烷基糖苷鉆井液作用機(jī)理探討

羅石瓊

摘 ?要：烷基糖苷鉆井液因具有良好的抑制性、潤滑性，儲(chǔ)層保護(hù)、易生物降解、環(huán)保無毒等優(yōu)點(diǎn)而在國內(nèi)外應(yīng)用較為普遍，對(duì)目前常用的甲基葡萄糖苷（MEG）鉆井液、陽離子烷基糖苷（CAPG）鉆井液和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）鉆井液的抑制和潤滑等作用機(jī)理進(jìn)行了分析和探討，以期對(duì)鉆井液技術(shù)研發(fā)人員和現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供一定的指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：烷基糖苷;鉆井液;抑制;潤滑;作用機(jī)理

中圖分類號(hào)：TE254 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）18-0082-02

Abstract： Alkyl glycoside drilling fluid is widely used at home and abroad because of its good inhibition， lubricity， reservoir protection， easy biodegradation， environmental protection and non-toxic. The inhibition and lubrication mechanisms of methyl glucoside （MEG） drilling fluid， cationic alkyl polyglycoside（CAPG） drilling fluid and polyetheramine alkyl polyglycoside （NAPG） drilling fluid are analyzed and discussed， in order to provide some guidance and help to drilling fluid technical research and development personnel and on-site construction personnel.

Keywords： alkyl glycosides; drilling fluid; inhibition; lubrication; action mechanism

引言

烷基糖苷（APG）作為一類環(huán)境友好型表面活性劑，主要應(yīng)用于日化、紡織、造紙、皮革等多個(gè)行業(yè)，最先研究并應(yīng)用于鉆井液的烷基糖苷是甲基葡萄糖苷（Methyl glucoside，簡稱MEG），國外最早于1994年報(bào)道了在美國墨西哥灣強(qiáng)水敏頁巖地層成功應(yīng)用MEG鉆井液，國內(nèi)從1996年開始了MEG鉆井液的研究，在新疆、大慶、勝利、中原、西南、中海油等油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表現(xiàn)出良好的抑制、潤滑、儲(chǔ)層保護(hù)、環(huán)保無毒等優(yōu)點(diǎn)[1]，但也存在加量大、成本高、抑制和抗溫有限、易發(fā)酵等問題。近年來，國外多以烷基糖苷與無機(jī)鹽的復(fù)配來降低加量、節(jié)約成本，國內(nèi)中原的王中華、司西強(qiáng)等則主要通過對(duì)烷基糖苷分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，來達(dá)到提升性能、降低加量、節(jié)約成本的目的，主要得到的改性產(chǎn)品有陽離子烷基糖苷（CAPG）和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）等，并形成了相應(yīng)的鉆井液體系，在頁巖等復(fù)雜易坍地層應(yīng)用較為成功[2，3]。本文對(duì)目前常用的MEG鉆井液、CAPG鉆井液、NAPG鉆井液的抑制和潤滑等作用機(jī)理進(jìn)行探討分析，以期對(duì)鉆井液研發(fā)人員和現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供一定的指導(dǎo)和幫助，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

1 甲基葡萄糖苷（MEG）鉆井液作用機(jī)理

MEG是一類非離子表面活性劑，本身不帶電，MEG包括α-甲基葡萄糖苷和β-甲基葡萄糖苷兩種對(duì)應(yīng)異構(gòu)體。MEG鉆井液具有較好的抑制性、潤滑性、儲(chǔ)層保護(hù)和環(huán)保無毒等特性，抑制頁巖的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在：半透膜效應(yīng)。MEG分子結(jié)構(gòu)上含有四個(gè)親水的羥基（-OH）和一個(gè)親油的甲氧基（-OCH3），這些親水的羥基吸附在井壁或鉆屑表面，而親油的甲氧基則朝外，當(dāng)MEG在鉆井液中加量足夠（理論用量不少于35%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液體MEG加量在10%～30%，固體為3%～12%），可在井壁上形成一層憎水半透膜，把地層中的水和鉆井液中的水隔開。通過調(diào)節(jié)MEG鉆井液的活度可以控制地層水和鉆井液的運(yùn)移方向;此外，MEG分子中的四個(gè)羥基吸水性很強(qiáng)，可以與水分子形成牢固的氫鍵，降低鉆井液中水的活度，進(jìn)而通過滲透作用、去水化作用和封堵作用來有效抑制頁巖的水化膨脹和分散[4]。MEG鉆井液潤滑作用機(jī)理包括：（1）由

于MEG分子在井壁、鉆具等金屬表面或泥餅上定向排列成吸附膜，使得接觸面被MEG吸附膜完全隔開，接觸面由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)镸EG吸附膜之間的摩擦，并參與泥餅的形成，提高鉆井液的潤滑性;（2）由于MEG配伍性好，當(dāng)MEG鉆井液中復(fù)配使用其它優(yōu)質(zhì)潤滑劑后，其潤滑性能更佳。

