烷基糖苷及衍生物鉆井液抑制防塌機(jī)理探討

張必佑

【摘 要】烷基糖苷及衍生物鉆井液因具有良好的抑制防塌能力，潤滑性，儲層保護(hù)，易生物降解，無毒環(huán)保等優(yōu)點而在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。對目前常用的甲基葡萄糖苷鉆井液、陽離子烷基糖苷鉆井液、聚醚胺基烷基糖苷鉆井液的抑制防塌機(jī)理進(jìn)行了分析和探討，以期對鉆井液技術(shù)研發(fā)人員和鉆井液現(xiàn)場施工人員提供一定的指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】烷基糖苷；衍生物；鉆井液；抑制；防塌

中圖分類號： TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0156-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.070

【Abstract】Alkyl polyglycoside and its derivatives drilling fluids are applied widely at home and abroad due to their excellent inhibition，anti-sloughing，lubrication，reservoir protection，easy biodegradation，non-toxic environmental protection， and so on.The inhibition and anti-sloughing mechanism of commonly used methyl glucosde drilling fluids，cationic alkyl polyglucoside drilling fluids and polyether amine alkyl polyglucoside drilling fluids was analyzed and discussed in this paper in order to provide some guidance for drilling fluid technology developers and field constructors.

【Key words】Alkyl polyglucoside；Derivatives；Drilling fluid；Inhibition；Anti-sloughing

烷基糖苷（APG）是一類綠色環(huán)保的表面活性劑，最先研究并應(yīng)用于鉆井液的烷基糖苷是甲基葡萄糖苷（也稱甲基葡萄糖甙，MEG），國外于1994年最先報道了MEG鉆井液成功應(yīng)用于美國墨西哥灣強(qiáng)水敏頁巖地層[1]。國內(nèi)從1996年開始了MEG鉆井液的研究，并在新疆、大慶、勝利、大港、中原等油田得到應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的抑制防塌能力、潤滑性、降濾失效果、抗污染能力，儲層保護(hù)和無毒環(huán)保等優(yōu)點[2-6]，但也存在加量大、成本高、抑制能力和抗溫能力有待提高等問題。近年來，國內(nèi)主要通過對烷基糖苷分子擴(kuò)鏈和分子修飾等改性手段來達(dá)到減少加量、提升性能、降低成本的目的，主要研發(fā)出了陽離子烷基糖苷（CAPG）和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）等產(chǎn)品，并形成了相應(yīng)的鉆井液體系，在頁巖等強(qiáng)水敏地層應(yīng)用較為成功[7-10]。本文通過對應(yīng)用較為廣泛的MEG鉆井液、CAPG鉆井液、NAPG鉆井液的抑制防塌機(jī)理進(jìn)行分析和探討，以期對鉆井液技術(shù)研發(fā)人員和現(xiàn)場施工人員提供一定的指導(dǎo)，促進(jìn)鉆井液技術(shù)的進(jìn)步。

1 MEG鉆井液抑制防塌機(jī)理

MEG是一種極性較弱的表面活性劑，MEG鉆井液抑制防塌機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）半透膜效應(yīng)。MEG分子結(jié)構(gòu)上含有1個親油的甲氧基和4個親水的羥基，這些親水的羥基吸附在巖石井壁或鉆屑表面，而親油基朝外，如果在鉆井液中加入足量的MEG，可在井壁上形成一層吸附憎水膜（稱為半透膜），把地層中的水和鉆井液中的水隔開。通過調(diào)節(jié)MEG鉆井液的活度可控制鉆井液和地層水的運移方向，從而有效抑制地層頁巖的水化膨脹和分散。（2）滲透作用。MEG一方面可提高鉆井液濾液黏度，增加滲透阻力，減小濾失量，抑制頁巖水化；另一方面可減小鉆井液中水的活度，減弱壓力傳遞，阻止濾液進(jìn)入頁巖，進(jìn)一步提高頁巖的穩(wěn)定性。（3）去水化作用。MEG分子結(jié)構(gòu)上的4個羥基可與水分子形成牢固的氫鍵，當(dāng)MEG鉆井液中的濾液進(jìn)入地層內(nèi)，它能使地層巖石發(fā)生去水化作用。（4）封堵作用。MEG母液中含有懸浮的膠狀物，是非常好的橋堵劑，能封堵頁巖孔隙和微裂縫。在沒有暫堵劑和膨潤土的條件下，用MEG母液配制的鉆井液能很快形成致密低滲透濾餅，阻止濾液和固相繼續(xù)侵入地層，從而降低頁巖的水化作用，同時也起到儲層保護(hù)的效果。

