烷基糖苷鉆井液研究與應用進展

趙　虎，司西強，雷祖猛，李紅星，賈保旭，張小紅

1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院；2.中原石油工程有限公司鉆井三公司：河南濮陽 457001

烷基糖苷(APG)因其生物毒性小、生物降解完全、可再生資源等優異的環保性能被稱作21世紀綠色表面活性劑。20世紀90年代，國外首次形成烷基糖苷鉆井液體系并在墨西哥灣淺海區應用，表現出優良的井壁穩定、潤滑防卡和流型調節能力，用量為36%；21世紀在國內迅速發展，在大慶、勝利、遼河、新疆、中原等油田均有成功應用，因受到成本因素影響，APG加量低于15%，部分地層存在井壁失穩。因此，為保持APG高性能特性，又要降低成本，國內科研院所、高校、工程技術服務企業等開展了對產品改性升級或與其他處理劑復合形成高性能水基鉆井液的研究。筆者從糖苷結構分類，概述烷基糖苷和改性產品的鉆井液，以及無機鹽-烷基糖苷鉆井液的研究與應用現狀。

1　甲基葡萄糖苷(MEG)鉆井液

MEG分子結構上，有1個親油的甲基和4個親水的羥基。羥基可以吸附在井壁巖石和鉆屑上，而甲基則朝外。當加量足夠時，MEG可在井壁上形成一層膜，這種膜是只允許水分子通過，而不允許其他離子通過的半透膜。只要通過控制烷基糖苷鉆井液的活度，就可以實現活度平衡鉆井，控制鉆井液和地層內水的運移，從而達到抑制頁巖水化、保持井壁穩定的目的。另外，MEG分子結構成膜后，甲基朝外，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上形成潤滑膜，并參與泥餅的形成，提高鉆井液的潤滑性；MEG通過氫鍵吸附、交聯和護膠等作用，提高鉆井液中聚合物的抗溫耐受性，鉆井液抗溫達140 ℃以上。因其合成工藝簡單，產率高、成本低等優勢，MEG鉆井液研究與應用較為廣泛。

在墨西哥灣淺海地區，使用MEG鉆井液鉆了兩口井。為了降低鉆井液成本，采用36%MEG+9%NaCl復配降低鉆井液活度。在鉆進易出現問題的黏性地層時，平均鉆速達27.4 m/h，且鉆井液不會廢棄或不需要稀釋。完鉆參數良好，無鉆頭泥包或井眼密封現象，無填塞現象不需要泵入除屑劑，在滲透性砂巖層的水平井段中未發生扭轉受阻問題。第2口井最終產量在平臺上所有井中最高[1]。石油大學(北京)研制出MEG鉆井液，并于1999年在沙113井進行了首次現場試驗，以MEG為主劑，配以少量流變性調節劑、降濾失劑、暫堵劑、泥餅質量改進劑和稀釋劑XY-27等的鉆井液，具有優良的抑制黏土水化、分散的能力，井徑規則，電測取心一次成功，機械鉆速比同類井提高15%，但鉆遇強水敏井段690～1 190 m時出現了因鉆屑分散導致鉆井液漏斗黏度升高達105 s(密度1.13 g/cm3)[2]。勝利油田在鄭王莊和草104等區塊100余口井推廣MEG鉆井液，MEG母液加量30%左右(MEG濃度為50%)，表現出較好的抑制性、潤滑性和油氣層保護效果，草104和勝坨區塊井徑擴大率小于10%，起下鉆通暢；鄭364井中途測試表皮系數為-2，鄭369 井中途測試表皮系數為0，日產原油21 t，證明了該鉆井液的油層保護效果理想[3-4]。吐哈油田優選出MEG鉆井液，在吐哈油田溫5-41C等4口小井眼開窗側鉆井進行了應用，MEG加量為7%，配合使用KPAM、SPNH和XY-27等，抑制防塌效果好，無遇阻、卡現象；油層保護效果好，溫5-41C井投產后同比溫五區塊平均產量提高了128.4%；潤滑性強，突破了吐哈油田采用混原油提高鉆井液潤滑性的常規方式[5]。川慶鉆探優選出MEG鉆井液并在劍門1井進行了應用，MEG加量為7%，配合使用聚合醇、防塌降濾失劑和抗高溫降濾失劑等，成功解決了深井超長小井眼段的抗溫、潤滑防卡、膏鹽及鹽水污染、壓差卡鉆等復雜問題，順利鉆至井深7 009 m完鉆，創造了國內超深井小井眼段長2 005 m的記錄[6]。大港油田優選出MEG鉆井液應用在濱26X1井，MEG加量5%～7%，配合使用高分子聚合物AF、BST-Ⅱ和SMP-Ⅱ等，具有較強的懸浮攜砂和抑制防塌能力，在不添加其他潤滑劑的條件下，其潤滑性滿足定向鉆井的需要，油氣層保護效果好[7]。中原油田研究出的APG無土相鉆井液，在衛383-FP1等3口非常規水平井上進行了應用，APG母液加量10%～20%(MEG為主)，復配使用25%NaCl等，鉆井液具有較好地攜巖帶砂、潤滑防卡和抗溫抗污染能力，可滿足長水平段鉆井的施工需要，但抑制能力有待提高，部分長泥頁巖段存在井壁掉塊現象[8]。

