聚醚胺基烷基糖苷的中試生產及應用

王忠瑾

中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001

20世紀90年代至今，經過20多年的發展，烷基糖苷鉆井液已經形成為較為成熟的水基鉆井液體系[1-3]。但是，近年來由于鉆遇的地層越來越復雜，隨著深井、超深井越來越多，致密油氣藏、頁巖油氣水平井的大力開發，對鉆井液的性能要求越來越高。烷基糖苷雖然潤滑性較好，適合鉆探致密砂巖地層，但其不能解決大段泥巖及泥頁巖的井壁失穩問題，自身的抑制性能有待提高，極大限制了其繼續推廣應用[4-10]。針對該問題，通過對烷基糖苷進行改性，研發成本低、高性能的改性烷基糖苷產品將會是烷基糖苷鉆井液實現突破性發展的關鍵[11-15]。2013年以來，中石化中原石油工程有限公司自主研發了聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)產品，該產品具有良好的抑制性、抗溫性和潤滑性，且加量小成本低，可以直接作為泥頁巖抑制劑使用或作為主劑形成聚醚胺基烷基糖苷鉆井液使用，替代現有的烷基糖苷。該產品在文23儲氣庫現場應用60口井，有效抑制了泥巖及砂泥巖的水化膨脹分散，解決了微泡鉆井液低密度條件下的井壁穩定難題，具有較好的經濟效益和社會效益。

1 聚醚胺基烷基糖苷中試生產

1.1 原料與設備

環氧化合物、烷基糖苷、多元醇、固體有機酸、有機胺，均為工業品。

50 L中試反應釜；3 m3中試反應釜；中試放大生產配備水蒸汽加熱、冷凝回流、攪拌、降溫裝置；防爆齒輪泵；所用進料管匯采用橡膠管。

1.2 小試探索

在聚醚胺基烷基糖苷室內合成的基礎上，進行產品的小試探索試驗。小試試驗在50 L小容量反應釜中進行反應，反應釜為水浴加熱，配備攪拌裝置和冷凝回流裝置。根據產品的室內合成工藝參數，初步確定產品小試工藝參數為：攪拌速度>300 r/min；n(環氧化物)∶n(多元醇)∶n(烷基糖苷)為2∶1∶(3.0～3.5)，聚醚烷基糖苷合成反應溫度為90～100 ℃，反應時間為2～4 h；n(聚醚糖苷)∶n(有機胺)為1∶(0.5～1.0)，有機胺加料方式為直接加入，在室溫下靠自身放熱保證反應所需溫度，反應時間為1～3 h。

小試試驗工藝與室內合成工藝略有不同。室內合成分3步反應：1)合成聚醚；2)聚醚與烷基糖苷合成烷基糖苷聚醚；3)烷基糖苷聚醚與有機胺合成聚醚胺基烷基糖苷。而小試試驗將反應步驟1)和2)合為一步，這樣既縮短了反應時間，又不會對產品性能造成影響。產品性能評價結果表明，小試產品具有優異的抑制性能和優良的抗溫性能，小試產品性能評價結果與室內產品一致。

1.3 中試放大

中試放大試驗的主要目的是優化聚醚胺基烷基糖苷產品的生產工藝及關鍵技術參數，降低工業生產的技術風險。結合室內合成工藝和小試試驗工藝，開展產品中試生產，得到目標產品。生產設備采用3 m3的大容量反應釜，配備攪拌裝置、冷凝回流裝置和降溫裝置。中試放大工藝流程見圖1。

圖1 NAPG中試放大工藝流程圖

中試生產工藝操作步驟為：1)將0.5 t環氧化合物、0.075 t固體有機酸、0.25 t多元醇、1.2 t烷基糖苷加入反應釜，攪拌均勻，在95～100 ℃反應1～4 h，降至室溫。2)在上述反應液中緩慢泵入0.25 t有機胺，保持溫度在70 ℃左右，反應1～3 h。降至室溫，即得紅褐色粘稠狀的聚醚胺基烷基糖苷產品；3)對產品隨機取樣測試其性能，確保產品質量合格；4)出料，裝桶，張貼產品標簽及合格證，在陰涼處保存備用。

NAPG產品中試生產過程中需注意安全。為確保安全，中試放大工作人員在實際試驗過程中需按規定佩戴口罩、防護服等勞保用品；NAPG產品中試放大過程及結束后無廢水、廢氣、廢渣排放，不會造成環境問題；NAPG產品生產成本主要是加熱所需燃料和攪拌所需電力，能耗較低。中試放大操作過程需遵循并注意事項：嚴格遵守規章制度和工藝操作規程，不得隨意更改；及時記錄觀察反應現象；若反應現象出現異常，如反應熱效應顯著、出現暴沸等異常時，應采取相應的應急措施；保證設備正常運轉，若出現異常時，如突發停電、停水情況時，應立刻采取必要的應急措施；試驗人員應有高度的責任心，應密切關注試驗過程，及時采取措施解決預見或未預見性的問題。

