發(fā)布時間：2021-08-17所屬分類：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 當(dāng)代化工
《環(huán)保型鉆井液添加劑的優(yōu)選及性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)》論文發(fā)表期刊：《當(dāng)代化工》；發(fā)表周期：2021年04期
《環(huán)保型鉆井液添加劑的優(yōu)選及性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)》論文作者信息：劉宇龍（1995-），男，山西省大同市人，長江大學(xué)石油工程學(xué)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(shù)。
摘 要： 基于常用的鉆井液添加劑，優(yōu)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(huán)境效應(yīng)等主要性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價(jià)研究，結(jié)合 5 種添加劑初步復(fù)配出了一種新型的環(huán)保型鉆井液添加劑體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)于低溫條件;②所有添加劑的 EC50 值均處于 3×106 之上，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，處于無毒級別，同時其均具有很強(qiáng)的生物降解性;③復(fù)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(wěn)定性、易生物降解、無毒、抗污染能力強(qiáng)，且有利于對油氣層的保護(hù)。
關(guān) 鍵 詞：鉆井液;環(huán)保;生物降解;抗溫性;實(shí)驗(yàn)評價(jià);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(fā)過程中，會在鉆井施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生巖屑、鉆井液等排出物"。廢棄鉆井液中通常會含有復(fù)雜多樣的化學(xué)制劑，如聚合物、重金屬、無機(jī)物等，其大多為有毒物質(zhì)"。一旦這些有毒物質(zhì)未經(jīng)處理被排放或泄露至生態(tài)環(huán)境中，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染-，同時還可能污染飲用水源和農(nóng)耕土壤，進(jìn)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(jīng)濟(jì)效益造成嚴(yán)重?fù)p害"，因此鉆井施工中的環(huán)保問題關(guān)系重大。近年來，隨著油氣鉆探技術(shù)的不斷進(jìn)步及人類對生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題的密切關(guān)注，石油鉆井過程中對環(huán)保型鉆井液的需要日益迫切0。環(huán)保型鉆井液不僅需要具備傳統(tǒng)鉆井液的鉆進(jìn)潤滑、穩(wěn)定井壁及保護(hù)儲層等基礎(chǔ)功能，還需要滿足環(huán)境友好要求"。
環(huán)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(diǎn)，而其主要與所采用的添加劑關(guān)系密切，因此需要對鉆井液添加劑進(jìn)行控制優(yōu)選"。國內(nèi)外學(xué)者在環(huán)保型鉆井液添加劑方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)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(jià)體系;國內(nèi)則相對較晚，在該方面的評定方法及評價(jià)體系不夠成熟。中國石油大學(xué)最近研制了一種抑制和潤滑性能優(yōu)良的環(huán)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(qiáng)、無毒。除此之外，還有很多學(xué)者也進(jìn)行了鉆井液添加劑方面的創(chuàng)新研究，且部分成果已經(jīng)被進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
但從目前國內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，對環(huán)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(jī)理方面。因此，本文基于此背景，在鉆井液添加劑中優(yōu)選了最為常用的5種，對其進(jìn)行了深入研究，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對添加劑的抗溫性、環(huán)保型及可降解性等主要性能進(jìn)行了評價(jià)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際鉆井過程中添加劑的選取提供一定的理論基礎(chǔ)。
1實(shí)驗(yàn)部分1.1材料
質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的氯化鈉(Nacl)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)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(shù)顯黏滯系數(shù)測量儀(NZ-3A型)、極壓潤滑儀(EP-B型)、化學(xué)耗氧量COD測定儀(GDYS-101sQ型)、便攜式數(shù)字測氧儀(KY-200型)、生物發(fā)光光度計(jì)
(GDJ-2型)、直讀式黏度計(jì)(Fann-35型)、磁力加熱攪拌器(CIAA78-1型)、數(shù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)及相關(guān)資料，本實(shí)驗(yàn)針對性地選出了1DH-32，F(xiàn)DL-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(jù)實(shí)驗(yàn)篩選和研制原則對環(huán)保型鉆井液進(jìn)行配制"。
2)性能評價(jià)：首先對鉆井液體系的抑制性及潤滑性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價(jià)，通過測量巖心的滲透率變化及恢復(fù)來評價(jià)其對油層的保護(hù)性能，結(jié)合化學(xué)方法評估其對環(huán)境污染性及抗污染能力，并對各個實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總收集。
3)毒性測定：結(jié)合主流BOD/COD法及細(xì)菌測試法評定不同添加劑的生物毒性，進(jìn)而通過菌體發(fā)光強(qiáng)度對其生物毒性進(jìn)行判定分級，具體分級標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)文獻(xiàn)。
2結(jié)果與討論
2.1添加劑優(yōu)選及其基本性能參數(shù)
環(huán)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(huán)保型鉆井液的添加劑成分不算特別復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)的可行性比較高。
