王忠瑾

中國(guó)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

20世紀(jì)90年代至今，經(jīng)過20多年的發(fā)展，烷基糖苷鉆井液已經(jīng)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(fù)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(fā)，對(duì)鉆井液的性能要求越來越高。烷基糖苷雖然潤(rùn)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(wěn)問題，自身的抑制性能有待提高，極大限制了其繼續(xù)推廣應(yīng)用[4-10]。針對(duì)該問題，通過對(duì)烷基糖苷進(jìn)行改性，研發(fā)成本低、高性能的改性烷基糖苷產(chǎn)品將會(huì)是烷基糖苷鉆井液實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展的關(guān)鍵[11-15]。2013年以來，中石化中原石油工程有限公司自主研發(fā)了聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有良好的抑制性、抗溫性和潤(rùn)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(xiàn)有的烷基糖苷。該產(chǎn)品在文23儲(chǔ)氣庫現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(wěn)定難題，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 聚醚胺基烷基糖苷中試生產(chǎn)

1.1 原料與設(shè)備

環(huán)氧化合物、烷基糖苷、多元醇、固體有機(jī)酸、有機(jī)胺，均為工業(yè)品。

50 L中試反應(yīng)釜；3 m3中試反應(yīng)釜；中試放大生產(chǎn)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(jìn)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(nèi)合成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)品的小試探索試驗(yàn)。小試試驗(yàn)在50 L小容量反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)釜為水浴加熱，配備攪拌裝置和冷凝回流裝置。根據(jù)產(chǎn)品的室內(nèi)合成工藝參數(shù)，初步確定產(chǎn)品小試工藝參數(shù)為：攪拌速度>300 r/min；n(環(huán)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(yīng)溫度為90～100 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2～4 h；n(聚醚糖苷)∶n(有機(jī)胺)為1∶(0.5～1.0)，有機(jī)胺加料方式為直接加入，在室溫下靠自身放熱保證反應(yīng)所需溫度，反應(yīng)時(shí)間為1～3 h。

小試試驗(yàn)工藝與室內(nèi)合成工藝略有不同。室內(nèi)合成分3步反應(yīng)：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(jī)胺合成聚醚胺基烷基糖苷。而小試試驗(yàn)將反應(yīng)步驟1)和2)合為一步，這樣既縮短了反應(yīng)時(shí)間，又不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能造成影響。產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，小試產(chǎn)品具有優(yōu)異的抑制性能和優(yōu)良的抗溫性能，小試產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)結(jié)果與室內(nèi)產(chǎn)品一致。

1.3 中試放大

中試放大試驗(yàn)的主要目的是優(yōu)化聚醚胺基烷基糖苷產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，降低工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合室內(nèi)合成工藝和小試試驗(yàn)工藝，開展產(chǎn)品中試生產(chǎn)，得到目標(biāo)產(chǎn)品。生產(chǎn)設(shè)備采用3 m3的大容量反應(yīng)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(chǎn)工藝操作步驟為：1)將0.5 t環(huán)氧化合物、0.075 t固體有機(jī)酸、0.25 t多元醇、1.2 t烷基糖苷加入反應(yīng)釜，攪拌均勻，在95～100 ℃反應(yīng)1～4 h，降至室溫。2)在上述反應(yīng)液中緩慢泵入0.25 t有機(jī)胺，保持溫度在70 ℃左右，反應(yīng)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(chǎn)品；3)對(duì)產(chǎn)品隨機(jī)取樣測(cè)試其性能，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格；4)出料，裝桶，張貼產(chǎn)品標(biāo)簽及合格證，在陰涼處保存?zhèn)溆谩?/p>

