雷祖猛 司西強

國內(nèi)烷基糖苷鉆井液研究及應(yīng)用現(xiàn)狀*

雷祖猛 司西強

（中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院）

通過對烷基糖苷鉆井液在我國的研究及現(xiàn)場應(yīng)用狀況進(jìn)行分析，將其發(fā)展過程分為三個階段：MEG鉆井液、改性MEG鉆井液和烷基糖苷衍生物鉆井液。通過對不同階段糖苷類產(chǎn)品自身特點、在鉆井液中的功能以及該類產(chǎn)品為主劑的鉆井液的研究和現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行了分析，鉆井液中產(chǎn)品加量從最初的10%~30%液體MEG降低至0.5%~2%的NAPG，同時對該類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，提出了開展環(huán)境友好的CAPG類油基鉆井液和NAPG高性能水基鉆井液的研究和現(xiàn)場應(yīng)用，是解決強水敏性泥頁巖及含泥巖等易坍塌地層及頁巖氣水平井鉆井的發(fā)展方向。參32

烷基糖苷鉆井液陽離子

烷基糖苷（APG）是一類新型綠色表面活性劑，應(yīng)用前景廣闊。主要應(yīng)用于日化產(chǎn)品、紡織、皮革助劑、造紙助劑等多個行業(yè)。20世紀(jì)90年代初，由于傳統(tǒng)油基鉆井液在解決強水敏性泥頁巖及含泥巖等易坍塌地層時存在成本高、環(huán)境污染等問題，尋求具有油基鉆井液性能的環(huán)境友好型高性能水基鉆井液變得日益迫切。烷基糖苷逐漸被人們認(rèn)識并應(yīng)用于鉆井液中，烷基糖苷鉆井液從引入我國到現(xiàn)在已有20余年，其發(fā)展大致可分為三個階段：MEG鉆井液、改性MEG鉆井液和烷基糖苷衍生物鉆井液階段。

1 烷基糖苷鉆井液

最早將烷基糖苷應(yīng)用于鉆井液的報道是1994年2月在美國達(dá)拉斯召開的IADCSPE鉆井工程會議上，研究成果引起了與會者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)石油大學(xué)（北京）和石油大學(xué)（華東）及其他研究機構(gòu)從1996年開始，相繼開展了相關(guān)研究。最先應(yīng)用于鉆井液的烷基糖苷是甲基葡萄糖苷（MEG），甲基葡萄糖苷是一種具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和四個羥基的多元醇。石油大學(xué)（北京）張琰等[1-5]通過粒度、表面張力和抑制性首先研究了MEG鉆井液的儲層保護(hù)性能，介紹了MEG鉆井液良好的抑制和潤滑性能，并首次理論分析了MEG能在井壁形成一層吸附膜，液體MEG加量為15%。在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，與新疆石油管理局合作，于1999年在新疆準(zhǔn)噶爾盆地沙南油田沙113井進(jìn)行了MEG鉆井液的國內(nèi)首次現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明，該鉆井液具有優(yōu)良的抑制性、儲層保護(hù)作用及獨特的造壁護(hù)壁作用，解決了強水敏地層井壁垮塌問題，井徑規(guī)則，電測取心一次成功，平均機械鉆速為9.41 m/h，比鄰井提高47.8%。

隨著MEG鉆井液在新疆的首次成功試驗，其他油田也開始了MEG鉆井液的研究和現(xiàn)場試驗。大慶油田的MEG鉆井液體系在大慶中71-斜230井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明：MGE鉆井液具有較好的流變性,鉆井過程中無阻卡現(xiàn)象。現(xiàn)場應(yīng)用中MEG在體系中的加量達(dá)到20%后，鉆井液的潤滑防卡效果明顯［6］。

勝利油田MEG鉆井液先后在鄭王莊、草104、勝坨、鹽100等區(qū)塊推廣應(yīng)用，每年推廣上百口井，效果顯著、井徑規(guī)則、油層保護(hù)效果好。應(yīng)用該技術(shù)的鄭364井中途測試表皮系數(shù)為-2；鄭369井中途測試表皮系數(shù)為0，日產(chǎn)原油21 t；鄭607-平6井水平段長達(dá)716 m，井下穩(wěn)定，試油日產(chǎn)油量為52 t，是鄰井的3倍。說明該體系較好地滿足了現(xiàn)場對儲層保護(hù)要求。現(xiàn)場應(yīng)用中MEG在體系中的加量為10%~30%的液體MEG[7~9]。

