改性聚糖類鉆井液防塌潤滑劑的合成與評價

王怡迪 ，丁磊 ，張艷軍 ，陳武

（1.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州 434023；2.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

目前，國內(nèi)外鉆井液中起潤滑作用的潤滑劑，或兼有防塌潤滑作用的防塌潤滑劑有很多種［1-3］，而天然可降解、環(huán)境友好型防塌潤滑劑較少，主要原因是防塌潤滑劑的熱穩(wěn)定性差，潤滑性不強(qiáng)，需要進(jìn)行有針對性的改性，使之達(dá)到鉆井需求［4-5］。

本文研究的改性聚糖類鉆井液防塌潤滑劑MAPG，是聚糖類高分子物質(zhì)的單體衍生物經(jīng)過化學(xué)改性得到的一種化合物［6］，是一種帶有獨(dú)特環(huán)狀結(jié)構(gòu)的四羥基多元醇聚醚，且單分子環(huán)上帶有一個甲氧基（—OCH3），具有較高的熱穩(wěn)定性［7-8］。MAPG屬極性較弱的表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)上4個親水的羥基（—OH）可吸附在井壁巖石和鉆屑表面；親油的甲氧基（—OCH3）和較長碳鏈的烷氧基（—O（CH2）7CH3）則朝外，可以在井壁表面形成類似油包水鉆井液的半透膜，把地層頁巖中的水和鉆井液中的水隔開：因而具有良好的抑制性、潤滑性和油層保護(hù)效果。常用的MEG選用的原料為玉米或小麥淀粉，烷基化試劑為甲醇；而MAPG選用的原料為黃原膠淀粉，烷基化試劑為辛醇。由于選用的原料不同，MAPG的防塌抑制性和潤滑性都比MEG好。

1 產(chǎn)品合成及結(jié)構(gòu)

1.1 主要原料

主要原料為工業(yè)級黃原膠、磺化類催化劑、液體消泡劑及辛醇等。

1.2MAPG的合成

稱取一定量的黃原膠和辛醇置于500 mL的三口燒瓶中，再加入一定量的磺化類催化劑，將燒瓶置于電加熱套中，并裝好冷凝管及抽真空排水等裝置，邊攪拌邊加熱反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行約30 min時，加入少量的液體消泡劑繼續(xù)反應(yīng)。溫度應(yīng)控制在140～150℃，產(chǎn)物顏色變?yōu)樯詈稚珪r，反應(yīng)即可停止，待樣品冷卻后打磨粉碎，就可得到MAPG。

1.3 MAPG的紅外光譜

對合成樣品MAPG和現(xiàn)場常用的樣品MEG進(jìn)行了紅外光譜分析［9-10］，結(jié)果見圖 1。

圖1 MAPG和MEG紅外光譜

從圖1可看出：2種樣品的共同點(diǎn)為，3 432 cm-1處為—OH吸收峰且強(qiáng)度很大，2 924 cm-1處為—CH2—吸收峰，1 384 cm-1處為—CH3吸收峰，1 035 cm-1處為—C—O—吸收峰，1 618 cm-1處為葡萄糖類的骨架振動，777 cm-1處為葡萄糖類環(huán)的呼吸振動；不同點(diǎn)為，MAPG紅外光譜中720 cm-1處有明顯的吸收峰，表明樣品分子結(jié)構(gòu)中有親油的長碳鏈，而MEG中則沒有。

2 性能評價

2.1 對鉆井液流變性、濾失性的影響

室內(nèi)采用相關(guān)評價方法［11-15］，評價了MAPG和MEG不同加量時對模擬現(xiàn)場鉆井液流變性及濾失性的影響。模擬現(xiàn)場鉆井液配方為：4%膨潤土+0.05%Na2CO3+0.4%HV-CMC+0.8%LV-CMC+3%SMP+1%NH4HPAN+1%FT-Ⅰ+重晶石，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可看出，隨著MEG加量的增加，鉆井液的表觀黏度（AV）、動切力（YP）及動塑比（YP/PV）下降，塑性黏度（PV）變化不大，表明該劑對鉆井液的攜砂性具有一定影響。濾失量（FL）逐漸減小，尤其是當(dāng)加量為5%時，下降最明顯，達(dá)30.6%；當(dāng)加量大于5%時，降濾失作用變化不大，表明該劑加量為5%時降濾失效果已達(dá)到最佳。隨著MAPG加量的增加，鉆井液的AV和YP變化很小，PV基本不變，表明該劑對模擬現(xiàn)場鉆井液流變性影響很小。

