赵小平，孙 强

(1.中石化胜利石油工程公司塔里木分公司，新疆 库尔勒 841000；2.中石化胜利石油工程公司钻井工程技术公司,山东 东营 257064)

随着油气勘探开发难度的增大以及对经济和环境效益的不断追求，“安全、快速、优质、环保、高效”已成为钻井技术发展的更高目标，这必然对钻井液、完井液提出更全面、更高的技术要求[1-4]。现阶段聚合物钻井液、聚磺钻井液等传统水基钻井液体系的性能均无法满足复杂结构井的钻井施工要求，环保与抗高温等性能有待全面改进提高，而油基钻井液则具有强抑制性、优良润滑性以及高温稳定性等优点，已成为复杂结构井钻井施工的重要技术手段[5-6]。但随着我国环保法律法规的不断完善及环保要求的不断提高，钻井工程环保形势日益严峻，尤其在环境敏感和生态脆弱地区，钻井液已成为钻井工程的主要污染源之一，大量废弃钻井液与含油钻屑无法直接排放，需要利用特殊工艺进行无害化处理，相关工艺技术复杂，设备投入大，处理成本高，大大限制了油基钻井液的规模化推广应用[7-8]。

本文从环保型水基钻井液体系、环保型钻井液关键处理剂、钻井液环保性能评价方法等三个方面，综述了高性能环保型钻井液技术国内外研究新进展，展望了环保型水基钻井液技术发展趋势，为环保型钻井液体系与关键处理剂研发提供了参考。

1 环保型水基钻井液体系研究概况

1.1 国外环保型水基钻井液体系

近年来，国外石油公司以无生物毒性、易生物降解、钻井液配方简单为技术目标，研发出了多种高性能环保型水基钻井液体系及配套关键处理剂。M-I SWACO公司重点通过优化水基钻井液体系配方以达到仿油基钻井液性能目标，陆续研发了高性能水基钻井液体系(ULTRADRILL)、高性能环保型水基钻井液体系(HydraGlyde)等，并提出了“客户定制式”高性能水基钻井液设计理念[9-11]，既保持了水基钻井液的环境适应性好与成本低等优点，又能够降低扭矩，达到了与油基钻井液相媲美的钻速，同时还能避免井壁失稳等钻井复杂情况，为复杂结构井钻井施工提供了一种“快速、安全、灵活”的钻井液技术方案。

Baker Hughes公司将聚胺化合物与聚合醇的浊点和铝的化合作用相结合，研发了PERFORMAX高性能水基钻井液体系，该体系利用纳米聚合物封堵剂MAX-SHIELD、铝基化学封堵剂MAX-PLEX、页岩水化抑制剂MAX-GUARD、聚合物包被剂NEW-DRILL的共同作用来封堵页岩孔隙与微裂缝，阻止压力传递与滤液侵入，具有抑制性强、高温稳定、保护储层及保护环境等优点，可达到美国环保局规定的墨西哥湾排放要求[12]。Halliburton公司根据不同页岩地层的复杂特性，研发形成了SHALE-DRIL高性能水基钻井液体系系列，包括SHALE-DRIL-F、SHALE-DRIL-H、SHALE-DRIL-B、SHALE-DRIL-E等四套方案[13]，其具有强抑制、高润滑、提高机械钻速、成本低等优点，并广泛应用于美国Haynesville、Fayetteville、Barnett、Eagle Ford等主要页岩气勘探开发区块。

综合分析可知，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton等国外石油公司均已研发形成了相对成熟的高性能环保水基钻井液体系及系列配套钻井液处理剂，能够为现场客户提供“个性化定制”的高性能环保水基钻井液技术服务。但值得注意的是，国外石油公司的高性能环保水基钻井液专利技术目前仍处于高度保密阶段，技术服务价格高，国产自主化研发缺乏借鉴参考，技术难度大，亟需针对性地开展相应的研究工作。

1.2 国内环保型水基钻井液体系

为了满足钻井工程技术需求，钻井完井液体系中处理剂的种类和数量越来越多，对脆弱的油田生态环境造成的危害也越来越大。近年来，我国持续研发了多项钻井液环保技术，但多集中在"末端治理"方面，即废弃钻井液无害化处理与含油钻屑配套处理技术等，相关工艺技术复杂，设备投入大，处理成本高。因此，国内外自20世纪90年代以来，我国开始重视研发环保钻井液体系，从源头上控制钻井液对环境的污染，由"末端治理"向"源头控制、过程控制"转变，研发的聚合醇钻井液、甲酸盐钻井液、硅酸盐钻井液、烷基葡萄糖苷钻井液等环保型钻井液体系[14]，其共同特点是生物毒性小、容易生物降解，对环境影响小。但上述钻井液体系因成本高昂或应用效果不理想，未能推广应用。同时为了满足复杂地层条件下的钻井液性能要求，现场应用中上述体系均复配了合成高分子聚合物或磺化类处理剂，从而影响了钻井液体系的整体环保性能。