2 CAPG鉆井液抑制防塌機(jī)理

CAPG分子結(jié)構(gòu)上含有1個親油的烷基、3個親水的羥基、1個親水的醚鍵和1個強(qiáng)吸附季銨陽離子，本身帶正電。CAPG鉆井液的抑制防塌機(jī)理是多種化學(xué)與物理作用的共同體現(xiàn)，主要包括：（1）靜電吸附成膜及拉緊黏土晶層；（2）羥基吸附成膜；（3）季銨陽離子基團(tuán)吸附成膜及嵌入去水；（4）減小水活度；（5）形成封固層。從而大大增強(qiáng)了CAPG的抑制能力，但仍保留了APG的潤滑、抗溫和抗污染能力，加量顯著降低，能夠有效解決泥頁巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題。2011年以來，CAPG鉆井液已在中原、陜北、四川、內(nèi)蒙古等[6-7]現(xiàn)場應(yīng)用40多口井，抑制防塌效果突出，有效降低了井下復(fù)雜情況，節(jié)省了鉆井成本。

3 NAPG鉆井液抑制防塌機(jī)理

NAPG是非離子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)含有1個親油的烷基、3個親水的羥基、1～3個相連的葡萄糖環(huán)、1個親水的聚醚基團(tuán)和1個強(qiáng)吸附多胺基團(tuán)，本身不帶電。由于NAPG分子結(jié)構(gòu)中含有多個羥基、醚鍵、胺基基團(tuán)，其抑制防塌機(jī)理也有別于其它抑制劑，是多種化學(xué)與物理作用的共同體現(xiàn)，包括：（1）嵌入及拉緊黏土晶層，（2）多點吸附、成膜阻水，（3）吸附包被，（4）減小水活度，（5）封堵填充孔隙、形成封固層等。特別是當(dāng)NAPG的加量達(dá)到一定濃度時，可在井壁形成一層牢固的憎水強(qiáng)吸附半透膜，起到疏水作用，與油基鉆井液形成的半透膜類似。2013年以來，NAPG鉆井液已在新疆策勒l井、延長云頁6井等[8-10]20多口井進(jìn)行現(xiàn)場試驗，表現(xiàn)出良好的泥頁巖防塌和井壁坍塌后的現(xiàn)場補(bǔ)救能力。

4 結(jié)語

烷基糖苷鉆井液作為一種類油基鉆井液，為防塌、潤滑、儲層保護(hù)、環(huán)境保護(hù)要求較高的地區(qū)鉆井提供了較好的解決方案，針對烷基糖苷在鉆井液中存在加量大、成本高、抑制防塌和抗溫能力有待提高等問題，國內(nèi)通過對烷基糖苷的改性來達(dá)到減少加量、提升性能、降低成本的目的，主要得到了CAPG、NAPG等改性產(chǎn)品，并形成了相應(yīng)的鉆井液體系，可有效解決泥頁巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題，并已用于頁巖氣鉆井，緩解了油基鉆井液存在的高成本和環(huán)境污染等問題。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井液處理劑作用機(jī)理研究，以期研發(fā)出更優(yōu)質(zhì)高效的產(chǎn)品，提升水基鉆井液的綜合性能，促進(jìn)鉆井液技術(shù)的進(jìn)步，不斷滿足油氣勘探開發(fā)的需要。

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