烷基糖苷钻井液润滑剂研究与应用进展*

2023-07-06王清臣吴玉曼

化工科技 2023年2期

张勤,王清臣,吴玉曼,陈刚,3**

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司,陕西西安 710060;2.西安石油大学陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室,陕西西安 710065;3.西安石油大学油气田化学陕西省高校工程研究中心,陕西西安 710065)

良好的钻井液对油气田钻井工程至关重要,具有多种功能。(1)将岩屑从钻头带到地面;(2)钻头润滑、冷却、清洁;(3)润滑钻具组和井底钻具组与套管和地层的接触;(4)平衡储层压力,防止井喷;(5)通过封闭钻孔孔隙,保持地质及钻孔完整性,避免地层开裂[1]。但是往往单一的钻井液材料不能达到理想的效果,需要添加多种添加剂提升性能。随着大位移井和长水平井数量的增加,油气生产钻井技术在世界上也向深井、超深井及难以达到的边缘地区突破,对井下摩阻控制提出了更高的要求[2-4],因此需要对钻井液润滑剂不断地研究,研发更有效的润滑剂。同时随着环保要求的越来越高,需要遵从可持续发展的战略思想,钻井液用润滑剂必须具有较好的环保性,且可以降低钻井带来的不良摩擦影响,减少能耗及钻具的磨损,防止卡钻事故的发生,便于钻后废液的处理[5-6]。

优异的钻井液润滑剂应具有高黏度、低腐蚀、不易燃、溶解性好、低倾点及需要润滑膜高强度,且起泡少、荧光效应弱甚至无荧光、抗高温抗氧化能力强、无毒环保、与钻井液配伍性良好等特点[7]。钻井液润滑剂在国外有15类100余种,在国内有10类40余种,主要是改性的矿物油、植物油及其油料加工的下脚料、表面活性剂和有机物质,合成脂质和固体润滑剂等[8]。近年来,开发了大量不同类型的固体和液体钻井液润滑剂,固体通常使用石墨、塑料微珠、玻璃微珠和聚合物微珠,液体类型包括烯烃、聚甘油、磷脂、脂肪酸聚酰胺盐和脂肪酸酯等高分子化合物[3]。矿物油、沥青、柴油、原油等物质也属于液态润滑剂,但存在环境污染问题,逐步被限制使用,被一些其他的环保型润滑剂所取代,如脂肪酸、有机酯类、改性植物油类、生物润滑剂以及表面活性剂等。

1 烷基糖苷润滑剂的研究现状

1.1 烷基糖苷钻井液润滑剂概况

钻井废弃液对生态环境的危害主要有地表水、地下水的污染;土壤板结、结构差,不利于农作物的生长;多种重金属和化学物质的危害[9]。依据国内外与钻井液相关的环保标准、管理指南等规范性文件及中国陆上油田清洁生产与环境保护的实际情况,提出将钻井液的环保性能评价项目分为生物毒性、生物降解性、重金属(总镉、总汞、总铅、总铬、总砷)、石油类和pH值5类9项[10]。然而,聚合物钻井液体系、聚磺钻井液体系、油基钻井液体系普遍存在环境污染严重、后期难处理等问题。

为改善钻井液对环境污染的问题,开发了烷基葡萄糖苷(Aylkyl Poly-glycoside,简称APG)等环境友好型钻井液体系,其毒性小、易降解[11]。目前生物降解性能良好,并且分解产物不污染环境、不具有生态毒性的环保型钻井液润滑剂种类很多,其中大部分的润滑剂为液体润滑剂,属于表面活性剂类[12]。最早的烷基糖苷钻井液应用在墨西哥湾浅海区的强水敏地层,该地层对钻井液的多方面要求较高,使用的烷基糖苷表现出了较好的抑制防塌性和润滑性。中国学者也发现了烷基糖苷的很多优秀特性,发掘了烷基糖苷的应用价值[13]。烷基糖苷虽然表现出了很多优异的性能,但是也依旧存在不足,还不能完全达到理想的工作要求,国内外研究人员针对烷基糖苷的缺点采用了不同的方式进行改善。国外采用复配无机盐等处理剂的方式解决成本大、抑制性能不足的问题,但无显著的技术突破[13]。中国学者在对烷基糖苷充分认识的基础上,对其进行改性,达到提升烷基糖苷钻井液的性能和减少用量、降低成本的目的。

