生态钻井液研制及其盐碱地改良效果研究

蒲磊，许明标，，王朝飞，陈侃，周姗姗

（1.长江大学石油工程学院，武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心（长江大学），武汉 430100；3.中国石油天然气股份有限公司新疆油田公司，新疆克拉玛依 8 340002）

0 引言

新疆地区地质环境较为脆弱，大部分面积为盐碱地或戈壁，属于生态敏感地区。贸然开采，可能会造成地质的石漠化、荒漠化等问题[1-2]。油气开采过程中，废弃钻井液所含有的各类聚合物、重金属离子、盐类、沥青类和一些改性处理剂是环境污染的主要来源。目前国内外对废弃钻井液处理技术主要是直接填埋、脱稳干化处理法、固化法等，但这些处理方式在有害物质的转移和处理成本上都存在一定的局限性[3-4]。

一直以来国内外对废弃钻井液污泥无害化处理十分重视，早在20 世纪70 年代，为了解决因漏油和泄油而导致土壤污染的问题，美国埃索研究公司[5]在实验室研究出了一种有效的“细菌播种法”，开创了生物修复土壤的先河。陈立荣[6]等人开展了对微生物-土壤联合处理废弃钻井液渣泥技术的研究，并在投入现场应用后获得了不错的效果。冀忠伦[7]直接采取废弃钻井液作为沙漠改良剂，从而实现“变废为宝”，将废弃钻井液作为治理荒漠的有利材料。这些通过对钻井液无害化处理到二次利用，为能够改良盐碱地的生态钻井液研究奠定了基础。为此，展开了室内研究，基于天然材料研制出生态钻井液处理剂，开发出一套生态钻井液体系JH，从源头上控制钻井液的毒性。在盐碱地上对钻井液进行后期处理，并且钻井液处理剂有着肥田效果，对盐碱化土壤起到一定恢复的作用，改良效果并不弱于市面常用的土壤改良剂。对实现钻采过程中“零污染”、“零排放”以及新疆盐碱地的开发利用起到了积极作用，贯彻了可持续发展战略。

1 生态钻井液JH 核心处理剂研究

室内研制了降滤失剂JH1、流型调节剂JH2 和抑制剂JH3。处理剂原料的选择从2 方面考虑：①采用重金属含量低、易降解、生物毒性低的天然材料；②对盐碱土壤的改良具有一定积极的作用[8-10]。

1.1 流型调节剂JH1

流型调节剂JH1 是以黄原胶为基础，与沙蒿胶、车前籽胶、魔芋胶、罗望子胶和海藻酸钠捏合机混合。上述植物胶混合后，不同分子量的大分子聚合物与黄原胶在羟基作用下与水分子协同增黏，增强了JH1 的剪切稀释性。JH1 可作为一种良好的保水材料，抑制了水分蒸发，提高了土壤饱和含水量，减少土壤水分的渗透和流失。可将溶于水中的化肥，农药等农作物生长所需要的营养物质固定其中，在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失[11]。

1.2 降滤失剂JH2

降滤失剂JH2 为天然淀粉，具体由木薯淀粉、芭蕉芋淀粉、马铃薯淀粉等基于一定比例复配制得。其中含有上述天然淀粉中所提供不同的分子链，分子链在水中伸展，形成布满体系的混合网状结构，形成致密的滤饼，降低滤失量。流型调节剂JH2富含蛋白质、多糖、脂类等有机物，在微生物分解作用下能有效增加土壤中有机质。

1.3 抑制剂JH3

将氨基酸、胆碱、硫酸钾和磷酸氢二钙混合，得到钻井液所用抑制剂JH3。所研究的抑制剂JH3不含有毒的重金属离子，对环境不造成伤害。JH3含有大量的钾、钙、胺根等离子，可中和黏土所带负电荷而起到抑制黏土水化分散及泥页岩的水化膨胀的作用。压缩黏土双电层厚度，减小δ电位起稳定岩石的作用。同时JH3 富含植物生长所需的N、P、K 元素，能够增强土壤肥力。

2 生态钻井液JH 室内研究

在所研制的3 种核心处理剂JH1、JH2、JH3的基础上，通过筛选其他的环保处理剂，膨润土选用农业上作为肥料增效剂的凹凸棒土配成膨润土浆，润滑剂选择对环境友好无毒的植物油类，包被剂选择常作为土壤改良剂的聚丙烯酰。最后形成了抗温120 ℃生态钻井液体系JH，体系配方如下。

