環保型鉆井液添加劑的優選及性能評價實驗

發布時間：2021-08-17所屬分類：免費文獻瀏覽：1225次

摘 要： 當代化工

《環保型鉆井液添加劑的優選及性能評價實驗》論文發表期刊：《當代化工》；發表周期：2021年04期

《環保型鉆井液添加劑的優選及性能評價實驗》論文作者信息：劉宇龍（1995-），男，山西省大同市人，長江大學石油工程學院碩士研究生在讀，研究方向：石油與天然氣工程。 熊青山（1972-），男，教授，博士后，研究方向：鉆井工藝技術。

　　摘 要： 基于常用的鉆井液添加劑，優選出了 IDH-32、FDL-2、NFG-28、HJK 和 PE 等 5 種典型添加劑，對其抗溫性、生物降解性、毒性及環境效應等主要性能進行實驗評價研究，結合 5 種添加劑初步復配出了一種新型的環保型鉆井液添加劑體系。實驗結果表明：①160 ℃高溫條件下，所選的 5 種添加劑具備良好的表觀黏度及濾失性，且優于低溫條件;②所有添加劑的 EC50 值均處于 3×106 之上，即遠遠滿足排放標準，處于無毒級別，同時其均具有很強的生物降解性;③復配出的鉆井液體系 w(泥土基漿)4.0% + w(NaOH)0.05% + w(IDH-32)0.3% + w(NFG-28)3.0% + w(HJK)2.0% + w(FDL-2)1.0% + w(PE)3.0%，具備良好的穩定性、易生物降解、無毒、抗污染能力強，且有利于對油氣層的保護。

　　關 鍵 詞：鉆井液;環保;生物降解;抗溫性;實驗評價;毒性

　　Abstract: Five typical additives including IDH-32, FDL-2, NFG-28, HJK and PE were selected from commonly used drilling fluid additives. Their main properties of temperature resistance, biodegradability, toxicity and environmental effect were experimentally evaluated. And a new environmentally friendly drilling fluid additive system was initially formulated with the five additives. The results showed that at 160 C. the five selected additives had good apparent viscosity and fluid loss, which were superior to those at low temperature conditions: The EC50 values of all additives were above 3x106, that was, it met the emission standards far, and was in a non-toxic level. and they were all highly biodegradable, The compounded drilling fluid system was determined as follows: w (soil-based slurry) 4.0%+w (NaOH ) 0.05% + w (IDH1-32 ) 0.3% + w (NFG-28) 3.0% + v (HJK ) 2.0% + w (FDL-2 ) 1.0% +w (PE ) 3.0%.It had good stability and strong anti-pollution abilitvand was easy biodegradation, non-toxic, and conducive to protection of oil and gas layers.

　　Key words: Drilling fluid; Environmental protection; Biodegradation; Temperature resistance; Experimental evaluation; Toxicity

　　石油勘探開發過程中，會在鉆井施工環節產生巖屑、鉆井液等排出物"。廢棄鉆井液中通常會含有復雜多樣的化學制劑，如聚合物、重金屬、無機物等，其大多為有毒物質"。一旦這些有毒物質未經處理被排放或泄露至生態環境中，會對環境造成嚴重的污染-，同時還可能污染飲用水源和農耕土壤，進而對人類造成危害。這不僅會影響鉆井施工的正常順利開展，還有可能對社會經濟效益造成嚴重損害"，因此鉆井施工中的環保問題關系重大。近年來，隨著油氣鉆探技術的不斷進步及人類對生態環境保護問題的密切關注，石油鉆井過程中對環保型鉆井液的需要日益迫切0。環保型鉆井液不僅需要具備傳統鉆井液的鉆進潤滑、穩定井壁及保護儲層等基礎功能，還需要滿足環境友好要求"。

　　環保型鉆井液體系通常具備無毒或弱毒劑易生物降解等特點，而其主要與所采用的添加劑關系密切，因此需要對鉆井液添加劑進行控制優選"。國內外學者在環保型鉆井液添加劑方面進行了大量實驗和數值模擬研究，取得了很多的成果[219，國外早已形成了較為成熟用于鉆井液添加劑可生物降解性評價體系;國內則相對較晚，在該方面的評定方法及評價體系不夠成熟。中國石油大學最近研制了一種抑制和潤滑性能優良的環保型鉆井液添加劑，不僅可通用于淡水及鹽水鉆井液，且可降解性強、無毒。除此之外，還有很多學者也進行了鉆井液添加劑方面的創新研究，且部分成果已經被進行實際應用。

　　但從目前國內的實際應用情況來看，對環保型鉆井液添加劑的研究還不夠深入，尤其是在其配制工藝、使用條件及作用機理方面。因此，本文基于此背景，在鉆井液添加劑中優選了最為常用的5種，對其進行了深入研究，通過室內實驗對添加劑的抗溫性、環保型及可降解性等主要性能進行了評價分析，實驗結果可為實際鉆井過程中添加劑的選取提供一定的理論基礎。