中原油田烷基糖苷（APG）鉆井液2011年在水平井衛(wèi)383-平1井現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，烷基糖苷鉆井液潤滑性能優(yōu)良，實鉆過程中平均鉆進(jìn)摩阻為3~4 t，起下鉆摩阻為6~8 t，抑制效果明顯，返出鉆屑棱角分明，現(xiàn)場烷基糖苷加量為10%~15%[10]。

2 改性MEG鉆井液

隨著對MEG鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用和研究的深入，2005年以后，人們對MEG鉆井液又有了新的認(rèn)識，石油大學(xué)（北京）丁彤偉等[11]研究表明，MEG鉆井液主要是通過成膜作用、滲透及去水化作用穩(wěn)定頁巖，具有較好的抑制性、潤滑性和儲層保護(hù)特性，鉆井液性能穩(wěn)定，在鉆井液中濃度達(dá)到一定范圍時，能在頁巖表面形成半透膜，誘使頁巖內(nèi)的吸附水滲出。

石油大學(xué)（東營）呂開河等[12]對MEG防塌及改善鉆井液流型的作用機理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，MEG抑制泥頁巖水化膨脹、分散的作用較弱，25% MEG的溶液膨潤土膨脹抑制率僅為10.55%，但能大幅度提高泥頁巖的膜效率且能有效降低鉆井液的水活度，上述溶液使泥頁巖膜效率提高率達(dá)202%，MEG單獨或與鹽復(fù)配使用可將水活度降到0.85以下，通過滲透作用降低鉆井液向地層濾失是MEG的主要防塌機理。

中原油田雷祖猛等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，MEG在黏土表面吸附，達(dá)到一定濃度后形成半透膜，對MEG的成膜規(guī)律進(jìn)行了探索，MEG在泥頁巖表面的膜效率同MEG濃度、浸泡時間有關(guān)系，MEG濃度越高、膜效率越高，隨著浸泡時間延長，膜效率降低。MEG通過在黏土表面吸附成膜抑制黏土水化和提高膜效率維持了井壁的穩(wěn)定，MEG加量達(dá)到40%后效果明顯。

針對液體MEG在現(xiàn)場應(yīng)用中加量大，抑制性不足的問題，付國都等[15]通過對MEG進(jìn)行改性復(fù)配，研發(fā)了鉆井液用甲基葡萄糖甙固體，該產(chǎn)品為部分水溶的固體混合物，部分油田開始嘗試由液體的MEG轉(zhuǎn)而使用改性后的鉆井液用甲基葡萄糖甙產(chǎn)品，加量也從之前的10%~30%液體降低為3%~12%的固體，在提高抑制性的同時，大大降低了成本。以鉆井液用甲基葡萄糖甙固體為主劑的改性MEG鉆井液在國內(nèi)各油田開始了新一輪的應(yīng)用。

吐哈油田[16]的改性MEG鉆井液在4口小井眼側(cè)鉆井試驗結(jié)果表明：應(yīng)用井無阻卡現(xiàn)象，平均鉆井周期縮短了7.2 d，在未混原油的情況下鉆井液潤滑系數(shù)比乳化原油(15%～20%)鉆井液降低了34.6%，其中溫5-41C井日產(chǎn)油14.4 t，同比溫五區(qū)塊平均產(chǎn)量提高了128.4%，神218C井是神229區(qū)塊目前唯一的自噴井。在現(xiàn)場應(yīng)用中，固體MEG在體系中的加量為5%~7%。

大港油田[17]的改性MEG鉆井液解決了潤滑、攜巖、井壁不穩(wěn)和儲層保護(hù)的問題，無熒光、具有良好的抗鹽和井壁穩(wěn)定能力，濱26-X1井目的層平均井徑擴(kuò)大率為12.09%，臨井濱25-X2井在相同井段的平均井徑擴(kuò)大率為22.74%，潤滑防卡效果明顯，鉆井液潤滑系數(shù)始終維持在0.06以下，現(xiàn)場應(yīng)用中固體MEG在體系中的加量為5%~7%。

