基于天然产物的环保型钻井液体系研究

顾雪凡 ，高 龙 ，冉照辉 ，周 琳 ，王宝龙 ，张 洁 ，陈 刚

（1.西安石油大学化学化工学院，陕西西安 710065；2.中国石油集团西部钻探工程有限公司，新疆乌鲁木齐 830026；3.陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，陕西西安 710065；4.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，中国石油安全环保技术研究院，北京 102206）

随着国家对环境保护要求的提高，在油气田勘探中所要面临的压力也越来越大。在勘探开发过程中产生的废弃钻井液，由于其含有多种化学处理剂，对周围的生态环境造成了污染，也给后续作业带来诸多不便，容易造成环境纠纷和经济损失等不良后果[1，2]。在三磺体系钻井液中，由于其生物降解性差等原因，其已经不能满足现今对钻井液环保的要求。控制钻井液对环境的污染必须从钻井液处理剂、钻井液的毒性、钻井废物对环境污染的危害、废弃钻井液及钻屑的排放等方面进行控制[3]。为了改变此现状，减少钻井液产生的污染，破坏环境的问题，需要选择一些既能满足环保要求的钻井液处理剂，又能满足正常钻井工程的要求，形成一套新型环保钻井液体系。

传统的天然钻井液处理剂（单宁、褐煤、烧碱、纯碱、重晶石、土粉），由于受多种因素及其本身局限性的影响，天然原料的钻井液处理剂的使用受到了限制[4]。天然钻井液处理剂性能下降的原因是其不耐温、不耐盐等较多缺陷，无法适用于特殊复杂的地层[5]。然而，天然材料也有它的优点，并且可以将其改性，拓展它们的应用范围[6，7]。天然材料和改性天然材料来源丰富，价格低廉，作为钻井液处理剂可以起降滤失、增黏、降黏、稳定井壁和防塌等作用，是维护钻井液良好性能的重要产品，如淀粉、纤维素、腐植酸、栲胶（单宁）、木质素等改性材料具有生物降解性[8-13]，既是环保型材料，也可以用作多功能新型钻井液处理剂[14，15]。目前，天然材料钻井液体系尚未成熟，本文通过对不同的常用环保型钻井液处理剂的评价和对比，从而筛选出基于天然材料的环保型钻井液体系。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

改性淀粉、CMC、胍胶、橡椀栲胶、落叶松栲胶、膨润土（工业级，取自长庆油田）；无水碳酸钠（分析纯，天津市化学试剂三厂）；杂聚糖（KD-03）（工业级，扬州润达油田化学剂有限公司）。GJSS-B12变频高速搅拌器，ZNN-D6六速旋转黏度计，SD-6多联中压失水量测定仪（青岛海通达专用仪器厂），BGRL-5型高频滚子加热炉（青岛同春石油仪器有限公司），电导率仪（DDS-ⅡA，上海电磁仪器厂）；黏滞系数测定仪（NZ-3A，青岛海通达专用仪器厂）。

1.2 钻井液的配制

4%淡水基浆配制：1 000 mL水＋2.0 g碳酸钠＋40 g膨润土，高速搅拌2 h，在室温下老化24 h后备用。处理浆配制：基浆＋处理剂，老化8 h，高速搅拌20 min后测试性能。

1.3 钻井液的性能评价

根据GB/T16783-1997水基钻井液现场测试程序中规定的方法，评价钻井液性能。主要内容包括：采用比重计测试密度，多联中压失水量测定仪测试滤失量，通过六速旋转黏度计测试值计算表观黏度、塑性黏度和动切力。钻井液高温老化条件为：滚子加热炉中高温下老化16 h。

2 结果与讨论

2.1 常用聚糖类钻井液处理剂作用效能

向淡水基浆中分别加入改性淀粉、胍胶、杂聚糖（KD-03）和CMC，测试处理浆在室温下的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）、滤失量（FL）等性能参数，测试结果（见表1～表4）。

由表1～表4可知，与4%淡水基浆相比，改性淀粉处理浆、CMC处理浆和胍胶处理浆都能使钻井液的表观黏度、动切力增大，滤失量减小；添加相同质量分数的改性淀粉处理浆与胍胶处理浆相比，胍胶处理浆和CMC处理浆比改性淀粉处理浆具有更强的增黏切和降滤失作用；KD-03胶液处理浆与淀粉处理浆、CMC处理浆和胍胶处理浆相比，其增黏、增切、降滤失效果略差，但其具有良好的润滑效果。

