胡进军, 孙 强, 夏小春, 魏子路, 冀 腾, 项 涛

(1.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河 065201；2.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300458)

海洋钻井要求钻井液具有常规性能的同时，还要钻井液毒性小、生物降解性好、无生物积累以及排放后对环境无害等[1]。而传统的水基钻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处理剂构成的，如人工合成的高分子聚合物增黏剂、高分子聚合物降滤失剂、改性纤维及既不溶于水也不溶于油的树脂等。由这些处理剂构成的水基钻井液虽然解决了钻井中的许多难题，但也存在既不容易生物降解，又有可能对环境造成污染和危害的缺点。若用传统的矿物油基钻井液钻进，虽然能解决复杂地层的井壁失稳及由井斜角大而导致的起下钻困难等难题，但是钻屑中含有不易生物降解的矿物油，不能直接排放，需要经过特殊处理，使钻井成本大大提高。

20世纪90年代以来，国内外相继研制了一系列环保的适用于海洋钻井的钻井液，如甲基葡萄糖苷钻井液、硅酸盐钻井液、合成基钻井液[2]、甲酸盐钻井液、聚合醇钻井液等。甲基葡萄糖苷钻井液和硅酸盐钻井液要达到良好的抑制性，抑制剂的加量非常大，且硅酸盐钻井液的流变性和润滑性比较难控制，限制了它们的推广使用；合成基钻井液具有无毒性、可生物降解、对环境无污染及有利于井壁稳定和保护储层等优点[3-5]，但其成本高，钻探易漏地层时风险大[6]；甲酸盐钻井液也因成本问题一般用于钻探高温高压井储层段[7-9]；聚合醇钻井液通过聚合醇“浊点效应”实现稳定井壁功能，其功效发挥与井底温度、聚合醇类型、钻井液盐度条件等密切相关，为了实现强抑制性，常与一定浓度的氯化钾复配使用，但是高盐度的聚合醇钻井液还是会对环境造成不良影响[10]。为此，笔者针对目前的环境友好型钻井液的特点及海洋钻井作业的需求，在自主研发3种环境友好型处理剂的基础上，研制出了环境友好型水基钻井液GREEN-DRILL，并对其进行了室内与现场试验。

1 关键处理剂的研制及加量优选

处理剂是钻井液的组成单元，因此开发新型处理剂是研制钻井液的关键。在研制钻井液GREEN-DRILL时综合考虑了目前所用钻井液的优缺点，优选了无毒且易生物降解的天然材料、惰性低分子改性材料、动植物油脂、多元醇、可再分散乳胶聚合物和脂肪烃类等原材料，研制了3种环境友好型处理剂:封堵剂GS、润滑剂GL和抑制剂GG。

1.1 封堵剂GS

将选定的天然惰性微米级材料、可再分散纳米级改性材料和改性天然材料等按一定比例混合即得封堵剂GS。根据文献[11]中的检验方法测得半数致死浓度LC50>30 000 mg/L，由文献[12]中的生物毒性分级标准可知其为一种无毒的环保材料。GS的封堵机理是在正压差作用下迅速进入近井壁地带，变形封堵微裂缝和孔喉，形成致密隔离层带，降低钻井液滤液的渗透，减缓压力传递，延长井壁稳定时间。

使用OFI渗透封堵仪[13]测试基浆及其添加1.0%、2.0%和3.0%GS封堵剂后在3.5和7.0 MPa压差下、渗透率5 D砂盘上的渗透滤失量，结果见图1(基浆配方为3.0%膨润土浆+0.3% PAC-LV)。

图1 GS封堵剂渗透封堵试验结果Fig.1 Results of permeability plugging test of GS

由图1可知，随着GS加量的增大，其砂盘滤失量逐渐降低。根据“渗透封堵滤失量小于15 mL时封堵性能为良好”的标准，考虑钻井液的成本，推荐GS加量为2.0%～3.0%。

1.2 润滑剂GL

润滑剂GL由植物油脂、多元醇乳化剂和表面活性剂等采用乳化技术制得，其加量为3.0%时，LC50>30 000 mg/L，生物需氧量与化学耗氧量的比值为98.0%，是一种无毒、易生物降解的环保材料。GL的润滑机理是在金属、岩石和黏土表面吸附形成疏水膜，使钻柱与井壁滤饼及岩石之间的固-固摩擦变为疏水膜之间的固-液摩擦，降低摩擦阻力及钻具的扭矩，提高钻井液的润滑性能。

