多羟基糖苷防塌剂的合成及性能研究

张华辉

(中国石化集团胜利石油管理局方圆化工有限公司,山东东营 257065）

多羟基糖苷防塌剂的合成及性能研究

张华辉

(中国石化集团胜利石油管理局方圆化工有限公司,山东东营 257065）

以淀粉为主要原料,合成了新型多羟基糖苷防塌剂DTG-1。对合成样品的理化性能、页岩抑制作用、水溶液活度、生物毒性以及对泥页岩半透膜膜效率的影响规律进行了测定,考察了DTG-1在淡水、盐水和饱和盐水钻井液中对钻井液流变性能和滤失造壁性能的影响,并对DTG-1稳定井壁及改善钻井液流型的作用机理进行了分析。研究表明,用淀粉合成的多羟基糖苷,具有一定的抑制泥页岩水化膨胀、分散和提高泥页岩的膜效率的作用,能有效降低钻井液的水活度,属于无毒、环保型钻井液处理剂;DTG-1对高密度钻井液具有很好的流型改善作用,用DTG-1配制的钻井液具有组成简单、流变性易调整、高温稳定性好、抗污染性强等特点。

多羟基糖苷;合成;钻井液;井壁稳定;性能评价

多羟基糖苷是一种用途广泛的有机化工原料,具有无毒、无刺激性、生物降解性好、配伍性好、适用范围广泛的特点,可广泛应用于化工、纺织、医药、食品、化妆品、石油、洗涤剂、涂料等行业[1]。

近年来,国外已有少量将多羟基糖苷产品应用于钻井液领域的相关报道。作者在大量实验的基础上,室内合成了多羟基糖苷DTG-1,着重考察了DTG-1的防塌性能、成膜性能、对钻井液流变性的调节作用及其环保性能,并对其作用机理进行了分析,揭示DTG-1在钻井液领域的潜在用途,以期达到进一步开发利用DTG-1的目的。

1 DTG-1的室内合成和性能评价

1.1 DTG-1的室内合成

DTG-1由淀粉经高温降解后制得。将淀粉、脂肪醇和其它原料加入反应釜,按比例加入催化剂,加热至一定温度和压力,反应至预定时间后,得到棕黄色或棕褐色的透明液体,经冷却、结晶、过滤、蒸发,得淡黄色固体即为DTG-1。

1.2 DTG-1性能评价

1.2.1 DTG-1页岩抑制性能评价

(1）页岩回收率实验

采用岩屑滚动回收率实验评价DTG-1的抑制性,实验结果见表1。由表1可以看出,DTG-1具有一定的抑制岩屑分散的作用,与无机盐配合后抑制性增强,但其抑制效果不如多元醇。

表1 页岩回收率实验结果Tab.1 Experiment result of shale recovery ratio

(2）页岩膨胀实验

实验使用NP-01线性膨胀仪。称取干燥膨润土10 g,放入配套的钢筒内,在4 MPa压力下压制5 min制得岩心。将浸泡液倒入钢筒,记录岩心8 h的线性膨胀量,并按下式计算防膨率:

式中:R为防膨率,%;H1为岩心在实验液中的膨胀高度,mm;H2为岩心在蒸馏水中的膨胀高度,mm;H0为岩心在煤油中的膨胀高度,mm。

表2 膨胀实验结果Tab.2 Expansion experiment result

实验结果见表2。由表2可以看出,DTG-1抑制泥页岩水化膨胀的作用较弱,5%DTG-1水溶液的防膨率仅为10.6%。与盐配合使用后,DTG-1抑制泥页岩水化膨胀的能力有所增强,但抑制性仍不理想。

1.2.2 DTG-1对泥页岩膜效率的影响

大量实验研究结果表明[2,3],泥页岩在大多数情况表现为非理想半透膜特性,水分子和溶质都可通过泥页岩移动,但溶质分子的移动速率低于水分子的移动速率,表现为0＜σ＜1。因此,在保持钻井液水活度与页岩水活度之比一定的情况下,通过渗透作用控制水在钻井液与泥页岩之间迁移的关键因素是提高泥页岩的膜效率。