2.2 聚糖类处理剂与多酚类处理剂的协同作用

从上述实验结果中选取1.5%改性淀粉处理浆、0.8%胍胶处理浆和0.5%CMC处理浆分别添加不同质量分数的栲胶和腐殖酸进行配伍，测试处理浆在室温的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）、滤失量（FL）等性能参数，测试结果（见表5～表10）。

表1 室温下改性淀粉添加剂钻井液性能评价结果

表2 室温下胍胶添加剂钻井液性能评价结果

表3 室温下CMC添加剂钻井液性能评价结果

表4 室温下杂聚糖（KD-03）添加剂钻井液性能评价结果

由表5、表6可知，室温下，与1.5%改性淀粉处理浆相比，1.5%改性淀粉与2.5%栲胶进行配伍能使钻井液的表观黏度降低38.14%且滤失增加2.70%；1.5%改性淀粉与1.5%腐殖酸进行配伍能使钻井液的表观黏度增加28.86%且降低滤失量58.33%。由表7、表8可知，室温下，与0.8%胍胶处理浆相比，0.8%胍胶与1.5%栲胶进行配伍能使钻井液表观黏度增加27.81%且滤失降低16.88%；0.8%胍胶与1.0%腐殖酸进行配伍能使钻井液的表观黏度增加28.66%且降低滤失量32.46%。由表9、表10可知，室温下，与0.5%CMC处理浆相比，0.5%CMC与2.0%栲胶进行配伍能使钻井液的表观黏度降低12.37%且滤失增加43.07%；0.5%CMC与1.0%腐殖酸进行配伍能使钻井液的表观黏度降低8.24%且滤失增加5.88%。

表5 室温下改性淀粉和栲胶配伍处理浆的性能评价结果

表6 室温下改性淀粉和腐殖酸配伍处理浆的性能评价结果

表7 室温下胍胶和栲胶配伍处理浆的性能评价结果

表9 室温下CMC和栲胶配伍处理浆的性能评价结果

表10 室温下CMC和腐殖酸配伍处理浆的性能评价结果

从上述实验结果中可知淀粉具有显著的降滤失作用，栲胶具有一定的降黏作用，固选取1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆分别添加不同质量分数的KD-03进行配伍，测试处理浆在室温的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）、滤失量（FL）等性能参数，测试结果（见表11）。由表11可知，与1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆相比，1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆与0.3%KD-03配合使用能使钻井液的表观黏度降低61.20%，润滑性有显著改善，并且滤失量不变，这为形成较宽流变性范围可控的钻井液体系研究奠定了基础。

2.3 抗温性评价

选取1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆配伍后，分别在90℃、120℃、150℃、180℃下测试处理浆的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）、滤失量（FL）等性能参数，测试结果（见表12）。由表12可知，在90℃、120℃、150℃下，与室温下1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆相比，各项性能稳定；在180℃下，1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆表观黏度降低85.7%，滤失量显著增加，故认为1.0%改性淀粉+1.5%栲胶处理浆在180℃下失去作用。

3 结论

（1）在4%淡水基浆中，室温下，改性淀粉处理浆、胍胶处理浆和CMC处理浆都有好的增黏作用，1.5%改性淀粉处理浆能使钻井液的滤失降低54.63%；0.8%胍胶处理浆能使钻井液的滤失降低55.06%；0.5%CMC处理浆能使钻井液的滤失降低57.23%。

（2）栲胶对改性淀粉浆的降黏作用要强于腐殖酸，2.5%栲胶配合使用能使1.5%改性淀粉钻井液的表观黏度降低38.14%；栲胶和腐殖酸则会提高胍胶处理钻井液的黏度，其中与腐殖酸配合使用可降低滤失量32.46%，改性淀粉+栲胶处理浆与KD-03复配后，具有显著的增润滑性和降黏作用。

表11 室温下1.0%改性淀粉和1.5%栲胶处理浆与KD-03处理浆的性能评价结果

表12 不同温度下1.0%改性淀粉和1.5%栲胶配伍处理浆的性能评价结果

（3）室温下，改性淀粉和栲胶配伍普遍具有好的增黏作用和一定降滤失作用，但降滤失性能弱于胍胶，该钻井液体系抗温可以达到150℃。

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