勇志華 張 帆 劉雄雄,3 董三寶

1. 西安石油大學化學化工學院 2．西安石油大學石油工程學院 3．中國工商銀行府谷縣支行

0 引言

目前，在復雜油氣藏鉆探領域中，超長水平井、大位移井等復雜井的數(shù)量逐漸增多，對鉆井液性能的要求越來越苛刻。雖然油基鉆井液因其具有較好的潤滑性能、抑制性能等優(yōu)點可以滿足如今在復雜井中對鉆井液的高要求，但隨著我國新環(huán)保法要求日益嚴格，油基鉆井液安全、環(huán)保及成本問題受到了越來越多的限制，開發(fā)環(huán)保型高性能水基鉆井液一直是復雜油氣藏鉆探領域中的難點[1-5]。多聚糖類化合物已在環(huán)保鉆井液中得以應用并成為熱點關注，但其抗溫性能始終難以滿足深井鉆井作業(yè)的需求[6-10]。寡聚糖(oligosaccharides)又稱低聚糖或寡糖，是指2～10個通過糖苷連接形成直鏈或支鏈的糖類化合物，具有耐高溫、穩(wěn)定、無毒等理化性能[11-13]，在食品飲料、烘焙和醫(yī)療保健等領域已被廣泛應用[14-18]。寡聚糖的理化性能及其生理功能特征，恰與對環(huán)保鉆井液處理劑的要求相一致，其抗溫性也優(yōu)于目前已應用的多聚糖類化合物（如黃原膠、甲基葡聚糖等）鉆井液處理劑；然而，迄今為止，寡聚糖用作鉆井液處理劑的報道極少見[13,19-22]。通過實驗考察了水基鉆井液中添加寡聚糖(MQ)前后，鉆井液的流變、濾失造壁、潤滑、抑制和抗溫等性能參數(shù)的變化規(guī)律，從而分析和研究MQ在水基鉆井液中的作用效能，為組配新的寡聚糖鉆井液體系提供必要的實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥劑

實驗儀器名稱及型號：ZNN-D6S型六速旋轉黏度計、GJSS-B12K型四聯(lián)中壓濾失、JC2000D1型接觸角測量儀、BGRL-5型變頻滾子加熱爐、112-00-01型EP極壓潤滑儀、QBZY型表面張力儀。

實驗藥劑規(guī)格及生產(chǎn)廠家：鈣基膨潤土（工業(yè)級，西安永久化工有限公司）、鈉基膨潤土（工業(yè)級，山東濰坊信誠膨潤土有限公司）、無水碳酸鈉（AR，天津市大茂化學試劑有限公司）、氯化鉀（AR，天津市大茂化學試劑有限公司）、重晶石（工業(yè)級，四川新創(chuàng)能石油工程技術有限公司）、氫氧化鈉（AR，天津市天力化學試劑有限公司）、MQ（工業(yè)級，山東得順源石油科技有限公司）。

1.2 鉆井液性能評價

1.2.1 鉆井液基漿配制

1%～5%鈉土基漿和4%鈣土基漿的配制方法參照標準GB/T 16783.1-2006《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試 第1部分：水基鉆井液》中具體技術要求[23]。

1.2.2 鉆井液性能測試

參照GB/T 16783-1997中評價水基鉆井液性能的方法進行，寡聚糖的抑制性能參照SY/T 6335-1997中鉆井液用頁巖抑制劑評價方法進行[24-25]。

1.3 抗污染性能評價

1.3.1 抗NaCl性能評價

向4%鈣土基漿中加入不同濃度的NaCl和5% MQ，分別測試加入MQ前后鉆井液的極壓潤滑因數(shù)f，研究 MQ對鉆井液抗NaCl性能的影響規(guī)律。

1.3.2 抗重晶石性能評價

向4%鈣土基漿中加入不同濃度的重晶石和5% MQ，分別測試加入MQ前后鉆井液的極壓潤滑因數(shù)研究MQ對鉆井液抗重晶石性能的影響規(guī)律。

1.4 寡聚糖作用機理分析

1.4.1 表面張力分析

在QBZY表面張力測試儀上測試MQ溶液與鈣土基漿的表面張力。

1.4.2 接觸角分析

在JC2000D1接觸角測試儀上測試MQ改性前后膨潤土壓片的表面接觸角。

2 結果與討論

2.1 鉆井液中的性能評價

2.1.1 MQ在不同鉆井液基漿中性能評價

室溫（25℃）下將MQ按5%（m/v, %）的添加量加入到下述不同基漿中，測試鉆井液性能參數(shù)，結果如表1所示。

表1 MQ在不同鉆井液中性能評價表

由表1可知，分別在4%鈣土基漿、4%鈉土基漿和5%鈉土基漿中加入5%MQ后：①鉆井液的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）和動切力（YP）均增大。表明MQ能顯著提高鉆井液的液相黏度，增大液相內摩擦阻力；MQ吸附在黏土顆粒表面，增強了黏土顆粒空間網(wǎng)架結構的強度；②寡聚糖MQ在黏土顆粒表面吸附后形成水化膜，削弱了黏土顆粒的聚集變大，形成的泥餅更致密，使鉆井液濾失量降低；③鉆井液的極壓潤滑因數(shù)均有較大幅度的下降，表明MQ在鉆井液中具有較好的潤滑性能；MQ在鈉土基漿中潤滑因數(shù)的降低率大于在鈣土基漿中潤滑因數(shù)的降低率。綜上所述，MQ在水基鉆井液中具有顯著的增黏提切、降濾失、改善潤滑性能的作用效能。

