《Separation and Purification Technology》：Research and development of eco-friendly high-temperature and salt-resistant filtrate reducers for minimizing drilling fluid loss and environmental pollution
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环保型钻井液添加剂AAPT通过高温高压及高盐环境下的稳定性能与降解安全性协同实现地层保护与生态友好，其两性离子聚合物结构赋予优异热稳定性和抗盐分散能力，较传统PAC-Lv和CMS降低滤失量86%以上，且符合生物降解标准。
You Guo|Yinbo He|Mingliang Du|Guancheng Jiang|Qingchen Wang|Qin Zhang
中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，中国北京市昌平区福学路18号，邮编102249
摘要
滤液抑制剂是重要的钻井液添加剂，能够减轻流体侵入对地层的损害。随着浅层资源的枯竭，钻井液的应用越来越多地转向高温高盐度的深部储层。传统的高温耐盐滤液抑制剂在长时间加热后往往会生成难以降解的残留物，而环保型替代品虽然更易降解，但通常缺乏足够的热稳定性和耐盐性。本研究制备了一种由多种功能性单体合成的环保型滤液抑制剂（AAPT），并对其进行了系统评估。环境评估表明，AAPT无毒且可生物降解（EC50 = 200,000 mg/L；BOD5/CODCr = 0.41）。在200°C下经过72小时后，其分子量降至987.98 Da，其降解产物可被植物吸收（小麦发芽率=90.5%等，与低粘度聚阴离子纤维素PAC相当）。性能测试显示，AAPT在200°C下能够保持稳定的过滤控制超过四天；96小时后，高温高压（HTHP）下的流体损失仅为27 mL，比PAC-Lv和羧甲基淀粉（CMS）低86%以上。此外，AAPT在盐度为15%的条件下仍有效。机理研究表明，其交联结构提高了热稳定性，而多点吸附和两性聚电解质效应增强了膨润土的水化和分散性以及耐盐性，从而形成了致密、光滑的泥饼，减少了滤液的流失。最终，AAPT在极端条件下实现了流体损失控制与环境兼容性的结合，为下一代深部和超深部能源勘探中的可持续钻井液添加剂提供了有前景的策略。
引言
随着浅层油气资源的枯竭，深部储层已成为全球碳氢化合物开采的主要目标[1]，[2]。然而，在深部地层中钻井通常面临高温（≥200°C）和高盐度（≥100,000 mg/L）等恶劣条件[3]，[4]。同时，日益严格的环境法规提高了对环保型钻井液的需求[5]，[6]，[7]，[8]。钻井液通常分为油基和水基系统。油基钻井液虽然有效，但会对地层造成较大污染，且不符合现代环境标准[9]，[10]，[11]。水基钻井液对地层的危害相对较小，但其耐高温和耐盐性通常不如油基钻井液。此外，水基钻井液中的高温稳定剂在长时间热作用下会逐渐降解为小分子片段，这些降解产物可能穿透滤饼，扰乱储层环境；受污染的地层水可能通过生态循环进一步扩散，带来更广泛的环境风险[12]，[13]。滤液抑制剂是水基钻井液中的关键添加剂，它们通过吸附在膨润土颗粒上，增强水化和分散性，并促进在井壁形成致密的滤饼，从而减少滤液侵入地层[14]，[15]，[16]，降低环境影响。然而，在长期高温条件下，滤液抑制剂本身也可能分解，其降解产物也可能对储层环境造成风险。
环保型滤液抑制剂大致可分为天然聚合物和改性天然聚合物。典型的天然聚合物基滤液抑制剂包括腐殖酸、黄原胶、羧甲基纤维素、木质素和淀粉[17]，[18]，[19]，[20]。然而，这些聚合物的分子结构中含有醚键，容易发生热裂解，通常限制了它们的热稳定性，不超过150°C[21]，[22]，[23]，[24]。因此，环保型滤液抑制剂的研究越来越多地转向改性天然聚合物。通过接枝等相关技术，这些聚合物表现出更高的热稳定性、耐盐性和流体损失控制性能。改性天然聚合物主要来源于基于淀粉、植物纤维和水果提取物的寡糖[25]，[26]，[27]。一般来说，接枝提高了结构复杂性，增强了热稳定性，而侧链官能团的引入进一步提高了耐高温和耐盐性。然而，聚合物主链中的醚键仍未改变，使其在高温（≤180°C）下仍易降解，耐盐性也有限[28]，[29]，[30]，[31]。