中海油服[18]的改性MEG超低滲透鉆井液解決了月東、仙鶴作業(yè)區(qū)塊作為為魚蝦養(yǎng)殖區(qū)和國家濕地保護(hù)區(qū)的環(huán)保問題，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)始終維持在0.1以下，保證了8次取心作業(yè)的圓滿完成及多項目測井作業(yè)的一次成功，下套管一次到位。該體系環(huán)保性能優(yōu)異，在作業(yè)其間沒有對周圍捕撈區(qū)帶來任何環(huán)保問題?，F(xiàn)場應(yīng)用中固體MEG在體系中的加量為7%。

中國石油川慶鉆探工程公司[19]的改性MEG鉆井液在劍門1井深井進(jìn)行了成功應(yīng)用，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(fù)雜問題。該井鉆至井深7009 m完鉆，創(chuàng)造了中國超深井小井眼段長2005.43 m的記錄，鉆井液最高密度為1.86 g/cm3，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)小于0.07，起鉆時的最大摩阻小于5 t，說明鉆井液具有較好的潤滑性能?，F(xiàn)場應(yīng)用中，固體MEG在體系中的加量為7%。

中國石化西南油氣分公司[20-22]的改性MEG鉆井液為：在針對川西地區(qū)中淺層水平井鉆進(jìn)過程中存在的水平井段長、易卡阻、泥巖和砂巖交錯導(dǎo)致井壁失穩(wěn)且成本偏高等問題研發(fā)的聚胺仿油基鉆井液中，甲基葡萄糖甙(MEG)作為潤滑劑和降濾失劑應(yīng)用，兼具輔助抑制功能，現(xiàn)場應(yīng)用中固體MEG在體系中的加量為3%~12%。

青海油田[23~25]的改性MEG鉆井液分別在昆北、英東進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，體系維護(hù)簡單，流變性能穩(wěn)定、濾失量低、潤滑性能優(yōu)良、無阻卡現(xiàn)象，通過推廣MEG等配套適用技術(shù)，創(chuàng)造了昆北水平井速度最快紀(jì)錄。切12H10-11井井深2395 m，鉆井周期13.1 d，完井周期15.42 d，機械鉆速15.9 m/h。現(xiàn)場應(yīng)用中MEG在體系中的加量為2%~5%。

3 烷基糖苷衍生物鉆井液

針對MEG鉆井液在應(yīng)用中加量大、成本高、在泥頁巖地層抑制性不足的問題，國內(nèi)開展了大量的烷基糖苷衍生物的合成研究，但大多未能開展現(xiàn)場應(yīng)用，直至2011年，中原石油工程公司通過分子設(shè)計和合成設(shè)計，研制了陽離子烷基糖（CAPG）和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）等烷基糖苷衍生物產(chǎn)品，其中CAPG和NAPG已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)并在現(xiàn)場進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用。

3.1 CAPG鉆井液[26~31]

通過在烷基糖苷分子上引入合適的季銨陽離子基團(tuán)，中原石油工程公司首次合成了陽離子烷基糖苷（CAPG），同烷基糖苷相比性能更優(yōu)，CAPG加量顯著降低的同時具有烷基糖苷的潤滑性和季銨鹽的抑制性。以加量2%~5%的CAPG為抑制劑在室內(nèi)初步形成了CAPG鉆井液，該體系巖屑一次回收率99.15%，可抗溫160℃，靜動態(tài)滲透率恢復(fù)值均大于90%。2011年以來，已在現(xiàn)場應(yīng)用30余口井。

CAPG鉆井液在陜北靖南72-13H1井應(yīng)用結(jié)果表明：CAPG鉆井液抑制性強，由于天氣原因裸眼浸泡44 d后，井壁穩(wěn)定，起下鉆正常，起下鉆和拉井壁平均摩阻為6~8 t；平均機械鉆速為9.71 m/h，而鄰井靖南70-6H1井水平段同等巖性和相同工程措施平均機械鉆速僅為5.63 m/h，大大提高了機械鉆速。

CAPG鉆井液在中原小井眼側(cè)鉆井應(yīng)用結(jié)果表明：CAPG鉆井液抑制性能優(yōu)異，井徑擴(kuò)大率明顯降低，顯著提高了井壁穩(wěn)定，文209-側(cè)7井應(yīng)用井段平均井徑擴(kuò)大率比鄰井文209~27 h降低44.63%，由20.59%降低至11.40%；摩阻低，平均摩阻為6~8 t；平均鉆時為7.8 min/m，而鄰井文209-72h鉆時為10.56 min/m，機械鉆速顯著提高。

