评估天然树胶作为泥浆添加剂对水基钻井泥浆的腐蚀行为和流变特性的影响

《Journal of Hydrology X》：Assessing the effect of natural gums as a mud additive on the corrosion behavior and rheological properties of water-based drilling mud

钻井泥浆中黄原胶替代品研究：比较四种植物胶体（P. juliflora, A. indica, M. oleifera, P. dulcis）作为部分替代品对腐蚀抑制和流变学特性的影响，发现高浓度（90:10）二元配方电荷转移电阻显著降低，表明植物胶体有效吸附金属表面，抑制腐蚀，同时保持泥浆粘弹性。

　　在石油和天然气工业中，钻井是一项至关重要的操作，它涉及到在地壳中钻探孔道以获取地质储层中的化石燃料。这一过程中，钻井液起到了关键作用，其主要功能包括清除井底的岩屑、润滑和冷却钻头、支撑孔壁的稳定性、防止地层流体进入井筒以及在循环中断时悬浮岩屑。钻井液的性能直接影响钻井效率和成本，因此，其优化和改进成为该领域研究的重点。

钻井液通常分为三类：合成钻井液、油基钻井液和水基钻井液。其中，水基钻井液因其环境友好性和相对较低的成本而被广泛采用。然而，水基钻井液在实际应用中可能会与氧气、盐分、有机酸和硫化氢等物质发生反应，进而导致钻井管柱、井壁套管以及其他设备的腐蚀。为了应对这一问题，研究者们尝试通过调节钻井液的pH值和添加异环有机腐蚀抑制剂来减少腐蚀的发生。然而，大多数用于石油工业的腐蚀抑制剂都是含氮化合物，如胺类和铵盐，这些物质在使用过程中可能对环境造成严重污染。

因此，寻找一种环境友好、成本低廉且具有高效抗腐蚀性能的替代材料成为当前研究的重要方向。植物分泌物类的天然高分子材料因其生物降解性和天然来源而受到关注。在本研究中，我们评估了以Xanthan Gum（XG）为基础的钻井液与从Prosopis juliflora（PJ）、Azadirachta indica（AI）、Moringa oleifera（MO）和Prunus dulcis（PD）提取的植物分泌物类高分子材料在抗腐蚀和流变性能方面的表现。XG是一种由细菌Xanthomonas campestris生产的天然多糖类生物聚合物，因其出色的流变性能和过滤控制能力而被广泛应用于钻井液中。然而，XG的供应短缺和高昂的生产成本限制了其在钻井操作中的广泛应用，促使研究者寻找XG的替代品或部分替代材料。

在本研究中，我们选择了四种植物分泌物类的天然高分子材料作为XG的替代品，并通过不同的电化学实验评估其在钻井液中的抗腐蚀性能。这些实验包括极化曲线测量、电化学阻抗谱（EIS）分析等，以评估这些天然高分子材料在不同条件下的抗腐蚀效果。研究结果显示，XG-90% + PJ-10%的配方表现出显著的抗腐蚀性能，其极化曲线向阳极方向偏移，导致较低的腐蚀电流密度（i_c = 0.41 mA/cm²）。此外，该配方的电化学阻抗谱显示，其电荷转移电阻（R_ct）相较于XG含量较低的配方（如XG:NG 40:60）显著提高，这表明该配方在抑制腐蚀方面具有更好的效果。

在评估这些天然高分子材料的抗腐蚀性能时，我们还观察到它们在金属表面的吸附能力。这些吸附能力不仅有助于形成保护层，还能通过化学吸附和物理吸附机制减少金属与腐蚀性物质之间的接触。例如，Azadirachta indica（AI）的植物分泌物材料通过化学吸附机制在低浓度下即可有效抑制碳钢的腐蚀，而Moringa oleifera（MO）的植物分泌物材料则通过物理吸附机制与金属表面发生相互作用，从而减少腐蚀的发生。此外，Prunus dulcis（PD）的植物分泌物材料表现出较强的吸附能力，这使其在抑制腐蚀方面具有显著优势。

在本研究中，我们还关注了这些天然高分子材料在钻井液中的流变性能。流变性能对于钻井液的稳定性和携带能力至关重要，因此，我们评估了不同浓度的植物分泌物材料对钻井液流变特性的影响。结果表明，XG-90% + PJ-10%的配方在流变性能方面表现出优异的特性，其粘度和滤失率均优于XG含量较低的配方。这表明，该配方不仅在抗腐蚀方面表现出色，还能有效提高钻井液的性能，从而减少对其他化学添加剂的需求。

综上所述，本研究旨在探讨天然植物分泌物类高分子材料在钻井液中的应用潜力，特别是在抗腐蚀和流变性能方面的表现。通过实验评估，我们发现这些天然高分子材料能够有效替代XG，为钻井液提供更好的性能和环境友好性。这一研究不仅为石油工业提供了新的材料选择，也为未来的钻井液配方设计提供了重要的参考。同时，这也为减少对环境的污染和降低钻井成本提供了新的思路。