2.1.2 含土量對MQ性能的影響

通過測定MQ加入鉆井液（含不同量鈉基膨潤土）前后的性能參數(shù)來探究鉆井液中含土量對MQ性能的影響，實驗結果如表2所示。

表2 含土量對MQ處理的鉆井液性能影響表

由表2可知，隨著鉆井液中鈉基膨潤土含量增加，與未添加MQ的基漿相比較，添加了MQ的鉆井液性能參數(shù)發(fā)生了較大變化，表現(xiàn)為AV、PV、YP和潤滑因數(shù)均增大且濾失量逐漸降低；當鉆井液中MQ添加量為5%時，鉆井液的流變參數(shù)均大幅度增加且濾失量和極壓潤滑因數(shù)均大幅度降低，這與表1所示的實驗結果一致，再次表明MQ在鉆井液中具有顯著的增黏提切、降濾失和改善潤滑性能的作用效能；隨著鉆井液中含土量增大，MQ在鉆井液中的增黏提切、降濾失和改善潤滑的作用效能增強，表明MQ對高含土量或低含土量鉆井液均具有良好的適應性。

2.1.3 老化溫度對MQ性能的影響

分別測定4%鈉土基漿中添加5%MQ的基漿經(jīng)25 ℃、120 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃和 180 ℃下老化16 h后的性能參數(shù)，實驗結果如表3所示。

表3 老化溫度對MQ性能的影響表

由表3可知，在4%鈉土基漿中添加MQ后：①鉆井液的AV、PV和YP都增加，F(xiàn)L、潤滑因數(shù)和濾液的pH值降低，與前述結果一致；②隨著老化溫度升高，鉆井液的AV、PV和YP都減小，F(xiàn)L和潤滑因數(shù)均增大；③當老化溫度在150～160 ℃時，加入MQ使鉆井液的潤滑因數(shù)降低得最明顯；④當老化溫度達到180 ℃時，鉆井液的AV、PV和YP基本與基漿的AV、PV和YP一致，且濾失量增大到31 mL，潤滑因數(shù)增大到0.234 4，說明MQ在180 ℃下基本喪失了在鉆井液中的增黏提切和降濾失作用，但仍然具有一定的潤滑作用。

2.1.4 老化時間對MQ性能的影響

在150 ℃下，測定老化時間對MQ的潤滑性和濾失性的影響，實驗結果如圖1所示。

圖1 150 ℃老化時間對MQ的潤滑性和濾失性的影響圖

由圖1可知：在1%鈉土基漿中加入5%MQ后，常溫下鉆井液的潤滑因數(shù)大于在150 ℃下老化不同的時間后鉆井液的潤滑因數(shù)，隨著老化時間的延長，鉆井液的潤滑因數(shù)和濾失量基本保持不變，說明延長老化時間并不能改變寡聚糖MQ在鉆井液中所起到的潤滑及降濾失作用，因此具有較好的潤滑及降濾失長效性。

2.1.5 MQ抑制性能評價

用常溫常壓膨脹量測定儀測定膨潤土壓片分別在自來水、4%KCl溶液及鉆井液（4%鈣土基漿+不同質量比的MQ）中浸泡0～120 min后的線性膨脹率，實驗結果如圖2所示。

圖2 膨潤土壓片在不同水溶液中的線性膨脹率圖

由圖2可知，膨潤土在自來水和4%KCl溶液中120 min的膨脹率分別為60.68%和39.42%。在4%鈣土基漿中添加不同量的寡聚糖MQ，膨潤土壓片經(jīng)過120 min后膨脹率均小于自來水和4%KCl中的膨脹率，5%MQ溶液中膨潤土壓片的線性膨脹率僅為20.8%。綜上膨潤土壓片在不同溶液中的線性膨脹實驗結果可得：寡聚糖MQ對膨潤土水化膨脹具有較好的抑制作用，其原因可能是MQ分子上富含羥基（—OH）而在膨潤土顆粒表面形成吸附膜，阻止了不同水溶液中的水分子在膨潤土顆粒上由表及里地侵入，有效抑制了膨潤土壓片的水化膨脹。

2.2 抗污染性能評價

2.2.1 NaCl含量對MQ潤滑性能的影響

通過測定5%MQ加入前后鉆井液的潤滑因數(shù)來探究NaCl含量對MQ在鉆井液中潤滑作用效能的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 NaCl含量對MQ潤滑性能的影響圖