相比之下，合成聚合物基滤液抑制剂通常具有更稳定的结构，因为它们含有强C-C键，以及赋予其优异热稳定性和耐盐性的官能团[32]，[33]，[34]，[35]。大多数合成滤液抑制剂含有磺酸基单体（例如2-丙烯酰胺氨基-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）[36]，[37]，[38]。带负电荷的磺酸基团增强了膨润土的水化和分散性，促进了在井壁形成致密的滤饼，而磺酸基团与阳离子之间的弱静电相互作用提供了很强的耐盐性[39]，[40]，[41]。然而，大量研究表明，磺化产物往往具有高亲水性，在地层中移动性很强，不易降解，这会导致严重的土壤污染[42]，[43]，[44]，[45]。此外，磺酸基团可能诱导植物产生抗氧化酶，在低浓度下促进根系生长，但在高浓度下会抑制根系发育[46]，[47]，[48]。另外，磺酸基团可能干扰植物的嘧啶代谢，从而影响基因表达和遗传信息的传递[46]。因此，尽管磺化滤液抑制剂具有优异的热稳定性和耐盐性，但其在高温高盐环境中的长期降解产物会对生态造成严重风险，无法满足日益严格的环境要求。
在过去五年中，许多研究专注于环保型滤液抑制剂，其中几种具有代表性的高性能添加剂被选出来并在表1中总结。这些研究表明，大多数环保型滤液抑制剂主要基于天然产物单体，对其环保性的评估非常有限或完全缺失。此外，只有极少数添加剂能在钻井液系统中承受高达220°C的温度；在膨润土浆液中测试时，它们在如此高的温度下的性能通常不足。此外，绝大多数添加剂的耐热性不超过180°C，且缺乏耐盐性。为了克服天然和改性天然聚合物基滤液抑制剂的耐温性和耐盐性限制，并避免磺化产物的生物刺激作用，本研究选择了对土壤环境有益的可降解单体。这些单体包括季铵盐如三甲基氯化烯丙基铵（TAAC）和磷酸酯单体如2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基磷酸酯[53]，[54]，[55]。TAAC由两个对称的二烯丙基二甲基铵（DMDAAC）单元组成，每个单元包含一个五元环。其降解产物为季铵盐，含有氮元素，可被植物吸收作为氮肥。季铵盐已广泛应用于环保型絮凝剂[56]、抗菌材料[57]，[58]，[59]和环保型滤液抑制剂[39]。类似地，磷酸酯单体可以降解为磷酸盐或含磷小分子，可作为植物吸收的磷肥。基于这种设计策略，合成了一种持久、热稳定且环保的滤液抑制剂AAPT。在本研究中，AAPT是指一种实验室合成的两性聚合物滤液抑制剂，通过四种功能性单体的共聚反应制备而成，包括上述两种环保型两性单体。使用傅里叶变换红外光谱、热重分析、Zeta电位测量、扫描电子显微镜和生物毒性测试对其基本性质和作用机制进行了系统评估。这项工作为开发耐高温和耐盐、环境兼容的钻井液添加剂提供了新的视角。
材料
乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）、丙烯酰胺（AM）、2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基磷酸酯、四烯丙基氯化铵（TAAC）和过硫酸钾购自上海阿拉丁生化科技有限公司。膨润土由中国石油集团长城钻井工程有限公司提供。小麦种子由中国山东庄家仑食品有限公司提供。羧甲基淀粉（CMS）和低粘度聚阴离子纤维素（PAC）由其他公司提供。
FT-IR分析
使用IRTracer 100傅里叶变换红外光谱仪（岛津公司，日本）通过溴化钾压片法测量了AAPT和过滤性能测试后清洗干燥的滤饼表面的FT-IR光谱，扫描范围为400 cm?1至4000 cm?1。如图3(a)所示，3200 cm?1和3436 cm?1处的峰对应于Si-OH的伸缩振动，这是原始单体中不存在的基团。2949 cm?1处的峰对应于...
结论
本研究合成了环保型滤液抑制剂AAPT，由A-151、AM、2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基磷酸酯和TAAC作为交联剂制成。AAPT在极端条件下表现出优异的性能，在200°C下能够保持稳定的流体损失控制超过四天，高温高压（HTHP）下的流体损失值比常见的环保型添加剂（如PAC-Lv和CMS）低86%以上，并且在盐度为15%的条件下仍有效。
作者贡献声明
You Guo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。Yinbo He：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，监督，方法学，数据管理。Mingliang Du：撰写 – 审稿与编辑，方法学。Guancheng Jiang：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，监督，资源管理，项目管理，方法学，资金获取，正式分析，数据管理。Qingchen Wang：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金重点支持项目“深海和深井钻井中钻井液损失机制与防治方法研究”（项目编号：U23B2082）的财政支持。
