烷基糖苷钻井液研究与应用进展

赵　虎，司西强，雷祖猛，李红星，贾保旭，张小红

1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院；2.中原石油工程有限公司钻井三公司：河南濮阳 457001

烷基糖苷(APG)因其生物毒性小、生物降解完全、可再生资源等优异的环保性能被称作21世纪绿色表面活性剂。20世纪90年代，国外首次形成烷基糖苷钻井液体系并在墨西哥湾浅海区应用，表现出优良的井壁稳定、润滑防卡和流型调节能力，用量为36%；21世纪在国内迅速发展，在大庆、胜利、辽河、新疆、中原等油田均有成功应用，因受到成本因素影响，APG加量低于15%，部分地层存在井壁失稳。因此，为保持APG高性能特性，又要降低成本，国内科研院所、高校、工程技术服务企业等开展了对产品改性升级或与其他处理剂复合形成高性能水基钻井液的研究。笔者从糖苷结构分类，概述烷基糖苷和改性产品的钻井液，以及无机盐-烷基糖苷钻井液的研究与应用现状。

1　甲基葡萄糖苷(MEG)钻井液

MEG分子结构上，有1个亲油的甲基和4个亲水的羟基。羟基可以吸附在井壁岩石和钻屑上，而甲基则朝外。当加量足够时，MEG可在井壁上形成一层膜，这种膜是只允许水分子通过，而不允许其他离子通过的半透膜。只要通过控制烷基糖苷钻井液的活度，就可以实现活度平衡钻井，控制钻井液和地层内水的运移，从而达到抑制页岩水化、保持井壁稳定的目的。另外，MEG分子结构成膜后，甲基朝外，能够在钻具、套管表面及井壁岩石上形成润滑膜，并参与泥饼的形成，提高钻井液的润滑性；MEG通过氢键吸附、交联和护胶等作用，提高钻井液中聚合物的抗温耐受性，钻井液抗温达140 ℃以上。因其合成工艺简单，产率高、成本低等优势，MEG钻井液研究与应用较为广泛。

在墨西哥湾浅海地区，使用MEG钻井液钻了两口井。为了降低钻井液成本，采用36%MEG+9%NaCl复配降低钻井液活度。在钻进易出现问题的黏性地层时，平均钻速达27.4 m/h，且钻井液不会废弃或不需要稀释。完钻参数良好，无钻头泥包或井眼密封现象，无填塞现象不需要泵入除屑剂，在渗透性砂岩层的水平井段中未发生扭转受阻问题。第2口井最终产量在平台上所有井中最高[1]。石油大学(北京)研制出MEG钻井液，并于1999年在沙113井进行了首次现场试验，以MEG为主剂，配以少量流变性调节剂、降滤失剂、暂堵剂、泥饼质量改进剂和稀释剂XY-27等的钻井液，具有优良的抑制黏土水化、分散的能力，井径规则，电测取心一次成功，机械钻速比同类井提高15%，但钻遇强水敏井段690～1 190 m时出现了因钻屑分散导致钻井液漏斗黏度升高达105 s(密度1.13 g/cm3)[2]。胜利油田在郑王庄和草104等区块100余口井推广MEG钻井液，MEG母液加量30%左右(MEG浓度为50%)，表现出较好的抑制性、润滑性和油气层保护效果，草104和胜坨区块井径扩大率小于10%，起下钻通畅；郑364井中途测试表皮系数为-2，郑369 井中途测试表皮系数为0，日产原油21 t，证明了该钻井液的油层保护效果理想[3-4]。吐哈油田优选出MEG钻井液，在吐哈油田温5-41C等4口小井眼开窗侧钻井进行了应用，MEG加量为7%，配合使用KPAM、SPNH和XY-27等，抑制防塌效果好，无遇阻、卡现象；油层保护效果好，温5-41C井投产后同比温五区块平均产量提高了128.4%；润滑性强，突破了吐哈油田采用混原油提高钻井液润滑性的常规方式[5]。川庆钻探优选出MEG钻井液并在剑门1井进行了应用，MEG加量为7%，配合使用聚合醇、防塌降滤失剂和抗高温降滤失剂等，成功解决了深井超长小井眼段的抗温、润滑防卡、膏盐及盐水污染、压差卡钻等复杂问题，顺利钻至井深7 009 m完钻，创造了国内超深井小井眼段长2 005 m的记录[6]。大港油田优选出MEG钻井液应用在滨26X1井，MEG加量5%～7%，配合使用高分子聚合物AF、BST-Ⅱ和SMP-Ⅱ等，具有较强的悬浮携砂和抑制防塌能力，在不添加其他润滑剂的条件下，其润滑性满足定向钻井的需要，油气层保护效果好[7]。中原油田研究出的APG无土相钻井液，在卫383-FP1等3口非常规水平井上进行了应用，APG母液加量10%～20%(MEG为主)，复配使用25%NaCl等，钻井液具有较好地携岩带砂、润滑防卡和抗温抗污染能力，可满足长水平段钻井的施工需要，但抑制能力有待提高，部分长泥页岩段存在井壁掉块现象[8]。