2 环保型水基钻井液关键处理剂研究概况

2.1 国外环保型水基钻井液处理剂研发

研发无生物毒性、可生物降解的环保钻井液处理剂是配制环保型钻井液体系的关键。国外石油公司持续重视对淀粉、纤维素等天然高分子材料的深度改性优化，相继研发了多种环保型钻井液处理剂，以满足环保钻井液性能要求，但其抗高温能力通常在130℃以下，仍需通过深度改性进一步提高天然高分子降滤失剂的抗高温性能。MI SWACO公司研发了多种抗高温淀粉降滤失剂Poly-Sal、Flo-Trol、Duo-Flo，并与聚阴离子纤维素PAC-LV复配使用，研发了抗温130～150℃的抗高温环保型水基钻井液体系，钻井液的API滤失量可控制在10mL以内。此外，甲酸盐可以显著提高淀粉降滤失剂等天然高分子处理剂的抗温性能。

2.2 国内环保型水基钻井液处理剂研发

目前，国内环保型水基钻井液处理剂主要集中在淀粉、纤维素、木质素、植物胶等天然高分子材料，易生物降解，环保性能好，但抗高温一般在120℃左右，主要应用于上部浅层钻井。其中，抗高温聚合物降滤失剂类国内采用AMPS、AM、AA、NVP等单体与天然高分子聚合物接枝共聚，研制了多种抗高温降滤失剂，抗高温最高可达180℃，但都处于室内研究阶段，且环保性能受AMPS、AM等残留合成单体的影响较大；页岩抑制剂类主要有多元醇、烷基葡萄糖苷、有机盐、硅酸盐等，这些处理剂主要是抑制泥页岩水化膨胀，其他配套处理剂仍需完善；高温增粘剂主要有高温弱凝胶GEL和80A-51，GEL是以生物聚合物为主要原料，经表面活化后与聚合物以及高温保护剂等复合，80A-51是丙烯酸盐共聚物，两种处理剂的抗高温性均低于150℃；极压润滑剂类主要有植物油、聚醚类、酯类、聚α-烯烃(PAO)类等，这些润滑剂生物毒性低、易生物降解，但热稳定性和氧化稳定性能仍需进一步研究完善[15-16]。

综上所述，国内在环保型钻井液处理剂与体系方面也取得了较大进展，但多数环保型钻井液处理剂普遍存在合成工艺复杂、成本较高、性能单一等缺点，目前在复杂高温地层钻井过程中仍然多采用人工合成高分子与磺化类处理剂，尚未有效解决钻井液处理剂环保性与高温稳定性之间的矛盾。因此，下一步仍需要利用淀粉、纤维素、植物胶等来源丰富、价格低廉的天然高分子材料，通过深度化学改性工艺，研发出新型环保钻井液处理剂，以替代合成聚合物、沥青等常用非环保钻井液处理剂。

3 环保型水基钻井液技术的发展趋势

随着环保钻井液技术的不断发展，国内外陆续研发了一批仿油基钻井液性能的环保型水基钻井液体系，并取得了较好的现场应用效果，但在抗高温性能、综合环保性能等方面仍需要进一步深入研究完善。环保型水基钻井液技术发展趋势概括如下：

(1)深入研究提高天然高分子材料抗高温性的作用机制，并在此基础上，借鉴先进的化学、生物和纳米技术，利用来源丰富、价格低廉的天然原料，如淀粉、纤维素、木质素、栲胶和植物胶等，进行复合或深度改性，有针对性地研发低成本高效环保型水基钻井液处理剂，为构建环保型水基钻井液体系提供物质保障。

(2)选用钻井液配伍性、抗温稳定性、储层保护、环境友好等性能指标，综合评价新型钻井液处理剂与环保钻井液体系的现场应用效果，最终形成环保型水基钻井液关键处理剂系列，构建仿油基钻井液性能的环保型水基钻井液体系，以获得最佳的综合效益。

(3)尽快从生物毒性、生物降解性、重金属元素含量等方面规范建立钻井液环保性能评价标准体系，提高钻井液处理剂与体系环保性能评价的准确性和科学性。