乙酰化山药皮与芭蕉皮淀粉在水基泥浆体系中的流变性与滤失行为研究

《Polysaccharides》：Investigating the Rheological and Filtration Behavior of Acetylated Yam and Plantain Peel Starches in Water-Based Mud Systems

　　

摘要：水基钻井液因其环境友好性和低成本而日益受到青睐。这些流体对用于调节流体性质和控制滤失的产物高度敏感。传统的添加剂如羧甲基纤维素（CMC）效果良好，但存在环境问题和成本高昂的缺点，因此正在从农业来源中寻找替代品。本研究探讨了在常温（27 °C）和模拟井下条件（150 °C）下，使用乙酰化山药皮淀粉（AYPS）和乙酰化芭蕉皮淀粉（APPS）作为水基钻井泥浆中CMC替代品的潜力。研究人员对富含淀粉的山药皮和芭蕉皮进行了化学改性（通过乙酰化），并以0.2–1.0 g的比例添加到钻井泥浆配方中。傅里叶变换红外光谱（FTIR）通过观察到1730-1750 cm^-1波数处羰基（C=O）吸收的特征峰以及改性后C-O峰的增强，证实了改性的成功，这意味着乙酰基被成功引入。记录到的最高泥浆密度为9.16 kg/m³（ppg），使用1.0 g添加剂时测得，pH值范围为8.10至9.50，这对钻井作业有利。在27 °C下，AYPS和APPS的塑性粘度分别为4–7 cP和3–6 cP，在150 °C下则分别为3–6 cP和3–5 cP，均低于CMC的值，但在高温下仍能保持粘度。样品的屈服点值在27 °C时为2–5 lb/100 ft²，在150 °C时为1–6 lb/100 ft²，其中AYPS的表现略优。热老化对凝胶强度影响不大，在高温条件下，尤其是在高添加剂浓度下，凝胶强度反而有所增加，这表明流变性能得以保持。在低压低温条件下，AYPS的滤失量为12–16.8 mL，APPS为12.5–17.2 mL，与CMC的滤失量（11–16 mL）相近。在高温高压条件下，APPS是改性淀粉体系中最有效的滤失控制剂。流变模型表明，剪切稀化行为占主导地位，赫歇尔-巴尔克利（Herschel–Bulkley）和卡森（Casson）模型提供了最佳拟合。总体而言，乙酰化山药皮和芭蕉皮淀粉作为增强水基钻井液流变性和控制滤失的CMC替代品，显示出良好的应用前景。

**论文解读：乙酰化山药皮与芭蕉皮淀粉作为水基钻井液添加剂的性能评估**

**1. 研究背景与目的**

在石油、天然气和地热钻井作业中，钻井液（drilling fluid）起着至关重要的作用，其功能包括稳定井壁、控制地层压力、携带岩屑、冷却润滑钻头以及形成滤饼以防止井筒流体侵入地层。水基钻井液因其成本低、环境友好而被广泛使用。然而，其性能高度依赖于各类添加剂，特别是用于调节流变性和控制滤失的聚合物。传统上，羧甲基纤维素（CMC）因其出色的增粘和降滤失效果而被广泛应用，但CMC成本高、不易生物降解，且存在环境处置问题。因此，寻找源自可再生资源的环保型替代品已成为研究热点。

淀粉作为一种天然多糖，来源丰富，但天然淀粉在高温高压（HPHT）的严苛钻井条件下热稳定性差，易降解。化学改性，例如乙酰化，可以显著改善淀粉的性能，如提高热稳定性、溶解性和抗微生物降解能力。山药皮和芭蕉皮是西非地区大量产生的农业废弃物，富含淀粉，但常被丢弃。利用这些废弃物制备改性淀粉，不仅符合循环经济理念，还能变废为宝。本研究旨在探究乙酰化山药皮淀粉（AYPS）和乙酰化芭蕉皮淀粉（APPS）作为水基钻井液中CMC替代品的潜力，重点评估其在常温（27 °C）和模拟井下高温（150 °C）条件下的流变性和滤失性能。

