環(huán)保型鉆井液用降濾失劑研究進(jìn)展

吳鑫磊， 閆麗麗， 王立輝， 王發(fā)云

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

隨著世界石油工業(yè)的迅速發(fā)展，鉆井技術(shù)對(duì)鉆 井液提出了更新更高的要求，特別是鉆井液的使用越來(lái)越受到環(huán)保政策及法律法規(guī)的限制，所以研究出既可以滿足鉆井工程需求又具有環(huán)境友好性質(zhì)的新型環(huán)保鉆井液成為了國(guó)內(nèi)外鉆井液技術(shù)人員、專家們所關(guān)注和研究的重要課題之一。其中環(huán)保型降濾失劑是研究的重要領(lǐng)域之一。在環(huán)保型鉆井液降濾失劑的研制中，主要有天然高分子聚合物類，包括淀粉、黃原膠、纖維素、木質(zhì)素、單寧、植物膠等，主要應(yīng)用于上部淺層鉆井，抗溫一般120 ℃左右?？垢邷氐沫h(huán)保型鉆井液降濾失劑以天然高分子接枝聚合物類降濾失劑為主，一般接枝AM、AMPS、AA、NVP等功能性單體合成多元共聚物抗高溫降濾失劑，抗溫180～200 ℃?，F(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外環(huán)保型降濾失劑的研究情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以期對(duì)環(huán)保型抗高溫降濾失劑的研制起到一定的指導(dǎo)和參考作用。

1 國(guó)外環(huán)保型降濾失劑的研究進(jìn)展

1.1 天然高分子降濾失劑

2005年Md Amanullah[1]研究了5種改性淀粉的流變性及濾失量。這些改性淀粉在150 ℃老化后API濾失量在10～20 mL之間。除此之外2016年Md Amanullah[2]使用沙特阿拉伯當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的植物棗椰樹(shù)生產(chǎn)降濾失劑，該降濾失劑是用棗椰籽粉制備而成，可適用于淡水和鹽水鉆井液，環(huán)保性能良好。加入無(wú)黏土淡水鉆井液中（FW+PHP+DSP）高溫高壓濾失量（100 ℃、500 psi（3.45 MPa））為30 mL，加入無(wú)黏土海水鉆井液中（SW+PHP+DSP）高溫高壓濾失量（100 ℃、500 psi（3.45 MPa））為21 mL。其中PHP為洋車前子殼粉，DSP為棗椰籽粉。仍然是2016年Alireza Salmachi[3]等人發(fā)現(xiàn)車前草種子殼可以制成粉末，與膨潤(rùn)土基漿相比，有良好的流變性和降濾失性。由于車前草是可食用植物，故對(duì)環(huán)境無(wú)害。當(dāng)洋車前子殼粉濃度達(dá)到0.75%～1%時(shí)，與5%膨潤(rùn)土漿相比有足夠的流變性。當(dāng)洋車前子殼粉濃度為0.75%和1%時(shí)，其總的濾失量比膨潤(rùn)土基漿濾失量低4.5%和13%，其較低的濾失量與其高黏度相關(guān)。Alireza Salmachi等人并未對(duì)其抗溫能力進(jìn)行研究，只是提供了一個(gè)研究環(huán)保處理劑的新方向。

1.2 合成抗高溫降濾失劑

在合成抗高溫降濾失劑方面，早在1998年美國(guó)的Patel就研制出以AMPS為聚合單體，N， N'-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑的用于水基鉆井液的抗高溫降濾失劑。美國(guó)的Soric和德國(guó)的Heier[4]也通過(guò)共聚獲得了抗溫能力超過(guò)230 ℃的新型降濾失劑Hosladrill4706。Sifferman[5]等人研制出的改性淀粉降濾失劑，可在20～160 ℃范圍內(nèi)具有良好的降濾失效果。