此外，MEG鉆井液在伊美爾油田、大慶油田、克拉瑪依油田、昆北油田和遼東灣等均有相關的應用報道[9-13]。

2　乙基(ETG)和丙基(BEG和PEG)糖苷鉆井液

葡萄糖分子上引入非極性的烷基基團，可以得到非離子表面活性劑。隨著碳鏈的增長，其抗溫能力和井壁穩定能力逐漸提高，但油溶性增加，在界面的吸附能力、起泡性隨之提高， 如：1%己基糖苷水溶液起泡率為15%，辛基糖苷水溶液起泡率大于100%，難以滿足鉆井工程的需要。目前，僅有乙基葡萄糖苷和丙基葡萄糖苷鉆井液開展了相關的研究，未見應用報道。

中國石化勘探開發研究院利用葡萄糖與乙醇合成了ETG，并以其為主劑，形成了烷基糖苷鉆井液，ETG推薦加量為2%～5%。室內評價表明，該鉆井液較甲酸鉀、氯化鉀等鉆井液對新疆敏感地區水化分散能力較強的巖心具有更強的抑制能力；具有較強的熱穩定性，抗溫150 ℃；不易受無機鹽類和pH值的影響；抗鹽不小于5%，抗鈣不小于2%；油氣層保護效果好，滲透率值為89%；能生物降解，可用作環境敏感地區和海上鉆井[14]。中海油服利用淀粉和乙醇合成了ETG，并與MEG對比評價了鉆井液性能。評價表明，兩者非極性基團均太短，疏水性較弱，其吸附膜不能有效地隔離膨潤土和液體，表現為其抑制膨潤土水化膨脹、分散能力以及潤滑性能較弱，只有在含量足夠大(MEG 含量大于 30%，ETG 含量大于 20%)才體現出較好的性能。但由于 ETG 的非極性基團長于 MEG，其疏水性優于MEG，抑制膨潤土水化膨脹能力和潤滑性能也稍強[15]。中原鉆井院利用葡萄糖與乙醇合成了ETG，形成10%～20%ETG加量的鉆井液，頁巖滾動回收率為95%以上[16]。

勝利油田合成了正丙基糖苷BEG和異丙基糖苷PEG，推薦加量為7%，鉆井液頁巖滾動回收率分別為98.2%和96.6%，潤滑系數為0.027和0.029，較同等MEG加量下鉆井液抑制性和潤滑性有所提高；鉆井液加入10%NaCl，一定濃度的MgCl2或CaCl2，性能變化不大，表明體系具有良好的抗污染能力[17]。

3　醇羥基改性糖苷鉆井液

糖苷分子上的醇羥基具有較高的活性，易于分子修飾和分子擴鏈成抑制性更強、抗溫能力更高的糖苷衍生物，形成加量較低，性能更優的改性糖苷鉆井液。如：通過醚化和季銨化合成的陽離子烷基糖苷，接入聚醚和胺基合成的聚醚胺基烷基糖苷等，形成的鉆井液在四川、陜北、內蒙、中原、新疆等應用60余井次，滿足了頁巖氣、強水敏性泥巖等易坍塌地層長段水平井開發的需要。

3.1　陽離子烷基糖苷(CAPG)鉆井液

中原鉆井院針對MEG鉆井液加量大，抑制能力不足等問題，自主研發帶有陽離子結構的CAPG，分子結構上含有一個親油的烷基(—R)、三個親水的羥基(—OH)、一個親水的醚鍵(C—O—C)和一個強吸附的季銨陽離子(R1R2R3R4N+Cl-)。通過嵌入及拉緊黏土晶層、吸附成膜、降低水活度和形成封固層等多種化學和物理作用，2%～5%的加量即可形成強抑制鉆井液，并優選封堵材料等配伍處理劑，形成CAPG鉆井液體系[18]。該鉆井液共應用40余井次，在陜北3口長段水平井應用，解決了造斜段和水平段鉆遇泥巖、碳質泥巖和煤層等地層時的井壁失穩、托壓和卡鉆等井下復雜問題，靖南72-13H1在完井作業期間由于天氣原因等停達44天，通井正常，下完井管柱順利，較鄰井平均機械鉆速提高72%[19]。在中原小井眼側鉆井7口井應用，滿足了中原小井眼側鉆井安全快速鉆進的要求，施工井均順利完鉆，電測、下套管一次成功，文209-側7井應用井段平均井徑擴大率為11.4%，比鄰井降低44.6%[20]。在四川中江16H井應用，解決了井壁坍塌掉塊、長裸眼水平井鉆具摩阻大、易造漿地層高密度鉆井液流變性控制困難等難題，鉆井液密度最高1.99 g/cm3，定向鉆進正常；易坍塌井段平均井徑擴大率7.03%，較鄰井降低33.9%，鉆完井作業順利[21]。

