寡聚糖在鉆井液中的作用效能研究

勇志華 張 帆 劉雄雄,3 董三寶

1. 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2．西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 3．中國(guó)工商銀行府谷縣支行

0 引言

目前，在復(fù)雜油氣藏鉆探領(lǐng)域中，超長(zhǎng)水平井、大位移井等復(fù)雜井的數(shù)量逐漸增多，對(duì)鉆井液性能的要求越來越苛刻。雖然油基鉆井液因其具有較好的潤(rùn)滑性能、抑制性能等優(yōu)點(diǎn)可以滿足如今在復(fù)雜井中對(duì)鉆井液的高要求，但隨著我國(guó)新環(huán)保法要求日益嚴(yán)格，油基鉆井液安全、環(huán)保及成本問題受到了越來越多的限制，開發(fā)環(huán)保型高性能水基鉆井液一直是復(fù)雜油氣藏鉆探領(lǐng)域中的難點(diǎn)[1-5]。多聚糖類化合物已在環(huán)保鉆井液中得以應(yīng)用并成為熱點(diǎn)關(guān)注，但其抗溫性能始終難以滿足深井鉆井作業(yè)的需求[6-10]。寡聚糖(oligosaccharides)又稱低聚糖或寡糖，是指2～10個(gè)通過糖苷連接形成直鏈或支鏈的糖類化合物，具有耐高溫、穩(wěn)定、無毒等理化性能[11-13]，在食品飲料、烘焙和醫(yī)療保健等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[14-18]。寡聚糖的理化性能及其生理功能特征，恰與對(duì)環(huán)保鉆井液處理劑的要求相一致，其抗溫性也優(yōu)于目前已應(yīng)用的多聚糖類化合物（如黃原膠、甲基葡聚糖等）鉆井液處理劑；然而，迄今為止，寡聚糖用作鉆井液處理劑的報(bào)道極少見[13,19-22]。通過實(shí)驗(yàn)考察了水基鉆井液中添加寡聚糖(MQ)前后，鉆井液的流變、濾失造壁、潤(rùn)滑、抑制和抗溫等性能參數(shù)的變化規(guī)律，從而分析和研究MQ在水基鉆井液中的作用效能，為組配新的寡聚糖鉆井液體系提供必要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥劑

實(shí)驗(yàn)儀器名稱及型號(hào)：ZNN-D6S型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、GJSS-B12K型四聯(lián)中壓濾失、JC2000D1型接觸角測(cè)量?jī)x、BGRL-5型變頻滾子加熱爐、112-00-01型EP極壓潤(rùn)滑儀、QBZY型表面張力儀。

實(shí)驗(yàn)藥劑規(guī)格及生產(chǎn)廠家：鈣基膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)，西安永久化工有限公司）、鈉基膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)，山東濰坊信誠(chéng)膨潤(rùn)土有限公司）、無水碳酸鈉（AR，天津市大茂化學(xué)試劑有限公司）、氯化鉀（AR，天津市大茂化學(xué)試劑有限公司）、重晶石（工業(yè)級(jí)，四川新創(chuàng)能石油工程技術(shù)有限公司）、氫氧化鈉（AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司）、MQ（工業(yè)級(jí)，山東得順源石油科技有限公司）。

1.2 鉆井液性能評(píng)價(jià)

1.2.1 鉆井液基漿配制

1%～5%鈉土基漿和4%鈣土基漿的配制方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1-2006《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第1部分：水基鉆井液》中具體技術(shù)要求[23]。

1.2.2 鉆井液性能測(cè)試

參照GB/T 16783-1997中評(píng)價(jià)水基鉆井液性能的方法進(jìn)行，寡聚糖的抑制性能參照SY/T 6335-1997中鉆井液用頁(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法進(jìn)行[24-25]。

1.3 抗污染性能評(píng)價(jià)

1.3.1 抗NaCl性能評(píng)價(jià)

向4%鈣土基漿中加入不同濃度的NaCl和5% MQ，分別測(cè)試加入MQ前后鉆井液的極壓潤(rùn)滑因數(shù)f，研究 MQ對(duì)鉆井液抗NaCl性能的影響規(guī)律。