由圖3可知，未添加MQ的鉆井液中，鉆井液的潤滑因數(shù)隨著NaCl含量在0～20%范圍內增加而逐漸降低，潤滑性能逐漸提高，表明在實驗范圍內NaCl含量升高有助于鉆井液潤滑性能的改善，這主要是因為NaCl對MQ具有鹽析效應、Na+與MQ分子中的負電基團發(fā)生了部分電性中和，使黏土顆粒與MQ分子之間的斥力減小，提高了MQ分子在黏土顆粒表面的吸附量，形成的吸附膜增厚且致密，導致鉆井液潤滑因數(shù)降低而改善了潤滑性；在添加了MQ的鉆井液中，鉆井液的潤滑因數(shù)均大幅降低而顯著改善了潤滑性能，表明添加MQ可以提高鉆井液的潤滑效能；隨著添加了MQ的鉆井液中NaCl濃度增大，鉆井液的潤滑因數(shù)基本保持不變，表明MQ具有良好的抗NaCl效能。

2.2.2 重晶石含量對MQ潤滑性能的影響

通常，鉆井液的潤滑性隨著固體加重劑重晶石等含量的增大而變差，為考察重晶石含量對MQ在鉆井液中潤滑作用效能的影響，測定了重晶石含量在0～20%范圍內的不同鉆井液中添加5%MQ前后鉆井液的潤滑因數(shù)，實驗結果如圖4所示。

圖4 重晶石含量對添加MQ鉆井液潤滑性能的影響圖

由圖4可知，未添加MQ的鉆井液中，鉆井液的極壓潤滑因數(shù)隨著重晶石含量在0～20%范圍內增加而逐漸降低，潤滑性能逐漸提高，表明在實驗范圍內，重晶石含量增大有助于鉆井液潤滑性能改善，這主要是因為重晶石顆粒較小，在極壓潤滑儀的滑塊與滑環(huán)之間由干摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦且這種轉變隨著重晶石含量增大而增多；在添加了MQ的鉆井液中，鉆井液的潤滑因數(shù)均大幅降低而顯著改善了潤滑性能，表明添加MQ可以改善用重晶石加重的鉆井液的潤滑效能；隨著添加了MQ的鉆井液中重晶石含量逐漸增大，鉆井液的潤滑因數(shù)基本保持不變，但當重晶石含量超過15%后，鉆井液的潤滑因數(shù)逐漸增大了，這可能是重晶石含量超過15%后，MQ從黏土顆粒上脫吸附而導致潤滑效能下降。綜上可得，鉆井液中固體加重材料的含量超過一定值后，確實會對寡聚糖MQ在鉆井液中的潤滑效能產(chǎn)生較大影響，使鉆井液的潤滑性能下降，其原因有待進一步實驗解析。

2.3 寡聚糖作用機理分析

2.3.1 表面張力分析

在室溫下通過表面張力儀測定寡聚糖MQ分別添加到蒸餾水和4%鈣土基漿前后所得目標試樣的表面張力來探究寡聚糖MQ的潤滑機理，實驗結果如圖5所示。

圖5 試樣表面張力測定圖

由圖5可知，在蒸餾水和4%鈣土基漿中分別添加5%MQ后，試樣的表面張力分別從72.0 mN/m降至52.4 mN/m、從62.0 mN/m降至39.0 mN/m。這表明MQ能使目標試樣的表面張力顯著下降，其原因可能是寡聚糖MQ的分子具有兩親的表面活性結構，即具有親水端頭和疏水端頭，使MQ分子在固液兩相界面吸附，降低目標試樣的表面張力。

2.3.2 接觸角分析

通過測試寡聚糖MQ處理前后膨潤土壓片的接觸角，研究MQ對膨潤土潤濕性的改變，從而間接驗證寡聚糖MQ的吸附狀態(tài)，實驗結果如圖6所示。

圖6 蒸餾水在膨潤土壓片的接觸角照片

對比圖6中的（a）和（b）可知：照片（a）中，蒸餾水在原始膨潤土壓片上的接觸角為0 ；照片（b）中，蒸餾水在經(jīng)過寡聚糖MQ處理后的膨潤土壓片上的接觸角為45.8 。這表明經(jīng)過MQ處理后的膨潤土壓片的疏水性增強了，這可能是由于MQ分子上親水部分的多羥基與黏土表面的氧原子相互作用，通過氫鍵形成了多點吸附，MQ分子上的疏水端朝向水相形成了化學膜，這樣使MQ在水基鉆井液中起到了隔絕潤滑、降低濾失和抑制黏土水化的作用。

3 結論

1）MQ在150℃的水基鉆井液中，同時兼有顯著的增黏提切、降低濾失、潤滑和抑制黏土水化多重作用效能，MQ對含土量1%～5%的鉆井液均具有良好的適應性，可作為新型多功能水基鉆井液處理劑。

2）MQ在水基鉆井液中兼有上述作用效能的機理在于：MQ分子能顯著提高水基鉆井液的液相黏度，增大液相內摩擦阻力的同時增強了黏土顆?？臻g網(wǎng)架結構的強度，因而同時表現(xiàn)出增黏提切、降低水分子濾失之功效；MQ分子上的環(huán)多羥基易吸附在黏土顆粒表面上并形成較豐厚的外表面疏水的水化膜，使它同時起到潤滑、抑制水化和致密化泥餅而降低濾失作用。