結(jié)合實(shí)際鉆井開發(fā)及環(huán)境保護(hù)部分的規(guī)章要求，對選擇及研發(fā)環(huán)保型鉆井液添加劑時的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納：0環(huán)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(fā)生沉淀，且較短時間內(nèi)可快速自行發(fā)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(yōu)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(wěn)定，鎖水性好且方便后期維護(hù)10，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huán)保型的排放標(biāo)準(zhǔn)，同時都具有較為良好的生物降解性，不會對環(huán)境造成長期的威脅，對于油層的保護(hù)作用也是比較明顯的。從初步結(jié)果看來，這幾種添加劑都可以用作環(huán)保型鉆井液的研發(fā)。因此，本文將其添加至本實(shí)驗(yàn)配置的環(huán)保型鉆井液中，從而進(jìn)行其他性能指標(biāo)的評價(jià)。通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定出性能優(yōu)良的環(huán)保型鉆井液配方，具體由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的泥土基漿、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的NaOH、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的IDH-32質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的NFG-28、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的HJK、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的FDL-2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%
的PE聚合物共同組成。實(shí)驗(yàn)所研制的環(huán)保型鉆井液具有如表1所示的性能。
2.2環(huán)保型鉆井液整體性能分析
對所配制的環(huán)保型鉆井液和聚磺鉆井液體系的抑制性能進(jìn)行了評價(jià)分析。結(jié)果顯示，前者的巖屑回收率超過80%，而后者則僅為59%，即環(huán)保型鉆井液體系具有良好的抑制能力。其次，環(huán)保型鉆井液體系的PE濁點(diǎn)為62 ℃，可以有效堵住泥餅孔隙，同時降低其表面張力，進(jìn)而與鹽水體系可以協(xié)同阻礙儲層中黏土礦物發(fā)生膨脹。通過比較不同鉆井液的巖心滲透率恢復(fù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)保型鉆井液的滲透率恢復(fù)值高達(dá)78.5%，相應(yīng)地巖心滲透率的恢復(fù)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(xiàn)明顯更勝一籌。在實(shí)驗(yàn)過程中，計(jì)算鉆井液侵入深度采取的方法是巖心切割，計(jì)算結(jié)果表明環(huán)保型鉆井液所侵入的深度是比較小的，這個結(jié)果從側(cè)面也證實(shí)了環(huán)保型鉆井液對于油層的保護(hù)作用要更加明顯。
在實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)行了鉆井液體系的環(huán)境效應(yīng)評價(jià)，結(jié)果表明環(huán)保型鉆井液的毒性十分微弱，無論是在化學(xué)效應(yīng)還是生物效應(yīng)方面，同時生物降解性能表現(xiàn)得比較良好，不會對生態(tài)環(huán)境造成長期或難以接受的負(fù)擔(dān)。分別向環(huán)保型鉆井液中添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基漿、氯化鈉及硫酸鈣以評價(jià)其性能。如表2所示，在評價(jià)環(huán)保型鉆井液的抗鹽侵、抗鈣和抗土侵能力的結(jié)果中可以看出，鉆井液在這3個指標(biāo)上表現(xiàn)良好。且潤滑性評價(jià)結(jié)果也告訴我們，相較于其他類型的鉆井液來說，環(huán)保型鉆井液的潤滑性要明顯好出很多。
2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液添加劑抗溫性能分析
圖 1 為基漿中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉆井液添加劑IDH-32 時體系表觀黏度隨溫度的變化規(guī)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(shí)驗(yàn)過程中也出現(xiàn)了溫度限制，當(dāng)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(diǎn)為 120 ℃。
圖 2 和圖 3 為基漿中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guī)律。由圖 2 和圖 3 可以看出，添加劑FDL-2 在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出較好的降濾失作用，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的條件下，溫度達(dá)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(fā)揮作用;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的條件下，溫度達(dá)到 140 ℃后，其濾失量才表現(xiàn)出大幅度的提高，這表明在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下該添加劑的抗溫性能在 140 ℃以下發(fā)揮作用。添加劑 NFG-28 的濾失量和抗溫性能與 FDL-2 的表現(xiàn)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(jié)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(wěn)定的狀態(tài)。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(huán)境效應(yīng)的評價(jià)主要包含毒性及生物降解性兩方面2110本文結(jié)合發(fā)光菌體生物毒性測試法對不同添加劑進(jìn)行了毒性分析，結(jié)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(tài)環(huán)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(jié)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(qiáng)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(jié)合不同鉆井液添加劑的生物降解性評價(jià)結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)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(zhì)、微生物群落及環(huán)境條件等3個方面密切相關(guān)。籠統(tǒng)來講，地球上所有的有機(jī)物均能夠在微生物作用下發(fā)生降解，只是在降解速率存在較大差異。如蛋白質(zhì)及脂肪等自然界本身固有存在的有機(jī)物均能快速降解，而人工合成的有機(jī)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(tài)環(huán)境，也就是微生物菌群不一樣，其濃度及分布規(guī)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(huán)境條件也會顯著影響生物降解劑的降解性，如藻類與細(xì)菌類生長環(huán)境的酸堿差異，好氧與厭氧細(xì)菌的環(huán)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(fā)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(jié)構(gòu)及所處環(huán)境等多個因素進(jìn)行選擇。
3結(jié)論
本文通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)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(shù)進(jìn)行了評價(jià)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)生生物降解，因此不會對油氣層、生態(tài)環(huán)境及人畜造成危害，可以作為環(huán)保型鉆井液的添加劑進(jìn)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(fā)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(yè)的順利展開。結(jié)合不同添加劑的性能組合配制出了一種新型環(huán)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(wěn)定性、防塌性、生物降解性，同時抗污染能力強(qiáng)、毒性弱，有利于對油氣層的保護(hù)。
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