　　1實驗部分1.1材料

　　質量分數為98%的氯化鈉(Nacl)、質量分數為95%的氫氧化鈉(NaOH)、硫酸鈣(CasO4)、包被劑(IDH-32)、無熒光潤滑劑(FDL-2)、降濾失劑(NFG-28和HJK)、聚合物PE以及實驗室自制的蒸餾水和泥土基漿。

　　1.2儀器

　　高溫高壓濾失儀(GGS42-2A型)、雙數顯黏滯系數測量儀(NZ-3A型)、極壓潤滑儀(EP-B型)、化學耗氧量COD測定儀(GDYS-101sQ型)、便攜式數字測氧儀(KY-200型)、生物發光光度計

　　(GDJ-2型)、直讀式黏度計(Fann-35型)、磁力加熱攪拌器(CIAA78-1型)、數顯高速攪拌器、微量注射器、干燥箱以及電子天平等。

　　1.3方法及流程

　　1)添加劑選取：基于現場數據及相關資料，本實驗針對性地選出了1DH-32，FDL-2，NFG-28，HJK及聚合物PE等5種具有代表性的鉆井液添加劑。依據實驗篩選和研制原則對環保型鉆井液進行配制"。

　　2)性能評價：首先對鉆井液體系的抑制性及潤滑性進行實驗評價，通過測量巖心的滲透率變化及恢復來評價其對油層的保護性能，結合化學方法評估其對環境污染性及抗污染能力，并對各個實驗結果進行匯總收集。

　　3)毒性測定：結合主流BOD/COD法及細菌測試法評定不同添加劑的生物毒性，進而通過菌體發光強度對其生物毒性進行判定分級，具體分級標準參考相關文獻。

　　2結果與討論

　　2.1添加劑優選及其基本性能參數

　　環保型鉆井液主要是由有幾種不同類型的添加劑共同組成的，例如包被劑、防塌劑、降濾失劑。一般來說，這些添加劑的類型在7種左右，由此也可以得知環保型鉆井液的添加劑成分不算特別復雜，實驗的可行性比較高。

　　結合實際鉆井開發及環境保護部分的規章要求，對選擇及研發環保型鉆井液添加劑時的標準進行了歸納：0環境友好型，也就是無毒，對人畜安全無害;②注入后與儲層孔隙水具有良好的相容性，不易發生沉淀，且較短時間內可快速自行發生生物降解，不會堵塞儲層通道及對油氣層造成損害;③具備優良的鉆井液基本性能，即使處于高溫條件下其流變性依舊穩定，鎖水性好且方便后期維護10，實驗結果表明，本文所選擇的IDH-32.FDL-2

　　NFG-28，HJK及聚合物PE等5種鉆井液添加劑都不具有毒性，符合環保型的排放標準，同時都具有較為良好的生物降解性，不會對環境造成長期的威脅，對于油層的保護作用也是比較明顯的。從初步結果看來，這幾種添加劑都可以用作環保型鉆井液的研發。因此，本文將其添加至本實驗配置的環保型鉆井液中，從而進行其他性能指標的評價。通過多次反復實驗，最終確定出性能優良的環保型鉆井液配方，具體由質量分數為4.0%的泥土基漿、質量分數為0.05%的NaOH、質量分數為0.3%的IDH-32質量分數為3.0%的NFG-28、質量分數為2.0%的HJK、質量分數為1.0%的FDL-2和質量分數為3.0%

　　的PE聚合物共同組成。實驗所研制的環保型鉆井液具有如表1所示的性能。

　　2.2環保型鉆井液整體性能分析

　　對所配制的環保型鉆井液和聚磺鉆井液體系的抑制性能進行了評價分析。結果顯示，前者的巖屑回收率超過80%，而后者則僅為59%，即環保型鉆井液體系具有良好的抑制能力。其次，環保型鉆井液體系的PE濁點為62 ℃，可以有效堵住泥餅孔隙，同時降低其表面張力，進而與鹽水體系可以協同阻礙儲層中黏土礦物發生膨脹。通過比較不同鉆井液的巖心滲透率恢復結果可以發現，環保型鉆井液的滲透率恢復值高達78.5%，相應地巖心滲透率的恢復也保持較高值，而聚合物鉆井液則僅為53.6%，表明前者的表現明顯更勝一籌。在實驗過程中，計算鉆井液侵入深度采取的方法是巖心切割，計算結果表明環保型鉆井液所侵入的深度是比較小的，這個結果從側面也證實了環保型鉆井液對于油層的保護作用要更加明顯。

　　在實驗中還進行了鉆井液體系的環境效應評價，結果表明環保型鉆井液的毒性十分微弱，無論是在化學效應還是生物效應方面，同時生物降解性能表現得比較良好，不會對生態環境造成長期或難以接受的負擔。分別向環保型鉆井液中添加了不同質量分數的基漿、氯化鈉及硫酸鈣以評價其性能。如表2所示，在評價環保型鉆井液的抗鹽侵、抗鈣和抗土侵能力的結果中可以看出，鉆井液在這3個指標上表現良好。且潤滑性評價結果也告訴我們，相較于其他類型的鉆井液來說，環保型鉆井液的潤滑性要明顯好出很多。

