改性聚糖类钻井液防塌润滑剂的合成与评价

王怡迪 ，丁磊 ，张艳军 ，陈武

（1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 荆州 434023；2.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

目前，国内外钻井液中起润滑作用的润滑剂，或兼有防塌润滑作用的防塌润滑剂有很多种［1-3］，而天然可降解、环境友好型防塌润滑剂较少，主要原因是防塌润滑剂的热稳定性差，润滑性不强，需要进行有针对性的改性，使之达到钻井需求［4-5］。

本文研究的改性聚糖类钻井液防塌润滑剂MAPG，是聚糖类高分子物质的单体衍生物经过化学改性得到的一种化合物［6］，是一种带有独特环状结构的四羟基多元醇聚醚，且单分子环上带有一个甲氧基（—OCH3），具有较高的热稳定性［7-8］。MAPG属极性较弱的表面活性剂，分子结构上4个亲水的羟基（—OH）可吸附在井壁岩石和钻屑表面；亲油的甲氧基（—OCH3）和较长碳链的烷氧基（—O（CH2）7CH3）则朝外，可以在井壁表面形成类似油包水钻井液的半透膜，把地层页岩中的水和钻井液中的水隔开：因而具有良好的抑制性、润滑性和油层保护效果。常用的MEG选用的原料为玉米或小麦淀粉，烷基化试剂为甲醇；而MAPG选用的原料为黄原胶淀粉，烷基化试剂为辛醇。由于选用的原料不同，MAPG的防塌抑制性和润滑性都比MEG好。

1 产品合成及结构

1.1 主要原料

主要原料为工业级黄原胶、磺化类催化剂、液体消泡剂及辛醇等。

1.2MAPG的合成

称取一定量的黄原胶和辛醇置于500 mL的三口烧瓶中，再加入一定量的磺化类催化剂，将烧瓶置于电加热套中，并装好冷凝管及抽真空排水等装置，边搅拌边加热反应。当反应进行约30 min时，加入少量的液体消泡剂继续反应。温度应控制在140～150℃，产物颜色变为深褐色时，反应即可停止，待样品冷却后打磨粉碎，就可得到MAPG。

1.3 MAPG的红外光谱

对合成样品MAPG和现场常用的样品MEG进行了红外光谱分析［9-10］，结果见图 1。

图1 MAPG和MEG红外光谱

从图1可看出：2种样品的共同点为，3 432 cm-1处为—OH吸收峰且强度很大，2 924 cm-1处为—CH2—吸收峰，1 384 cm-1处为—CH3吸收峰，1 035 cm-1处为—C—O—吸收峰，1 618 cm-1处为葡萄糖类的骨架振动，777 cm-1处为葡萄糖类环的呼吸振动；不同点为，MAPG红外光谱中720 cm-1处有明显的吸收峰，表明样品分子结构中有亲油的长碳链，而MEG中则没有。

2 性能评价

2.1 对钻井液流变性、滤失性的影响

室内采用相关评价方法［11-15］，评价了MAPG和MEG不同加量时对模拟现场钻井液流变性及滤失性的影响。模拟现场钻井液配方为：4%膨润土+0.05%Na2CO3+0.4%HV-CMC+0.8%LV-CMC+3%SMP+1%NH4HPAN+1%FT-Ⅰ+重晶石，实验结果见表1。从表1可看出，随着MEG加量的增加，钻井液的表观黏度（AV）、动切力（YP）及动塑比（YP/PV）下降，塑性黏度（PV）变化不大，表明该剂对钻井液的携砂性具有一定影响。滤失量（FL）逐渐减小，尤其是当加量为5%时，下降最明显，达30.6%；当加量大于5%时，降滤失作用变化不大，表明该剂加量为5%时降滤失效果已达到最佳。随着MAPG加量的增加，钻井液的AV和YP变化很小，PV基本不变，表明该剂对模拟现场钻井液流变性影响很小。

表1 MAPG和MEG对钻井液流变性及滤失性的影响

2.2 润滑性

在模拟现场钻井液中分别加入5%的MAPG和MEG，130℃条件下热滚16 h，评价了体系的润滑性，并计算了润滑系数降低率。结果表明：当模拟现场钻井液中加5%MAPG时，钻井液润滑系数降低率均超过80.0%；当加入5%MEG时，润滑系数降低率只有71.4%，表明MAPG的润滑性比MEG好。

2.3 防塌抑制性

室内采用钻屑热滚回收率法和岩心线性膨胀率法，评价了MAPG和MEG的防塌抑制性。模拟现场钻井液中加入5%MAPG后，钻屑回收提高率明显提高；加入5%MEG后，钻屑回收提高率和岩心线性膨胀降低率下降，表明MAPG的抑制性比MEG好（见表2）。

