引言

页岩水敏性强，裂缝、层理发育，井壁易失稳^[1-5]，对钻井液性能要求高。油基钻井液具有高润滑性、强抑制性和热稳定性^[6-9]，目前在页岩气水平井中使用最普遍，但也存在环境污染性强、废弃物处理难度大和固井质量差等问题^[10-15]。国内页岩气水平井也试用了国产和国外的高性能水基钻井液，但是普遍存在适应性差、易产生掉块和摩阻扭矩大等情况；且处理剂用量大，经济性优势不强^[16-20]。亟需研发一种可以替代油基钻井液的新型钻井液体系，既能解决长水平段钻进过程中井壁坍塌等复杂技术难题，又能减少环境污染。为此，研发了一种以改性植物油为连续相，盐水为分散相的油包水乳化钻井液体系，不含多环烃和芳香烃等有毒有害成分，易于生物降解；其主要处理剂包括乳化剂、降滤失剂、流型调节剂和加重材料，钻屑可以按照一般废弃物处理，工艺简单方便，可大幅减少环境污染和钻屑处理费用。

1 钻井液制备及室内性能评价 1.1 基础液制备

优选植物油为原料，通过酯化反应和水解处理，消除不饱和脂肪酸甲酯的不饱和双键，最终形成了以正构烷烃为主要组分的混合烷烃，不再以不饱和脂肪酸甲酯为主要成分，同时，完全消除了多环烃、芳香烃等对环境人体有害的组分。

酸性催化酯化植物油的机理如图 1所示。酯化植物油分子中的酯羰基在酸性环境和催化剂作用下可形成Ⅰ型正离子，正电荷转移到碳元素形成碳Ⅱ型正离子，这种碳正离子在乙醇存在的情况下可以形成四面体中间体Ⅲ，并受位阻影响，将高位阻的甘油酯取代，形成Ⅳ型新酯。

水解处理通过在高温高压环境中配合粉状镍化合物，在氢和催化剂存在的情况下“喷射”油，以加氢的方式消除双键(饱和反应)；随着饱和度的增加，完成氢化后基础液生产。

制备好的生物合成基钻井液基础液性能参数与其他基础液对比如表 1所示。

从表 1中可以看出，改性植物油相比其他基础油不含对人体有害的芳香烃，具有低黏度指数、良好的生物降解性、良好的氧化安定性和优异的低温性能等特性，倾点可达到$-$63 ℃，可适用于$-$25$\sim$200 ℃以上的钻井环境。

1.2 钻井液体系室内性能评价 1.2.1 常规性能

优选了相应的主乳化剂、副乳化剂、有机土、流型调节剂和增黏剂等处理剂进行系统配方实验。在不同密度、不同温度下的生物合成基环保钻井液中的性能测试结果见表 2。

由表 2可知，在密度1.85$\sim$2.40 g/cm$^3$条件下，热滚温度120$\sim$180 ℃，热滚前后，钻井液基本性能参数变化不大，破乳电压在800 V以上，高温高压滤失量2$\sim$5 mL，说明体系具有良好的悬浮性、抑制性、封堵性和稳定性。

1.2.2 抗污染性能

针对钻井液可能受到的污染，进行生物合成基环保钻井液抗污染实验，结果见表 3。由表 3可见，钻井液被15%饱和盐水污染后，其塑性黏度升高和电稳定性降低，但高温高压滤失量只有4.2 mL，体系整体稳定性并未受到影响。而随着石膏、土粉含量的增加，钻井液黏度有所增加，但增幅不大，说明该合成基钻井液抗石膏、钻屑侵污能力较强。

2 生物合成基环保型钻井液现场应用 2.1 施工概况

长宁HA4、HA5、HA6是长宁公司部署在长宁背斜构造中奥顶构造南翼一个平台上的3口井，均采取三开三完井身结构，三开为215.9 mm井眼，钻遇地层为韩家店—龙马溪，均采用生物合成基+旋转导向钻进，施工过程中井眼通畅，钻井未出现大掉块憋卡现象，电测和下套管作业顺畅，井径扩大率小于6%。具体钻井指标如表 4所示。

2.2 配方和维护处理

钻井液配方：生物合成基础液46%$\sim$50% +有机土3% +主乳化剂3% +副乳化剂2% +降滤失剂4%+氧化钙2.3% +氯化钙7.7% +水+加重剂。

