环保钻井液技术现状及发展趋势杨振杰(西安石油大学石油工程学院,陕西西安) 摘要 综述了环保钻井液技术发展现状,通过分析环保钻井液存在的问题,对环保钻井液的发展趋势提出了认识。
环保钻井液应具有:与油基钻井液相当或接近的抑制性能;配制和维护成本与普通水基钻井液相近;满足施工地区的环保排放标准,对农业生产无害,最好是有益于当地的生态环境;保证施工人员的健康和安全;适应于各种复杂井和深井的钻探需要。
在今后的环保钻井液技术研究中,应该重视对天然高分子材料和各种环保处理剂的改性和完善以及对无毒无污染的有机盐和无机盐使用技术的攻关,解决环保钻井液抑制性和抗温性问题,开发低成本高性能的无毒环保钻井液。
关键词:钻井液 环境保护 抑制性 生物可降解性 综述由于对环境保护问题的日益重视,与钻井液有关的环保和安全问题使得高效、低成本和无毒钻井液的研究开发成为发展的重要方向。
中国陆上油田由于受钻井液成本等因素的制约,环保钻井液技术发展较慢。
本文综述了环保钻井液技术发展现状,通过分析环保钻井液存在的问题,对环保钻井液的发展趋势提出了建议,希望能对环保钻井液的技术进步有所启发。
环保钻井液的发展现状1.硅酸盐钻井液硅酸盐钻井液无毒、无荧光、低成本的特性日益受到重视。
Barnfather J L等人认为,目前使用的油基钻井液和合成基钻井液并不能真正满足环保、立法和成本控制的要求。
研究开发一种既适应复杂地层要求又能满足环保要求的钻井液是目前面临的一个重要问题[1]。
硅酸盐钻井液能够稳定各种复杂地层,具有优良的类似于油基钻井液的抑制稳定性能,但也是通过聚合醇和低价无机盐的复配等来强化体系的整体性能。
普遍使用的硅酸钠产品溶液模数为2.1,固相含量为42%,密度为1.5g/cm3。
典型的硅酸盐钻井液的pH值控制在11.8～12.3之间。
硅酸盐钻井液成本比普通水基钻井液高30%左右。
Marquis Fluids公司自1998年起在加拿大西部、英国和哥伦比亚近40口大位移定向水平井、高温高压复杂深井中使用了强抑制性硅酸钠/钾环保钻井液体系,提高了机械钻速,抑制了页岩的水化膨胀,降低了成本,成功地替代了逆乳化钻井液和硫酸钾钻井液。
硅酸钾还可以作为化肥,有利于植物的生长发育,只要使用得当对环境完全无害。
Barnfather J L等人将硅酸盐钻井液应用于挪威的海上油田,控制了易膨胀水化的泥页岩。
作为油基钻井液和合成基钻井液的替代体系,该体系减少了化学添加剂的排放量,满足了海洋钻井的环保要求[2]。
硅酸盐与聚合醇复配,增强了硅酸盐钻井液的整体性能,因为单纯的硅酸盐钻井液难以满足深井和高难度井的钻探需要。
新一代硅酸盐聚合物钻井液中液体硅酸盐(固相含量为30%左右)加量为5%～15%[2]。
Ward和Chapman J W认为硅酸钠和硅酸钾复配可提高钻井液抑制效果,减少硅酸盐的用量[3],而且具有优良的储层保护性能。
John C U rquhart提出用天然高分子材料复配的无固相硅酸盐钻井液,其组成为30%硅酸钾溶液(有效浓度为30%,模数为2.5,pH值为11)加入3～6kg/m3黄原胶和1～3kg/m3CMC。
该体系的滤失量可控制到0,密度可根据需要进行调整[4]。
该体系特点为:①真正无毒;②能够防止页岩地层的坍塌,抑制泥岩的水化分散,加固胶结差的地层;③密实的堵塞作用可防止钻井液滤液的侵入。
硅酸盐加入钻井液后,提高了钻井液的整体抗温性。
硅酸盐钻井液的开发多数是以聚合物钻井液为基础。