采用FANN极压润滑仪测试6%钠膨润土淡水基浆和6.0%钠膨润土海水基浆在添加3.0%润滑剂GL前后的极压润滑系数，结果为：6.0%钠膨润土淡水基浆添加3.0%GL前后的极压润滑系数为0.48和0.10；6.0%钠膨润土海水基浆添加3.0%润滑剂GL前后的极压润滑系数为0.49和0.18。这表明润滑剂GL具有良好的润滑性能。

分别在淡水基浆和海水基浆中加入1.0%～5.0%润滑剂GL，高速搅拌20 min后，用极压润滑仪测试其扭矩，同时测试空白基浆的扭矩，以空白基浆扭矩为基数，计算加入不同量GL基浆的扭矩降低率，结果见图2。

图2 GL加量对淡水基浆和海水基浆扭矩降低率的影响Fig.2 Results of lubrication test with different concentrations of GL

由图2可知，在淡水基浆中加入1.0% GL，可将其扭矩降低43%；继续加大GL加量，淡水基浆的扭矩降低率逐渐增大；当GL加量达3.0%～4.0%后，扭矩降低率增幅较小，此时扭矩降低率约为70%。在海水基浆中加入2.0% GL可将其扭矩降低47%；GL加量增至3.0%后，扭矩降低率约为50%。因此，在淡水基浆和海水基浆中GL的适宜加量均为3.0%～4.0%。

1.3 抑制剂GG

抑制剂GG由多元醇和有机正电荷材料按一定比例混合而成，是一种液态透明有机抑制剂。GG能适度调节钻井液活度，电离出阴、阳离子，通过离子吸附抑制黏土渗透水化和压缩双电层抑制黏土分散。采用页岩线性膨胀试验考察GG的抑制性能，结果见图3(页岩线性膨胀试验所用液体为海水+0.3%PHPA+3.0%GG/JLX/JMH-YJ)。

图3 页岩线性膨胀试验结果Fig.3 Results of shale linear swell test

由图3可知，抑制剂GG的抑制性能与聚合醇JLX和有机正电胶抑制剂 JMH-YJ 相当，表明其具有良好的抑制性能。

在基浆中加入不同量的抑制剂GG，用Holeplug模拟岩屑进行滚动回收率试验，结果见图4(试验条件为在120 ℃温度下滚动16 h；基浆配方为3.0%膨润土浆+0.3%PAC+0.2%XC+3.0%GL+3.0%GS+0.3%～0.6%PHPA)。

图4 岩屑滚动回收率试验结果Fig.4 Results of cutting recovery rate test

从图4可以看出，随着GG加量的增大，岩屑滚动回收率逐渐提高，但超过3.0%后岩屑滚动回收率提高幅度很小，故推荐GG加量为3.0%。

根据文献[11]的检验方法，测得GG对裸项栉虾虎鱼仔鱼的96 h LC50>32 000 mg/L，对蒙古裸腹溞Ⅰ龄幼体的72 h LC50>32 000 mg/L，符合文献[11]中的生物毒性要求，满足海洋环境保护要求，适用于海洋石油勘探开发作业。

2 钻井液GREEN-DRILL性能评价

根据大量室内试验，确定了3种处理剂综合最优加量，然后通过配伍性试验确定了其他处理剂及加量，最终根据目标作业区块特点确定水基钻井液GREEN-DRILL的基本配方为：2.0%～3.0%膨润土浆+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

按照基本配方配制钻井液GREEN-DRILL，采用FANN35型六速流变仪测试其基本性能，结果见表1(老化条件为在120 ℃温度下滚动16 h)。

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

由表1可知，水基钻井液GREEN-DRILL的基本性能非常稳定。

2.2 抑制性能

将Holeplug模拟岩屑分别等量加入到水基钻井液GREEN-DRILL、阳离子钻井液JFC和聚合醇钻井液PEM中进行岩屑滚动回收率试验，水基钻井液GREEN-DRILL、阳离子钻井液JFC和聚合醇钻井液PEM的岩屑滚动回收率分别为89.50%、94.45%和97.25%。可以看出，钻井液GREEN-DRILL对Holeplug岩屑的抑制能力介于阳离子钻井液JFC和聚合醇钻井液PEM之间。阳离子钻井液JFC的配方为2.0%～3.0%膨润土浆+0.2%PAC+0.2%XC+1.5%DYFT+1.0%JMH-YJ+1.0%LUBE+0.3%～0.7% PHPA。聚合醇钻井液PEM的配方为2.0%～3.0%膨润土浆+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。试验条件为在100 ℃温度下滚动16 h。

