烷基糖苷鉆井液作用機理探討

羅石瓊

摘 ?要：烷基糖苷鉆井液因具有良好的抑制性、潤滑性，儲層保護、易生物降解、環保無毒等優點而在國內外應用較為普遍，對目前常用的甲基葡萄糖苷（MEG）鉆井液、陽離子烷基糖苷（CAPG）鉆井液和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）鉆井液的抑制和潤滑等作用機理進行了分析和探討，以期對鉆井液技術研發人員和現場施工人員提供一定的指導和幫助。

關鍵詞：烷基糖苷;鉆井液;抑制;潤滑;作用機理

中圖分類號：TE254 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0082-02

Abstract： Alkyl glycoside drilling fluid is widely used at home and abroad because of its good inhibition， lubricity， reservoir protection， easy biodegradation， environmental protection and non-toxic. The inhibition and lubrication mechanisms of methyl glucoside （MEG） drilling fluid， cationic alkyl polyglycoside（CAPG） drilling fluid and polyetheramine alkyl polyglycoside （NAPG） drilling fluid are analyzed and discussed， in order to provide some guidance and help to drilling fluid technical research and development personnel and on-site construction personnel.

Keywords： alkyl glycosides; drilling fluid; inhibition; lubrication; action mechanism

引言

烷基糖苷（APG）作為一類環境友好型表面活性劑，主要應用于日化、紡織、造紙、皮革等多個行業，最先研究并應用于鉆井液的烷基糖苷是甲基葡萄糖苷（Methyl glucoside，簡稱MEG），國外最早于1994年報道了在美國墨西哥灣強水敏頁巖地層成功應用MEG鉆井液，國內從1996年開始了MEG鉆井液的研究，在新疆、大慶、勝利、中原、西南、中海油等油氣田現場應用表現出良好的抑制、潤滑、儲層保護、環保無毒等優點[1]，但也存在加量大、成本高、抑制和抗溫有限、易發酵等問題。近年來，國外多以烷基糖苷與無機鹽的復配來降低加量、節約成本，國內中原的王中華、司西強等則主要通過對烷基糖苷分子結構進行改性，來達到提升性能、降低加量、節約成本的目的，主要得到的改性產品有陽離子烷基糖苷（CAPG）和聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）等，并形成了相應的鉆井液體系，在頁巖等復雜易坍地層應用較為成功[2，3]。本文對目前常用的MEG鉆井液、CAPG鉆井液、NAPG鉆井液的抑制和潤滑等作用機理進行探討分析，以期對鉆井液研發人員和現場施工人員提供一定的指導和幫助，促進技術進步。

1 甲基葡萄糖苷（MEG）鉆井液作用機理

MEG是一類非離子表面活性劑，本身不帶電，MEG包括α-甲基葡萄糖苷和β-甲基葡萄糖苷兩種對應異構體。MEG鉆井液具有較好的抑制性、潤滑性、儲層保護和環保無毒等特性，抑制頁巖的作用機理主要表現在：半透膜效應。MEG分子結構上含有四個親水的羥基（-OH）和一個親油的甲氧基（-OCH3），這些親水的羥基吸附在井壁或鉆屑表面，而親油的甲氧基則朝外，當MEG在鉆井液中加量足夠（理論用量不少于35%，現場實際液體MEG加量在10%～30%，固體為3%～12%），可在井壁上形成一層憎水半透膜，把地層中的水和鉆井液中的水隔開。通過調節MEG鉆井液的活度可以控制地層水和鉆井液的運移方向;此外，MEG分子中的四個羥基吸水性很強，可以與水分子形成牢固的氫鍵，降低鉆井液中水的活度，進而通過滲透作用、去水化作用和封堵作用來有效抑制頁巖的水化膨脹和分散[4]。MEG鉆井液潤滑作用機理包括：（1）由

于MEG分子在井壁、鉆具等金屬表面或泥餅上定向排列成吸附膜，使得接觸面被MEG吸附膜完全隔開，接觸面由干摩擦轉變為MEG吸附膜之間的摩擦，并參與泥餅的形成，提高鉆井液的潤滑性;（2）由于MEG配伍性好，當MEG鉆井液中復配使用其它優質潤滑劑后，其潤滑性能更佳。