M-I公司開(kāi)發(fā)了ULTRADRILL安全環(huán)保型高性能水基鉆井液體系，由聚丙烯酰胺ULTRCAP、聚陰離子纖維素POLYPAC UL、聚胺抑制劑ULTRHIB和鉆速增效劑ULTRAFREE等組成環(huán)保型水基鉆井液體系，抗溫135 ℃。其中POLYPAC UL為降濾失劑，它是一種純凈的高分子量的低黏度聚陰離子纖維素聚合物，其在水基鉆井液中容易分散，在淡水及各種鹽水、海水中均有效，可以有效控制濾失量且對(duì)流變性影響極小。該產(chǎn)品在渤海等地區(qū)應(yīng)用情況良好，極大地降低了鉆井液濾失量，有效形成濾餅，且無(wú)生物毒性，滿足了海洋環(huán)保的要求[6-8]。

2009年，A. Tehrani，D. Gerrard[9]等人對(duì)比了幾種用丙烯酰胺和磺化單體等為原料，采用不同合成方法制得的聚合物的流變性及降濾失性能。聚合物如表1所示。幾種聚合物加入鉆井液體系在232℃（450 ℉）老化后的流變性及濾失情況如圖1～圖3所示。

表1 高溫高壓水基鉆井液用合成聚合物[9]

調(diào)整鉆井液配方應(yīng)用于不同地區(qū)。將鉆井液體系應(yīng)用于南美地區(qū)，其在400 ℉（204 ℃）老化后，在300 ℉（150 ℃）的高溫高壓濾失量為16 mL。應(yīng)用于東非地區(qū)，在450 ℉（232 ℃）老化后，在400 ℉下高溫高壓濾失量為33 mL。鉆井液在美國(guó)南部地區(qū)使用時(shí)，在400 ℉老化后，在350 ℉（177℃）的高溫高壓濾失量為22 mL。這些地區(qū)環(huán)境保護(hù)要求較高，該鉆井液符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)要求。

圖1 聚合物加入鉆井液體系的塑性黏度值

圖2 聚合物加入鉆井液體系的動(dòng)切力

圖3 聚合物加入鉆井液體系后的高溫高壓濾失量

E. T. G. Dias等人[10]合成一種用于逆乳化鉆井液的改性淀粉降濾失劑。該產(chǎn)品是用淀粉與月桂酸乙 烯 酯（CH3（CH2）10COOH‖CH2） 或 硬 脂 酸 乙 烯酯（CH3（CH2）16COOH‖CH2） 在 二 甲 基 亞 砜 中 進(jìn)行酯化反應(yīng)所制得，其中，樣品SVS系列是淀粉與硬脂酸乙烯酯反應(yīng)所得，SVL系列是淀粉與月桂酸乙烯酯反應(yīng)所得。將制得的不同濃度乳液與其他幾種樣品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2（樣品濃度為8.5 kg/m3）與表3（樣品濃度為14.2 kg/m3）所示 。

表2 濃度為8.5 kg/m3各樣品高溫高壓濾失量（121 ℃）性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 濃度為14.2 kg/m3各樣品高溫高壓濾失量（121 ℃）性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2與表3可以看出， 降濾失效果最好的是最長(zhǎng)碳?xì)浠衔镦満吞砑訚舛茸罡叩臉悠?。其中疏水性?cè)鏈增加了淀粉與濾餅顆粒的相互作用， 形成了低滲透性薄膜， 阻止液體流入多孔巖石。較高濃度則更有效地與大量顆粒進(jìn)行相互作用， 從而降低濾失量。

2 中國(guó)環(huán)保型降濾失劑的研究進(jìn)展

2.1 改性淀粉類降濾失劑

中國(guó)研究人員對(duì)天然高分子材料進(jìn)行了大量的研究與改進(jìn)，其中淀粉是被研究最多的天然高分子材料。淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量對(duì)天然淀粉的使用和應(yīng)用具有決定性的作用[11]。淀粉的微觀結(jié)構(gòu)是以葡萄糖基組成的大分子環(huán)式主鏈， 呈剛性， 柔韌性差。分子鏈上苷鍵化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定， 遇酸水解， 遇到強(qiáng)氧化劑斷裂， 苷鍵斷裂使淀粉聚合度降低， 大分子降解。所以打斷淀粉的苷鍵， 改變淀粉的聚合度就可以改變淀粉的流動(dòng)性、 黏附性等性質(zhì)。淀粉中含有可反應(yīng)的羥基，可通過(guò)官能團(tuán)反應(yīng)進(jìn)行改性，如交聯(lián)、酯化、接枝共聚等[12]。

