钻井液用磺化胺基烷基糖苷高效润滑剂的研制及性能

司西强，王中华

(中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001)

近年来，高温深井超深井、长水平段水平井等高难度井越来越多，对钻井液润滑防卡要求越来越高[1-5]。在钻井液中混入原油等矿物油环保问题突出，因此，研发绿色高性能润滑剂已成为主要发展趋势[6-8]。在钻井液中加入植物油酯、动物油脂类润滑剂[9-10]不能很好地满足目前高温深井超深井、长水平段水平井的高摩阻控制要求。

以烷基糖苷[11-16]为母体，研发高润滑、低加量、强吸附、抗高温的磺化胺基烷基糖苷(LAPG)产品，可有效解决高温深井超深井、长水平段水平井的高摩阻控制难题。本文对磺化胺基烷基糖苷产品进行了合成研究及性能评价，以期对国内外钻井液同行有一定借鉴作用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

烷基糖苷、磺化试剂、钠膨润土均为工业品；环氧桥接剂、多元醇、三烷基醇胺、长链烷基苯磺酸均为分析纯。

ZNCL-TS恒温磁力搅拌器；ZNN-D6六速旋转黏度计；XGRL-4A高温滚子加热炉；LHG-2老化罐；GJS-B12K变频高速搅拌机；EP-2A极压润滑仪；DZF-6050真空干燥箱；BL200S精密电子天平；FTIR-850傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 基浆配制方法

5.0%膨润土浆的配制方法：在1 L水中加入2.5 g无水碳酸钠和50 g钠膨润土，搅拌20 min后，室温养护24 h后制得。

1.3 产品分子设计及合成研究

1.3.1 产品理论分子设计 磺化胺基烷基糖苷产品的理论分子设计思路如下：

(1)以环保、润滑性好的烷基糖苷为母体单元，引入胺基提高产品分子的吸附能力，同时，胺基具有抑菌杀菌作用，且增大位阻效应，延缓降解，提高产品分子的抗高温能力。

(2)引入磺酸基，产品分子由非离子型转变为阴离子型，可提高分子配伍性和抗钙能力；引入长链烷基提高产品分子的成膜润滑能力。

(3)磺胺基烷基糖苷产品分子具有抗高温润滑性好、低加量、强吸附、配伍性好、绿色环保等优点。

依据上述分子设计思路，磺化胺基烷基糖苷产品应具有以下理论分子结构，见图1。

2.C 提示:NaHCO3不是化肥,A项错误。氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2,B项错误。制NaHCO3时是向饱和NaCl溶液中依次通入NH3和CO2,D项错误。

图1 磺化胺基烷基糖苷产品理论分子设计结构Fig.1 Theoretical molecular design structure of sulfonated amino alkyl polyglucoside

对图1中磺化胺基烷基糖苷的理论分子设计结构进行合理拆分，可以得到产品合成所需原料主要包括烷基糖苷、环氧桥接剂、多元醇、磺化试剂、三烷基醇胺等，所用催化剂为长链烷基苯磺酸。

1.3.2 产品合成研究 磺化胺基烷基糖苷产品的合成方法如下：

将0.4 mol烷基糖苷APG、0.06 mol长链烷基苯磺酸、0.04 mol环氧桥接剂、0.06 mol多元醇、0.08 mol磺化试剂加入配有冷凝回流装置和搅拌装置的四口烧瓶中，在1 000 r/min搅拌速度下混合均匀，升温至90～105 ℃，反应1.0～2.0 h；在上述反应液中加入0.6～1.0 mol三烷基醇胺，搅拌混合均匀，在70～90 ℃下反应3.0～5.0 h，降至室温，得到红褐色粘稠状液体，即为磺化胺基烷基糖苷产品。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

磺化胺基烷基糖苷产品的红外光谱图见图2。

图2 磺化胺基烷基糖苷产品红外光谱图Fig.2 FTIR spectrum of sulfonated amino alkyl polyglucoside

由图2可知，2 830～2 950 cm-1为甲基和亚甲基中C—H键的伸缩振动峰，1 500 cm-1为C—O—C的伸缩振动峰，可确定有糖苷结构；1 419 cm-1为C—N键的吸收峰，3 380 cm-1为N—H的吸收峰，可确定含有胺的结构；1 068 cm-1为磺酸基的特征吸收峰，可确定含有磺酸基团。综合上述分析结果，磺化胺基烷基糖苷产品分子结构中含有糖苷、醚键、C—N键、胺基、磺酸基等特征结构，验证了产品分子设计思路的准确性。

