好，但是实验过程中也出现了温度限制，当温度超过了 120 ℃后，其增黏作用明显降低，这表明该添加剂的抗温能力有限，临界点为 120 ℃。
图 2 和图 3 为基浆中添加不同质量分数钻井液润滑剂 FDL-2 及降滤失剂 NFG-28 时体系滤失量随温度的变化规律。由图 2 和图 3 可以看出，添加剂FDL-2 在实验过程中表现出较好的降滤失作用，当质量分数较低的条件下，温度达到 120 ℃后，其滤失量有大幅度的提高，这表明该添加剂的抗温性能也在 120 ℃以下发挥作用;当质量分数较高的条件下，温度达到 140 ℃后，其滤失量才表现出大幅度的提高，这表明在高质量分数情况下该添加剂的抗温性能在 140 ℃以下发挥作用。添加剂 NFG-28 的滤失量和抗温性能与 FDL-2 的表现情况基本保持一致。
表 3 为降滤失剂 HJK 和聚合醇 PE 抗温性能分析结果。
由表 3 可以看出，添加剂 HJK 的降滤失效果也比较明显，且抗温性能比较良好，即使在较高的温度条件下，其降滤失量也能保持在一个基本稳定的状态。在160 ℃的温度条件下，钻井液仍然保持了和低温条件相差无几的性能，表明添加剂PE为钻井液赋予了良好的抗温能力。
2.4不同钻井液添加剂毒性及生物降解性分析
钻井液添加剂环境效应的评价主要包含毒性及生物降解性两方面2110本文结合发光菌体生物毒性测试法对不同添加剂进行了毒性分析，结果显示所有添加剂的ECs0值均处于3x 10之上，表明其均处于无毒级别，也就是说对生态环境及人畜是无害的。同时，采用BOD/COD比值法来判定不同添加剂的可生物降解性能。表4为不同钻井液添加剂生物降解性分析结果，可以看出5种添加剂的BOD/COD比值几乎均大于25，即具有很强的生物降解性。
2.5 钻井液添加剂生物降解性的影响因素
结合不同钻井液添加剂的生物降解性评价结果及相关数据分析，可以发现影响钻井液生物添加剂是否能够降解及其降解效率主要与添加剂基质、微生物群落及环境条件等3个方面密切相关。笼统来讲，地球上所有的有机物均能够在微生物作用下发生降解，只是在降解速率存在较大差异。如蛋白质及脂肪等自然界本身固有存在的有机物均能快速降解，而人工合成的有机物，即自然界本身并不存在的，则往往降解速率极慢或根本无法降解。其次，不同生物降解剂本身所处的生态环境，也就是微生物菌群不一样，其浓度及分布规律与周边生物群落往往是互相作用互相依存的。此外，地层中温度、压力、pH值及盐度等环境条件也会显著影响生物降解剂的降解性，如藻类与细菌类生长环境的酸碱差异，好氧与厌氧细菌的环境氧浓度差异，同时部分生物会由于地层中较高盐浓度而发生脱水等。因此，可降解生物钻井液添加剂必须综合其种类、自身结构及所处环境等多个因素进行选择。
3结论
本文通过室内模拟实验优选了5种常见钻井液添加剂，对其抗温性能、可降解性、毒性等主要性能参数进行了评价分析。实验结果表明，IDH-32FDL-2，NFG-28，HK和PE 5种添加剂均无毒，同时注人储层后容易发生生物降解，因此不会对油气层、生态环境及人畜造成危害，可以作为环保型钻井液的添加剂进行使用。此外，以上几种添加剂的抗温性能都在160℃以下的温度条件下才能发挥较好的作用，因此不超过160 ℃的井底温度在各方面都比较利于钻井施工作业的顺利展开。结合不同添加剂的性能组合配制出了一种新型环保型钻井液的添加剂体系w(泥土基4)4.0%+w(NaOH)0.05%+ w(IDH-32)0.3%+ w(NFG-28)3.0%+ w(HJK)2.0%+ w(FDL-2)1.0%+w(PE)3.0%，该体系具有较好的稳定性、防塌性、生物降解性，同时抗污染能力强、毒性弱，有利于对油气层的保护。
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