環(huán)保型生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑

周啟成，單海霞，位華，李彬，周亞賢，符俊昌

（1.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽 457001)

降濾失劑作為鉆井液的重要處理劑，對于穩(wěn)定井壁、保護油氣層起著重要作用?；腔尤渲禐V失劑（以SMP 為代表）因具備優(yōu)良的穩(wěn)定性和高溫高壓降濾失性被廣泛應用，但隨著國家環(huán)保要求提高，降濾失劑除了具備抗溫、抗鹽之外，還應易生物降解[1-3]。筆者圍繞綠色化學品、綠色合成的發(fā)展方向，利用可再生的生物質(zhì)資源——木質(zhì)素為原料，經(jīng)生物降解和化學反應合成出一種綠色環(huán)保、抗溫可生物降解的生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑LDR-501。性能評價表明，LDR-501 降濾失性能優(yōu)良、抗溫抗鹽能力強、可生物降解，與鉆井液配伍性好，解決了鉆井液抗溫性與環(huán)保性之間的矛盾，還可為環(huán)境敏感地區(qū)、環(huán)保要求高地區(qū)的鉆井材料提供一種選擇，具有廣闊的應用前景[4-6]。

1 生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑的制備思路

利用生物酶定向催化，將木質(zhì)素大分子解聚成富含芳香基、酚羥基和醇羥基等活性基團的小分子，然后利用分子重排、化學聚合等反應，一方面提高主鏈剛性，利用空間體積和空間位阻效應，增強抗溫性能；另一方面利用空間體型結構的吸附點，提高在黏土上的吸附性、吸附厚度及抑制性，形成低滲透性致密泥餅，使生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑的性能滿足抗高溫、抗鹽和降濾失性能需求[7-9]。

2 生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑的性能評價

2.1 理化性能和環(huán)保性能

按照標準SY/T 5094—2017《鉆井液用降濾失劑磺甲基酚醛樹脂SMP》、SY/T 6787—2010《水溶性油田化學劑環(huán)境保護技術要求》對產(chǎn)品性能進行測定，同時對比分析了LDR-501 和SMP-Ⅱ的理化和環(huán)保性能，結果見表1。由表1 可知，LDR-501 水溶性較好，易水解，濁點鹽度為160 g/L，表明產(chǎn)品抗鹽能力強，生物降解性BOD5/CODCr為0.26，屬于可生物降解，是傳統(tǒng)磺化酚醛樹脂降濾失劑SMP-Ⅱ的21 倍，生物毒性EC50為440 000 mg/L，是國家規(guī)定指標的44 倍，表明產(chǎn)品無毒。

表1 降濾失劑LDR-501 與SMP-Ⅱ理化性能和環(huán)保性能

2.2 降濾失性能

按照SY/T 5241—1991《水基鉆井液用降濾失劑評價程序》，分別配制淡水基漿和鹽水基漿，加入不同濃度的LDR-501，在不同溫度下老化16 h，測定基漿的API 濾失量，評價產(chǎn)品在基漿中的降濾失劑性能，結果見圖1 和圖2?？芍SLDR-501加量的增加，淡水基漿和鹽水基漿的API 濾失量逐漸下降；不同溫度老化后，3%LDR-501 淡水基漿，API 濾失量在5.6～8.4 mL，降低率達73.4%～86.0%；5%LDR-501 鹽水基漿，API 濾失量在7.0～10.8 mL，降低率達79.2%～88.2%，顯示出良好的降濾失效果。LDR-501 具有空間體型結構的酶解木質(zhì)素為主原料合成，保留了木質(zhì)素吸附點多的特點，通過交聯(lián)劑，增加主鏈長度和剛性，達到抗溫降濾失的效果，陰陽離子的引入，增強了水化抑制能力。淡水基漿和鹽水基漿配方如下。

淡水基漿 4%膨潤土+4%評價土+0.3%Na2CO3

鹽水基漿 4%膨潤土+4%評價土+4%NaCl+0.3%Na2CO3

圖1 LDR-501 加量對淡水基漿API 濾失量的影響

圖2 LDR-501 加量對鹽水基漿API 濾失量的影響

2.3 基漿中抗鹽性能

考察5%LDR-501 在不同濃度鹽水基漿中抗鹽性能，結果見表2。由表2 可知，隨著鹽含量的增加，基漿的黏度也隨之增加。150、180 ℃老化下，25%NaCl 高溫高壓濾失量均小于25 mL；在150、180 ℃老化下，30%NaCl 鹽水基漿高溫高壓降濾失量分別是32.4、36.6 mL，表明LDR-501 抗鹽能力可達25%，具有較強的抗鹽能力?；鶟{配方如下。