2 陽離子烷基糖苷（CAPG）鉆井液作用機(jī)理

CAPG屬于陽離子表面活性劑，本身帶正電，分子結(jié)構(gòu)[5]（見圖1）上含有三個(gè)親水的羥基、一～三個(gè)相連的葡萄糖環(huán)、一個(gè)親水的醚鍵、一個(gè)強(qiáng)吸附的季銨陽離子和一個(gè)親油的烷基。CAPG鉆井液的抑制機(jī)理是多種物理作用和化學(xué)作用的共同表現(xiàn)，主要有：羥基吸附成膜;靜電吸附成膜及拉緊粘土晶層;季銨基團(tuán)吸附成膜及嵌入去水機(jī)理;降低水活度;形成封堵層。從而大幅提高了CAPG的抑制性，但仍保留了MEG的潤滑和抗溫抗污染能力，加量大為降低（作為抑制劑使用時(shí)加量為2%～5%;作為主劑形成CAPG類油基鉆井液時(shí)用量為5%～30%），能有效解決泥頁巖等復(fù)雜易坍地層的井壁失穩(wěn)問題。CAPG鉆井液的潤滑作用機(jī)理為CAPG分子上含有多個(gè)具有強(qiáng)吸附性的羥基和季銨基團(tuán)，能在鉆具等金屬表面及井壁巖石上形成潤滑膜，降低鉆具的旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆阻力。

3 聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）鉆井液作用機(jī)理

NAPG屬于非離子表面活性劑，本身不帶電，分子結(jié)構(gòu)[6]（見圖2）上含有烷基糖苷、聚醚多元醇、多胺基團(tuán)等結(jié)構(gòu)單元。NAPG鉆井液的抑制機(jī)理是多種物理作用和化學(xué)作用的共同表現(xiàn)，主要有：嵌入及拉緊黏土晶層，多點(diǎn)吸附、成膜阻水，降低水活度，吸附包被，堵塞填充孔隙、形成封堵層等。特別是其具有一定親油性的烷基朝外規(guī)則排列，當(dāng)加量達(dá)到一定程度時(shí)（現(xiàn)場(chǎng)加量僅0.5%～2%即可達(dá)到強(qiáng)抑制效果，加量達(dá)20%可形成類油基水基鉆井液），可在井壁上形成一層牢固的強(qiáng)吸附憎水半透膜，與油基鉆井液形成的憎水半透膜類似;同時(shí)，NAPG分子中烷基糖苷結(jié)構(gòu)的位阻效應(yīng)可充分保證鉆井液的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了鉆井液抑制性和穩(wěn)定性的和諧統(tǒng)一。NAPG鉆井液的潤滑作用機(jī)理主要包括：NAPG通過分子規(guī)則排列成潤滑膜，降低鉆具與井壁之間的摩擦;NAPG參與泥餅形成，改善泥餅質(zhì)量，提高鉆井液的潤滑性;NAPG對(duì)重晶石顆粒優(yōu)先吸附，降低重晶石顆粒之間的內(nèi)摩擦等[7]。

4 結(jié)束語

建議今后烷基糖苷鉆井液的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

（1）以CAPG、NAPG為核心主劑，再研選其它優(yōu)質(zhì)配伍處理劑，形成具有強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制、高潤滑、低成本、儲(chǔ)層保護(hù)、綠色環(huán)保的類油基鉆井液或高性能水基鉆井液體系，并對(duì)各處理劑作用機(jī)理及協(xié)同作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，推廣應(yīng)用后將會(huì)使國內(nèi)鉆井液技術(shù)再上一個(gè)新臺(tái)階。

（2）強(qiáng)化基礎(chǔ)研究和新原料開發(fā)，充分利用價(jià)廉易得的淀粉、葡萄糖、殼聚糖、木質(zhì)素、糊精、腐植酸和植物膠等天然生物原料，圍繞環(huán)保、高性能、抗溫、抗鹽、抗污染的目標(biāo)，探索新的改性手段和途徑，通過高溫或氧化降解、接枝共聚、分子修飾等方法進(jìn)行深度改性，以提高產(chǎn)品的性價(jià)比，滿足當(dāng)前鉆井地質(zhì)和工程條件的需求，促進(jìn)鉆井液技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷祖猛，司西強(qiáng).國內(nèi)烷基糖苷鉆井液研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].天然氣勘探與開發(fā)，2016（2）：72-74.

[2]趙虎，司西強(qiáng)，雷祖猛，等.陽離子烷基糖苷鉆井液在長南水平井的應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2015，16（1）：6-9.

[3]司西強(qiáng)，王中華，王偉亮.聚醚胺基烷基糖苷類油基鉆井液研究[J].應(yīng)用化工，2016，45（12）：2308-2312.

[4]巨小龍，丁彤偉，王彬，等.MEG鉆井液頁巖抑制性研究[J].鉆采工藝，2006，29（6）：10-13.

[5]司西強(qiáng)，王中華，高小梵，等.一種陽離子烷基糖苷鉆井液及其制備方法：CN，106350038A[P].2017-01-25.

[6]司西強(qiáng)，王中華，魏軍，等.一種聚醚胺基烷基糖苷類油基鉆井液及其制備方法：CN，106350039A[P].2017-01-25.

[7]趙虎，司西強(qiáng)，王康，等.烷基糖苷及衍生物在鉆井液中的潤滑性研究[J].能源化工，2017，38（5）：66-69.