泥页岩膜效率测定采用泥页岩井壁稳定性水化/力学耦合模拟实验装置进行。为了评价处理剂对泥页岩膜效率的影响,将在标准盐水(其组分为7.0%NaCl+0.6%CaCl2+0.4%MgCl2·6H2O+92%蒸馏水）中抽真空饱和的岩心的膜效率,视为泥页岩自身的膜效率σ1;在一定浓度的处理剂溶液中抽真空饱和的岩心的膜效率,为与处理剂作用后的岩心的膜效率σ2。膜效率提高率δ(%）计算如下:

表3 膜效率实验结果Tab.3 Experiment result of membrane efficiency

实验结果见表3。由表3可以看出,泥页岩岩心用标准盐水饱和后,膜效率仅为0.046,而用含不同处理剂的标准盐水溶液饱和后,岩样的膜效率有不同程度的上升,表明DTG-1具有显著的成膜特性,能有效改善泥页岩的膜效率。

1.2.3 DTG-1对钻井液水活度的影响

在泥页岩膜效率一定的情况下,钻井液的水活度越小,通过渗透作用进入泥页岩地层的水越少;在钻井液的水活度低于地层水活度的情况下,可使地层出现去水化现象。因此,钻井液的水活度越小越有利于井壁稳定。每升水中加膨润土40 g、工业纯碱2 g,经充分预水化后为淡水钻井液,在淡水钻井液中加入 7%NaCl,充分搅拌后为盐水钻井液。DTG-1对钻井液水活度的影响见表4。由表4可以看出,在加量足够的情况下,DTG-1能降低淡水钻井液和盐水钻井液的水活度。

表4 DTG-1对钻井液水活度的影响实验结果Tab.4 Experiment result of drilling fluids water activity influenced by DTG-1

1.2.4 毒性评价

随着环境保护法规的日益严格,钻井液处理剂的毒性日益受到重视。发光细菌法是快速测定钻井液及钻井液处理剂生物毒性的方法,该方法具有快速、简便、廉价等优点[4]。其原理是根据发光细菌的发光强度与物质的生物毒性存在着明显的相关关系的原理,利用灵敏的光度计(生物毒性测定仪）测定物质对发光细菌发光能力的影响,即可测定出其生物毒性的大小。用EC50值(发光细菌发光能力减弱50%时待测样品的浓度）表示物质毒性的大小,EC50值越大,则所测样品生物毒性越小。采用发光细菌法测得DTG-1的EC50值大于100 000 mg/L,参照文献3介绍的生物毒性分级标准判断,DTG-1属于无毒类处理剂。

1.2.5 DTG-1对钻井液性能的影响

为了考察DTG-1对钻井液流变性能和滤失性能的影响,在钻井液中加入DTG-1,测定了加入DTG-1前后钻井液性能变化,实验结果见表5。由表5可以看出,DTG-1具有一定的降滤失作用;在高密度钻井液中DTG-1具有良好的调节流型作用,能有效降低高密度钻井液的表观黏度和动切力,使高密度钻井液具有很好的流动性能。

表5 DTG-1对钻井液性能的影响实验数据

Tab.5 Experiment result of drilling fluids properties influenced by DTG-1

＊:基浆配制每升水中加膨润土40 g,工业纯碱1.5 g,充分预水化后为基浆。

2 DTG-1作用机理分析

2.1 DTG-1稳定井壁作用机理

(1）DTG-1具有一定的页岩抑制作用

DTG-1分子中含有亲水性较强的羟基,可以通过氢键吸附在井壁岩石表面。倘若钻井液中DTG-1的用量充足,便可以在井壁上形成一层吸附膜,起到一定的维护井壁稳定的作用。