2010年，王德龍[13]等人將水溶性硅酸鈉引入羧甲基淀粉鈉合成了有機(jī)硅化合物降濾失劑，0.4%樣品加入淡水基漿中，在150 ℃老化后API濾失量為15.2 mL。2011年，遲姚玲[14]等人將丙烯酰胺和丙磺酸單體接枝到淀粉上，生成改性淀粉降濾失劑。淡水基漿中加入1.5%該降濾失劑在150 ℃老化后API濾失量為8.6 mL。2014年，喬營(yíng)[15]等人以淀粉為基體，引入丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸合成了St/AM/AMPS接枝共聚物，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)其合成條件進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上引入了陽(yáng)離子單體丙烯酰氧基三甲基氯化銨，合成了一種環(huán)保性能好的抗高溫抗鹽兩性離子降濾失劑。1%樣品加入淡水鉆井液中150 ℃老化后API濾失量為10.9 mL，在160 ℃老化后API濾失量為16.0 mL。2%樣品加入飽和鹽水鉆井液中150 ℃老化后API濾失量為58.9 mL，基本失去降濾失作用。

以往的研究中，淀粉及其衍生物的抗溫性能都是在150 ℃左右。且由于制備方法簡(jiǎn)便，反應(yīng)條件較低，目前有較多的改性天然高分子降濾失劑被工業(yè)生產(chǎn)出來(lái)。但這類產(chǎn)品不能在高溫高壓及含鹽井中對(duì)鉆井液濾失量進(jìn)行有效控制，故需要研制抗溫較高的產(chǎn)品。在研究人員的不懈努力下，抗溫達(dá)150℃以上的降濾失劑逐漸被研發(fā)出來(lái)，但主要進(jìn)行的是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，尚未進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)施工，技術(shù)尚未成熟。

2011年，陳馥[16]等人以可溶性玉米淀粉、AMPS、DMDAAC、AM四 元 共 聚， 制 得 一 種 兩 性離子改性淀粉鉆井液降濾失劑。在淡水基漿中加入0.6%產(chǎn)品，180 ℃老化后API濾失量為10.8 mL，150 ℃時(shí)高溫高壓濾失量為24.2 mL。該產(chǎn)品在加量較少時(shí)有較好的降濾失效果，且反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)便，有一定的借鑒價(jià)值，但其高溫高壓降濾失能力還需進(jìn)一步提高。2012年，解金庫(kù)[17]等人用苯基有機(jī)銨、碘化鉀和環(huán)氧氯丙烷制備PC，然后與CMS制備得苯基陽(yáng)離子淀粉降濾失劑PCS。將PCS與六甲基二硅氮烷反應(yīng)得到有機(jī)硅改性陽(yáng)離子淀粉降濾失劑OSCS。最后用OSCS與3-氯-2-羥丙基磺酸鈉反應(yīng)制得HTS。對(duì)比PCS、OSCS、HTS抗高溫性能如表4所示。由表4可以看出，HTS在160 ℃時(shí)綜合性能較好，黏度變化相對(duì)較小。

表4 老化后含降濾失劑淡水鉆井液性能

為了做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將一種產(chǎn)品制得后再與另一種化學(xué)藥品制得另一種產(chǎn)品，即后一種產(chǎn)品是在前一種產(chǎn)品的基礎(chǔ)上制得的。此方法在實(shí)驗(yàn)室對(duì)比可行，若要工業(yè)生產(chǎn)最終產(chǎn)品時(shí)，需要將步驟簡(jiǎn)化。