3%膨润土+0.2%NaOH+0.4%流型调节剂JH1+2.5%降滤失剂JH2+2%抑制剂JH3+3%植物油+0.6%包被剂+重晶石加至密度为1.3 g/cm3

2.1 生态钻井液JH体系性能评价

2.1.1 钻井液基本性能

分别测定生态钻井液JH 在100、120、140 ℃下热滚16 h 前后的基本性能，结果见表1。由表1可知，生态钻井液JH 在 100 与120 ℃热滚后，钻井液黏度略微降低，流变性能仍然保持良好，动切力适中，能充分悬浮和携带钻屑。120 ℃热滚后的API 滤失量为3.4 mL，高温高压滤失量为10.2 mL，表明生态钻井液JH 能满足常规井钻井需求；当温度升至140 ℃后，老化后的钻井液黏度和切力大幅减小，API 滤失量和高温高压滤失量显著增加，且钻井液有部分沉降，表明此时使用天然材料制备的处理剂在高温下降解，钻井液内部空间网络结构被破坏，钻井液性能变差。

表1 生态钻井液在不同温度下的基本性能

2.1.2 钻井液抑制能力

根据SY/T 6335—1997 钻井液用页岩抑制剂评价方法[12]，测清水与生态钻井液JH 在120 ℃下热滚16 h 的岩屑回收率。结果表明，生态钻井液JH的泥岩滚动回收率为72.6%，远大于岩屑在清水中的回收率；生态钻井液JH 在120 ℃、8 h 线性膨胀率为11.54%，低于在清水中的线性膨胀率（43%）。表明生态钻井液JH 体系具有较好的抑制性能，能有效抑制泥页岩水化膨胀与分散。

2.1.3 钻井液抗污染能力

在生态钻井液JH 中分别添加NaCl、CaCl2和劣土，在120 ℃、16 h 老化后评价生态钻井液JH抗盐、抗钙及抗劣土能力（见表2）。

表2 生态钻井液JH 的抗污染性评价

由表2 可知，随着NaCl 加量增加，钻井液黏度、切力先增大后降低，而滤失量是逐渐增加。当NaCl 加量为15%时，钻井液流变性能良好，高温高压滤失量为12.5 mL，保持在15 mL 以内，表明其具有一定的抗盐污染能力；随着CaCl2增加，钻井液的黏度和切力略有增加，降滤失量增量也随之增加。当CaCl2加量为2%时，钻井液整体流变性能比较稳定，降滤失量为12.8 mL 小于15 mL，表明该钻井液具有一定的抗钙污染能力；当CaCl2加量为5%时，由于其生态钻井液处理剂多为聚合物，对Ca2+具有一定的敏感性，大量的Ca2+使钻井液处于过度絮凝状态，增加钻井液的黏度、切力和滤失量。随着劣质土加量的逐渐增加，钻井液内固相颗粒增多，钻井液表观黏度和切力所受影响较大，体系黏度增幅较大，同时高温高压滤失量也逐渐增大。劣质土加量为5%，钻井液性能比较稳定，高温高压滤失量为14.4 mL，小于15 mL。具有一定的抗劣土污染能力。

2.1.4 钻井液润滑性能

利用极压润滑仪、滤饼黏黏附系数测定仪，测试了生态钻井液JH 在 120 ℃、16 h 老化后的润滑性能。可知，生态钻井液JH 滤饼黏滞系数和润滑系数分别为0.0845 和0.106，润滑性能良好，起到良好的降摩减阻效果。这是由于有机高分子处理剂能改善泥饼质量，提高泥饼的润滑性能，植物油可通过在金属、岩石和黏土表面形成吸附膜，降低钻井液润滑系数。

2.2 生态钻井液环保性能评价

1）生物毒性。采用发光细菌法，参考企业标准Q/SY111—2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法发光细菌法》[13]。对生态钻井液使用发光细菌法进行生物毒性检验，检测结果表明EC50为89 600 mg/kg，符合环保要求。

2）生物降解性。通过BOD5/CODCr比值法来表征生态钻井液JH 的生物降解性。生物毒性值越高毒性越小，当BOD5/CODCr比值大于10%时，表明样品环保性能合格[13]。生态钻井液JH 的BOD5/CODCr比值为25.9%，属于易降解。

3）重金属含量。重金属测试采用分光光度法，结果见表3。含量控制标准参考GB15618—1995《土壤环境质量标准》、SY/T6787—2010《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》[13]，低于最低限值。

表3 生态钻井液JH 的重金属总含量 （mg·L-1）

3 盐碱地的改良实验

生态钻井液JH 的环境友好型处理剂，在满足其基本功能的同时，还对盐碱土壤的理化性质具有好的改善效果。将生态钻井液JH 施加在盐碱地进行后期处理，与其他体系废弃钻井液处理相比，不仅降低了钻井成本，二次利用有着很大的优势[14-16]。