1.3.2 抗重晶石性能評(píng)價(jià)

向4%鈣土基漿中加入不同濃度的重晶石和5% MQ，分別測(cè)試加入MQ前后鉆井液的極壓潤(rùn)滑因數(shù)研究MQ對(duì)鉆井液抗重晶石性能的影響規(guī)律。

1.4 寡聚糖作用機(jī)理分析

1.4.1 表面張力分析

在QBZY表面張力測(cè)試儀上測(cè)試MQ溶液與鈣土基漿的表面張力。

1.4.2 接觸角分析

在JC2000D1接觸角測(cè)試儀上測(cè)試MQ改性前后膨潤(rùn)土壓片的表面接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

2.1.1 MQ在不同鉆井液基漿中性能評(píng)價(jià)

室溫（25℃）下將MQ按5%（m/v, %）的添加量加入到下述不同基漿中，測(cè)試鉆井液性能參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 MQ在不同鉆井液中性能評(píng)價(jià)表

由表1可知，分別在4%鈣土基漿、4%鈉土基漿和5%鈉土基漿中加入5%MQ后：①鉆井液的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）和動(dòng)切力（YP）均增大。表明MQ能顯著提高鉆井液的液相黏度，增大液相內(nèi)摩擦阻力；MQ吸附在黏土顆粒表面，增強(qiáng)了黏土顆?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；②寡聚糖MQ在黏土顆粒表面吸附后形成水化膜，削弱了黏土顆粒的聚集變大，形成的泥餅更致密，使鉆井液濾失量降低；③鉆井液的極壓潤(rùn)滑因數(shù)均有較大幅度的下降，表明MQ在鉆井液中具有較好的潤(rùn)滑性能；MQ在鈉土基漿中潤(rùn)滑因數(shù)的降低率大于在鈣土基漿中潤(rùn)滑因數(shù)的降低率。綜上所述，MQ在水基鉆井液中具有顯著的增黏提切、降濾失、改善潤(rùn)滑性能的作用效能。

2.1.2 含土量對(duì)MQ性能的影響

通過測(cè)定MQ加入鉆井液（含不同量鈉基膨潤(rùn)土）前后的性能參數(shù)來探究鉆井液中含土量對(duì)MQ性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 含土量對(duì)MQ處理的鉆井液性能影響表

由表2可知，隨著鉆井液中鈉基膨潤(rùn)土含量增加，與未添加MQ的基漿相比較，添加了MQ的鉆井液性能參數(shù)發(fā)生了較大變化，表現(xiàn)為AV、PV、YP和潤(rùn)滑因數(shù)均增大且濾失量逐漸降低；當(dāng)鉆井液中MQ添加量為5%時(shí)，鉆井液的流變參數(shù)均大幅度增加且濾失量和極壓潤(rùn)滑因數(shù)均大幅度降低，這與表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，再次表明MQ在鉆井液中具有顯著的增黏提切、降濾失和改善潤(rùn)滑性能的作用效能；隨著鉆井液中含土量增大，MQ在鉆井液中的增黏提切、降濾失和改善潤(rùn)滑的作用效能增強(qiáng)，表明MQ對(duì)高含土量或低含土量鉆井液均具有良好的適應(yīng)性。

2.1.3 老化溫度對(duì)MQ性能的影響

分別測(cè)定4%鈉土基漿中添加5%MQ的基漿經(jīng)25 ℃、120 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃和 180 ℃下老化16 h后的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 老化溫度對(duì)MQ性能的影響表

由表3可知，在4%鈉土基漿中添加MQ后：①鉆井液的AV、PV和YP都增加，F(xiàn)L、潤(rùn)滑因數(shù)和濾液的pH值降低，與前述結(jié)果一致；②隨著老化溫度升高，鉆井液的AV、PV和YP都減小，F(xiàn)L和潤(rùn)滑因數(shù)均增大；③當(dāng)老化溫度在150～160 ℃時(shí)，加入MQ使鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)降低得最明顯；④當(dāng)老化溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，鉆井液的AV、PV和YP基本與基漿的AV、PV和YP一致，且濾失量增大到31 mL，潤(rùn)滑因數(shù)增大到0.234 4，說明MQ在180 ℃下基本喪失了在鉆井液中的增黏提切和降濾失作用，但仍然具有一定的潤(rùn)滑作用。