2013年，蘇俊霖等人[18]發(fā)明了一種抗高溫改性淀粉降濾失劑。該產(chǎn)品是通過(guò)淀粉、酚類化合物、烯基酰胺和烯基磺酸為原料，油相溶液為連續(xù)相，非離子表面活性劑為乳化劑，并在還原底物和氫受體底物的催化下反應(yīng)生成的淀粉接枝共聚物。淡水基漿中加入1.8%～2.8%該產(chǎn)品，在175 ℃老化后其API濾失量在13.2～14.8 mL之間，高溫高壓濾失量在28.4～34.0 mL之間；飽和鹽水基漿加入3.0%～4.0%該降濾失劑，在175 ℃老化后其API濾失量在13.4～15.0 mL之間，高溫高壓濾失量在28.6～33.4 mL之間；在含0.5%CaCl2基漿中加入3.0%～4.2%該降濾失劑，在175 ℃老化后測(cè)其API濾失量在13.8～14.6 mL之間，高溫高壓濾失量在28.8～29.4 mL之間。此種改性淀粉降濾失劑抗溫可達(dá)175 ℃，這是因?yàn)槠湓诘矸劢Y(jié)構(gòu)單元中引入苯環(huán)作為剛性基團(tuán)，減弱了降濾失劑分子因熱運(yùn)動(dòng)而引起的高溫解吸附作用，提高了改性淀粉降濾失劑在高溫條件下的性能，以及抗鹽鈣能力。另外，在添加合成單體過(guò)程中，采取淀粉結(jié)構(gòu)單元優(yōu)先與酚類化合物反應(yīng)，從而使淀粉結(jié)構(gòu)單元中氧原子直接與酚類化合物中苯環(huán)上的碳原子相連，氧原子上孤對(duì)p電子與苯環(huán)上的π電子產(chǎn)生p-π共軛，提高了分子整體的熱穩(wěn)定性。此發(fā)明專利介紹了幾種不同單體合成的產(chǎn)品，產(chǎn)品分子鏈略有不同，其抗溫抗鹽能力較好。但是，反應(yīng)過(guò)程中用到大量化學(xué)藥品，且反應(yīng)條件不同，反應(yīng)體系溫度也在變化，反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，不易進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

2015年，單潔[19]等人以淀粉和一種自制的同時(shí)帶有磺酸基和季銨陽(yáng)離子的烯烴單體為原料合成了一種耐溫性能達(dá)到180 ℃的改性淀粉YS。海水基漿中加入3%YS并在180 ℃老化后其API濾失量為10.0 mL；飽和鹽水基漿中加入3%YS在180℃老化后API濾失量為3.0 mL。2016年，褚奇[20]等人發(fā)明了一種鉆井液用改性淀粉降濾失劑。其中該降濾失劑是由淀粉、酚類化合物、烯基季銨鹽、烯基酰胺、烯基磺酸或烯基磺酸鹽和烯基烷酮為原料反應(yīng)生成的共聚物。其在180 ℃老化后濾失量如表5所示。

表5 不同基漿在180 ℃老化16 h后的濾失量

該降濾失劑可在深井、超高溫深井的高溫、 高鹽或高鈣地質(zhì)條件下使用，但在合成過(guò)程中反應(yīng)較為復(fù)雜，反應(yīng)條件要求較高，不利于進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化反應(yīng)條件，以期可以實(shí)現(xiàn)推廣使用。

2.2 改性纖維素類降濾失劑

纖維素是一種天然高分子化合物，由許多吡喃葡萄糖彼此以糖苷鍵連接而成的線性分子。對(duì)纖維素改性產(chǎn)品主要是指纖維素分子鏈中的羥基和有機(jī)化合物發(fā)生酯化或者醚化反應(yīng)的產(chǎn)物，包括纖維素醚類、纖維素酯類及酯醚混合衍生類，其中纖維素醚是最主要的類型。可以作為鉆井液降濾失劑的纖維素醚有羧甲基纖維素（CMC）、羥乙基纖維素（HEC）、羧甲基羥乙基纖維素（CMHEC）等。纖維素醚降濾失劑共同的缺點(diǎn)是水溶性差，黏度高，由于分子環(huán)狀鏈單元中醚鍵在高溫下氧化分解，故纖維素醚單獨(dú)使用溫度一般不超過(guò)110 ℃[21]。