1.2 烷基糖苷的制备及反应机理

合成烷基糖苷的方法主要有直接苷化法、转糖苷化法、酶催化法等,转糖苷化法是目前最广泛使用的工业合成方法[14-15]。

自然界的葡萄糖有3种结构,开链式、α型、β型(见图1),这3种结构可以互相转化,在自然界中开链式很少,其中大部分为直氧环式[16]。

图1 葡萄糖的3种结构

APG是由糖的半缩醛羟基与醇羟基在酸性催化剂的作用下,脱去一分子水生成的产物。糖苷化反应机理见图2。

图2 糖苷化反应机理

糖苷化的反应分为两步。第一步,氢离子攻击糖苷羟基氧原子使其质子化,此时氧电负性太大以至于不稳定,该状态不能长时间保持,为了达到稳定的状态会从该结构中迅速脱去一分子水,最终形成异头碳正离子结构。第二步,ROH亲核试剂进行亲核反应,生成糖苷。

1.3 烷基糖苷润滑剂

烷基糖苷是以天然的脂肪醇、葡萄糖或淀粉为基本原料,通过催化反应,脱水缩合而成[17],除烷基糖苷外,还有甲基葡萄糖苷、乙基葡糖苷、阳离子烷基糖苷等,在钻井液中具有抑制性、润滑性、抗污染能力及储层保护性。在钻井液中添加烷基糖苷类产品,可以显著提升钻井液的润滑性。赵虎等[18]应用APG降低钻井液的摩擦系数,可以提高钻井液的润滑性,起到井眼净化以及抑制泥页岩水化剥落的效果。

1.3.1 甲基葡萄糖苷

甲基葡萄糖苷(MEG)最早被研究并应用在钻井液中,1994年该钻井液体系成功应用于美国墨西哥湾强水敏页岩地层[19]。MEG应用广泛,现已经形成了相对比较成熟的体系[20-21]。张群正等[22]对甲基葡萄糖苷钻井液进行了合成与评价,评价结果表明合成的MEG钻井液在水基钻井液应用效果较好。w(MEG)=12%,能够降低泥浆的黏度与滤失量,摩擦系数低于0.1,较基浆降低了34.6%,在150 ℃下耐热性能良好。该MEG体系在作业中加药操作简单,同其他油田润滑剂相比,成本有所降低,但是在同样加量下与同类的润滑剂RH、B2-ORM相比降摩阻效果略低,且自制产品加量较多,有可能产生更多的运输费用。针对在制备时酸催化剂流失严重的问题,张群正等[22]制备了硅胶负载的酸催化剂用于催化MEG的制备。反应结束后加入NaHCO3溶液调节pH值至中性,减压抽滤蒸出甲醇,滤液中滴入丙酮,直至固体不再析出,过滤出沉淀,静置干燥12 h得MEG。催化剂性能稳定,可以重复使用。

1.3.2 季胺阳离子烷基糖苷

未改性的烷基糖苷使用时不仅需求量大,且存在抑制性不足、抗温性待提高、易发酵引起钻井液性能恶化等问题。烷基糖苷加入季铵盐制备阳离子糖苷(CAPG)不仅具有阳离子表面活性剂的优良性能,而且增加了与阴离子表面活性剂复配的协同作用。通过引入季胺阳离子对烷基糖苷进行改性后润滑性能明显提高,w(CAPG)=5%,润滑系数为0.035,页岩一次回收率为95.55%[13],且抑制性能、抗温性能等显著提高,可以减少用量,但季胺阳离子烷基糖苷的成本较高[23]。司西强等[23]以烷基糖苷与环氧氯丙烷的水解产物3-氯-1,2-丙二醇反应生成3-氯-2-羟丙基糖苷,再与三甲胺发生季铵化反应。按n(3-氯-2-羟丙基糖苷)∶n(三甲胺)=1∶1混合均匀,56 ℃搅拌反应5 h,pH=9,最终得到的钻井液用阳离子烷基糖苷产品抑制性能最优,岩心一次回收率大于96%,相对回收率大于98%。该产品在陕北、内蒙古、中原等地的水平井、侧钻井成功应用,能显著解决泥页岩等易坍塌地层的井壁失稳问题。