选用经过柠檬酸处理后的生态钻井液JH、无机改良剂脱硫石膏、有机改良剂腐植酸、钾基钻井液和聚磺钻井液对盐碱土壤进行实验处理。使用同一规格的花盆，每盆总土壤量15 kg，所选盐碱土壤来自新疆盐碱地，根据每盆土壤总量按百分比施加不同的土壤改良材料。设置1 个对照组CK，5个对照处理组T1、T2、T3、T4、T5，总土壤量均为15 kg。CK 组：加入3%的水进行充分搅拌均匀；T1 组：加入3%经过柠檬酸处理后的生态钻井液JH，搅拌混匀；T2 组：加入3%无机改良剂脱硫石膏，搅拌混匀；T3 组：加入3%有机改良剂腐植酸，搅拌混匀；T4 组：加入3%钾基钻井液，搅拌混匀；T5 组：加入3%聚磺钻井液，搅拌混匀。每个花盆种植苜蓿，第一天先浇透水，以后每3 d每个花盆分别浇灌500 mL 水，自然稳定30 d，再进行土壤的理化性质测定。

3.1 土壤中的全盐量和pH值

土壤全盐量是土壤中水溶性盐的分析，是判断土壤的盐渍化状况和盐分动态的重要指标之一[17]，盐分含量过高会抑制植物生长。土壤pH 值过高，碱化程度越高，理化性状就越差，湿润时容易膨胀、泥泞、分散，干燥时则收缩、坚硬、板结，通气和透水性能都特别差[18]。在25 ℃通过电导法测土壤中的盐分含量，使用电位法测定土壤pH 值。由表4 可知，与对照组CK 相比，无机改良剂脱硫石膏、有机改良剂腐植酸和生态钻井液JH 均能有效降低土壤中的全盐量。而钾基钻井液和聚磺钻井液由于其中含有大量的钾离子、氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子等，使土壤的全盐量大幅提高。T1 组中，使用生态钻井液JH 处理的盐碱土壤降幅最大，降幅为54.3%。

表4 土壤中全盐量和pH 值

CK 中盐碱土壤的pH 值为8.74；T1 处理后，由于生态钻井液JH 经过柠檬酸处理后，对pH 值也有中和作用，加入盐碱土壤后，降低土壤pH 值至6.942，使土壤改良至中性，到达正常水平，能够满足植物的正常生长；T2，T3 处理中pH 值略微下降，降幅分别为7%，5.2%；而T4，T5 处理中的钾基钻井液和聚磺钻井液，由于本身呈碱性，因此反而加重了土壤的碱性程度。

综上所述，由于生态钻井液JH 本身携带有大量水分，同时其体系中所使用的高分子处理剂，流型调节剂有机胶、包被剂聚丙烯酰胺和降滤失剂淀粉聚合物等含有大量的亲水分基团，能够大量吸附土壤中的水分，抑制土壤中的水分蒸发，是优良的保水材料。因此可以稀释土壤含盐量及降低pH 值；生态钻井液JH 中的膨润土，具有很强吸附能力和离子交换能力，可对钠、氯等有害离子进行置换吸附，能够有效降低土壤含盐量；抑制剂JH-3 中含有丰富的钙离子，可以通过离子交换吸附置换出盐碱地中的钠离子，促进盐分淋洗，使其随水分流出，减少土壤盐分含量。因此生态钻井液JH 排盐能力不弱于其他市面常见的土壤改良剂。

3.2 土壤容重

容重是土壤的重要物理性状，影响着土壤的通气性、含水量以及矿质元素的运移等方面，对土壤的孔隙度及土壤穿透阻力产生影响，从而影响土壤肥力的发挥和作物的生长[18]。测定土壤容重通常采用环刀法，用一定容积的环刀切割代表性的原状土，使土样充满其中，称量后计算单位容积的烘干土（105 ℃）质量[19]。土壤容重计算式见式（1）。

式中，ρ为土壤容积，g/cm3；m1环刀的质量，g；m2环刀+烘干土质量，g；V为环刀容积，cm3。

表5 表明，对照组CK 的盐碱土的土壤容重为1.51 g/cm3。T1、T2、T3 各处理的土壤容重均明显低于对照组CK 的土壤，分别降低了13.3%、6%、4.7%。其中T1 处理后的降幅最大。经过生态钻井液处理后的盐碱土壤，由于钻井液中凹凸棒土独特的层链状结构特征和高分子处理剂自身拥有的多种官能团，与土壤发生各种物理化学反应从而改变土壤结构，减小土壤颗粒的密度，降低了土壤容重。而T4、T5 处理后容重反而增大，说明钾基钻井液和聚磺钻井液并没有对盐碱土壤的容重有改善的效果，反而板结了土壤，增加了土壤容重。