3.2　聚醚胺基烷基糖苷NAPG鉆井液

中原鉆井院對APG改性研制出非離子的NAPG，分子結構包括一個親油的烷基(—R)、三個親水的羥基(—OH)、1～3個相連的葡萄糖環、一個親水的聚醚基團([C—O—C]m)和一個強吸附的多胺基團(H[N—C—C]nNH2)。通過嵌入及拉緊晶層，多點吸附、成膜阻水，堵塞填充孔隙、形成封固層，吸附包被等，大幅提升鉆井液的抑制性，根據地層水敏性不同，形成NAPG(0.5%～2%加量)防塌鉆井液和類油基(20%NAPG)鉆井液體系。該鉆井液共應用20余井次，在新疆順南6井二開段應用了NAPG防塌鉆井液，轉換后掉塊逐漸減少，直至消失，石炭系等平均井徑擴大率為3.92%，較鄰井降低77.3%，井壁穩定效果明顯；在金躍4-3井二開段應用了NAPG防塌鉆井液，轉換后掉塊減少，逐漸消失，解決了該井段掉塊多，劃眼困難的難題；在陜北云頁-平6井二開造斜段應用了類油基鉆井液，解決了石千峰組和石盒子組軟泥巖的地層造漿和鉆頭泥包難題，定向順利，起下鉆摩阻僅為2～4 t，電測、下套管一次成功，造斜段井徑擴大率僅4.89%，較鄰井同層段降低75.8%。

3.3　烷基糖苷衍生物ZY-APD鉆井液

中原鉆井院開展了吸附量、Zeta電位和龍馬溪頁巖浸泡實驗等抑制性評價，極壓潤滑系數、泥餅黏滯系數和抗磨性能測試等潤滑性評價，以及對鉆井液流變性影響等研究，優化出最優的NAPG、CAPG和APG加量和配比，級配納米-微米封堵材料粒徑，優選極壓潤滑劑等配伍處理劑，形成ZY-APD高性能水基鉆井液。在昭通和長寧頁巖氣應用3井次，水平段最長1 700 m，解決了石牛欄組和龍馬溪組地層破碎帶的坍塌掉塊問題，起下鉆、下套管暢通，避免了同類井應用水基鉆井液鉆井出現的復雜情況，同比該區塊國內外高性能水基鉆井液技術和成本優勢明顯[22]。

4　甲氧基改性糖苷鉆井液

針對MEG 中的非極性基團(甲基)太短，疏水性較弱，MEG 吸附膜不能有效地把井壁巖石與鉆井液隔離，抑制性較弱的特點，采用三甲基硅烷基等多支鏈結構替代甲基，增大空間位阻，增強糖苷結構的疏水性，又降低了起泡性因素，具有較強的抑制性。目前，該類鉆井液處于室內研究階段。西安石油大學通過葡萄糖與三甲基氯硅烷合成了三甲基硅烷基葡萄糖苷(TSG)，并考察了TSG 對黏土水化膨脹、分散的抑制作用，膨潤土在10%TSG水溶液中的線性膨脹率為54.62%，較在同濃度MEG溶液降低20%；泥球水化膨脹實驗較MEG有較大改觀；對水基鉆井液有一定的增黏作用，0.1%加量對鉆井液性能濾失量影響不大，可降低摩阻系數，大于1%加量引起鉆井液pH值顯著降低，濾失量劇增[23]。另外，該校還利用氯乙酸鈉和葡萄糖制成了羧甲基糖苷，利用2，3-環氧丙基三甲基氯化銨和葡萄糖制成的季銨型糖苷(GTA)，利用葡萄糖和環氧氯丙烷制成的雙聯糖苷，均可降低膨潤土的線性膨脹率，但未見相關鉆井液的研究報道[24]。

5　糖環取代糖苷鉆井液

碳鏈較長的APG起泡嚴重，在糖環結構上引入磺甲基，將APG改性為陰離子型表面活性劑，提高HLB值，水溶性隨之提高，起泡性降低。同時，磺甲基是供電子基團，能使其與相鄰的碳原子電子云的密度增加，從而提高C—C鍵和C—O鍵的鍵能，因此抗溫能力也能夠相應得到提高[25]。目前，該類鉆井液處于研究和初期應用階段。