此外，MEG钻井液在伊美尔油田、大庆油田、克拉玛依油田、昆北油田和辽东湾等均有相关的应用报道[9-13]。

2　乙基(ETG)和丙基(BEG和PEG)糖苷钻井液

葡萄糖分子上引入非极性的烷基基团，可以得到非离子表面活性剂。随着碳链的增长，其抗温能力和井壁稳定能力逐渐提高，但油溶性增加，在界面的吸附能力、起泡性随之提高， 如：1%己基糖苷水溶液起泡率为15%，辛基糖苷水溶液起泡率大于100%，难以满足钻井工程的需要。目前，仅有乙基葡萄糖苷和丙基葡萄糖苷钻井液开展了相关的研究，未见应用报道。

中国石化勘探开发研究院利用葡萄糖与乙醇合成了ETG，并以其为主剂，形成了烷基糖苷钻井液，ETG推荐加量为2%～5%。室内评价表明，该钻井液较甲酸钾、氯化钾等钻井液对新疆敏感地区水化分散能力较强的岩心具有更强的抑制能力；具有较强的热稳定性，抗温150 ℃；不易受无机盐类和pH值的影响；抗盐不小于5%，抗钙不小于2%；油气层保护效果好，渗透率值为89%；能生物降解，可用作环境敏感地区和海上钻井[14]。中海油服利用淀粉和乙醇合成了ETG，并与MEG对比评价了钻井液性能。评价表明，两者非极性基团均太短，疏水性较弱，其吸附膜不能有效地隔离膨润土和液体，表现为其抑制膨润土水化膨胀、分散能力以及润滑性能较弱，只有在含量足够大(MEG 含量大于 30%，ETG 含量大于 20%)才体现出较好的性能。但由于 ETG 的非极性基团长于 MEG，其疏水性优于MEG，抑制膨润土水化膨胀能力和润滑性能也稍强[15]。中原钻井院利用葡萄糖与乙醇合成了ETG，形成10%～20%ETG加量的钻井液，页岩滚动回收率为95%以上[16]。

胜利油田合成了正丙基糖苷BEG和异丙基糖苷PEG，推荐加量为7%，钻井液页岩滚动回收率分别为98.2%和96.6%，润滑系数为0.027和0.029，较同等MEG加量下钻井液抑制性和润滑性有所提高；钻井液加入10%NaCl，一定浓度的MgCl2或CaCl2，性能变化不大，表明体系具有良好的抗污染能力[17]。

3　醇羟基改性糖苷钻井液

糖苷分子上的醇羟基具有较高的活性，易于分子修饰和分子扩链成抑制性更强、抗温能力更高的糖苷衍生物，形成加量较低，性能更优的改性糖苷钻井液。如：通过醚化和季铵化合成的阳离子烷基糖苷，接入聚醚和胺基合成的聚醚胺基烷基糖苷等，形成的钻井液在四川、陕北、内蒙、中原、新疆等应用60余井次，满足了页岩气、强水敏性泥岩等易坍塌地层长段水平井开发的需要。

3.1　阳离子烷基糖苷(CAPG)钻井液

中原钻井院针对MEG钻井液加量大，抑制能力不足等问题，自主研发带有阳离子结构的CAPG，分子结构上含有一个亲油的烷基(—R)、三个亲水的羟基(—OH)、一个亲水的醚键(C—O—C)和一个强吸附的季铵阳离子(R1R2R3R4N+Cl-)。通过嵌入及拉紧黏土晶层、吸附成膜、降低水活度和形成封固层等多种化学和物理作用，2%～5%的加量即可形成强抑制钻井液，并优选封堵材料等配伍处理剂，形成CAPG钻井液体系[18]。该钻井液共应用40余井次，在陕北3口长段水平井应用，解决了造斜段和水平段钻遇泥岩、碳质泥岩和煤层等地层时的井壁失稳、托压和卡钻等井下复杂问题，靖南72-13H1在完井作业期间由于天气原因等停达44天，通井正常，下完井管柱顺利，较邻井平均机械钻速提高72%[19]。在中原小井眼侧钻井7口井应用，满足了中原小井眼侧钻井安全快速钻进的要求，施工井均顺利完钻，电测、下套管一次成功，文209-侧7井应用井段平均井径扩大率为11.4%，比邻井降低44.6%[20]。在四川中江16H井应用，解决了井壁坍塌掉块、长裸眼水平井钻具摩阻大、易造浆地层高密度钻井液流变性控制困难等难题，钻井液密度最高1.99 g/cm3，定向钻进正常；易坍塌井段平均井径扩大率7.03%，较邻井降低33.9%，钻完井作业顺利[21]。