2007年，朱阿成[22]等人用鋅類納米材料ZZ，采用溶液共混法和乳液共混法為主、機(jī)械共混法為輔的共混方法對(duì)低黏鈉羧甲基纖維素（CMC）進(jìn)行改性，制得納米改性材料CMC-ZZ，在150 ℃老化16 h后，加入1%CMC基漿的API濾失量為8.4 mL，加入1%CMC-ZZ基漿的API濾失量為7.8 mL；180 ℃老化16 h后加入1%CMC基漿的API濾失量達(dá)到14.8 mL，而加入1%CMC-ZZ基漿的API濾失只有8.1 mL。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，CMC和CMC-ZZ在150 ℃下都具有良好的降濾失能力，但是當(dāng)溫度升高到180 ℃后，只有CMC-ZZ還具有良好的降濾失能力。CMC-ZZ具有較好的抗溫能力是因?yàn)榧尤氲牟糠旨{米材料顆粒水化膨脹和分散形成了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，溫度的升高使這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成能力增強(qiáng)；而另一部分納米材料顆粒則與分子鏈產(chǎn)生物理/化學(xué)作用，保護(hù)分子鏈在高溫下不發(fā)生變化。納米材料與分子鏈間的作用如圖4所示。

圖4 納米顆粒與分子鏈間的作用

2.3 改性木質(zhì)素類降濾失劑

2011年，陳剛[23]等人通過(guò)木質(zhì)素磺酸鈣LS與甲醛、伯/仲胺的曼尼希反應(yīng)制備了木質(zhì)素磺酸鈣曼尼希堿LM，再與雜聚糖SJ反應(yīng)制備出了聚糖-木質(zhì)素SL。對(duì)加有0.3%SL的鉆井液在180 ℃下熱滾24 h后，其API濾失量在12.7～22.2 mL之間，濾失量較大，但依然具有一定降濾失作用。

2.4 聚合物類環(huán)保型降濾失劑

除上述淀粉及其衍生物以外，部分聚合物類降濾失劑也通過(guò)了生物毒性的檢測(cè)，證明其是環(huán)保型降濾失劑，且抗高溫能力顯著。

2011年，褚奇和羅平亞[24-25]介紹了一種有機(jī)硅鉆井液降濾失劑，用烯基磺酸或烯基磺酸鹽、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基硅烷為原料在一定的反應(yīng)溫度下，通過(guò)引發(fā)劑引發(fā)反應(yīng)得到膠狀有機(jī)硅降濾失劑，其抗溫性能如表6。該降濾失劑在200 ℃以下有較好的降濾失性能，在220 ℃老化16 h后3種不同類型的鉆井液表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力下降明顯，出現(xiàn)了明顯的高溫減稠現(xiàn)象，濾失量劇增，不能很好地控制鉆井液體系流變性和維護(hù)井壁穩(wěn)定性[26-27]。

表6 有機(jī)硅降濾失劑抗溫性能

2016 年， 李 真 偉[28]等 人 用 AMPS、AM、AA、NVP與DMDAAC作為反應(yīng)單體，通過(guò)水溶液聚合制成了一種抗高溫抗鹽降濾失劑HRF，可抗溫230℃，EC50不小于20 000 mg/L。該降濾失劑在淡水基漿、鹽水基漿、飽和鹽水基漿中經(jīng)過(guò)230 ℃老化16 h后，API濾失量分別為11.0、1 6.5和18.0 mL，在元壩10-1H井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的最高溫度為160℃，使用密度為1.32 g/cm3。