2.2 产品性能评价

2.2.1 润滑性能 对不同含量磺化胺基烷基糖苷产品水溶液的润滑性能进行了评价，实验结果见图3。

图3 不同含量磺化胺基烷基糖苷产品的极压润滑系数Fig.3 Lubrication coefficient of sulfonated amino alkyl polyglucoside with different contents

2.2.2 抗温性能 不同老化温度下，对1.0%磺化胺基烷基糖苷产品在5.0%膨润土浆(基浆)中的润滑性能进行了评价，老化实验条件：不同温度，16 h。实验结果见表1。

表1 不同老化温度下磺化胺基烷基糖苷产品对5.0%膨润土浆润滑性能的影响Table 1 Effect of sulfonated amino alkyl polyglucoside on lubrication performance of 5.0% bentonite slurry at different aging temperatures

由表1可知，随着老化温度的升高，磺化胺基烷基糖苷产品在5.0%膨润土浆中的润滑系数呈逐渐升高趋势，但润滑系数降低率在200 ℃高温老化后仍高达81.98%。综合分析认为，磺化胺基烷基糖苷产品抗温达200 ℃，适用于高温地层的润滑防卡。

2.2.3 配伍性能 考察了不同含量磺化胺基烷基糖苷产品对5.0%膨润土浆(基浆)流变性能及滤失性能的影响。老化实验条件：160 ℃，16 h。实验结果见表2。

表2 不同含量磺化胺基烷基糖苷产品对膨润土浆流变及滤失性能影响结果Table 2 Effects of different contents of sulfonated amino alkyl polyglucoside on rheological and filtration properties of bentonite slurry

由表2可知，磺化胺基烷基糖苷产品对5.0%膨润土浆的流变性能影响不大，随着加量增大，膨润土浆的表观黏度基本不变；产品对5.0%膨润土浆具有显著的降滤失作用。具体来说，加入1.0%LAPG产品后，基浆的表观黏度由4.0 mPa·s升高至5.0 mPa·s，表观黏度变化值仅为1.0 mPa·s，中压滤失量由39.0 mL降至32.0 mL，中压滤失量降低值达7.0 mL。综合分析认为，磺化胺基烷基糖苷产品对膨润土浆流变性基本无影响，滤失量显著降低，表现出突出的配伍性能。

2.2.4 生物毒性 采用发光细菌法评价了磺化胺基烷基糖苷产品的生物毒性。实验结果显示，所合成LAPG产品样品的EC50值为489 700 mg/L，远高于排放标准30 000 mg/L(参照国标：GB/T 15441—1995 水质急性毒性的测定发光细菌法)。得出结论为，合成得到的磺化胺基烷基糖苷产品无生物毒性，绿色环保。

3 结论

(1)在烷基糖苷环保及润滑性能优势基础上，通过分子理论设计，引入磺酸基、胺基、长链烷基等功能基团，制备得到了高润滑、低加量、强吸附、抗高温的磺化胺基烷基糖苷产品。

(2)研究得到了磺化胺基烷基糖苷产品制备方法。将反应原料按一定配比，在一定反应温度和时间下发生胺化和磺化反应，制备得到了磺化胺基烷基糖苷产品；表征结果验证了产品理论分子设计思路的准确性。

(3)得到了磺化胺基烷基糖苷产品性能评价结果。0.2%产品水溶液极压润滑系数为0.058 2；产品抗温达200 ℃；加量为1.0%时可使5.0%膨润土浆的润滑系数降低率达81.98%；对钻井液表观粘度基本无影响，具有显著降滤失作用；无生物毒性，绿色环保。

(4)磺化胺基烷基糖苷产品可有效解决高温深井超深井、长水平段水平井、大位移井的高摩阻控制难题，避免托压卡钻等井下情况发生，满足现场绿色、安全、高效钻进，应用前景广阔。