3.2　聚醚胺基烷基糖苷NAPG钻井液

中原钻井院对APG改性研制出非离子的NAPG，分子结构包括一个亲油的烷基(—R)、三个亲水的羟基(—OH)、1～3个相连的葡萄糖环、一个亲水的聚醚基团([C—O—C]m)和一个强吸附的多胺基团(H[N—C—C]nNH2)。通过嵌入及拉紧晶层，多点吸附、成膜阻水，堵塞填充孔隙、形成封固层，吸附包被等，大幅提升钻井液的抑制性，根据地层水敏性不同，形成NAPG(0.5%～2%加量)防塌钻井液和类油基(20%NAPG)钻井液体系。该钻井液共应用20余井次，在新疆顺南6井二开段应用了NAPG防塌钻井液，转换后掉块逐渐减少，直至消失，石炭系等平均井径扩大率为3.92%，较邻井降低77.3%，井壁稳定效果明显；在金跃4-3井二开段应用了NAPG防塌钻井液，转换后掉块减少，逐渐消失，解决了该井段掉块多，划眼困难的难题；在陕北云页-平6井二开造斜段应用了类油基钻井液，解决了石千峰组和石盒子组软泥岩的地层造浆和钻头泥包难题，定向顺利，起下钻摩阻仅为2～4 t，电测、下套管一次成功，造斜段井径扩大率仅4.89%，较邻井同层段降低75.8%。

3.3　烷基糖苷衍生物ZY-APD钻井液

中原钻井院开展了吸附量、Zeta电位和龙马溪页岩浸泡实验等抑制性评价，极压润滑系数、泥饼黏滞系数和抗磨性能测试等润滑性评价，以及对钻井液流变性影响等研究，优化出最优的NAPG、CAPG和APG加量和配比，级配纳米-微米封堵材料粒径，优选极压润滑剂等配伍处理剂，形成ZY-APD高性能水基钻井液。在昭通和长宁页岩气应用3井次，水平段最长1 700 m，解决了石牛栏组和龙马溪组地层破碎带的坍塌掉块问题，起下钻、下套管畅通，避免了同类井应用水基钻井液钻井出现的复杂情况，同比该区块国内外高性能水基钻井液技术和成本优势明显[22]。

4　甲氧基改性糖苷钻井液

针对MEG 中的非极性基团(甲基)太短，疏水性较弱，MEG 吸附膜不能有效地把井壁岩石与钻井液隔离，抑制性较弱的特点，采用三甲基硅烷基等多支链结构替代甲基，增大空间位阻，增强糖苷结构的疏水性，又降低了起泡性因素，具有较强的抑制性。目前，该类钻井液处于室内研究阶段。西安石油大学通过葡萄糖与三甲基氯硅烷合成了三甲基硅烷基葡萄糖苷(TSG)，并考察了TSG 对黏土水化膨胀、分散的抑制作用，膨润土在10%TSG水溶液中的线性膨胀率为54.62%，较在同浓度MEG溶液降低20%；泥球水化膨胀实验较MEG有较大改观；对水基钻井液有一定的增黏作用，0.1%加量对钻井液性能滤失量影响不大，可降低摩阻系数，大于1%加量引起钻井液pH值显著降低，滤失量剧增[23]。另外，该校还利用氯乙酸钠和葡萄糖制成了羧甲基糖苷，利用2，3-环氧丙基三甲基氯化铵和葡萄糖制成的季铵型糖苷(GTA)，利用葡萄糖和环氧氯丙烷制成的双联糖苷，均可降低膨润土的线性膨胀率，但未见相关钻井液的研究报道[24]。

5　糖环取代糖苷钻井液

碳链较长的APG起泡严重，在糖环结构上引入磺甲基，将APG改性为阴离子型表面活性剂，提高HLB值，水溶性随之提高，起泡性降低。同时，磺甲基是供电子基团，能使其与相邻的碳原子电子云的密度增加，从而提高C—C键和C—O键的键能，因此抗温能力也能够相应得到提高[25]。目前，该类钻井液处于研究和初期应用阶段。