1.3.3 氯化钙-烷基糖苷钻井液

由于CaCl2水溶液的活度低、成本低、具有抑制效果,因而应用在强水敏地层中,但也存在流变性与滤失量难控制、易起泡等问题,而烷基糖苷可提高抗温、抗污染的能力,因此可以进行复配提高体系总体性能。赵虎等[24]对其进行了多方面的室内研究,结果表明APG不影响游离钙的存在,高浓度的APG还可以促进CaCl2水溶液活度降低,w(CaCl2)=20%～40%有利于井壁稳定,CaCl2-APG钻井液抑制性和润滑性良好;w(APG)=25%,钻井液的极压润滑系数达到0.048 6,该钻井液耐温最高达130 ℃。150 ℃老化16 h,钻井液黏度和切力值降低,滤失量升高,不能达到要求;在钻井液体系研究时以CaCl2为主、APG为辅,可以充分发挥CaCl2低成本、降低水溶液活度以及APG提高聚合物抗钙能力与润滑防卡能力的优势。在进行处理剂优选时,增黏剂SW具有较好的增黏效果,发泡率也比较低,消泡剂JS具有较好的消泡效果等,因此最终钻井液配方(均为质量分数)为25%APG+0.6%SW+2%封堵剂B+1.5%降滤失剂C+1%封堵剂A+0.5%消泡剂JS+1%NaOH+25%CaCl2。

1.4 烷基糖苷及其衍生物润滑机理

APG分子中含有多羟基和烷基结构,因此烷基糖苷能在钻具、套管和井壁岩石表面产生较强的吸附力,且APG上的亲油基团呈规则向外排列,形成稳定且强的润滑膜,从而达到优异的润滑性能[25]。而CAPG、聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)的作用相同,只是在APG的基础上增加了强吸附基团,产生更强的吸附力,形成更为稳定且具有一定强度的润滑膜。

虽然APG润滑机理都是基于吸附作用与成滑膜作用,但是在钻井中APG存在位置不同,其润滑效果也不同。当APG存在于钻具与井壁之间,其会按规则排列,将干摩擦转变为边界摩擦提高润滑效果[25]。CAPG、NAPG的作用相同,只是在APG的基础上增加了强吸附基团,产生更强的吸附力,从而形成更为稳定且具有一定强度的润滑膜。钻井液中的固相含量会显著影响摩擦,如高密度钻井液中添加重晶石,重晶石之间会存在颗粒摩擦影响体系的润滑性,APG及其衍生物的存在可以快速地吸附于重晶石表面并形成一层膜,从而降低颗粒间的摩擦作用[25]。

1.5 烷基糖苷及其衍生物性能评价

赵虎等[25]对烷基糖苷及衍生物在不同质量分数、时间、温度、负荷下进行了极压润滑系数测定,并且评价时选用w(NAPG)=25%水溶液和膨润土加重浆,膨润土加重浆配方(均为质量分数)为4%土浆+0.15%黄原胶(XC)+重晶石(加重至1.60 g/cm3)。在测定不同质量分数APG及衍生物的极压润滑系数时,发现APG、CAPG、NAPG 3种物质均随质量分数的增加,润滑系数呈先快后趋于缓慢的降低趋势,NAPG的润滑耐久性效果良好[25]。最后对APG及其衍生物进行了抗磨承重试验和钢件减摩试验,结果表明烷基糖苷具有较好的抗摩效果,同时该结果也反映了APG及其衍生物具有优良的润滑性能,与高密度下的润滑要求相符合。

