超支化聚胺抑制钠蒙脱石水化的微观性能评价及其在水基钻井液中的应用研究

针对深井/超深井钻探中钠蒙脱石(Na-Mnt)水化导致的井壁失稳问题，研究人员通过分子动力学模拟揭示了超支化聚胺通过H键/静电作用吸附于Na-Mnt表面，形成保护层抑制水化的机制。该材料在478K/75MPa高温高压(HT/HP)条件下仍保持优异性能，为水基钻井液(WBDFs)开发提供新策略。

　　

随着全球能源需求持续增长，深部与超深部油气资源开发成为保障能源安全的关键战略。中国作为能源消费大国，塔里木、四川等盆地深层油气资源占全国储量的75%以上。然而，这些地层普遍存在高温高压(HT/HP)特性（温度150-200°C/压力105-155MPa），传统水基钻井液(WBDFs)中的钠蒙脱石(Na-Mnt)遇水膨胀会导致井壁坍塌、钻具卡阻等严重事故。尽管小分子线性聚胺类抑制剂已被应用，但其终端基团易解吸的缺陷限制了HT/HP条件下的长效稳定性。

中国石油大学（华东）的研究团队创新性地设计了一种含N,N-二甲基乙酰胺甲基功能基团的超支化聚胺，通过分子动力学(MD)模拟系统研究了其在Na-Mnt表面的吸附构象与抑制机制。研究成果发表于《Geoenergy Science and Engineering》，揭示了该材料在极端工况下的微观作用规律。

研究采用CLAYFF分子力场模型，构建了Na-Mnt晶体层与超支化聚胺的复合体系。通过分析径向分布函数(RDF)、均方位移(MSD)等参数，结合动态轨迹可视化技术，系统评价了温度(298-478K)和压力(0.1-75MPa)对抑制性能的影响。

吸附与构象分析
研究发现超支化聚胺通过两种稳定构型吸附于Na-Mnt表面：胺端基(-NH₄⁺)以静电作用占据硅氧四面体空穴，而二甲基胺基则通过H键与表面氧原子结合。这种多点吸附使分子呈现"平铺"与"立构"混合取向，形成致密保护层，接触面积达92.7%。

相互作用机制
能量分解显示吸附主要依赖H键(占比68%)和静电作用(31%)，范德华力贡献不足1%。聚胺的引入使Na⁺离子扩散系数降低83%，其NH₄⁺基团可竞争性取代水合钠离子，破坏Na-Mnt/水分子H键网络，体系相互作用能从-152.6降至-89.4 kcal/mol。

温压效应
温度升高至478K时，吸附能仅衰减12%，证明热稳定性优异；而压力增至75MPa对吸附构型无显著影响，表明该材料适用于超深井环境。

结论与展望
该研究首次从分子尺度阐明了超支化聚胺通过"竞争吸附-表面改性-扩散抑制"三重机制阻隔水分子渗透，其性能优势源于：① 高胺基密度实现多点锚定；② 分支结构增强空间位阻效应；③ 功能化端基提升吸附稳定性。相较于传统抑制剂KCl和乙二胺(EDA)，该材料在180°C下的膨胀抑制率提升40%以上，为开发新一代智能钻井液添加剂提供了理论依据。未来研究可结合原位表征技术验证模拟结果，并优化分子结构以适应更复杂的地质条件。