2 陽離子烷基糖苷（CAPG）鉆井液作用機理

CAPG屬于陽離子表面活性劑，本身帶正電，分子結構[5]（見圖1）上含有三個親水的羥基、一～三個相連的葡萄糖環、一個親水的醚鍵、一個強吸附的季銨陽離子和一個親油的烷基。CAPG鉆井液的抑制機理是多種物理作用和化學作用的共同表現，主要有：羥基吸附成膜;靜電吸附成膜及拉緊粘土晶層;季銨基團吸附成膜及嵌入去水機理;降低水活度;形成封堵層。從而大幅提高了CAPG的抑制性，但仍保留了MEG的潤滑和抗溫抗污染能力，加量大為降低（作為抑制劑使用時加量為2%～5%;作為主劑形成CAPG類油基鉆井液時用量為5%～30%），能有效解決泥頁巖等復雜易坍地層的井壁失穩問題。CAPG鉆井液的潤滑作用機理為CAPG分子上含有多個具有強吸附性的羥基和季銨基團，能在鉆具等金屬表面及井壁巖石上形成潤滑膜，降低鉆具的旋轉扭矩和起下鉆阻力。

3 聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）鉆井液作用機理

NAPG屬于非離子表面活性劑，本身不帶電，分子結構[6]（見圖2）上含有烷基糖苷、聚醚多元醇、多胺基團等結構單元。NAPG鉆井液的抑制機理是多種物理作用和化學作用的共同表現，主要有：嵌入及拉緊黏土晶層，多點吸附、成膜阻水，降低水活度，吸附包被，堵塞填充孔隙、形成封堵層等。特別是其具有一定親油性的烷基朝外規則排列，當加量達到一定程度時（現場加量僅0.5%～2%即可達到強抑制效果，加量達20%可形成類油基水基鉆井液），可在井壁上形成一層牢固的強吸附憎水半透膜，與油基鉆井液形成的憎水半透膜類似;同時，NAPG分子中烷基糖苷結構的位阻效應可充分保證鉆井液的穩定性，實現了鉆井液抑制性和穩定性的和諧統一。NAPG鉆井液的潤滑作用機理主要包括：NAPG通過分子規則排列成潤滑膜，降低鉆具與井壁之間的摩擦;NAPG參與泥餅形成，改善泥餅質量，提高鉆井液的潤滑性;NAPG對重晶石顆粒優先吸附，降低重晶石顆粒之間的內摩擦等[7]。

4 結束語

建議今后烷基糖苷鉆井液的發展方向為：

（1）以CAPG、NAPG為核心主劑，再研選其它優質配伍處理劑，形成具有強封堵、強抑制、高潤滑、低成本、儲層保護、綠色環保的類油基鉆井液或高性能水基鉆井液體系，并對各處理劑作用機理及協同作用機理進行深入研究，推廣應用后將會使國內鉆井液技術再上一個新臺階。

（2）強化基礎研究和新原料開發，充分利用價廉易得的淀粉、葡萄糖、殼聚糖、木質素、糊精、腐植酸和植物膠等天然生物原料，圍繞環保、高性能、抗溫、抗鹽、抗污染的目標，探索新的改性手段和途徑，通過高溫或氧化降解、接枝共聚、分子修飾等方法進行深度改性，以提高產品的性價比，滿足當前鉆井地質和工程條件的需求，促進鉆井液技術的發展。

參考文獻：

[1]雷祖猛，司西強.國內烷基糖苷鉆井液研究及應用現狀[J].天然氣勘探與開發，2016（2）：72-74.

[2]趙虎，司西強，雷祖猛，等.陽離子烷基糖苷鉆井液在長南水平井的應用[J].精細石油化工進展，2015，16（1）：6-9.

[3]司西強，王中華，王偉亮.聚醚胺基烷基糖苷類油基鉆井液研究[J].應用化工，2016，45（12）：2308-2312.

[4]巨小龍，丁彤偉，王彬，等.MEG鉆井液頁巖抑制性研究[J].鉆采工藝，2006，29（6）：10-13.

[5]司西強，王中華，高小梵，等.一種陽離子烷基糖苷鉆井液及其制備方法：CN，106350038A[P].2017-01-25.

[6]司西強，王中華，魏軍，等.一種聚醚胺基烷基糖苷類油基鉆井液及其制備方法：CN，106350039A[P].2017-01-25.

[7]趙虎，司西強，王康，等.烷基糖苷及衍生物在鉆井液中的潤滑性研究[J].能源化工，2017，38（5）：66-69.