3.2 NAPG鉆井液[32]

中原石油工程公司通過分子設(shè)計，合成了聚醚胺基烷基糖苷產(chǎn)品，把聚醚胺和烷基糖苷兩者作為一個聚醚胺基烷基糖苷分子上的兩個不同的結(jié)構(gòu)單元，實現(xiàn)了鉆井液穩(wěn)定性和抑制性兩種性能的和諧統(tǒng)一，達(dá)到既不會破壞鉆井液穩(wěn)定性能，又能滿足強抑制性能的目的。通過室內(nèi)研究，已初步形成抑制強、潤滑好、無毒環(huán)保的聚醚胺基烷基糖苷鉆井液，該體系巖屑一次回收率97.05%，極壓潤滑系數(shù)小于0.05，靜動態(tài)滲透率恢復(fù)值均大于90%，HTHP濾失量小于10 mL。

由于NAPG產(chǎn)品同現(xiàn)場鉆井液配伍性好，2013年以來，該產(chǎn)品已作為強抑制劑在新疆塔中地區(qū)順南6井、策勒1井等10余口井進(jìn)行現(xiàn)場試驗，表現(xiàn)出突出的預(yù)防井壁坍塌及井壁坍塌后的現(xiàn)場補救能力。NAPG產(chǎn)品在順南6井現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示，鉆井液中加入NAPG后，掉塊顯著降低，該井平均井徑擴(kuò)大率為3.92%，而鄰井順南1井則為17.3%，井壁穩(wěn)定效果突出。

4 結(jié)論及建議

（1）MEG鉆井液潤滑性好，有一定的井壁穩(wěn)定能力，環(huán)保和儲層保護(hù)效果突出，但同時也存在MEG抑制性能不足、加量大、成本高的問題，目前現(xiàn)場已很少單獨使用。

（2）改性MEG鉆井液抑制性較好，同時加量小、成本較低，目前仍在部分油田大規(guī)模使用，但改性MEG為改性復(fù)配混合物固體，同時具有抑制和降濾失的作用，不利于根據(jù)需要對鉆井液抑制性和濾失量分別進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

（3）CAPG鉆井液潤滑好，抑制性作用突出，CAPG在鉆井液中加量小、成本低，加量為2%~5%即可達(dá)到較強的抑制效果；NAPG鉆井液抑制性能得到進(jìn)一步加強，NAPG在鉆井液中加量僅為0.5%~2%即可達(dá)到強抑制效果，同時NAPG同鉆井液其他處理劑的配伍性較CAPG更優(yōu)，加入至常規(guī)鉆井液體系中可顯著提高鉆井液抑制性，同時鉆井液其他性能無明顯變化。

（4）目前利用CAPG的潤滑性和抑制性，正在開展以高濃度CAPG為主劑的類油基鉆井液體系研究，同時利用NAPG的強抑制性，開展高性能水基鉆井液體系研究，并企望最終形成環(huán)境友好的CAPG類油基鉆井液和NAPG高性能水基鉆井液，以滿足強水敏性泥頁巖及含泥巖等易坍塌地層及頁巖氣水平井鉆井的需要。解決目前使用油基鉆井液帶來的環(huán)境問題，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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（修改回稿日期2016-01-14編輯景岷雪）

中國博士后科學(xué)基金（2011M501194）“鉆井液用糖苷季銨鹽的合成及其抑制機理研究”、（2012T50641）“鉆井液用兩性甲基葡萄糖苷的合成及其作用機理”；中國石化先導(dǎo)項目（SG12035）“水平井烷基糖苷無土相鉆井液技術(shù)”；中國石化石油工程公司項目（SG1302-03K）“鉆井液用聚醚胺基烷基糖苷研制與應(yīng)用”；中原石油工程公司推廣項目（2014212）陽離子烷基糖鉆井液的推廣應(yīng)用聯(lián)合資助。

雷祖猛，男，1983年出生，碩士，工程師；主要從事鉆井液體系及處理劑的研發(fā)工作。地址：（457001）河南省濮陽市中原路462號。電話：13839335744。E-mail：zyytleizm@163.com