钻井液维护与处理：(1)密度：在保障井壁稳定的基础上控制密度走设计低线，再根据井眼状况及时调整钻井液密度，以保证井眼安全。龙马溪段实钻密度控制在1.86$\sim$1.91 g/cm$^3$。(2)油/水比：始终维持钻井液的油水比在80/20以上，密度越高，比值越高。(3)高温高压失水：适时补充降滤失剂，控制高温高压失水 < 1 mL(3.5 MPa压差，120 ℃)。(4)电稳定性$E_{\rm{S}}$：适时循环补充乳化剂和降滤失剂，始终控制$E_{\rm{S}}$>900 V。(5)低密度固相含量控制：配备3台高频振动筛(筛布200目以上)、一台一体机、一台高速和一台中速离心机，振动筛和一体机使用时间为钻进时间的100%，离心机使用时间大于钻进时间的60%。

2.3 应用效果

(1) 主要性能参数对比

将生物合成基钻井液实钻性能参数与邻井水基和油基钻井液使用情况对比，具体数据见表 5和图 2、图 3。从图表中可以看出，生物合成基形成泥饼最薄，且与油基钻井液相比，塑性黏度降低20$\sim$40 mPa$\cdot$s，高温高压滤失量降低1.2$\sim$1.4 mL，更有利于降低泵压和稳定井壁。

(2) 工程参数及成本对比

对比水平段施工排量和泵压如表 6。

从表 6中可以看出，生物合成基施工泵压比油基钻井液泵压低2$\sim$3 MPa。

对比水平段摩阻扭矩如表 7。

从表 7中可以看出，生物合成基钻井液条件下的摩阻扭矩与油基相差不大，润滑性相近。

对比生物合成基钻井液与油基成本如图 4。

生物合成基钻井液每米成本相对油基钻井液要高1/3。生物合成基钻屑经专业机构鉴定为一般工业固体废弃物，不属于危险废弃物，如果按照常规钻屑处理，则生物合成基钻井液综合成本具有一定优势和较好的推广前景。

(3) 钻井技术指标

对比由同一钻井公司施工的相邻平台长宁HB的HB1、HB7两口井，三开平均钻井技术指标如图 5。

从图 5中可以看出，长宁HA平台3口应用生物合成基的井比邻井$8^1{/_2}{''}$井眼钻井周期缩短32%，机械钻速提高14.2%。

长宁HA4井在龙马溪组地层应用生物合成基环保钻井液，配合旋转导向，一趟钻从2 264 m(井斜36.8°)至4 630 m(井斜85.5°)，总进尺2 366 m，提速提效明显。

3 钻井岩屑固体废物危险鉴别

中国环境科学研究院固体所委托钻井施工单位在现场采封了50个生物合成基钻井岩屑样品，分两次送往微构分析测试中心，由测试中心根据鉴别标准对其进行了危险特性检测，检测结果如表 8所示。

根据检测结果，鉴别结果如下：废弃生物合成基钻井岩屑不具有易燃性危险特性、强腐蚀性和浸出毒性危险特性，毒性物质含量不超过GB 5085.6—2007《危险废物鉴别标准毒性物质含量鉴别》限值，急性毒性均低于GB 5085.2—2007《危险废物鉴别标准急性毒性初筛》中标准，不属于危险废弃物。

4 钻井岩屑处理方法

生物合成基钻井岩屑为一般工业固体废弃物，可作为制砖原料，采用有效激活处理、碱性调整、含油率调整、砖坯制作工艺手段可使岩屑能够满足烧结砖制备的条件要求，岩屑制作烧结砖过程未引入新的污染物质，尾气达GB 29620—2013《砖瓦工业大气污染排放标准》中对二氧化硫、氮氧化物、烟尘颗粒物、氟化物的排放要求。

5 结论

（1）生物合成基钻井液不含芳香烃等组分，易生物降解，环保风险低。

（2）现场应用效果表明生物合成基钻井液可以满足页岩气水平井钻井、电测和下套管等施工作业要求；且黏度较柴油、白油低，更有利于增大排量，提高机械钻速。

（3）生物合成基钻井岩屑不属于危险固体废弃物，可作为制砖原料。

（4）进一步降低生物合成基钻井液配置、维护成本和钻屑处理成本，才能促进其推广应用。