2 其他钻井液润滑剂

2.1 石墨润滑剂

惰性固体润滑剂有石墨、塑料小球、玻璃微珠等。该类润滑剂大多数是将滑动摩擦转变为滚动摩擦降低摩阻扭矩。玻璃微珠可嵌入井壁泥饼的表面,形成钻杆与井壁之间以点接触的形式减小摩阻,但也会被固控设备清除[26];塑料小球可能存在被钻柱挤压变形或破碎的风险;而石墨的片层之间结合力弱,易发生层间滑动,降摩减阻效果强。石墨无毒、耐高温性好、具有不影响钻井液流变性的特点,作为一种新型钻井液润滑剂应用较为广泛[27]。张建伟等[28]研制了固体润滑剂OCL-RH,该润滑剂为黑色的固体粉末,其成分大部分是石墨,还有少量的无毒矿物油和多种表面活性剂。润滑剂OCL-RH可以形成一层吸附膜,牢固吸附在钻头、钻具等其他工具表面。由于吸附膜的存在,可大幅度降低钻具之间的接触及磨损,防止压差卡钻事故的发生。实验也证明了该钻井液润滑剂具有良好的润滑性能,w(OCL-RH)≈0.5%,润滑系数下降高于80%,且w(OCL-RH)=1%时润滑性最好,极压润滑系数为0.061,润滑系数降低率达90.1%。此外,该钻井液润滑剂的抗盐性能、抗温性能也良好,抗温度效果能达到150 ℃,与其他润滑剂相比,具有一定的抑制性并且能与各类油基钻井液、水基钻井液相配伍,对钻井液流变性无影响并具有一定的降滤失作用,可应用于深井中。

2.2 纳米材料润滑剂

纳米材料是近年来新发展起来的材料,通常将纳米材料定义在1～100 nm。根据应用的不同,有纳米颗粒、薄膜、晶体、非晶体、纤维、块体等,现已经活跃在化工、医药、环保、卫生、电子工业产品及纳米催化和钻井液技术等领域[29-30]。在油田钻井液方面,纳米材料在钻井液中起稳定井壁、保护储层、封堵抑制和润滑等作用,纳米材料起到润滑作用有以下几个原因[31]。实现滑动类型的转变,将滑动摩擦转为滚动摩擦;微小纳米颗粒的表面活性高、易分散在钻井液中,在钻井时纳米材料容易吸附在凹凸不平、容易产生摩擦的地方,从而在摩擦表面形成滚珠轴承效应,减少钻具之间的摩擦;纳米材料在物体表面形成一层保护膜,可以作为钻具与孔底岩石之间的屏障,减小摩擦系数,提升抗磨效果;纳米材料可以自组装成一层润滑膜;纳米粒子与高分子量聚合物的结合参与泥饼的形成时,因其分子结构的特点使非极性部分伸入井内,形成一层光滑的润滑膜,也能促进润滑的效果。

2.3 乳液类液体润滑剂

油溶性润滑剂存在环境安全问题,油基钻井液无法达到反复使用的理想状态等;水基润滑剂虽然符合环保的要求,但是用量较大,成本高。近年来乳液类润滑剂也是发展起来的一种新型润滑剂,因润滑性好、环保性和其他特性深受欢迎。以植物油、聚胺和低碳酸作为原料,先合成出植物油酰胺,再以其为主要原料在一定的条件下制备了一种油珠颗粒较细且较均匀的水包油型乳液类钻井液润滑剂。w(润滑剂)=0.5%,钻井液润滑系数降低率高于80%,且不影响钻井液的流变性和密度;经170 ℃高温老化,在质量分数为15%的盐水钻井液中,钻井液润滑系数低于0.10;该乳化类润滑剂的配方(均为质量分数)为10%油酸+8%合成酰胺样品+18%煤油+2.5%硅膏+7.14%NaOH水溶液+0.1%高黏羧甲基纤维素钠(CMC-HV)[5]。

2.4 改性脂肪酸/植物油钻井液润滑剂

高密度钻井液具有流变控制困难、固相含量高、摩擦阻力大的特点,如果不很好地控制钻井液的流变性和润滑性能,容易发生钻井事故,因此要针对高密度钻井液的润滑性能进行调整或者开发新的润滑剂。王琳等[32]依据高密度钻井液的特点,要求润滑剂能对钻具、井筒及套管可以产生强大的吸附力,形成具有较强抗压能力的润滑膜,从而有效降低摩擦系数,并且针对钻井液流变性影响较小的思路研制了一种钻井液用润滑剂SMJH-l。该润滑剂选用重晶石密度为4.2 g/cm3的高密度体系,以多元醇、脂肪酸、矿物原料、乳化剂和消泡剂等为原料通过反应制得。SMJH-1通过物理化学吸附作用在器械表面形成固态膜,并且能控制涡流和增强钢质表面的疏水性。在元陆601H井,向密度为2.20 g/cm3的高密度钻井液中添加质量分数2%润滑剂SMJH-1后,润滑系数由0.11降至0.08,向密度为2.18 g/cm3的高密度钻井液中添加质量分数1.5%该润滑剂,润滑系数由0.15降至0.12。