多羥基糖苷防塌劑的合成及性能研究

張華輝

(中國石化集團(tuán)勝利石油管理局方圓化工有限公司,山東東營 257065）

多羥基糖苷防塌劑的合成及性能研究

張華輝

(中國石化集團(tuán)勝利石油管理局方圓化工有限公司,山東東營 257065）

以淀粉為主要原料,合成了新型多羥基糖苷防塌劑DTG-1。對合成樣品的理化性能、頁巖抑制作用、水溶液活度、生物毒性以及對泥頁巖半透膜膜效率的影響規(guī)律進(jìn)行了測定,考察了DTG-1在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中對鉆井液流變性能和濾失造壁性能的影響,并對DTG-1穩(wěn)定井壁及改善鉆井液流型的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。研究表明,用淀粉合成的多羥基糖苷,具有一定的抑制泥頁巖水化膨脹、分散和提高泥頁巖的膜效率的作用,能有效降低鉆井液的水活度,屬于無毒、環(huán)保型鉆井液處理劑;DTG-1對高密度鉆井液具有很好的流型改善作用,用DTG-1配制的鉆井液具有組成簡單、流變性易調(diào)整、高溫穩(wěn)定性好、抗污染性強(qiáng)等特點(diǎn)。

多羥基糖苷;合成;鉆井液;井壁穩(wěn)定;性能評價(jià)

多羥基糖苷是一種用途廣泛的有機(jī)化工原料,具有無毒、無刺激性、生物降解性好、配伍性好、適用范圍廣泛的特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于化工、紡織、醫(yī)藥、食品、化妝品、石油、洗滌劑、涂料等行業(yè)[1]。

近年來,國外已有少量將多羥基糖苷產(chǎn)品應(yīng)用于鉆井液領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道。作者在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,室內(nèi)合成了多羥基糖苷DTG-1,著重考察了DTG-1的防塌性能、成膜性能、對鉆井液流變性的調(diào)節(jié)作用及其環(huán)保性能,并對其作用機(jī)理進(jìn)行了分析,揭示DTG-1在鉆井液領(lǐng)域的潛在用途,以期達(dá)到進(jìn)一步開發(fā)利用DTG-1的目的。

1 DTG-1的室內(nèi)合成和性能評價(jià)

1.1 DTG-1的室內(nèi)合成

DTG-1由淀粉經(jīng)高溫降解后制得。將淀粉、脂肪醇和其它原料加入反應(yīng)釜,按比例加入催化劑,加熱至一定溫度和壓力,反應(yīng)至預(yù)定時(shí)間后,得到棕黃色或棕褐色的透明液體,經(jīng)冷卻、結(jié)晶、過濾、蒸發(fā),得淡黃色固體即為DTG-1。

1.2 DTG-1性能評價(jià)

1.2.1 DTG-1頁巖抑制性能評價(jià)

(1）頁巖回收率實(shí)驗(yàn)

采用巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)評價(jià)DTG-1的抑制性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可以看出,DTG-1具有一定的抑制巖屑分散的作用,與無機(jī)鹽配合后抑制性增強(qiáng),但其抑制效果不如多元醇。

表1 頁巖回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment result of shale recovery ratio

(2）頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用NP-01線性膨脹儀。稱取干燥膨潤土10 g,放入配套的鋼筒內(nèi),在4 MPa壓力下壓制5 min制得巖心。將浸泡液倒入鋼筒,記錄巖心8 h的線性膨脹量,并按下式計(jì)算防膨率:

式中:R為防膨率,%;H1為巖心在實(shí)驗(yàn)液中的膨脹高度,mm;H2為巖心在蒸餾水中的膨脹高度,mm;H0為巖心在煤油中的膨脹高度,mm。

表2 膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Expansion experiment result

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出,DTG-1抑制泥頁巖水化膨脹的作用較弱,5%DTG-1水溶液的防膨率僅為10.6%。與鹽配合使用后,DTG-1抑制泥頁巖水化膨脹的能力有所增強(qiáng),但抑制性仍不理想。

