鉆井液用磺化胺基烷基糖苷高效潤滑劑的研制及性能

司西強(qiáng)，王中華

(中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

近年來，高溫深井超深井、長水平段水平井等高難度井越來越多，對鉆井液潤滑防卡要求越來越高[1-5]。在鉆井液中混入原油等礦物油環(huán)保問題突出，因此，研發(fā)綠色高性能潤滑劑已成為主要發(fā)展趨勢[6-8]。在鉆井液中加入植物油酯、動物油脂類潤滑劑[9-10]不能很好地滿足目前高溫深井超深井、長水平段水平井的高摩阻控制要求。

以烷基糖苷[11-16]為母體，研發(fā)高潤滑、低加量、強(qiáng)吸附、抗高溫的磺化胺基烷基糖苷(LAPG)產(chǎn)品，可有效解決高溫深井超深井、長水平段水平井的高摩阻控制難題。本文對磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品進(jìn)行了合成研究及性能評價(jià)，以期對國內(nèi)外鉆井液同行有一定借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

烷基糖苷、磺化試劑、鈉膨潤土均為工業(yè)品；環(huán)氧橋接劑、多元醇、三烷基醇胺、長鏈烷基苯磺酸均為分析純。

ZNCL-TS恒溫磁力攪拌器；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；XGRL-4A高溫滾子加熱爐；LHG-2老化罐；GJS-B12K變頻高速攪拌機(jī)；EP-2A極壓潤滑儀；DZF-6050真空干燥箱；BL200S精密電子天平；FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 基漿配制方法

5.0%膨潤土漿的配制方法：在1 L水中加入2.5 g無水碳酸鈉和50 g鈉膨潤土，攪拌20 min后，室溫養(yǎng)護(hù)24 h后制得。

1.3 產(chǎn)品分子設(shè)計(jì)及合成研究

1.3.1 產(chǎn)品理論分子設(shè)計(jì) 磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品的理論分子設(shè)計(jì)思路如下：

(1)以環(huán)保、潤滑性好的烷基糖苷為母體單元，引入胺基提高產(chǎn)品分子的吸附能力，同時，胺基具有抑菌殺菌作用，且增大位阻效應(yīng)，延緩降解，提高產(chǎn)品分子的抗高溫能力。

(2)引入磺酸基，產(chǎn)品分子由非離子型轉(zhuǎn)變?yōu)殛庪x子型，可提高分子配伍性和抗鈣能力；引入長鏈烷基提高產(chǎn)品分子的成膜潤滑能力。

(3)磺胺基烷基糖苷產(chǎn)品分子具有抗高溫潤滑性好、低加量、強(qiáng)吸附、配伍性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

依據(jù)上述分子設(shè)計(jì)思路，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品應(yīng)具有以下理論分子結(jié)構(gòu)，見圖1。

2.C 提示:NaHCO3不是化肥,A項(xiàng)錯誤。氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1∶2,B項(xiàng)錯誤。制NaHCO3時是向飽和NaCl溶液中依次通入NH3和CO2,D項(xiàng)錯誤。

圖1 磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品理論分子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Theoretical molecular design structure of sulfonated amino alkyl polyglucoside

對圖1中磺化胺基烷基糖苷的理論分子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理拆分，可以得到產(chǎn)品合成所需原料主要包括烷基糖苷、環(huán)氧橋接劑、多元醇、磺化試劑、三烷基醇胺等，所用催化劑為長鏈烷基苯磺酸。

1.3.2 產(chǎn)品合成研究 磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品的合成方法如下：

將0.4 mol烷基糖苷APG、0.06 mol長鏈烷基苯磺酸、0.04 mol環(huán)氧橋接劑、0.06 mol多元醇、0.08 mol磺化試劑加入配有冷凝回流裝置和攪拌裝置的四口燒瓶中，在1 000 r/min攪拌速度下混合均勻，升溫至90～105 ℃，反應(yīng)1.0～2.0 h；在上述反應(yīng)液中加入0.6～1.0 mol三烷基醇胺，攪拌混合均勻，在70～90 ℃下反應(yīng)3.0～5.0 h，降至室溫，得到紅褐色粘稠狀液體，即為磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品的紅外光譜圖見圖2。

圖2 磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrum of sulfonated amino alkyl polyglucoside