中国石化勘探开发研究院将ETG改性成磺甲基乙基葡萄糖苷(SEG)，加入2%SEG膨润土浆较ETG膨润土浆泥页岩的回收率高，膨胀率低；加量1.5% SEG起泡量仅有ETG的1/3，5 min后起泡量为0；可提高聚合物PAC的抗温至180 ℃[26]。渤海钻探钻井工艺研究合成了SEG，SEG 溶液的页岩膨胀率、回收率均比ETG提升较多，SEG加量5%～10%能达到很好的抑制效果；20%极压润滑系数降低率为 70.36%，与ETG相当；抗温180 ℃，可用来配制中深井防塌水基钻井液[27]。胜利油田合成了磺甲基乙基葡萄糖苷(MOH-C)，复配使用FT-1和聚合醇等，形成新型多羟基聚合物钻井液体系，并在阳252井等3口井上进行了现场应用，解决了硬脆性页岩的井壁稳定难题，摩阻系数小、钻速快，能够满足深井、特殊工艺井等复杂井的要求，盘斜5井实际建井周期为28 d，比设计缩短44%，节约了钻井成本[28]。

6　无机盐-烷基糖苷钻井液

APG通过氢键等吸附、交联和护胶等作用，提高钻井液中聚合物的抗温和抗污染能力，有助于解决无机盐钻井液流变参数难以控制，滤失量偏高等技术难题，而且不影响无机盐的存在形式，可协同提高钻井液的抑制能力。目前，该类钻井液主要有硅酸盐-烷基糖苷钻井液和氯化钙-烷基糖苷钻井液等，现处于研究和初期应用阶段。

中国石化勘探开发研究院研究了硅酸盐-烷基糖苷钻井液，主要采用2%～4%硅酸盐、10%ETG、4%～5%KCl等处理剂。室内评价表明，5%硫酸钙、25%氯化钠等污染150 ℃热滚24 h性能良好，钻井液具有较好的抗盐侵和石膏侵能力；10.5%膨润土污染150 ℃热滚24 h表观黏度仅上升4.5 mPa·s，钻井液具有较好的固相承载能力；滚动回收率为86.2%，线性膨胀率为16.3%，泥页岩稳定效果良好[29]。中原钻井院形成了无土相硅酸盐-烷基葡萄糖苷钻井液，主要采用5%Na2SiO3、5%～10%APG、4%封堵剂等处理剂，在内蒙意7井和意11井火山岩井段进行了应用，火山岩厚度分别为477 m和803 m，平均井径扩大率为5.9%，较邻井降低41.5%～54.6%，解决了查干凹陷火山岩井壁失稳、泥岩地层缩径和坍塌、钻井液流变性难以控制以及钻井速度慢等技术难题，在钻井周期、机械钻速、井径扩大率等多项技术指标创该区块新纪录[30]。

中原钻井院研究了氯化钙-烷基糖苷钻井液，有较低的水活度(0.40～0.76)，与页岩气水平段钻屑活度范围(0.35～0.70)较为一致，可较好地与地层达到渗透平衡。焦石坝区块露头岩心在该钻井液中浸泡30 d状态完好，抗压强度降低较少，与在油基钻井液相当，钻井液润滑性与同密度油基钻井液相当。适用密度范围1.20～2.00 g/cm3，抗温130 ℃，抗钻屑、水浸和原油污染能力较强[31]。

7　结语

1)随着环保要求的提高，烷基糖苷钻井液因其类油基特性和优良的环保性能，有望在页岩等水敏地层开发中，常规水基钻井液不能解决，而油基钻井液应用受限的地区得以发展。目前，烷基糖苷钻井液研究和应用仍处于初期阶段。

2)烷基糖苷在钻井液方面的应用研究可以这些方面加强：围绕糖苷分子结构进行改性升级，提升性能、减小加量、降低钻井液成本；开展纳-微米封堵剂、纳米润滑剂等配伍处理剂研选，形成强抑制、强封堵和高效润滑的高性能水基钻井液，以满足页岩等水敏地层的钻完井需求；在烷基糖苷和无机盐、胺基抑制剂和聚合醇等协同作用方面深入研究，进一步扩大烷基糖苷钻井液的应用范围；开展长期稳定性和生物降解性研究，确定合理再利用周期，便于该类钻井液的规模化应用。

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