1.2.2 DTG-1對泥頁巖膜效率的影響

大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[2,3],泥頁巖在大多數(shù)情況表現(xiàn)為非理想半透膜特性,水分子和溶質(zhì)都可通過泥頁巖移動(dòng),但溶質(zhì)分子的移動(dòng)速率低于水分子的移動(dòng)速率,表現(xiàn)為0＜σ＜1。因此,在保持鉆井液水活度與頁巖水活度之比一定的情況下,通過滲透作用控制水在鉆井液與泥頁巖之間遷移的關(guān)鍵因素是提高泥頁巖的膜效率。

泥頁巖膜效率測定采用泥頁巖井壁穩(wěn)定性水化/力學(xué)耦合模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行。為了評價(jià)處理劑對泥頁巖膜效率的影響,將在標(biāo)準(zhǔn)鹽水(其組分為7.0%NaCl+0.6%CaCl2+0.4%MgCl2·6H2O+92%蒸餾水）中抽真空飽和的巖心的膜效率,視為泥頁巖自身的膜效率σ1;在一定濃度的處理劑溶液中抽真空飽和的巖心的膜效率,為與處理劑作用后的巖心的膜效率σ2。膜效率提高率δ(%）計(jì)算如下:

表3 膜效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment result of membrane efficiency

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可以看出,泥頁巖巖心用標(biāo)準(zhǔn)鹽水飽和后,膜效率僅為0.046,而用含不同處理劑的標(biāo)準(zhǔn)鹽水溶液飽和后,巖樣的膜效率有不同程度的上升,表明DTG-1具有顯著的成膜特性,能有效改善泥頁巖的膜效率。

1.2.3 DTG-1對鉆井液水活度的影響

在泥頁巖膜效率一定的情況下,鉆井液的水活度越小,通過滲透作用進(jìn)入泥頁巖地層的水越少;在鉆井液的水活度低于地層水活度的情況下,可使地層出現(xiàn)去水化現(xiàn)象。因此,鉆井液的水活度越小越有利于井壁穩(wěn)定。每升水中加膨潤土40 g、工業(yè)純堿2 g,經(jīng)充分預(yù)水化后為淡水鉆井液,在淡水鉆井液中加入 7%NaCl,充分?jǐn)嚢韬鬄辂}水鉆井液。DTG-1對鉆井液水活度的影響見表4。由表4可以看出,在加量足夠的情況下,DTG-1能降低淡水鉆井液和鹽水鉆井液的水活度。

表4 DTG-1對鉆井液水活度的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment result of drilling fluids water activity influenced by DTG-1

1.2.4 毒性評價(jià)

隨著環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格,鉆井液處理劑的毒性日益受到重視。發(fā)光細(xì)菌法是快速測定鉆井液及鉆井液處理劑生物毒性的方法,該方法具有快速、簡便、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)[4]。其原理是根據(jù)發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度與物質(zhì)的生物毒性存在著明顯的相關(guān)關(guān)系的原理,利用靈敏的光度計(jì)(生物毒性測定儀）測定物質(zhì)對發(fā)光細(xì)菌發(fā)光能力的影響,即可測定出其生物毒性的大小。用EC50值(發(fā)光細(xì)菌發(fā)光能力減弱50%時(shí)待測樣品的濃度）表示物質(zhì)毒性的大小,EC50值越大,則所測樣品生物毒性越小。采用發(fā)光細(xì)菌法測得DTG-1的EC50值大于100 000 mg/L,參照文獻(xiàn)3介紹的生物毒性分級標(biāo)準(zhǔn)判斷,DTG-1屬于無毒類處理劑。

1.2.5 DTG-1對鉆井液性能的影響

為了考察DTG-1對鉆井液流變性能和濾失性能的影響,在鉆井液中加入DTG-1,測定了加入DTG-1前后鉆井液性能變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可以看出,DTG-1具有一定的降濾失作用;在高密度鉆井液中DTG-1具有良好的調(diào)節(jié)流型作用,能有效降低高密度鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切力,使高密度鉆井液具有很好的流動(dòng)性能。