硅酸盐钻井液一般都需要与聚合物、盐类、抗高温处理剂等复配来增强抑制能力,由于复配处理剂的影响,这些硅酸盐钻井液难以形成真正的无毒环保钻井液[5～8]。
丁锐通过对硅酸盐钻井液稳定井壁机理进行系统研究认为,硅酸盐稳定井壁的机理包括多方面的协同作用:①尺寸分布较宽的硅酸盐粒子通过吸附扩散等途径结合到井壁表面,堵塞缝隙;②侵入地层孔隙内的硅酸根遇到pH值小于9的第21卷第2期 钻 井 液 与 完 井 液 Vol.21,No.2 2004年3月 DRILLING FLUID&COMPLETION FLUID Mar.2004孔隙水立即变为硅酸凝胶而将孔隙堵塞;③硅酸根与岩石表面钙镁离子和硬度较大的孔隙水生成硅酸钙镁沉淀而覆盖于岩石表面并堵塞孔隙;④硅酸盐与粘土矿物之间的超分子作用力;⑤硅酸盐的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应,把粘土等矿物颗粒胶结成牢固的整体[9]。
John C Urquhat也认为硅酸盐钻井液对泥页岩的包裹作用阻止了泥页岩与钻井液的接触,保持了地层的原始状态,利于井壁稳定和储层保护[10]。
目前应用的硅酸盐钻井液存在几个问题。
①性能调整困难,特别是流变性能的控制;对pH值比较敏感[3],如CO2的污染可引起硅酸盐钻井液增稠。
另外,较高的液相粘度使硅酸盐难以在高密度钻井液中使用。
②要达到良好的抑制性能,必须保证硅酸盐有较大的加量。
③该钻井液的整体性能难以满足各种复杂井和特殊工艺井的要求,如抗温性、润滑性和流变性的控制等。
④为达到较好的钻井液性能,必须与其他非环保处理剂和低价盐复配,使体系的环保性能受到影响[8,11]。
如自然生态对可溶性盐的容量限为3000mg/L,高含盐量的钻井液对生态环境不利。
Bland R G等人也指出了硅酸盐钻井液的缺点[12]:①硅酸盐与钻井液其他处理剂的配伍性差;②使用温度受限制,要求体系具有较高的pH值;③钻井液摩阻大。
2.合成基钻井液合成基钻井液是以合成有机物为连续相,盐水为分散相,加入乳化剂、降滤失剂、稳定剂和流型改进剂等组成的一种逆乳化悬浮分散体系。
合成基钻井液的特点有:①不含芳烃,毒性小,可生物降解;②高闪点,低凝固点,可在寒冷地区和深水海域使用;③在水中可生物降解,废弃物可直接排入海中。
但由于环保法规的日益严格,合成基钻井液的使用也受到一定的限制。
合成基钻井液的商业造价为1380美元/m3,海洋上使用该体系钻井,井壁稳定,提高了钻速,节约了使用油基钻井液时用于处理钻屑和环境污染的费用[13]。
如果研究的环保钻井液主要是用于陆上油田,合成基等环保钻井液的费用就难以接受。
3.铝络合物钻井液Baker Hughcs INTEQ公司推出了一种络合铝,是一种不含Cl-的高效泥页岩抑制剂,其机理是在泥页岩的孔隙和微裂缝内形成不溶于水的铝络合物,加固和稳定井壁,抑制岩屑分散。
该产品的特点是成本低,钻井液性能容易控制。
由于产品本身是一种无毒无害的铝化学品,不含氯,解决了岩屑排放的难题,降低了排放成本,能够运用于环境保护要求较高的地区。
经检测浓度为8.6kg/m3的络合铝溶液LC50值为0.555g/L。
据介绍该产品还具有配伍性好、抗污染能力强、流变性能容易控制、维护处理方便和防止钻头泥包等优点。
Saddok Benaissa等人提出铝酸盐与有机酸的协同增效作用是铝化学剂稳定井壁的关键[14]。
铝化学剂抑制泥页岩的水化分散、稳定井壁的机理是,随滤液渗入泥页岩孔隙和微裂缝中的铝化学剂,在低pH值的环境下形成沉淀结晶,与泥页岩结合成为一个整体,抑制其膨胀分散,有效地阻止泥页岩内部微裂缝的孔隙压力穿透,稳定井壁。