2.3 储层保护性能

选择2块空气渗透率为2 000～3 000 mD的高渗岩心进行岩心驱替试验。试验步骤如下：1)测定天然岩心的气测渗透率K气；2)将岩心抽真空并饱和地层水，用煤油正向驱替，建立束缚水饱和度；3)在80 ℃下测定岩心的油相渗透率K油；4)在80 ℃温度、3.5 MPa围压、3.0 MPa工作压力条件下，用水基钻井液GREEN-DRILL反向动态污染岩心2 h；5)用煤油测定污染后岩心的正向渗透率K污；6)将岩心污染端切去5 mm，再用煤油测定污染岩心的正向渗透率K切，用K切/K油计算岩心的渗透率恢复率。试验验结果见表2。

表2 岩心驱替试验结果Table 2 Results of core displacement experiment

由表2可知，水基钻井液GREEN-DRILL的渗透率恢复率均超过90%，符合《海洋石油手册》中钻井液渗透率恢复率≥85%的规定，能够满足海上钻井对储层保护的要求。

2.4 生物降解性能

生物降解性能除受处理剂自身结构的影响外，还与温度、pH值、受试物浓度以及与其他物质的作用、其他生物源、生物量等生物条件有关[14]。生物降解可分为使物质丧失其特性的初级生物降解，使物质对环境不良影响消失的环境可接受的生物降解，物质被降解成二氧化碳、水和无机盐或分解成参与微生物代谢过程的物质的极限生物降解。模拟天然水源、土壤等环境条件可以对钻井液的生物降解性能进行研究。

根据相关资料和室内研究条件，选择了生化需氧量(BOD5)[15]、化学需氧量(COD)来评价水基钻井液GREEN-DRILL的生物降解性能，其结果是BOD5/COD=67.5%。按照BOD5/COD<10%难降解、10%≤BOD5/COD<25%可降解、BOD5/COD≥25%易降解的分级，水基钻井液GREEN-DRILL的生物降解性能优异。

2.5 生物毒性

根据文献[14]水基钻井液的生物毒性容许值规定，在一级海区中，如果生物毒性检验结果不小于30 000 mg/L，便符合生物毒性要求。依据文献[11]对水基钻井液GREEN-DRILL进行了72 h静水式生物毒性检验，结果为对蒙古裸腹溞Ⅰ龄幼体72 h LC50大于60 000 mg/L，符合Ⅰ级海域排放标准。

3 现场应用

水基钻井液GREEN-DRILL在渤海勘探开发区域已进行5井次的现场应用，取得了良好的应用效果。X井为渤海金县的一口生产井，井深2 600 m，φ311.1 mm井段从井深250 m钻至井深2 600 m完钻，穿越明华镇组、馆陶组和东营组多套地层，多套压力系统同处在裸眼井段；在垂深1 100 m附近分布2个断层，断层间的距离30～100 m不等。以往钻井经验表明，该层位发生渗漏甚至井漏的风险很高；馆陶组地层粗砂岩、砥砺岩发育，不能一次钻穿；此外，该井井眼轨迹为“S”形，较为复杂，对钻井液润滑性能要求较高。应用水基钻井液GREEN-DRILL后一次钻穿馆陶组地层，且未发生任何渗漏，减少了两次起下钻作业。该井段钻井液性能良好且稳定(见表3)，取得了较为理想的效果。取现场用水基钻井液GREEN-DRILL送国家海洋局北海分局进行了检测，结果表明，符合一级海域环保要求。

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

4 结 论

1) 应用天然原材料、改性原材料研发了3种环境友好型处理剂(封堵剂GS、水基润滑剂GL和水溶性抑制剂GG)，其生物毒性LC50均大于30 000 mg/L，无毒性。

2) 研制的环境友好型水基钻井液GREEN-DRILL具有优异的生物降解性能，生物毒性满足一级海域排放规定，应用前景良好。

参考文献
References

[1] 吴长勇，梁国昌，冯宝红，等.海洋钻井液技术研究与应用现状及发展趋势[J].断块油气田，2005，12(3)：69-71.