1.4 聚醚胺基烷基糖苷應用成本

與烷基糖苷產品相比，聚醚胺基烷基糖苷在加量較小時具有較好的抑制防塌效果，NAPG加量為普通烷基糖苷的1/10時，作為抑制劑，能夠達到較好的抑制效果。與烷基糖苷相比，聚醚胺基烷基糖苷綜合應用成本降低80%～85%。聚醚胺基烷基糖苷作為烷基糖苷的升級換代產品，在抑制性能和綜合成本上都具有明顯的優勢，表現出較好的經濟效益和社會效益，推廣應用前景廣闊。

2 聚醚胺基烷基糖苷中試產品的抑制性能評價

2.1 巖屑滾動回收率

對不同加量的NAPG水溶液進行巖屑回收率評價實驗，所用巖屑為馬12井2 765 m處4～10目(篩孔徑為1.74～5.45 mm)的巖心，巖屑采用40目篩網回收。巖屑的一次回收率實驗條件為：130 ℃，16 h；巖屑二次回收率實驗條件為：130 ℃，2 h。實驗結果見表1。

表1 巖屑滾動回收率實驗結果

由表1可知，當NAPG加量為3 kg/m3時，巖屑滾動回收率為97.85%，巖屑的二次回收率為97.55%，相對回收率為99.69%。結果表明：較低NAPG加量即可對巖屑的水化膨脹、分散起到較強的抑制作用。NAPG加入鉆井液可保證鉆井液具有較好的抑制防塌能力，減少井下由于井壁失穩造成復雜狀況，降低鉆井成本，NAPG表現出良好的經濟效益。

2.2 相對抑制率

考察了NAPG含量對鈣土相對抑制率的影響。實驗條件為：150 ℃，16 h。NAPG含量對鈣土的相對抑制率結果見圖2。

圖2 NAPG含量對鈣土的相對抑制率影響

由圖2可見，當NAPG加量為3 kg/m3時，對鈣土的相對抑制率達95%；當NAPG含量達10 kg/m3時，對鈣土的相對抑制率達99%以上。實驗結果表明，NAPG在較低含量下即可對鈣土表現出較好的抑制效果。

3 現場應用

經過室內研究及中試生產出合格產品125 t，并在文23儲氣庫60口井進行了現場應用。現以文23儲11-8井為例分析應用效果。

文23儲11-8井地理位置位于河南省濮陽縣文留鎮蟲王廟村，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構造。目的層沙四下亞段(S4下)頂部為厚-中、薄層灰色粉砂巖與中、薄層灰色、紫色、暗紫紅色泥巖不等厚互層，局部夾灰色泥質粉砂巖。底部以中-厚層紫色、暗紫紅色泥巖、粉砂質泥巖為主，局部夾棕色泥質粉砂巖。泥巖發育地層易水化膨脹分散造成井壁失穩、掉塊，導致井下復雜事故。

文23儲氣庫采用密度范圍0.90 ～1.05 g/cm3微泡鉆井液體系，微泡鉆井液的配方見表2。為提高鉆井液抑制性和潤滑性能，綜合考慮成本及性能，在鉆進的過程中加入5 ～10 kg/m3的NAPG，大大提高了微泡鉆井液的抑制性能，有效解決了低密度條件下泥巖井段的井壁失穩難題。并且保持了較高的機械鉆速，應用井段平均機械鉆速為20.9 m/h。文23儲11-8井應用井段井徑擴大率曲線見圖3。

表2 微泡鉆井液的主要組成

由圖3可知，文23儲11-8井應用井段井徑擴大率較小，井徑規則，2 809～3 117 m井段平均井徑擴大率僅為1.02%。說明在原微泡鉆井液體系基礎上加入強抑制劑NAPG后，在較低密度條件下解決了泥巖的水化分散及井壁失穩問題。

圖3 文23儲11-8井應用井段平均井徑擴大率

4 結論

在室內研究基礎上，開展了聚醚胺基烷基糖苷的中試生產，形成了成熟的NAPG生產工藝，生產出125 t，在文23儲氣庫現場應用60口井，應用效果顯著，井壁穩定效果明顯，現場應用的60口井，井徑擴大率僅為3.28%，有效地解決了微泡鉆井液低密度條件下泥巖的井壁穩定難題，且與微泡鉆井液配伍性好，NAPG有較好推廣應用前景。