聚醚胺基烷基糖苷的中試生產(chǎn)及應(yīng)用

王忠瑾

中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng)457001

20世紀(jì)90年代至今，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，烷基糖苷鉆井液已經(jīng)形成為較為成熟的水基鉆井液體系[1-3]。但是，近年來(lái)由于鉆遇的地層越來(lái)越復(fù)雜，隨著深井、超深井越來(lái)越多，致密油氣藏、頁(yè)巖油氣水平井的大力開(kāi)發(fā)，對(duì)鉆井液的性能要求越來(lái)越高。烷基糖苷雖然潤(rùn)滑性較好，適合鉆探致密砂巖地層，但其不能解決大段泥巖及泥頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，自身的抑制性能有待提高，極大限制了其繼續(xù)推廣應(yīng)用[4-10]。針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)對(duì)烷基糖苷進(jìn)行改性，研發(fā)成本低、高性能的改性烷基糖苷產(chǎn)品將會(huì)是烷基糖苷鉆井液實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展的關(guān)鍵[11-15]。2013年以來(lái)，中石化中原石油工程有限公司自主研發(fā)了聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有良好的抑制性、抗溫性和潤(rùn)滑性，且加量小成本低，可以直接作為泥頁(yè)巖抑制劑使用或作為主劑形成聚醚胺基烷基糖苷鉆井液使用，替代現(xiàn)有的烷基糖苷。該產(chǎn)品在文23儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用60口井，有效抑制了泥巖及砂泥巖的水化膨脹分散，解決了微泡鉆井液低密度條件下的井壁穩(wěn)定難題，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 聚醚胺基烷基糖苷中試生產(chǎn)

1.1 原料與設(shè)備

環(huán)氧化合物、烷基糖苷、多元醇、固體有機(jī)酸、有機(jī)胺，均為工業(yè)品。

50 L中試反應(yīng)釜；3 m3中試反應(yīng)釜；中試放大生產(chǎn)配備水蒸汽加熱、冷凝回流、攪拌、降溫裝置；防爆齒輪泵；所用進(jìn)料管匯采用橡膠管。

1.2 小試探索

在聚醚胺基烷基糖苷室內(nèi)合成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)品的小試探索試驗(yàn)。小試試驗(yàn)在50 L小容量反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)釜為水浴加熱，配備攪拌裝置和冷凝回流裝置。根據(jù)產(chǎn)品的室內(nèi)合成工藝參數(shù)，初步確定產(chǎn)品小試工藝參數(shù)為：攪拌速度>300 r/min；n(環(huán)氧化物)∶n(多元醇)∶n(烷基糖苷)為2∶1∶(3.0～3.5)，聚醚烷基糖苷合成反應(yīng)溫度為90～100 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2～4 h；n(聚醚糖苷)∶n(有機(jī)胺)為1∶(0.5～1.0)，有機(jī)胺加料方式為直接加入，在室溫下靠自身放熱保證反應(yīng)所需溫度，反應(yīng)時(shí)間為1～3 h。

小試試驗(yàn)工藝與室內(nèi)合成工藝略有不同。室內(nèi)合成分3步反應(yīng)：1)合成聚醚；2)聚醚與烷基糖苷合成烷基糖苷聚醚；3)烷基糖苷聚醚與有機(jī)胺合成聚醚胺基烷基糖苷。而小試試驗(yàn)將反應(yīng)步驟1)和2)合為一步，這樣既縮短了反應(yīng)時(shí)間，又不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能造成影響。產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，小試產(chǎn)品具有優(yōu)異的抑制性能和優(yōu)良的抗溫性能，小試產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)結(jié)果與室內(nèi)產(chǎn)品一致。

1.3 中試放大

中試放大試驗(yàn)的主要目的是優(yōu)化聚醚胺基烷基糖苷產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，降低工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合室內(nèi)合成工藝和小試試驗(yàn)工藝，開(kāi)展產(chǎn)品中試生產(chǎn)，得到目標(biāo)產(chǎn)品。生產(chǎn)設(shè)備采用3 m3的大容量反應(yīng)釜，配備攪拌裝置、冷凝回流裝置和降溫裝置。中試放大工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 NAPG中試放大工藝流程圖

中試生產(chǎn)工藝操作步驟為：1)將0.5 t環(huán)氧化合物、0.075 t固體有機(jī)酸、0.25 t多元醇、1.2 t烷基糖苷加入反應(yīng)釜，攪拌均勻，在95～100 ℃反應(yīng)1～4 h，降至室溫。2)在上述反應(yīng)液中緩慢泵入0.25 t有機(jī)胺，保持溫度在70 ℃左右，反應(yīng)1～3 h。降至室溫，即得紅褐色粘稠狀的聚醚胺基烷基糖苷產(chǎn)品；3)對(duì)產(chǎn)品隨機(jī)取樣測(cè)試其性能，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格；4)出料，裝桶，張貼產(chǎn)品標(biāo)簽及合格證，在陰涼處保存?zhèn)溆谩?/p>

