寡聚糖在钻井液中的作用效能研究

勇志华 张 帆 刘雄雄,3 董三宝

1. 西安石油大学化学化工学院 2．西安石油大学石油工程学院 3．中国工商银行府谷县支行

0 引言

目前，在复杂油气藏钻探领域中，超长水平井、大位移井等复杂井的数量逐渐增多，对钻井液性能的要求越来越苛刻。虽然油基钻井液因其具有较好的润滑性能、抑制性能等优点可以满足如今在复杂井中对钻井液的高要求，但随着我国新环保法要求日益严格，油基钻井液安全、环保及成本问题受到了越来越多的限制，开发环保型高性能水基钻井液一直是复杂油气藏钻探领域中的难点[1-5]。多聚糖类化合物已在环保钻井液中得以应用并成为热点关注，但其抗温性能始终难以满足深井钻井作业的需求[6-10]。寡聚糖(oligosaccharides)又称低聚糖或寡糖，是指2～10个通过糖苷连接形成直链或支链的糖类化合物，具有耐高温、稳定、无毒等理化性能[11-13]，在食品饮料、烘焙和医疗保健等领域已被广泛应用[14-18]。寡聚糖的理化性能及其生理功能特征，恰与对环保钻井液处理剂的要求相一致，其抗温性也优于目前已应用的多聚糖类化合物（如黄原胶、甲基葡聚糖等）钻井液处理剂；然而，迄今为止，寡聚糖用作钻井液处理剂的报道极少见[13,19-22]。通过实验考察了水基钻井液中添加寡聚糖(MQ)前后，钻井液的流变、滤失造壁、润滑、抑制和抗温等性能参数的变化规律，从而分析和研究MQ在水基钻井液中的作用效能，为组配新的寡聚糖钻井液体系提供必要的实验依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器及药剂

实验仪器名称及型号：ZNN-D6S型六速旋转黏度计、GJSS-B12K型四联中压滤失、JC2000D1型接触角测量仪、BGRL-5型变频滚子加热炉、112-00-01型EP极压润滑仪、QBZY型表面张力仪。

实验药剂规格及生产厂家：钙基膨润土（工业级，西安永久化工有限公司）、钠基膨润土（工业级，山东潍坊信诚膨润土有限公司）、无水碳酸钠（AR，天津市大茂化学试剂有限公司）、氯化钾（AR，天津市大茂化学试剂有限公司）、重晶石（工业级，四川新创能石油工程技术有限公司）、氢氧化钠（AR，天津市天力化学试剂有限公司）、MQ（工业级，山东得顺源石油科技有限公司）。

1.2 钻井液性能评价

1.2.1 钻井液基浆配制

1%～5%钠土基浆和4%钙土基浆的配制方法参照标准GB/T 16783.1-2006《石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》中具体技术要求[23]。

1.2.2 钻井液性能测试

参照GB/T 16783-1997中评价水基钻井液性能的方法进行，寡聚糖的抑制性能参照SY/T 6335-1997中钻井液用页岩抑制剂评价方法进行[24-25]。

1.3 抗污染性能评价

1.3.1 抗NaCl性能评价

向4%钙土基浆中加入不同浓度的NaCl和5% MQ，分别测试加入MQ前后钻井液的极压润滑因数f，研究 MQ对钻井液抗NaCl性能的影响规律。

1.3.2 抗重晶石性能评价

向4%钙土基浆中加入不同浓度的重晶石和5% MQ，分别测试加入MQ前后钻井液的极压润滑因数研究MQ对钻井液抗重晶石性能的影响规律。

1.4 寡聚糖作用机理分析

1.4.1 表面张力分析

在QBZY表面张力测试仪上测试MQ溶液与钙土基浆的表面张力。

1.4.2 接触角分析

在JC2000D1接触角测试仪上测试MQ改性前后膨润土压片的表面接触角。

2 结果与讨论

2.1 钻井液中的性能评价

2.1.1 MQ在不同钻井液基浆中性能评价

室温（25℃）下将MQ按5%（m/v, %）的添加量加入到下述不同基浆中，测试钻井液性能参数，结果如表1所示。

表1 MQ在不同钻井液中性能评价表

由表1可知，分别在4%钙土基浆、4%钠土基浆和5%钠土基浆中加入5%MQ后：①钻井液的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）和动切力（YP）均增大。表明MQ能显著提高钻井液的液相黏度，增大液相内摩擦阻力；MQ吸附在黏土颗粒表面，增强了黏土颗粒空间网架结构的强度；②寡聚糖MQ在黏土颗粒表面吸附后形成水化膜，削弱了黏土颗粒的聚集变大，形成的泥饼更致密，使钻井液滤失量降低；③钻井液的极压润滑因数均有较大幅度的下降，表明MQ在钻井液中具有较好的润滑性能；MQ在钠土基浆中润滑因数的降低率大于在钙土基浆中润滑因数的降低率。综上所述，MQ在水基钻井液中具有显著的增黏提切、降滤失、改善润滑性能的作用效能。