2.1.4 老化時(shí)間對(duì)MQ性能的影響

在150 ℃下，測(cè)定老化時(shí)間對(duì)MQ的潤(rùn)滑性和濾失性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 150 ℃老化時(shí)間對(duì)MQ的潤(rùn)滑性和濾失性的影響圖

由圖1可知：在1%鈉土基漿中加入5%MQ后，常溫下鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)大于在150 ℃下老化不同的時(shí)間后鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)和濾失量基本保持不變，說明延長(zhǎng)老化時(shí)間并不能改變寡聚糖MQ在鉆井液中所起到的潤(rùn)滑及降濾失作用，因此具有較好的潤(rùn)滑及降濾失長(zhǎng)效性。

2.1.5 MQ抑制性能評(píng)價(jià)

用常溫常壓膨脹量測(cè)定儀測(cè)定膨潤(rùn)土壓片分別在自來水、4%KCl溶液及鉆井液（4%鈣土基漿+不同質(zhì)量比的MQ）中浸泡0～120 min后的線性膨脹率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 膨潤(rùn)土壓片在不同水溶液中的線性膨脹率圖

由圖2可知，膨潤(rùn)土在自來水和4%KCl溶液中120 min的膨脹率分別為60.68%和39.42%。在4%鈣土基漿中添加不同量的寡聚糖MQ，膨潤(rùn)土壓片經(jīng)過120 min后膨脹率均小于自來水和4%KCl中的膨脹率，5%MQ溶液中膨潤(rùn)土壓片的線性膨脹率僅為20.8%。綜上膨潤(rùn)土壓片在不同溶液中的線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：寡聚糖MQ對(duì)膨潤(rùn)土水化膨脹具有較好的抑制作用，其原因可能是MQ分子上富含羥基（—OH）而在膨潤(rùn)土顆粒表面形成吸附膜，阻止了不同水溶液中的水分子在膨潤(rùn)土顆粒上由表及里地侵入，有效抑制了膨潤(rùn)土壓片的水化膨脹。

2.2 抗污染性能評(píng)價(jià)

2.2.1 NaCl含量對(duì)MQ潤(rùn)滑性能的影響

通過測(cè)定5%MQ加入前后鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)來探究NaCl含量對(duì)MQ在鉆井液中潤(rùn)滑作用效能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 NaCl含量對(duì)MQ潤(rùn)滑性能的影響圖

由圖3可知，未添加MQ的鉆井液中，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)隨著NaCl含量在0～20%范圍內(nèi)增加而逐漸降低，潤(rùn)滑性能逐漸提高，表明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)NaCl含量升高有助于鉆井液潤(rùn)滑性能的改善，這主要是因?yàn)镹aCl對(duì)MQ具有鹽析效應(yīng)、Na+與MQ分子中的負(fù)電基團(tuán)發(fā)生了部分電性中和，使黏土顆粒與MQ分子之間的斥力減小，提高了MQ分子在黏土顆粒表面的吸附量，形成的吸附膜增厚且致密，導(dǎo)致鉆井液潤(rùn)滑因數(shù)降低而改善了潤(rùn)滑性；在添加了MQ的鉆井液中，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)均大幅降低而顯著改善了潤(rùn)滑性能，表明添加MQ可以提高鉆井液的潤(rùn)滑效能；隨著添加了MQ的鉆井液中NaCl濃度增大，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)基本保持不變，表明MQ具有良好的抗NaCl效能。

2.2.2 重晶石含量對(duì)MQ潤(rùn)滑性能的影響

通常，鉆井液的潤(rùn)滑性隨著固體加重劑重晶石等含量的增大而變差，為考察重晶石含量對(duì)MQ在鉆井液中潤(rùn)滑作用效能的影響，測(cè)定了重晶石含量在0～20%范圍內(nèi)的不同鉆井液中添加5%MQ前后鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 重晶石含量對(duì)添加MQ鉆井液潤(rùn)滑性能的影響圖