Wu Changyong,Liang Guochang,Feng Baohong,et al.Present state of offshore drilling fluid and its development direction[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2005,12(3):69-71.

[2] Candler J E,Rushing J H,Leuterman A J J.Synthetic-based mud systems offer environmental benefits over traditional mud systems[R].SPE 25993,1993.

[3] 耿娇娇,鄢捷年,李怀科,等.具有恒流变特性的深水合成基钻井液[J].石油钻探技术，2010，38(2)：91-94.

Geng Jiaojiao,Yan Jienian,Li Huaike,et al.Synthetic-based drilling fluid with constant-rheology used in deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(2):91-94.

[4] 胡友林，乌效鸣，岳前升，等.深水钻井气制油合成基钻井液室内研究[J].石油钻探技术，2012，40(6)：38-42.

Hu Youlin,Wu Xiaoming,Yue Qiansheng,et al.Laboratory research on deepwater GTL synthetic-based drilling fluid[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(6):38-42.

[5] 李自立，罗健生，田荣剑，等.适用于深水钻进的合成基液探索[J].钻井液与完井液，2012，29(6)：1-3.

Li Zili,Luo Jiansheng,Tian Rongjian,et al.Research on base oils of synthetic base drilling fluid used in deepwater drilling[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2012,29(6):1-3.

[6] 张琰,任丽荣.酯基钻井液物性及应用研究[J].石油大学学报：自然科学版，2001，25(5)：117-119.

Zhang Yan,Ren Lirong,Properties and application of ester-based drilling fluid[J].Journal of the University of Petroleum,China:Edition of Natural Science,2001,25(5):117-119.

[7] 王西江，曹华庆，郑秀华，等.甲酸盐钻井液完井液研究与应用[J].石油钻探技术，2010，38(4)：79-82.

Wang Xijiang,Cao Huaqing,Zheng Xiuhua,et al.Study and application of drilling and completion fluid based on formate[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):79-82.

[8] 赵向阳,张小平,陈磊，等.甲酸盐钻井液在长北区块的应用[J].石油钻探技术，2013，41(1)：40-44.

Zhao Xiangyang,Zhang Xiaoping,Chen Lei,et al.Application of formate drilling fluid in Changbei Block[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(1):40-44.

[9] 耿晓光.甲酸盐钻井液体系在大庆开发井的推广应用[J].钻井液与完井液，2007，24(2)：77-79.

Geng Xiaoguang.Application of formate drilling fluids in development wells in Daqing Oilfield[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2007,24(2):77-79.

[10] Shyam Kumar Sharma,Jnan Kachari.Use of KCl-polymer clouding out polyol drilling fluid in combating high pressure in deep exploratory wells of Assam Field:a case study[R].SPE 128849,2010.

[11] GB/T 18420.2—2009 海洋石油勘探开发污染物生物毒性:第2部分：检验方法[S].

GB/T 18420.2—2009 Biological toxicity for pollutants from marine petroleum exploration and exploitation:part 2:test method[S].

[12] GB/T 18420.1—2009 海洋石油勘探开发污染物生物毒性:第1部分：分级[S].

GB/T 18420.1—2009 Biological toxicity for pollutants from marine petroleum exploration and exploitation:part 1:grading[S].

[13] API RP 13 B-1 Recommended practice for field testing water-based drilling fluids:fourth edition[S].

[14] 王奕，杨凤林，张兴文，等.化学品生物降解性的评价与预测[J].化工环保，2002，22(4)：209-212.

Wang Yi,Yang Fenglin,Zhang Xingwen,et al.Evaluation and prediction of biodegradability of chemicals[J].Environmental Protection of Chemical Industry,2002,22(4):209-212.

[15] JJG 824—1993 生物化学需氧量(BOD5)测定仪[S].

JJG 824—1993 Biochemicaloxygen demand (BOD5) meter[S].