NAPG產(chǎn)品中試生產(chǎn)過(guò)程中需注意安全。為確保安全，中試放大工作人員在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中需按規(guī)定佩戴口罩、防護(hù)服等勞保用品；NAPG產(chǎn)品中試放大過(guò)程及結(jié)束后無(wú)廢水、廢氣、廢渣排放，不會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題；NAPG產(chǎn)品生產(chǎn)成本主要是加熱所需燃料和攪拌所需電力，能耗較低。中試放大操作過(guò)程需遵循并注意事項(xiàng)：嚴(yán)格遵守規(guī)章制度和工藝操作規(guī)程，不得隨意更改；及時(shí)記錄觀察反應(yīng)現(xiàn)象；若反應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)異常，如反應(yīng)熱效應(yīng)顯著、出現(xiàn)暴沸等異常時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施；保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，若出現(xiàn)異常時(shí)，如突發(fā)停電、停水情況時(shí)，應(yīng)立刻采取必要的應(yīng)急措施；試驗(yàn)人員應(yīng)有高度的責(zé)任心，應(yīng)密切關(guān)注試驗(yàn)過(guò)程，及時(shí)采取措施解決預(yù)見(jiàn)或未預(yù)見(jiàn)性的問(wèn)題。

1.4 聚醚胺基烷基糖苷應(yīng)用成本

與烷基糖苷產(chǎn)品相比，聚醚胺基烷基糖苷在加量較小時(shí)具有較好的抑制防塌效果，NAPG加量為普通烷基糖苷的1/10時(shí)，作為抑制劑，能夠達(dá)到較好的抑制效果。與烷基糖苷相比，聚醚胺基烷基糖苷綜合應(yīng)用成本降低80%～85%。聚醚胺基烷基糖苷作為烷基糖苷的升級(jí)換代產(chǎn)品，在抑制性能和綜合成本上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

2 聚醚胺基烷基糖苷中試產(chǎn)品的抑制性能評(píng)價(jià)

2.1 巖屑滾動(dòng)回收率

對(duì)不同加量的NAPG水溶液進(jìn)行巖屑回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，所用巖屑為馬12井2 765 m處4～10目(篩孔徑為1.74～5.45 mm)的巖心，巖屑采用40目篩網(wǎng)回收。巖屑的一次回收率實(shí)驗(yàn)條件為：130 ℃，16 h；巖屑二次回收率實(shí)驗(yàn)條件為：130 ℃，2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)NAPG加量為3 kg/m3時(shí)，巖屑滾動(dòng)回收率為97.85%，巖屑的二次回收率為97.55%，相對(duì)回收率為99.69%。結(jié)果表明：較低NAPG加量即可對(duì)巖屑的水化膨脹、分散起到較強(qiáng)的抑制作用。NAPG加入鉆井液可保證鉆井液具有較好的抑制防塌能力，減少井下由于井壁失穩(wěn)造成復(fù)雜狀況，降低鉆井成本，NAPG表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 相對(duì)抑制率

考察了NAPG含量對(duì)鈣土相對(duì)抑制率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：150 ℃，16 h。NAPG含量對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 NAPG含量對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率影響

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)NAPG加量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率達(dá)95%；當(dāng)NAPG含量達(dá)10 kg/m3時(shí)，對(duì)鈣土的相對(duì)抑制率達(dá)99%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NAPG在較低含量下即可對(duì)鈣土表現(xiàn)出較好的抑制效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)室內(nèi)研究及中試生產(chǎn)出合格產(chǎn)品125 t，并在文23儲(chǔ)氣庫(kù)60口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)以文23儲(chǔ)11-8井為例分析應(yīng)用效果。

文23儲(chǔ)11-8井地理位置位于河南省濮陽(yáng)縣文留鎮(zhèn)蟲(chóng)王廟村，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構(gòu)造。目的層沙四下亞段(S4下)頂部為厚-中、薄層灰色粉砂巖與中、薄層灰色、紫色、暗紫紅色泥巖不等厚互層，局部夾灰色泥質(zhì)粉砂巖。底部以中-厚層紫色、暗紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部夾棕色泥質(zhì)粉砂巖。泥巖發(fā)育地層易水化膨脹分散造成井壁失穩(wěn)、掉塊，導(dǎo)致井下復(fù)雜事故。

文23儲(chǔ)氣庫(kù)采用密度范圍0.90 ～1.05 g/cm3微泡鉆井液體系，微泡鉆井液的配方見(jiàn)表2。為提高鉆井液抑制性和潤(rùn)滑性能，綜合考慮成本及性能，在鉆進(jìn)的過(guò)程中加入5 ～10 kg/m3的NAPG，大大提高了微泡鉆井液的抑制性能，有效解決了低密度條件下泥巖井段的井壁失穩(wěn)難題。并且保持了較高的機(jī)械鉆速，應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速為20.9 m/h。文23儲(chǔ)11-8井應(yīng)用井段井徑擴(kuò)大率曲線見(jiàn)圖3。

表2 微泡鉆井液的主要組成

由圖3可知，文23儲(chǔ)11-8井應(yīng)用井段井徑擴(kuò)大率較小，井徑規(guī)則，2 809～3 117 m井段平均井徑擴(kuò)大率僅為1.02%。說(shuō)明在原微泡鉆井液體系基礎(chǔ)上加入強(qiáng)抑制劑NAPG后，在較低密度條件下解決了泥巖的水化分散及井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

圖3 文23儲(chǔ)11-8井應(yīng)用井段平均井徑擴(kuò)大率

4 結(jié)論

在室內(nèi)研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展了聚醚胺基烷基糖苷的中試生產(chǎn)，形成了成熟的NAPG生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出125 t，在文23儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用60口井，應(yīng)用效果顯著，井壁穩(wěn)定效果明顯，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的60口井，井徑擴(kuò)大率僅為3.28%，有效地解決了微泡鉆井液低密度條件下泥巖的井壁穩(wěn)定難題，且與微泡鉆井液配伍性好，NAPG有較好推廣應(yīng)用前景。