表2 MAPG和MEG对钻井液抑制性的影响

2.4 抗温性

室内评价了不同温度下MAPG和MEG对模拟现场钻井液流变性和润滑性的影响，结果见表3。从表3可以看出，在模拟现场钻井液中分别加入5%MAPG和5%MEG后，钻井液流变性下降幅度变小，FL和润滑系数（Kf）上升缓慢。温度低于140℃时，钻井液性能均较稳定，表明其抗温性可达140℃。加入5%MAPG钻井液的流变性、滤失性和润滑性比加入5%MEG好。

表3 MAPG和MEG的抗温性

2.5 抗盐性

随着NaCl加量的增加，模拟现场钻井液的AV和YP先升后降，FL不断上升，Kf略有上升；加入5%MAPG后钻井液的AV和YP变化不大，FL和Kf略有上升；加入5%MEG后钻井液的AV和YP先升后降，变化幅度比加入MAPG的大，FL上升幅度比模拟钻井液的小，但比加入MAPG的大，Kf略有上升。表明MAPG的抗盐性比MEG好，抗盐可达35%（见图4）。

表4 MAPG和MEG的抗盐性

3 MAPG在钻井液中的作用机理

MAPG和MEG都是用多糖类天然高分子聚合物改性得到的化合物，MAPG选用的多糖类物质是黄原胶，而MEG选用的是玉米或小麦淀粉。黄原胶是由葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸、丙酮酸组成的“五元糖重复单元”；玉米或小麦淀粉是由葡萄糖单元重复结构组成。重复结构中的糖单元结构和数目不同，产品性能也不同。刚性结构的糖单元数目越多，抗盐性就越好。如果与其连接的亲水基团多，分子间形成结构的能力就强，钻井液的黏度、切力就大。因此，当温度升高、盐加量增加时，MAPG钻井液的流变性变化比MEG小。另外，MAPG改性过程中引入了辛醇，分子中增加了亲油基团，因此，MAPG润滑防塌性能比MEG好。

4 结束语

室内以黄原胶、辛醇为主要原料，合成了改性多糖类钻井液防塌润滑剂MAPG，该剂水溶性好。室内实验表明，MAPG对模拟现场钻井液的流变性的影响较小，最佳加量为5%，其润滑性、防塌抑制性、抗温性和抗盐性都比MEG好。

［1］张艳娜，孙金声，王强，等．井壁稳定的化学动力学分析［J］．断块油气田，2011，18（6）：794-798.

［2］罗远儒，陈勉，金衍，等.强抑制性硅磺聚合物钻井液体系研究［J］．断块油气田，2012，19（4）：537-540.

［3］张艳娜，孙金声，王倩，等．国内外钻井液技术新进展［J］．天然气工业，2011，31（7）：47-54.

［4］Benjamin Herzhaft.Optimization of SBM formulations for minimum damage［R］.SPE 64981，2001.

［5］Andres Oleas，Collins E Osuji，Martin E Chenevert，et al.Entrance pressure of oil-based mud into shale：Effect of shale，water activity，and mud properties［R］.SPE 116364，2008.

［6］罗春芝，王越之．NMR低荧光抗高温润滑剂的室内研究［J］．石油天然气学报，2010，32（3）：113-116.

［7］王中华．钻井液技术现状及发展方向［J］．断块油气田，2004，11（5）：59-62.

［8］刘艳，刘学玲，袁丽霞.新型抗 180℃高温抑制剂 SEG［J］．钻井液与完井液，2010，27（2）：20-22.

［9］Cowan Jack C，Granquist Victor M，House Roy F，et al.Organophilic polyphenolicacidadducts：CA，1285746［P］.1991.

［10］Jacqueline A Coates，John M Farrar，Margaret H.Fluid loss-reducing additives for oil-based well working fluids：US，941983［P］.1990.

［11］吴斌，张岩，向兴金．甲基葡萄糖苷钻井液体系的室内研究［J］．石油钻采工艺，2006，28（3）：28-30.

［12］全红平，段文猛，景岷嘉，等．四元共聚物钻井液降滤失剂JLS-1的合成与性能评价［J］．钻井液与完井液，2009，26（5）：19-21．

［13］苏俊霖，蒲晓林，任茂，等．抗高温无机/有机复合纳米降滤失剂室内研究［J］．断块油气田，2012，19（5）：626-628.

［14］王中华.国内外油基钻井液研究与应用进展［J］．断块油气田，2011，18（4）：533-537.

［15］李怀科，王楠，田荣剑，等.气制油合成基钻井液低温高压条件下流变模式研究［J］.石油钻探技术，2011，39（1）：41-47.