2.1.2 含土量对MQ性能的影响

通过测定MQ加入钻井液（含不同量钠基膨润土）前后的性能参数来探究钻井液中含土量对MQ性能的影响，实验结果如表2所示。

表2 含土量对MQ处理的钻井液性能影响表

由表2可知，随着钻井液中钠基膨润土含量增加，与未添加MQ的基浆相比较，添加了MQ的钻井液性能参数发生了较大变化，表现为AV、PV、YP和润滑因数均增大且滤失量逐渐降低；当钻井液中MQ添加量为5%时，钻井液的流变参数均大幅度增加且滤失量和极压润滑因数均大幅度降低，这与表1所示的实验结果一致，再次表明MQ在钻井液中具有显著的增黏提切、降滤失和改善润滑性能的作用效能；随着钻井液中含土量增大，MQ在钻井液中的增黏提切、降滤失和改善润滑的作用效能增强，表明MQ对高含土量或低含土量钻井液均具有良好的适应性。

2.1.3 老化温度对MQ性能的影响

分别测定4%钠土基浆中添加5%MQ的基浆经25 ℃、120 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃和 180 ℃下老化16 h后的性能参数，实验结果如表3所示。

表3 老化温度对MQ性能的影响表

由表3可知，在4%钠土基浆中添加MQ后：①钻井液的AV、PV和YP都增加，FL、润滑因数和滤液的pH值降低，与前述结果一致；②随着老化温度升高，钻井液的AV、PV和YP都减小，FL和润滑因数均增大；③当老化温度在150～160 ℃时，加入MQ使钻井液的润滑因数降低得最明显；④当老化温度达到180 ℃时，钻井液的AV、PV和YP基本与基浆的AV、PV和YP一致，且滤失量增大到31 mL，润滑因数增大到0.234 4，说明MQ在180 ℃下基本丧失了在钻井液中的增黏提切和降滤失作用，但仍然具有一定的润滑作用。

2.1.4 老化时间对MQ性能的影响

在150 ℃下，测定老化时间对MQ的润滑性和滤失性的影响，实验结果如图1所示。

图1 150 ℃老化时间对MQ的润滑性和滤失性的影响图

由图1可知：在1%钠土基浆中加入5%MQ后，常温下钻井液的润滑因数大于在150 ℃下老化不同的时间后钻井液的润滑因数，随着老化时间的延长，钻井液的润滑因数和滤失量基本保持不变，说明延长老化时间并不能改变寡聚糖MQ在钻井液中所起到的润滑及降滤失作用，因此具有较好的润滑及降滤失长效性。

2.1.5 MQ抑制性能评价

用常温常压膨胀量测定仪测定膨润土压片分别在自来水、4%KCl溶液及钻井液（4%钙土基浆+不同质量比的MQ）中浸泡0～120 min后的线性膨胀率，实验结果如图2所示。

图2 膨润土压片在不同水溶液中的线性膨胀率图

由图2可知，膨润土在自来水和4%KCl溶液中120 min的膨胀率分别为60.68%和39.42%。在4%钙土基浆中添加不同量的寡聚糖MQ，膨润土压片经过120 min后膨胀率均小于自来水和4%KCl中的膨胀率，5%MQ溶液中膨润土压片的线性膨胀率仅为20.8%。综上膨润土压片在不同溶液中的线性膨胀实验结果可得：寡聚糖MQ对膨润土水化膨胀具有较好的抑制作用，其原因可能是MQ分子上富含羟基（—OH）而在膨润土颗粒表面形成吸附膜，阻止了不同水溶液中的水分子在膨润土颗粒上由表及里地侵入，有效抑制了膨润土压片的水化膨胀。