铝化学剂通过了墨西哥湾和北海的生态学和毒物学试验,符合环保要求,LC50值大于美国环保局(US EPA)规定的在墨西哥湾排放钻井液的最小值。
4.甲基葡萄糖苷钻井液Simpson J P等按美国环保局规定,对甲基葡萄糖苷进行生物降解评价,分别对浓度为20mg/L和40mg/L的甲基葡萄糖苷溶液进行了改进生物降解试验,结果测得28d产生的CO2为理论产量的86%,高于EPA规定的60%[15]。
浓度为80%的甲基葡萄糖苷溶液的LC50值高于500g/L,完全符合EPA规定的排放标准。
因此,甲基葡萄糖苷钻井液是一种无毒、易生物降解的新型环保钻井液。
该体系的抑制机理是甲基葡萄糖苷能吸附在泥页岩表面形成一层半透膜,通过调节该钻井液的水活度控制钻井液与地层水的运移,使页岩中的水进入钻井液中,从根本上抑制泥页岩的水化膨胀,稳固井壁。
甲基葡萄糖苷在钻井液中的理想加量为45%～60%,如果与7%以上的无机盐复配可将用量降到25%左右,但环保性能又将受到影响。
甲基葡萄糖苷钻井液可以通过复配石灰和褐煤等无毒处理剂控制高温高压滤失量[16]。
该体系在辽河、胜利和新疆等油田已进行了现场试验,但可能由于成本太高,目前未见推广应用的报导。
5.钙络合醇水基钻井完井液钙络合醇水基钻井完井液是中国近年来发展起来的新型环保钻井液。
钙络合醇钻井液的主要成分是一种醇类的非离子表面活性剂和无机盐CaCl2,具有较好的抑制性能。
该体系已在胜利、辽河和中原40 钻 井 液 与 完 井 液 2004年3月等油田得到了成功的运用。
但高浓度无机盐的使用,对环境也会有一定的不良影响。
6.无粘土低固相甲酸盐盐水钻井液无粘土低固相甲酸盐盐水钻井液是一种新型的无毒环保钻井液,其特点是抑制性强,流变性好,固相容量限高。
甲酸钾加入钻井液后能够提高XC生物聚合物和聚合物降滤失剂的抗温性能[17～18]。
甲酸盐钻井液在国外已用于现场,并取得了良好效果,中国也在一些复杂井中试验成功。
该体系的缺点是成本过高,难以在油田大面积推广。
7.高抑制性低盐度聚合醇水基钻井液聚合醇钻井液是一种广泛使用的新型环保体系。
该体系强抑制性能是通过聚合醇与一定浓度的氯化钾复配实现的,聚合醇与无机盐复配形成复合物,增强聚合醇在膨润土颗粒上的吸附强度[19]。
Brady M E等人认为,高盐度的聚合醇钻井液对环境的影响同样是不利的[11]。
因为较高的含盐量会污染地下水源和土壤,影响饮用水和农业生产,不是真正的环保钻井液。
为此,提出了高抑制性低盐度聚合醇水基钻井液。
为了保证在含盐量低的情况下聚合醇钻井液仍具有较好的抑制性能,对聚合醇的作用机理进行了深入研究,认为该体系抑制性能的关键是处理剂能够与膨润土颗粒发生强吸附作用,进入膨润土颗粒内层空间,通过分子间的相互作用力产生良好的加固封闭作用,阻止钻井液滤液侵入,达到抑制泥页岩膨胀分散的目的。
聚烷撑乙二醇尽管在粘土颗粒内层空间形成双分子层,但由于憎水基团的作用,封闭效果比聚乙二醇好。
Beady M E 等人研究出了吸附动力更强、与粘土颗粒具有强烈的亲和与封闭作用的聚合醇产品PG2,增强聚合醇的抑制效果,保证在低盐度条件下,聚合醇钻井液具有较好的抑制性能,实现了该体系更好的环保性能。
8.增强环保钻井液抗温性能的处理剂Luigi F Nicora提出了一种新型的抗高温钻井完井液添加剂柠檬酸锆。
室内和现场试验表明,在钻井液中加入柠檬酸锆后,提高了褐煤及木质素磺酸盐在分散钻井液中的抗温稳定性,控制了膨润土在高温下的胶凝稠化[20]。
