超高支化酰胺聚合物在高温钻井液中的应用：抑制重晶石沉降及其作用机制

《Journal of Polymer Materials》：Application of a Hyperbranched Amide Polymer in High-Temperature Drilling Fluids: Inhibiting Barite Sag and Action Mechanisms

针对高温高压下合成基钻井液粘度损失及巴氏泥饼下沉问题，本研究创新性开发了高支化酰胺聚合物SS-1，通过动态离子交联和刚性芳香基团实现260℃以上热稳定性，添加2.0 wt% SS-1可使210℃老化钻井液塑性粘度达45 mPa·s，电稳定性达1426 V，沉砂系数降至0.509，较S-PAM提升4.3%。机制研究表明其协同抗沉作用源于静电吸附、空间位阻及胶体稳定网络的形成。

　　在当今全球能源开发日益向深层、复杂地质结构推进的背景下，石油勘探和开采技术正面临前所未有的挑战。特别是在中国，随着深井和超深井的开发需求不断增长，传统钻井液添加剂已难以满足极端工况下的性能要求。这一背景下，研究人员致力于开发新型高效钻井液稳定剂，以解决高温高压（HTHP）环境下常见的粘度损失和重晶石沉降问题。本文围绕一种新型的高支化酰胺聚合物（SS-1）的开发及其在合成基钻井液（SBDF）中的应用展开研究，旨在为深井钻井提供更加稳定、环保且高效的解决方案。

合成基钻井液因其较低的粘度、不含芳香烃、良好的生物降解性和非荧光特性，逐渐成为深水和环保敏感区域钻井的首选材料。然而，其固有的低粘度特性使得在高温条件下，重晶石颗粒容易发生沉降，从而引发井控事故、钻具卡死和井眼清洁困难等一系列问题。为解决这一瓶颈，本文提出了一种基于拓扑工程的逐步缩聚策略，成功合成了SS-1这一新型高支化聚合物。该聚合物的设计理念融合了动态离子交联机制以实现温度响应性流变性能，以及通过引入芳香结构来增强其在260°C以上的热稳定性。这一创新设计不仅提升了钻井液的抗沉降能力，还为下一代高性能钻井液稳定剂的分子设计提供了新思路。

SS-1的合成过程涉及多种材料和化学反应步骤，其中关键的合成路径包括通过多官能团缩聚构建交联网络。具体而言，实验中首先对 ricinoleic acid 和 benzene-1,2,4-tricarboxylic acid 进行预处理，以去除杂质并形成必要的反应中间体。随后，将 polyethylenimine 与这些预处理后的材料进行反应，生成具有特定结构的高支化聚合物。在后续步骤中，通过引入 sulfonated asphalt 和 tannic acid 进一步完善其分子结构，形成稳定的三维网络。这种多步骤的合成方法不仅确保了聚合物的高分子量和均匀结构，还有效避免了副反应的发生，提高了合成效率和产物纯度。

为了评估SS-1在钻井液中的实际应用效果，研究团队设计了三组对比实验，包括不含稳定剂的基液、含有传统稳定剂S-PAM的钻井液以及含有SS-1的钻井液。通过对这些系统的流变性能、电稳定性、滤失量和沉降性能进行测试，结果表明SS-1在多个关键指标上均优于传统材料。例如，在210°C的高温条件下，SS-1使钻井液的塑性粘度达到45 mPa·s，远高于基液（31.5 mPa·s）和S-PAM（37 mPa·s）。同时，其电稳定性（即破乳电压）达到了1426 V，显著高于S-PAM的1293 V，表明其在高温下的界面稳定性更强。此外，SS-1的沉降因子仅为0.509，远低于S-PAM的0.531，显示出其卓越的抗沉降性能。

在热重分析（TGA）中，SS-1表现出优异的热稳定性。当温度升至260°C时，其质量损失仅为2%，而在更高的温度下，如300°C至530°C之间，质量损失率逐步上升至18.94%，但仍远低于S-PAM的75.14%。这一结果表明，SS-1在高温环境下具有更强的结构稳定性，能够有效抵抗高温引起的分子链断裂和分解。相比之下，S-PAM在高温下迅速降解，导致其在210°C时的粘度大幅下降，这在实际钻井过程中可能导致钻井液性能的不稳定，进而影响井下作业的安全性和效率。

进一步的机制研究揭示了SS-1的抗沉降性能来源于其三功能协同机制。首先，SS-1通过静电吸附作用附着在重晶石颗粒表面，形成保护层，防止颗粒之间的直接接触。其次，其高支化结构通过空间位阻效应，有效抑制重晶石颗粒的迁移和聚集。最后，SS-1能够在高温下形成稳定的胶体网络，增强钻井液的整体稳定性。这种多方面的协同作用使得SS-1在高温下的抗沉降性能显著优于S-PAM，从而为深井钻井提供了更加可靠的解决方案。

除了流变性能和抗沉降能力，SS-1还展现出良好的电稳定性。通过实验测量，SS-1在210°C下的破乳电压显著高于基液和S-PAM，说明其在高温条件下能够维持稳定的油水界面。这种特性对于防止钻井液在高温下发生破乳和分离至关重要，有助于保持钻井液的均匀性和功能完整性。此外，通过粒径分析和Zeta电位测试，研究团队进一步验证了SS-1在高温下的优异分散性能。结果显示，SS-1处理后的钻井液中重晶石颗粒的平均粒径在220°C时减少了45%，表明其在高温下能够有效防止颗粒聚集，提升钻井液的整体性能。

在生物毒性方面，SS-1表现出良好的环境兼容性。实验数据显示，SS-1的EC50值为48900 mg/L，远高于S-PAM的15200 mg/L，且与基液（49250 mg/L）相近，表明其在高温条件下的使用对环境影响较小。这一特性使得SS-1不仅在性能上优于传统稳定剂，同时在环保方面也具有显著优势，符合当前对绿色钻井技术的迫切需求。

综上所述，SS-1作为一种新型的高支化酰胺聚合物，不仅在高温条件下展现出卓越的抗沉降性能和流变特性，还在环境友好性和成本效益方面具有明显优势。其独特的分子设计策略为深井钻井液稳定剂的研发提供了新的方向，同时也为未来钻井液技术的可持续发展奠定了基础。然而，尽管SS-1在实验室条件下表现优异，但在实际深井作业中，仍需进一步验证其在复杂地层条件下的适应性和长期稳定性。此外，为了实现更广泛的应用，研究团队还建议通过微观结构扫描技术，对实际钻井液体系中的流体损失网络进行直接观察，从而优化其分子结构和功能设计。

未来的研究方向应聚焦于提升SS-1在真实井下环境中的表现，包括在高温高压条件下的动态性能评估、微结构分析以及在实际钻井过程中的应用测试。同时，探索SS-1与其他添加剂的协同作用，进一步增强其在复杂地质条件下的适用性，也是值得关注的重要课题。通过这些努力，SS-1有望成为新一代深井钻井液稳定剂的代表，推动钻井技术向更高性能、更环保的方向发展。