表5 DTG-1對鉆井液性能的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

＊:基漿配制每升水中加膨潤土40 g,工業(yè)純堿1.5 g,充分預(yù)水化后為基漿。

2 DTG-1作用機(jī)理分析

2.1 DTG-1穩(wěn)定井壁作用機(jī)理

(1）DTG-1具有一定的頁巖抑制作用

DTG-1分子中含有親水性較強(qiáng)的羥基,可以通過氫鍵吸附在井壁巖石表面。倘若鉆井液中DTG-1的用量充足,便可以在井壁上形成一層吸附膜,起到一定的維護(hù)井壁穩(wěn)定的作用。

(2）DTG-1能有效改善泥頁巖膜效率并降低鉆井液水活度

根據(jù)滲透理論,當(dāng)鉆井液水活度低于泥頁巖中水活度時(shí),在滲透壓的作用下,泥頁巖中的水將向鉆井液移動(dòng),部分抵消因水力壓差作用進(jìn)入泥頁巖的水量,且泥頁巖膜效率越高,滲透壓越大,進(jìn)入泥頁巖地層的水量越小,越有利于井壁穩(wěn)定。由于DTG-1水化單體的尺寸較小,能進(jìn)入滲透率極低的泥頁巖孔隙,通過氫鍵與泥頁巖孔隙表面相互作用,在孔隙的表面吸附固定,減少了孔隙空間。根據(jù)泥頁巖半透膜影響因素的尺寸限制理論[4],孔隙空間的減少增加了較大尺寸的溶質(zhì)分子通過頁巖的難度,但尺寸較小的水分子仍可以自由通過,加大了溶質(zhì)分子與水分子通過泥頁巖的速度差異,導(dǎo)致泥頁巖的膜效率有大幅度提高。同時(shí),DTG-1的存在能有效地降低鉆井液的水活度。因此,提高泥頁巖膜效率及降低鉆井液水活度應(yīng)是DTG-1的主要防塌機(jī)理。

2.2 DTG-1改善鉆井液流型作用機(jī)理

DTG-1具有一定的降低界面張力的作用[1],使其分子易集中到固液界面形成一層吸附膜。DTG-1分子中含有親水性較強(qiáng)的羥基,具有強(qiáng)烈的親水作用。DTG-1在黏土顆粒的吸附增加了黏土顆粒的水化膜厚度,增強(qiáng)了黏土顆粒間的水化膜彈性斥力,降低了黏土顆粒碰撞后形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可能,故能起到降低鉆井液黏度與切力的作用。另外,DTG-1為有機(jī)物質(zhì),在加量較大的情況下能導(dǎo)致鉆井液的潤滑性大大增強(qiáng),有利于降低鉆井液體系的內(nèi)摩擦力,降低鉆井液的流動(dòng)阻力,改善鉆井液的流動(dòng)性。

3 結(jié)論

(1）以淀粉為主要原料,合成了新型多羥基糖苷DTG-1。DTG-1具有一定的抑制泥頁巖水化膨脹、分散的作用,能有效提高泥頁巖的膜效率、降低鉆井液的水活度,產(chǎn)品無毒,屬于環(huán)保型鉆井液處理劑。

(2）DTG-1不僅具有一定的降濾失作用,而且在高密度鉆井液中具有良好的調(diào)節(jié)流型作用,能有效降低高密度鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切力,使高密度鉆井液具有很好的流動(dòng)性能。

[1]楊朕堡,楊錦宗.烷基糖苷——新型世界級表面活性劑[J].化工進(jìn)展,1993(1）:43-48.

[2]丁銳,李健鷹.活度與半透膜對頁巖水化的影響[J].鉆井液與完井液,1994,11(3）:23-28.

[3]易紹金,向興金,肖穩(wěn)發(fā),等.油田化學(xué)劑生物毒性的測定及其分級標(biāo)準(zhǔn)[J].油氣田環(huán)境保護(hù),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

張華輝,男,1974年生,工程師,1998年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系,現(xiàn)主要從事鉆井液研究與技術(shù)服務(wù)工作。E-mail:z gsdwfh@126.com。