表5 不同处理下盐碱土壤的对比

3.3 土壤各团聚体直径所占百分数

土壤结构性状通常是由测定土壤团聚体来鉴别的，是土壤肥力的中心调节器，其大小分布和稳定性影响着土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蚀性[20]。土壤各团聚体测定的方法用干筛法[19]。实验数据见表6。

表6 不同处理剂对盐碱土壤各团聚体直径所占百分数的影响

由表6 可知，T1、T2、T3 处理在0.5～0.25和小于 0.25 mm 的微团聚体数量均高于CK 中的纯盐碱土，其中T1 处理为最高，且小于 0.25 mm 的微团聚体数量占总含量的20%以上，处理后的盐碱土壤能达到壤土颗粒含量标准，属于壤土范围。这是由于生态钻井液JH 中部分处理剂具有较强吸附能力。凹凸棒土含有丰富的孔道结构加其特殊的表面物理化学结构及离子状态；聚丙烯酰胺可与许多物质产生亲和、吸附，表现出显著的絮凝、团聚作用；流型调节剂JH1 作为一种亲水性的有机胶体，能与土壤中的矿物质发生凝聚反应形成有机-无机复合体。这些处理剂可将周围土壤中的一些细小土壤颗粒吸附和黏聚在一起，增加土壤中微团聚体数量。微团聚体数量的增加使得不同粒径的土壤颗粒搭配更加合理协调，改善土壤的通气透水性。而T4 和T5 的钾基钻井液和聚磺钻井液处理后，微团聚体数量降低，土壤大颗粒的含量升高，土壤板结，易导致土壤的透水与通气能力下降，对土壤的并没有改善作用。

3.4 土壤的N，P，K含量与有机质含量

土壤有效氮也称水解性氮，是植物从土壤中吸收和利用氮的主要形式。土壤中磷素的营养状况是影响作物产量和品质的重要因素之一。钾与氮、磷同属于植物所需的大量元素。土壤缺乏钾素，也是粮食生产的障碍因素。土壤有机质是土壤中矿质营养和有机营养的重要来源，又是土壤中微生物的能源物质，对土壤理化性质具有重要的影响[21-22]。土壤养分含量的测定使用有机质采用K2Cr2O7滴定法；有效氮采用NaOH-碱解扩散法；有效磷采用NaHCO3-钼锑抗比色法；有效钾采用 NH4OAc-火焰光度法[19]。对比分析改良后土壤理化性质，改良后土壤N，P，K 与有机质含量如表7 所示。

表7 改良后盐碱地土壤中N、P、K 含量

可以看出，对照组CK 中的盐碱土的土壤肥力较低，与之对比，T1、T2、T3、T4、T5 有机质有含量均有增加，其中T1、T4、T5 处理后的有机质含量增幅较大，增幅达49.7%～65.8%。与CK 组相比，T1 处理后的氮、磷、钾含量增幅变化大，达 59.25%～113.82%。由于钻井液中处理剂大多数为天然材料以及天然改性产物，如流型调节剂JH1、降滤失剂JH2、聚丙烯酰胺和植物油均为可被植物或者微生物分解为有机质。而抑制剂JH3中的氨基酸、胆碱、硫酸钾和磷酸氢二钙可提高土壤中的N、P、K 元素。由此可见，生态钻井液JH能够有效提高土壤肥力，对植物生长起促进作用。

4 结论

1.通过研选基于天然材料且具有肥田效果的降滤失剂JH1、流型调节剂JH2 与抑制剂JH3，并选择其他环境友好型处理剂，形成了抗温达120 ℃的生态钻井液JH。结果表明，该体系在常温及120 ℃下都具有稳定的流变性能，抗盐、钙及抗劣质土污染能力，能满足钻探作业对钻井液性能的要求。

2.土壤实验结果表明，生态钻井液JH 能够改善土壤通透性、降低土壤容重；有效地降低土壤盐分含量及pH 值；提高土壤保水、保肥能力，同时为土壤、作物提供了充足的有机物及N、P、K 等营养物质。生态钻井液JH 对土壤理化性质的影响存在一定的协同作用，综合性能好于单施某一种土壤改良剂。

3.生态钻井液体系JH 对环境友好，符合环保排放标准，可用于新疆脆弱地质区域钻探施工，解决生态敏感区域钻探的环保问题，对解决废弃钻井液处理难的问题以及改善新疆贫瘠的土壤条件有着重要的应用价值。