2.2 抗污染性能评价

2.2.1 NaCl含量对MQ润滑性能的影响

通过测定5%MQ加入前后钻井液的润滑因数来探究NaCl含量对MQ在钻井液中润滑作用效能的影响，实验结果如图3所示。

图3 NaCl含量对MQ润滑性能的影响图

由图3可知，未添加MQ的钻井液中，钻井液的润滑因数随着NaCl含量在0～20%范围内增加而逐渐降低，润滑性能逐渐提高，表明在实验范围内NaCl含量升高有助于钻井液润滑性能的改善，这主要是因为NaCl对MQ具有盐析效应、Na+与MQ分子中的负电基团发生了部分电性中和，使黏土颗粒与MQ分子之间的斥力减小，提高了MQ分子在黏土颗粒表面的吸附量，形成的吸附膜增厚且致密，导致钻井液润滑因数降低而改善了润滑性；在添加了MQ的钻井液中，钻井液的润滑因数均大幅降低而显著改善了润滑性能，表明添加MQ可以提高钻井液的润滑效能；随着添加了MQ的钻井液中NaCl浓度增大，钻井液的润滑因数基本保持不变，表明MQ具有良好的抗NaCl效能。

2.2.2 重晶石含量对MQ润滑性能的影响

通常，钻井液的润滑性随着固体加重剂重晶石等含量的增大而变差，为考察重晶石含量对MQ在钻井液中润滑作用效能的影响，测定了重晶石含量在0～20%范围内的不同钻井液中添加5%MQ前后钻井液的润滑因数，实验结果如图4所示。

图4 重晶石含量对添加MQ钻井液润滑性能的影响图

由图4可知，未添加MQ的钻井液中，钻井液的极压润滑因数随着重晶石含量在0～20%范围内增加而逐渐降低，润滑性能逐渐提高，表明在实验范围内，重晶石含量增大有助于钻井液润滑性能改善，这主要是因为重晶石颗粒较小，在极压润滑仪的滑块与滑环之间由干摩擦转变为滚动摩擦且这种转变随着重晶石含量增大而增多；在添加了MQ的钻井液中，钻井液的润滑因数均大幅降低而显著改善了润滑性能，表明添加MQ可以改善用重晶石加重的钻井液的润滑效能；随着添加了MQ的钻井液中重晶石含量逐渐增大，钻井液的润滑因数基本保持不变，但当重晶石含量超过15%后，钻井液的润滑因数逐渐增大了，这可能是重晶石含量超过15%后，MQ从黏土颗粒上脱吸附而导致润滑效能下降。综上可得，钻井液中固体加重材料的含量超过一定值后，确实会对寡聚糖MQ在钻井液中的润滑效能产生较大影响，使钻井液的润滑性能下降，其原因有待进一步实验解析。

2.3 寡聚糖作用机理分析

2.3.1 表面张力分析

在室温下通过表面张力仪测定寡聚糖MQ分别添加到蒸馏水和4%钙土基浆前后所得目标试样的表面张力来探究寡聚糖MQ的润滑机理，实验结果如图5所示。

图5 试样表面张力测定图

由图5可知，在蒸馏水和4%钙土基浆中分别添加5%MQ后，试样的表面张力分别从72.0 mN/m降至52.4 mN/m、从62.0 mN/m降至39.0 mN/m。这表明MQ能使目标试样的表面张力显著下降，其原因可能是寡聚糖MQ的分子具有两亲的表面活性结构，即具有亲水端头和疏水端头，使MQ分子在固液两相界面吸附，降低目标试样的表面张力。

2.3.2 接触角分析

通过测试寡聚糖MQ处理前后膨润土压片的接触角，研究MQ对膨润土润湿性的改变，从而间接验证寡聚糖MQ的吸附状态，实验结果如图6所示。

图6 蒸馏水在膨润土压片的接触角照片

对比图6中的（a）和（b）可知：照片（a）中，蒸馏水在原始膨润土压片上的接触角为0 ；照片（b）中，蒸馏水在经过寡聚糖MQ处理后的膨润土压片上的接触角为45.8 。这表明经过MQ处理后的膨润土压片的疏水性增强了，这可能是由于MQ分子上亲水部分的多羟基与黏土表面的氧原子相互作用，通过氢键形成了多点吸附，MQ分子上的疏水端朝向水相形成了化学膜，这样使MQ在水基钻井液中起到了隔绝润滑、降低滤失和抑制黏土水化的作用。

3 结论

1）MQ在150℃的水基钻井液中，同时兼有显著的增黏提切、降低滤失、润滑和抑制黏土水化多重作用效能，MQ对含土量1%～5%的钻井液均具有良好的适应性，可作为新型多功能水基钻井液处理剂。

2）MQ在水基钻井液中兼有上述作用效能的机理在于：MQ分子能显著提高水基钻井液的液相黏度，增大液相内摩擦阻力的同时增强了黏土颗粒空间网架结构的强度，因而同时表现出增黏提切、降低水分子滤失之功效；MQ分子上的环多羟基易吸附在黏土颗粒表面上并形成较丰厚的外表面疏水的水化膜，使它同时起到润滑、抑制水化和致密化泥饼而降低滤失作用。