NAPG產(chǎn)品中試生產(chǎn)過程中需注意安全。為確保安全，中試放大工作人員在實(shí)際試驗(yàn)過程中需按規(guī)定佩戴口罩、防護(hù)服等勞保用品；NAPG產(chǎn)品中試放大過程及結(jié)束后無廢水、廢氣、廢渣排放，不會(huì)造成環(huán)境問題；NAPG產(chǎn)品生產(chǎn)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(xiàng)：嚴(yán)格遵守規(guī)章制度和工藝操作規(guī)程，不得隨意更改；及時(shí)記錄觀察反應(yīng)現(xiàn)象；若反應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)異常，如反應(yīng)熱效應(yīng)顯著、出現(xiàn)暴沸等異常時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施；保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，若出現(xiàn)異常時(shí)，如突發(fā)停電、停水情況時(shí)，應(yīng)立刻采取必要的應(yīng)急措施；試驗(yàn)人員應(yīng)有高度的責(zé)任心，應(yīng)密切關(guān)注試驗(yàn)過程，及時(shí)采取措施解決預(yù)見或未預(yù)見性的問題。

1.4 聚醚胺基烷基糖苷應(yīng)用成本

與烷基糖苷產(chǎn)品相比，聚醚胺基烷基糖苷在加量較小時(shí)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(shí)，作為抑制劑，能夠達(dá)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(yīng)用成本降低80%～85%。聚醚胺基烷基糖苷作為烷基糖苷的升級(jí)換代產(chǎn)品，在抑制性能和綜合成本上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

2 聚醚胺基烷基糖苷中試產(chǎn)品的抑制性能評(píng)價(jià)

2.1 巖屑滾動(dòng)回收率

對(duì)不同加量的NAPG水溶液進(jìn)行巖屑回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，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(wǎng)回收。巖屑的一次回收率實(shí)驗(yàn)條件為：130 ℃，16 h；巖屑二次回收率實(shí)驗(yàn)條件為：130 ℃，2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)NAPG加量為3 kg/m3時(shí)，巖屑滾動(dòng)回收率為97.85%，巖屑的二次回收率為97.55%，相對(duì)回收率為99.69%。結(jié)果表明：較低NAPG加量即可對(duì)巖屑的水化膨脹、分散起到較強(qiáng)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(wěn)造成復(fù)雜狀況，降低鉆井成本，NAPG表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 相對(duì)抑制率

考察了NAPG含量對(duì)鈣土相對(duì)抑制率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：150 ℃，16 h。NAPG含量對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率結(jié)果見圖2。

圖2 NAPG含量對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率影響

由圖2可見，當(dāng)NAPG加量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率達(dá)95%；當(dāng)NAPG含量達(dá)10 kg/m3時(shí)，對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率達(dá)99%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NAPG在較低含量下即可對(duì)鈣土表現(xiàn)出較好的抑制效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過室內(nèi)研究及中試生產(chǎn)出合格產(chǎn)品125 t，并在文23儲(chǔ)氣庫60口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)以文23儲(chǔ)11-8井為例分析應(yīng)用效果。

文23儲(chǔ)11-8井地理位置位于河南省濮陽縣文留鎮(zhèn)蟲王廟村，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構(gòu)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(zhì)粉砂巖。底部以中-厚層紫色、暗紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部夾棕色泥質(zhì)粉砂巖。泥巖發(fā)育地層易水化膨脹分散造成井壁失穩(wěn)、掉塊，導(dǎo)致井下復(fù)雜事故。

文23儲(chǔ)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(rùn)滑性能，綜合考慮成本及性能，在鉆進(jìn)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(wěn)難題。并且保持了較高的機(jī)械鉆速，應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速為20.9 m/h。文23儲(chǔ)11-8井應(yīng)用井段井徑擴(kuò)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(chǔ)11-8井應(yīng)用井段井徑擴(kuò)大率較小，井徑規(guī)則，2 809～3 117 m井段平均井徑擴(kuò)大率僅為1.02%。說明在原微泡鉆井液體系基礎(chǔ)上加入強(qiáng)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(wěn)問題。

圖3 文23儲(chǔ)11-8井應(yīng)用井段平均井徑擴(kuò)大率

4 結(jié)論

在室內(nèi)研究基礎(chǔ)上，開展了聚醚胺基烷基糖苷的中試生產(chǎn)，形成了成熟的NAPG生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出125 t，在文23儲(chǔ)氣庫現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用60口井，應(yīng)用效果顯著，井壁穩(wěn)定效果明顯，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的60口井，井徑擴(kuò)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(wěn)定難題，且與微泡鉆井液配伍性好，NAPG有較好推廣應(yīng)用前景。