　　2.3 不同質量分數鉆井液添加劑抗溫性能分析

　　圖 1 為基漿中添加不同質量分數鉆井液添加劑IDH-32 時體系表觀黏度隨溫度的變化規律。由圖 1可以看出，添加劑 IDH-32 的增黏效果比較明顯，添加劑的量越多，增黏的效果就會越好，但是實驗過程中也出現了溫度限制，當溫度超過了 120 ℃后，其增黏作用明顯降低，這表明該添加劑的抗溫能力有限，臨界點為 120 ℃。

　　圖 2 和圖 3 為基漿中添加不同質量分數鉆井液潤滑劑 FDL-2 及降濾失劑 NFG-28 時體系濾失量隨溫度的變化規律。由圖 2 和圖 3 可以看出，添加劑FDL-2 在實驗過程中表現出較好的降濾失作用，當質量分數較低的條件下，溫度達到 120 ℃后，其濾失量有大幅度的提高，這表明該添加劑的抗溫性能也在 120 ℃以下發揮作用;當質量分數較高的條件下，溫度達到 140 ℃后，其濾失量才表現出大幅度的提高，這表明在高質量分數情況下該添加劑的抗溫性能在 140 ℃以下發揮作用。添加劑 NFG-28 的濾失量和抗溫性能與 FDL-2 的表現情況基本保持一致。

　　表 3 為降濾失劑 HJK 和聚合醇 PE 抗溫性能分析結果。

　　由表 3 可以看出，添加劑 HJK 的降濾失效果也比較明顯，且抗溫性能比較良好，即使在較高的溫度條件下，其降濾失量也能保持在一個基本穩定的狀態。在160 ℃的溫度條件下，鉆井液仍然保持了和低溫條件相差無幾的性能，表明添加劑PE為鉆井液賦予了良好的抗溫能力。

　　2.4不同鉆井液添加劑毒性及生物降解性分析

　　鉆井液添加劑環境效應的評價主要包含毒性及生物降解性兩方面2110本文結合發光菌體生物毒性測試法對不同添加劑進行了毒性分析，結果顯示所有添加劑的ECs0值均處于3x 10之上，表明其均處于無毒級別，也就是說對生態環境及人畜是無害的。同時，采用BOD/COD比值法來判定不同添加劑的可生物降解性能。表4為不同鉆井液添加劑生物降解性分析結果，可以看出5種添加劑的BOD/COD比值幾乎均大于25，即具有很強的生物降解性。

　　2.5 鉆井液添加劑生物降解性的影響因素

　　結合不同鉆井液添加劑的生物降解性評價結果及相關數據分析，可以發現影響鉆井液生物添加劑是否能夠降解及其降解效率主要與添加劑基質、微生物群落及環境條件等3個方面密切相關。籠統來講，地球上所有的有機物均能夠在微生物作用下發生降解，只是在降解速率存在較大差異。如蛋白質及脂肪等自然界本身固有存在的有機物均能快速降解，而人工合成的有機物，即自然界本身并不存在的，則往往降解速率極慢或根本無法降解。其次，不同生物降解劑本身所處的生態環境，也就是微生物菌群不一樣，其濃度及分布規律與周邊生物群落往往是互相作用互相依存的。此外，地層中溫度、壓力、pH值及鹽度等環境條件也會顯著影響生物降解劑的降解性，如藻類與細菌類生長環境的酸堿差異，好氧與厭氧細菌的環境氧濃度差異，同時部分生物會由于地層中較高鹽濃度而發生脫水等。因此，可降解生物鉆井液添加劑必須綜合其種類、自身結構及所處環境等多個因素進行選擇。

　　3結論

　　本文通過室內模擬實驗優選了5種常見鉆井液添加劑，對其抗溫性能、可降解性、毒性等主要性能參數進行了評價分析。實驗結果表明，IDH-32FDL-2，NFG-28，HK和PE 5種添加劑均無毒，同時注人儲層后容易發生生物降解，因此不會對油氣層、生態環境及人畜造成危害，可以作為環保型鉆井液的添加劑進行使用。此外，以上幾種添加劑的抗溫性能都在160℃以下的溫度條件下才能發揮較好的作用，因此不超過160 ℃的井底溫度在各方面都比較利于鉆井施工作業的順利展開。結合不同添加劑的性能組合配制出了一種新型環保型鉆井液的添加劑體系w(泥土基4)4.0%+w(NaOH)0.05%+ w(IDH-32)0.3%+ w(NFG-28)3.0%+ w(HJK)2.0%+ w(FDL-2)1.0%+w(PE)3.0%，該體系具有較好的穩定性、防塌性、生物降解性，同時抗污染能力強、毒性弱，有利于對油氣層的保護。

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