表1 MAPG和MEG對鉆井液流變性及濾失性的影響

2.2 潤滑性

在模擬現(xiàn)場鉆井液中分別加入5%的MAPG和MEG，130℃條件下熱滾16 h，評價了體系的潤滑性，并計(jì)算了潤滑系數(shù)降低率。結(jié)果表明：當(dāng)模擬現(xiàn)場鉆井液中加5%MAPG時，鉆井液潤滑系數(shù)降低率均超過80.0%；當(dāng)加入5%MEG時，潤滑系數(shù)降低率只有71.4%，表明MAPG的潤滑性比MEG好。

2.3 防塌抑制性

室內(nèi)采用鉆屑熱滾回收率法和巖心線性膨脹率法，評價了MAPG和MEG的防塌抑制性。模擬現(xiàn)場鉆井液中加入5%MAPG后，鉆屑回收提高率明顯提高；加入5%MEG后，鉆屑回收提高率和巖心線性膨脹降低率下降，表明MAPG的抑制性比MEG好（見表2）。

表2 MAPG和MEG對鉆井液抑制性的影響

2.4 抗溫性

室內(nèi)評價了不同溫度下MAPG和MEG對模擬現(xiàn)場鉆井液流變性和潤滑性的影響，結(jié)果見表3。從表3可以看出，在模擬現(xiàn)場鉆井液中分別加入5%MAPG和5%MEG后，鉆井液流變性下降幅度變小，F(xiàn)L和潤滑系數(shù)（Kf）上升緩慢。溫度低于140℃時，鉆井液性能均較穩(wěn)定，表明其抗溫性可達(dá)140℃。加入5%MAPG鉆井液的流變性、濾失性和潤滑性比加入5%MEG好。

表3 MAPG和MEG的抗溫性

2.5 抗鹽性

隨著NaCl加量的增加，模擬現(xiàn)場鉆井液的AV和YP先升后降，F(xiàn)L不斷上升，Kf略有上升；加入5%MAPG后鉆井液的AV和YP變化不大，F(xiàn)L和Kf略有上升；加入5%MEG后鉆井液的AV和YP先升后降，變化幅度比加入MAPG的大，F(xiàn)L上升幅度比模擬鉆井液的小，但比加入MAPG的大，Kf略有上升。表明MAPG的抗鹽性比MEG好，抗鹽可達(dá)35%（見圖4）。

表4 MAPG和MEG的抗鹽性

3 MAPG在鉆井液中的作用機(jī)理

MAPG和MEG都是用多糖類天然高分子聚合物改性得到的化合物，MAPG選用的多糖類物質(zhì)是黃原膠，而MEG選用的是玉米或小麥淀粉。黃原膠是由葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸、丙酮酸組成的“五元糖重復(fù)單元”；玉米或小麥淀粉是由葡萄糖單元重復(fù)結(jié)構(gòu)組成。重復(fù)結(jié)構(gòu)中的糖單元結(jié)構(gòu)和數(shù)目不同，產(chǎn)品性能也不同。剛性結(jié)構(gòu)的糖單元數(shù)目越多，抗鹽性就越好。如果與其連接的親水基團(tuán)多，分子間形成結(jié)構(gòu)的能力就強(qiáng)，鉆井液的黏度、切力就大。因此，當(dāng)溫度升高、鹽加量增加時，MAPG鉆井液的流變性變化比MEG小。另外，MAPG改性過程中引入了辛醇，分子中增加了親油基團(tuán)，因此，MAPG潤滑防塌性能比MEG好。

4 結(jié)束語

室內(nèi)以黃原膠、辛醇為主要原料，合成了改性多糖類鉆井液防塌潤滑劑MAPG，該劑水溶性好。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，MAPG對模擬現(xiàn)場鉆井液的流變性的影響較小，最佳加量為5%，其潤滑性、防塌抑制性、抗溫性和抗鹽性都比MEG好。

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