3 抗高溫機(jī)理分析

鉆井液降濾失劑共聚物大部分是線狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫€型分子柔順性、彈塑性良好，易于在溶劑中溶脹或溶解。但若線型分子鏈剛性不夠，則分子鏈容易在高溫下蜷曲變形使降濾失劑失效。例如淀粉分子是雙螺旋結(jié)構(gòu)，但其分子鏈在高溫作用下容易蜷曲變形，糖苷鍵熱穩(wěn)定不佳容易發(fā)生熱分解，故導(dǎo)致降濾失能力下降。故提高降濾失劑分子鏈的剛性是提高其抗溫能力的關(guān)鍵。

為提高降濾失劑的抗溫能力，共聚物分子一般設(shè)計(jì)碳碳鍵為分子主鏈，其鍵能高，平均鍵能大347.3 kJ/mol，在高溫下具有良好的穩(wěn)定性不易受高溫與鹽鈣作用而斷裂；側(cè)鏈選擇具有較高鍵能、熱穩(wěn)定性好的C—S、 C—N等結(jié)構(gòu)， 以提高側(cè)鏈上的官能團(tuán)在高溫、 高礦化度環(huán)境中的穩(wěn)定性；產(chǎn)物優(yōu)選為兩性離子聚合物， 此類聚合物因其反聚電解質(zhì)效應(yīng)而具備較強(qiáng)的抗鹽鈣性能，故反應(yīng)單體包括非離子、陰離子與陽(yáng)離子單體。

常用的非離子單體有丙烯酰胺（AM）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）等，這些非離子單體的側(cè)鏈上常常帶有酰胺基、內(nèi)酰胺基等非離子強(qiáng)吸附基團(tuán)，具有一定的極性，易于吸附在黏土顆粒上形成溶劑化膜，獲得穩(wěn)定的膠體，使鉆井液保持良好的性能。在高溫與堿性環(huán)境下，酰胺基團(tuán)會(huì)發(fā)生水解，如圖5，但是水解后的羧基會(huì)對(duì)未水解的酰胺基團(tuán)產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻止酰胺基團(tuán)進(jìn)一步發(fā)生水解，如圖6[29]。

圖5 酰胺基團(tuán)水解

圖6 羧基產(chǎn)生位阻效應(yīng)

除A M外，D M A A也是抗高溫降濾失劑合成中一種重要的單體，與AM相比，DMAA酰胺基團(tuán)氮上的兩個(gè)氫原子被空間位阻更大的甲基所取代，而高分子量聚合物分子鏈段蜷曲阻力較大，分子鏈剛性較強(qiáng)，同時(shí)甲基的取代降低了酰胺基團(tuán)的極性，故難以與水分子形成氫鍵，水解穩(wěn)定性顯著提高[30-33]。內(nèi)酰胺基團(tuán)也是一種理想的抗高溫抗鹽鈣基團(tuán)，對(duì)鹽鈣不敏感，主要是由于其含有呈五元環(huán)結(jié)構(gòu)的吡咯烷環(huán)，這種結(jié)構(gòu)可抑制酰胺基團(tuán)的水解，進(jìn)而增強(qiáng)高分子量聚合物鏈的剛性，如NVP。