由圖4可知，未添加MQ的鉆井液中，鉆井液的極壓潤(rùn)滑因數(shù)隨著重晶石含量在0～20%范圍內(nèi)增加而逐漸降低，潤(rùn)滑性能逐漸提高，表明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，重晶石含量增大有助于鉆井液潤(rùn)滑性能改善，這主要是因?yàn)橹鼐w粒較小，在極壓潤(rùn)滑儀的滑塊與滑環(huán)之間由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦且這種轉(zhuǎn)變隨著重晶石含量增大而增多；在添加了MQ的鉆井液中，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)均大幅降低而顯著改善了潤(rùn)滑性能，表明添加MQ可以改善用重晶石加重的鉆井液的潤(rùn)滑效能；隨著添加了MQ的鉆井液中重晶石含量逐漸增大，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)基本保持不變，但當(dāng)重晶石含量超過15%后，鉆井液的潤(rùn)滑因數(shù)逐漸增大了，這可能是重晶石含量超過15%后，MQ從黏土顆粒上脫吸附而導(dǎo)致潤(rùn)滑效能下降。綜上可得，鉆井液中固體加重材料的含量超過一定值后，確實(shí)會(huì)對(duì)寡聚糖MQ在鉆井液中的潤(rùn)滑效能產(chǎn)生較大影響，使鉆井液的潤(rùn)滑性能下降，其原因有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)解析。

2.3 寡聚糖作用機(jī)理分析

2.3.1 表面張力分析

在室溫下通過表面張力儀測(cè)定寡聚糖MQ分別添加到蒸餾水和4%鈣土基漿前后所得目標(biāo)試樣的表面張力來探究寡聚糖MQ的潤(rùn)滑機(jī)理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 試樣表面張力測(cè)定圖

由圖5可知，在蒸餾水和4%鈣土基漿中分別添加5%MQ后，試樣的表面張力分別從72.0 mN/m降至52.4 mN/m、從62.0 mN/m降至39.0 mN/m。這表明MQ能使目標(biāo)試樣的表面張力顯著下降，其原因可能是寡聚糖MQ的分子具有兩親的表面活性結(jié)構(gòu)，即具有親水端頭和疏水端頭，使MQ分子在固液兩相界面吸附，降低目標(biāo)試樣的表面張力。

2.3.2 接觸角分析

通過測(cè)試寡聚糖MQ處理前后膨潤(rùn)土壓片的接觸角，研究MQ對(duì)膨潤(rùn)土潤(rùn)濕性的改變，從而間接驗(yàn)證寡聚糖MQ的吸附狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 蒸餾水在膨潤(rùn)土壓片的接觸角照片

對(duì)比圖6中的（a）和（b）可知：照片（a）中，蒸餾水在原始膨潤(rùn)土壓片上的接觸角為0 ；照片（b）中，蒸餾水在經(jīng)過寡聚糖MQ處理后的膨潤(rùn)土壓片上的接觸角為45.8 。這表明經(jīng)過MQ處理后的膨潤(rùn)土壓片的疏水性增強(qiáng)了，這可能是由于MQ分子上親水部分的多羥基與黏土表面的氧原子相互作用，通過氫鍵形成了多點(diǎn)吸附，MQ分子上的疏水端朝向水相形成了化學(xué)膜，這樣使MQ在水基鉆井液中起到了隔絕潤(rùn)滑、降低濾失和抑制黏土水化的作用。

3 結(jié)論

1）MQ在150℃的水基鉆井液中，同時(shí)兼有顯著的增黏提切、降低濾失、潤(rùn)滑和抑制黏土水化多重作用效能，MQ對(duì)含土量1%～5%的鉆井液均具有良好的適應(yīng)性，可作為新型多功能水基鉆井液處理劑。

2）MQ在水基鉆井液中兼有上述作用效能的機(jī)理在于：MQ分子能顯著提高水基鉆井液的液相黏度，增大液相內(nèi)摩擦阻力的同時(shí)增強(qiáng)了黏土顆粒空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因而同時(shí)表現(xiàn)出增黏提切、降低水分子濾失之功效；MQ分子上的環(huán)多羥基易吸附在黏土顆粒表面上并形成較豐厚的外表面疏水的水化膜，使它同時(shí)起到潤(rùn)滑、抑制水化和致密化泥餅而降低濾失作用。