(2）DTG-1能有效改善泥页岩膜效率并降低钻井液水活度

根据渗透理论,当钻井液水活度低于泥页岩中水活度时,在渗透压的作用下,泥页岩中的水将向钻井液移动,部分抵消因水力压差作用进入泥页岩的水量,且泥页岩膜效率越高,渗透压越大,进入泥页岩地层的水量越小,越有利于井壁稳定。由于DTG-1水化单体的尺寸较小,能进入渗透率极低的泥页岩孔隙,通过氢键与泥页岩孔隙表面相互作用,在孔隙的表面吸附固定,减少了孔隙空间。根据泥页岩半透膜影响因素的尺寸限制理论[4],孔隙空间的减少增加了较大尺寸的溶质分子通过页岩的难度,但尺寸较小的水分子仍可以自由通过,加大了溶质分子与水分子通过泥页岩的速度差异,导致泥页岩的膜效率有大幅度提高。同时,DTG-1的存在能有效地降低钻井液的水活度。因此,提高泥页岩膜效率及降低钻井液水活度应是DTG-1的主要防塌机理。

2.2 DTG-1改善钻井液流型作用机理

DTG-1具有一定的降低界面张力的作用[1],使其分子易集中到固液界面形成一层吸附膜。DTG-1分子中含有亲水性较强的羟基,具有强烈的亲水作用。DTG-1在黏土颗粒的吸附增加了黏土颗粒的水化膜厚度,增强了黏土颗粒间的水化膜弹性斥力,降低了黏土颗粒碰撞后形成网架结构的可能,故能起到降低钻井液黏度与切力的作用。另外,DTG-1为有机物质,在加量较大的情况下能导致钻井液的润滑性大大增强,有利于降低钻井液体系的内摩擦力,降低钻井液的流动阻力,改善钻井液的流动性。

3 结论

(1）以淀粉为主要原料,合成了新型多羟基糖苷DTG-1。DTG-1具有一定的抑制泥页岩水化膨胀、分散的作用,能有效提高泥页岩的膜效率、降低钻井液的水活度,产品无毒,属于环保型钻井液处理剂。

(2）DTG-1不仅具有一定的降滤失作用,而且在高密度钻井液中具有良好的调节流型作用,能有效降低高密度钻井液的表观黏度和动切力,使高密度钻井液具有很好的流动性能。

[1]杨朕堡,杨锦宗.烷基糖苷——新型世界级表面活性剂[J].化工进展,1993(1）:43-48.

[2]丁锐,李健鹰.活度与半透膜对页岩水化的影响[J].钻井液与完井液,1994,11(3）:23-28.

[3]易绍金,向兴金,肖稳发,等.油田化学剂生物毒性的测定及其分级标准[J].油气田环境保护,1996,6(3）:45-49.

[4]van Oort E,Hale A H,Mody F K.Manipulation of Coupled Osmotic Flows for Stabilization of Shale Exposed to Water-Based Drilling Fluids[C].SPE30499.1995.

Synthesis of multi-hydroxyl polyglucoside inhibitor and its performances in drilling fluids

Zhang Huahui

(Fangyuan Chemical Industry Co.Ltd.of Shengli Petroleum A dministration,Dongying Shandong257065）

Alkyl polyglucosides DTG-1 is synthesized with starch as the main raw materials.The performances of DTG-1,shale inhibition,water activity,toxicity,biodegradable property and its effect on shale membrane efficiency and drilling fluid rheological and filtrating property are studied in laboratory.The results show that DTG-1 can inhibit the expansion and dispersion of shale in water,effectively decrease the water activity and improve shale membrane efficiency.DTG-1 is non-toxic and acceptablefor environment provision.DTG-1 can improve the rheological propertiesof high density drillingfluids.The drillingfluid prepared by DTG-1 has such advantages as simple formulation,easy rheology adjustment,high temperature stability and strong anti-pollution,etc.

multi-hydroxyl polyglucosides;synthesis;drilling fluids;wellbore stability;property evaluation

TE254+.1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.082

1008-2336(2011）01-0082-04

2010-11-10;改回日期:2011-01-17

张华辉,男,1974年生,工程师,1998年毕业于浙江大学化工系,现主要从事钻井液研究与技术服务工作。E-mail:z gsdwfh@126.com。