陰離子單體中，磺酸基團(tuán)具有良好的抗溫抗鹽能力?；撬峄鶊F(tuán)的兩個(gè)S—O（π鍵）鍵的存在，增強(qiáng)了S從—OH上吸引電子的能力，使得S更容易從—OH上吸引電子而產(chǎn)生—SO3-體系的共軛效應(yīng)，使磺酸基團(tuán)比較穩(wěn)定。氫離子解離可在較大程度上使自由能降低，根據(jù)能量最低原理，—SO3-共軛體系比較穩(wěn)定，此時(shí)，鉆井液陽(yáng)離子的侵入會(huì)提高共軛體系的自由能，因此正離子不易進(jìn)入—SO3-共軛體系的水化層中，所以Na+、Ca+、Mg2+對(duì)該基團(tuán)的去水化能力弱。對(duì)于羧基基團(tuán)，不存在這一共軛體系，陽(yáng)離子可以較為容易地侵入—COOH形成的水化層，發(fā)生去水化作用，且對(duì)Ca2+來(lái)說(shuō)這種作用更明顯[34-37]。最常用的陰離子單體是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）。AMPS可為聚合物引入耐鹽抗溫能力強(qiáng)的水化基團(tuán)—SO3-， 還含有大側(cè)基—CONHC（CH3）2CH2SO3H，可增強(qiáng)聚合物主鏈的剛性，進(jìn)一步提高產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性。其分子上羰基氧（C‖O）上具有3對(duì)孤對(duì)電子，與鉆井液中的鈣離子發(fā)生吸附時(shí)，可形成致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低鉆井液的濾失量。由此可知，AMPS空間體積較大，將其接枝到共聚物分子中可以提高共聚物的剛性，使鉆井液在高溫條件下保持較好的性能[29]。

陽(yáng)離子基團(tuán)所形成的多點(diǎn)吸附可以在黏土表面形成一層陽(yáng)離子的吸附保護(hù)膜，從而抑制黏土粒子膨脹，保持膠體穩(wěn)定。常用的陽(yáng)離子單體有二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）、二乙基二烯丙基氯化銨（DEDAAC）等。D M D A A C是最為常用的季銨鹽陽(yáng)離子單體，正電荷密度高，不易受鹽侵的影響；還可以在合成的共聚物大分子鏈中形成五元環(huán)狀結(jié)構(gòu)，提高分子鏈的剛性，進(jìn)而提高共聚物的抗高溫抗鹽侵能力[33]。

有機(jī)硅降濾失劑在抗高溫方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。在聚合物分子中引入抗鹽水化基團(tuán)—SO3-和高吸附基團(tuán)—CONH2的同時(shí)，引入可與黏土表面—OH發(fā)生縮聚反應(yīng)的Si—OH，產(chǎn)生的Si—O—Si鍵能大（452 kJ/mol），裂解溫度高（大于300 ℃），可保證聚合物和黏土間在高溫環(huán)境中依然具有較強(qiáng)的吸附能力，促使黏土顆粒表面水化膜變厚，有助于阻止黏土顆粒聚結(jié)成大顆粒。多個(gè)黏土顆?？梢晕皆谕粭l分子鏈上，從而提高了黏土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，有利于保持鉆井液中細(xì)顆粒的含量，形成致密的濾餅，達(dá)到降低濾失量的目的[24]。在合成羧甲基淀粉鈉時(shí)引入硅酸鈉的研究中，生成的Si—H基團(tuán)強(qiáng)化了高分子量聚合物的鏈接，提高了分子鏈剛性，增加了分子空間位阻，故分子鏈不易蜷曲，高溫解吸困難[13]。

4 結(jié)論

在新型降濾失劑的推廣應(yīng)用過(guò)程中，需要將鉆井工程性能良好和環(huán)境友好目標(biāo)有機(jī)結(jié)合。環(huán)保降濾失劑選用應(yīng)該是無(wú)毒無(wú)污染的天然高分子材料或者改性產(chǎn)品，雖然目前已有抗溫180 ℃的環(huán)保型降濾失劑報(bào)道，但是其高溫高壓下的濾失量控制依然不夠理想，部分產(chǎn)品存在發(fā)酵問(wèn)題，導(dǎo)致各項(xiàng)研究主要停留在室內(nèi)，未推廣至實(shí)際鉆井工程中，缺乏大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，在天然高分子中盡可能更多地接枝剛性結(jié)構(gòu)，提高接枝率，簡(jiǎn)化反應(yīng)條件，解決發(fā)酵問(wèn)題，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有良好且穩(wěn)定的性能等是改性天然高分子材料所面臨的挑戰(zhàn)，研發(fā)出實(shí)用的抗高溫環(huán)保型降濾失劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。