中國石化勘探開發研究院將ETG改性成磺甲基乙基葡萄糖苷(SEG)，加入2%SEG膨潤土漿較ETG膨潤土漿泥頁巖的回收率高，膨脹率低；加量1.5% SEG起泡量僅有ETG的1/3，5 min后起泡量為0；可提高聚合物PAC的抗溫至180 ℃[26]。渤海鉆探鉆井工藝研究合成了SEG，SEG 溶液的頁巖膨脹率、回收率均比ETG提升較多，SEG加量5%～10%能達到很好的抑制效果；20%極壓潤滑系數降低率為 70.36%，與ETG相當；抗溫180 ℃，可用來配制中深井防塌水基鉆井液[27]。勝利油田合成了磺甲基乙基葡萄糖苷(MOH-C)，復配使用FT-1和聚合醇等，形成新型多羥基聚合物鉆井液體系，并在陽252井等3口井上進行了現場應用，解決了硬脆性頁巖的井壁穩定難題，摩阻系數小、鉆速快，能夠滿足深井、特殊工藝井等復雜井的要求，盤斜5井實際建井周期為28 d，比設計縮短44%，節約了鉆井成本[28]。

6　無機鹽-烷基糖苷鉆井液

APG通過氫鍵等吸附、交聯和護膠等作用，提高鉆井液中聚合物的抗溫和抗污染能力，有助于解決無機鹽鉆井液流變參數難以控制，濾失量偏高等技術難題，而且不影響無機鹽的存在形式，可協同提高鉆井液的抑制能力。目前，該類鉆井液主要有硅酸鹽-烷基糖苷鉆井液和氯化鈣-烷基糖苷鉆井液等，現處于研究和初期應用階段。

中國石化勘探開發研究院研究了硅酸鹽-烷基糖苷鉆井液，主要采用2%～4%硅酸鹽、10%ETG、4%～5%KCl等處理劑。室內評價表明，5%硫酸鈣、25%氯化鈉等污染150 ℃熱滾24 h性能良好，鉆井液具有較好的抗鹽侵和石膏侵能力；10.5%膨潤土污染150 ℃熱滾24 h表觀黏度僅上升4.5 mPa·s，鉆井液具有較好的固相承載能力；滾動回收率為86.2%，線性膨脹率為16.3%，泥頁巖穩定效果良好[29]。中原鉆井院形成了無土相硅酸鹽-烷基葡萄糖苷鉆井液，主要采用5%Na2SiO3、5%～10%APG、4%封堵劑等處理劑，在內蒙意7井和意11井火山巖井段進行了應用，火山巖厚度分別為477 m和803 m，平均井徑擴大率為5.9%，較鄰井降低41.5%～54.6%，解決了查干凹陷火山巖井壁失穩、泥巖地層縮徑和坍塌、鉆井液流變性難以控制以及鉆井速度慢等技術難題，在鉆井周期、機械鉆速、井徑擴大率等多項技術指標創該區塊新紀錄[30]。

中原鉆井院研究了氯化鈣-烷基糖苷鉆井液，有較低的水活度(0.40～0.76)，與頁巖氣水平段鉆屑活度范圍(0.35～0.70)較為一致，可較好地與地層達到滲透平衡。焦石壩區塊露頭巖心在該鉆井液中浸泡30 d狀態完好，抗壓強度降低較少，與在油基鉆井液相當，鉆井液潤滑性與同密度油基鉆井液相當。適用密度范圍1.20～2.00 g/cm3，抗溫130 ℃，抗鉆屑、水浸和原油污染能力較強[31]。

7　結語

1)隨著環保要求的提高，烷基糖苷鉆井液因其類油基特性和優良的環保性能，有望在頁巖等水敏地層開發中，常規水基鉆井液不能解決，而油基鉆井液應用受限的地區得以發展。目前，烷基糖苷鉆井液研究和應用仍處于初期階段。

2)烷基糖苷在鉆井液方面的應用研究可以這些方面加強：圍繞糖苷分子結構進行改性升級，提升性能、減小加量、降低鉆井液成本；開展納-微米封堵劑、納米潤滑劑等配伍處理劑研選，形成強抑制、強封堵和高效潤滑的高性能水基鉆井液，以滿足頁巖等水敏地層的鉆完井需求；在烷基糖苷和無機鹽、胺基抑制劑和聚合醇等協同作用方面深入研究，進一步擴大烷基糖苷鉆井液的應用范圍；開展長期穩定性和生物降解性研究，確定合理再利用周期，便于該類鉆井液的規模化應用。

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