4%膨潤土+4%評價土+5%LDR-501+5%SMC+0.3%Na2CO3

表2 不同濃度的NaCl 對鉆井液基本性能的影響

2.4 抗溫性能

配制密度為1.65 g/cm3的鉆井液，加入5%LDR-501，在不同溫度下老化16 h，評價其抗溫性能，并與傳統(tǒng)磺化酚醛樹脂降濾失劑SMP-Ⅱ進行對比，結果見表3。由表3 可以看出，在120～180 ℃老化后，LDR-501 與鉆井液的配伍性良好，鉆井液均具有良好的流變性和高溫高壓濾失性，高溫高壓濾失量在8.4～12.4 mL，優(yōu)于相同條件下SMP-Ⅱ；溫度大于200 ℃下老化，鉆井液黏度上升，高溫高壓濾失量為30.6 mL，這可能是在此溫度下LDR-501 生物質(zhì)材料有降解，后期繼續(xù)研究生物質(zhì)抗高溫單體，以滿足抗200 ℃高溫的要求。

鉆井液配方為4%基漿+5%LDR-501+5%SMC+1.0%PAMS601+0.5%銨鹽+0.1%NaOH+7%KCl

表3 不同老化溫度對鉆井液性能變化影響

2.5 長期老化性能

配制密度為1.65 g/cm3的鉆井液，向其中加入5%LDR-501，在180 ℃下老化不同時間，測定鉆井液流變性能，結果見表4。由表4 可知，LDR-501 鉆井液在180 ℃下老化168 h，高溫高壓降濾失量為10.8 mL，中壓和高溫高壓濾失量均優(yōu)于SMP-Ⅱ，表明LDR-501 具有良好的長期穩(wěn)定性，但此時表觀黏度達到77 mPa·s，鉆井液出現(xiàn)增稠。分析認為，隨著老化時間的增長，鉆井液體系中自由水減少，通過維護補漿來改變鉆井液流型。鉆井液配方如下。

4% 基漿+5%LDR-501+5%SMC+0.5% 銨鹽+1.0%PAMS601+0.1%NaOH+7%KCl

表4 不同老化時間對LDR-501 鉆井液性能的影響

2.6 現(xiàn)場井漿配伍性

分3-1 井是位于四川省宣漢縣毛壩鎮(zhèn)彈子村的一口定向開發(fā)評價井，設計井深為5982 m，斜深為6406.56 m，完鉆斜深為6620 m，采用聚磺封堵防塌潤滑鉆井液，井漿密度為1.69 g/cm3、漏斗黏度為49 s、固相含量為26%、膨潤土含量為21 g/L、Cl-含量為119 635 mg/L，加入1.0%LDR-501 在150 ℃下老化16 h，考察其與井漿的配伍性能，并與SMP-II 進行對比，結果見表5。可知，1%LDR-501井漿的高溫高壓失水降低了55%，從28.8 mL 降到12.8 mL，鉆井液流型與加入同樣加量SMP-II 基本一致，濾失性能優(yōu)于SMP-II，表明LDR-501 與現(xiàn)場井漿的配伍性良好。鉆井液配方如下。

0.3%NaOH+（3%～4%）SMP-2+2%膨潤土+（2%～3%）FT-1+（2%～3%）SCL+1%LV-PAC+0.5%PAMS-150+0.3%DS-301+20%NaCl

表5 不同降濾失劑與井漿配伍性能

3 機理分析

生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑產(chǎn)品分子通過其分子上的磺酸等吸附基團在黏土顆粒表面吸附，形成一定的溶劑化膜，穩(wěn)定黏土膠體顆粒，使鉆井液中黏土粒子的聚集-分散程度適中，從而保證鉆井液的流變性、濾失造壁性和抑制性以及其他相關性能，滿足鉆井作業(yè)要求；產(chǎn)品分子中水化基團的水溶性好，可增強處理劑高分子鏈的親水性，從而使鉆井液中黏土粒子表面形成較強的親水溶劑化層，產(chǎn)生抗溫的作用效能。

4 結論

1.以木質(zhì)素為原料，經(jīng)生物降解和化學反應得到生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑LDR-501。LDR-501性能測試結果表明，其BOD5/CODCr為0.26，可生物降解；EC50為440 000 mg/L，無毒；濁點鹽度為160 g/L，180 ℃老化16 h 后基漿的高溫高壓濾失為18.6 mL，抗溫、抗鹽、降濾失性能好。

2.LDR-501 綜合性能與SMP-Ⅱ相當，環(huán)保優(yōu)勢突出，促進生物質(zhì)資源在鉆井液領域中的應用，提高水基鉆井液綠色環(huán)保性能。