由圖2可知，2 830～2 950 cm-1為甲基和亞甲基中C—H鍵的伸縮振動峰，1 500 cm-1為C—O—C的伸縮振動峰，可確定有糖苷結(jié)構(gòu)；1 419 cm-1為C—N鍵的吸收峰，3 380 cm-1為N—H的吸收峰，可確定含有胺的結(jié)構(gòu)；1 068 cm-1為磺酸基的特征吸收峰，可確定含有磺酸基團(tuán)。綜合上述分析結(jié)果，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)中含有糖苷、醚鍵、C—N鍵、胺基、磺酸基等特征結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了產(chǎn)品分子設(shè)計(jì)思路的準(zhǔn)確性。

2.2 產(chǎn)品性能評價(jià)

2.2.1 潤滑性能 對不同含量磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品水溶液的潤滑性能進(jìn)行了評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同含量磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品的極壓潤滑系數(shù)Fig.3 Lubrication coefficient of sulfonated amino alkyl polyglucoside with different contents

2.2.2 抗溫性能 不同老化溫度下，對1.0%磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品在5.0%膨潤土漿(基漿)中的潤滑性能進(jìn)行了評價(jià)，老化實(shí)驗(yàn)條件：不同溫度，16 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同老化溫度下磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品對5.0%膨潤土漿潤滑性能的影響Table 1 Effect of sulfonated amino alkyl polyglucoside on lubrication performance of 5.0% bentonite slurry at different aging temperatures

由表1可知，隨著老化溫度的升高，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品在5.0%膨潤土漿中的潤滑系數(shù)呈逐漸升高趨勢，但潤滑系數(shù)降低率在200 ℃高溫老化后仍高達(dá)81.98%。綜合分析認(rèn)為，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品抗溫達(dá)200 ℃，適用于高溫地層的潤滑防卡。

2.2.3 配伍性能 考察了不同含量磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品對5.0%膨潤土漿(基漿)流變性能及濾失性能的影響。老化實(shí)驗(yàn)條件：160 ℃，16 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同含量磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品對膨潤土漿流變及濾失性能影響結(jié)果Table 2 Effects of different contents of sulfonated amino alkyl polyglucoside on rheological and filtration properties of bentonite slurry

由表2可知，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品對5.0%膨潤土漿的流變性能影響不大，隨著加量增大，膨潤土漿的表觀黏度基本不變；產(chǎn)品對5.0%膨潤土漿具有顯著的降濾失作用。具體來說，加入1.0%LAPG產(chǎn)品后，基漿的表觀黏度由4.0 mPa·s升高至5.0 mPa·s，表觀黏度變化值僅為1.0 mPa·s，中壓濾失量由39.0 mL降至32.0 mL，中壓濾失量降低值達(dá)7.0 mL。綜合分析認(rèn)為，磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品對膨潤土漿流變性基本無影響，濾失量顯著降低，表現(xiàn)出突出的配伍性能。

2.2.4 生物毒性 采用發(fā)光細(xì)菌法評價(jià)了磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品的生物毒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所合成LAPG產(chǎn)品樣品的EC50值為489 700 mg/L，遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)30 000 mg/L(參照國標(biāo)：GB/T 15441—1995 水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法)。得出結(jié)論為，合成得到的磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品無生物毒性，綠色環(huán)保。

3 結(jié)論

(1)在烷基糖苷環(huán)保及潤滑性能優(yōu)勢基礎(chǔ)上，通過分子理論設(shè)計(jì)，引入磺酸基、胺基、長鏈烷基等功能基團(tuán)，制備得到了高潤滑、低加量、強(qiáng)吸附、抗高溫的磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品。

(2)研究得到了磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品制備方法。將反應(yīng)原料按一定配比，在一定反應(yīng)溫度和時間下發(fā)生胺化和磺化反應(yīng)，制備得到了磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品；表征結(jié)果驗(yàn)證了產(chǎn)品理論分子設(shè)計(jì)思路的準(zhǔn)確性。

(3)得到了磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品性能評價(jià)結(jié)果。0.2%產(chǎn)品水溶液極壓潤滑系數(shù)為0.058 2；產(chǎn)品抗溫達(dá)200 ℃；加量為1.0%時可使5.0%膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)81.98%；對鉆井液表觀粘度基本無影響，具有顯著降濾失作用；無生物毒性，綠色環(huán)保。

(4)磺化胺基烷基糖苷產(chǎn)品可有效解決高溫深井超深井、長水平段水平井、大位移井的高摩阻控制難題，避免托壓卡鉆等井下情況發(fā)生，滿足現(xiàn)場綠色、安全、高效鉆進(jìn)，應(yīng)用前景廣闊。