**2. 主要技术方法概览**

研究人员首先从山药皮和芭蕉皮中提取淀粉，并通过乙酰化反应进行化学改性，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证改性效果。随后，按照美国石油学会（API）标准配方，配制了含有不同浓度（0.2–1.0 g）AYPS、APPS和CMC的水基钻井泥浆。使用Fann 35A粘度计测量泥浆的流变参数（塑性粘度、表观粘度、屈服点、凝胶强度），并采用宾汉塑性、幂律、赫歇尔-巴尔克利和卡森四种流变模型进行拟合。使用API滤失仪在低压低温（LPLT）和高温高压（HPHT）条件下评估滤失性能。所有测试均在27 °C和150 °C（老化后）条件下进行，以模拟常温和井下环境。

**3. 研究结果**

**3.1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析**
FTIR分析证实了乙酰化改性的成功。与天然淀粉相比，改性后的AYPS和APPS在1730–1750 cm^-1处出现了新的酯羰基（C=O）吸收峰，同时O-H吸收峰减弱，表明羟基被乙酰基取代，引入了酯基官能团。

**3.2. 泥浆测试结果**

**3.2.1. 密度与pH值**
所有泥浆的密度随添加剂浓度增加而升高，乙酰化淀粉基泥浆的密度（9.02–9.16 ppg）略高于CMC基泥浆，其中APPS泥浆密度最高。pH值测试显示，CMC泥浆呈强碱性（8.70–9.50），而AYPS和APPS泥浆的pH值较低（8.10–8.50），但仍在API推荐的碱性范围内（8.0–12.5），有利于设备防腐和地层适应性。

**3.2.2. 滤失行为**
在LPLT条件下，AYPS和APPS泥浆的滤失量（12–17.2 mL）与CMC泥浆（11–16 mL）相近，但形成的滤饼稍厚。在HPHT（150 °C，500 psi）条件下，所有泥浆的滤失量均增加，但CMC泥浆的滤失量最低（29–41 mL），而APPS泥浆（33–46 mL）显示出比AYPS更好的高温滤失控制能力。研究指出，滤失行为与凝胶强度相关，高凝胶强度有助于形成致密、低渗透性的滤饼。

**3.2.3. 流变性能**
- **塑性粘度（PV）和表观粘度（AV）**：CMC泥浆的PV和AV值最高，表明其内部结构更强。乙酰化淀粉泥浆的PV和AV值较低，这是因为乙酰化减少了羟基，削弱了聚合物链与粘土颗粒间的氢键作用。在150 °C老化后，所有泥浆的PV和AV均有所下降，但CMC仍保持较高值，而乙酰化淀粉体系的粘度下降更明显，表明其热稳定性相对较弱。
- **屈服点（YP）和YP/PV比值**：CMC泥浆的YP值（9–15 lb/100 ft²）远高于乙酰化淀粉体系（2–5 lb/100 ft²），表明其具有更强的颗粒间吸引力，有利于岩屑悬浮。YP/PV比值也反映了同样的趋势，CMC泥浆的结构性更强。
- **凝胶强度（GS）**：CMC泥浆的10秒和10分钟凝胶强度均高于乙酰化淀粉体系，表明其具有更强的静置结构形成能力。热老化后，CMC的凝胶强度保持稳定甚至略有增加，而乙酰化淀粉体系的凝胶强度下降，特别是10秒凝胶强度，表明其热稳定性较差。

**3.3. 流变模型拟合**
通过四种流变模型对实验数据进行拟合，发现赫歇尔-巴尔克利（HB）和卡森（Casson）模型对大多数泥浆样品具有最佳的拟合效果，其决定系数（R²）均高于0.97，且均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（AAPE）较低。所有泥浆的流变行为指数（n）均小于1，证实了其剪切稀化（假塑性）的非牛顿流体特性，这对于钻井液的高效循环和岩屑携带至关重要。

**4. 结论**

本研究证实，通过乙酰化改性，可将山药皮和芭蕉皮淀粉转化为具有实用价值的水基钻井液添加剂。主要结论如下：
1. FTIR分析证实了乙酰化改性的成功，其特征是酯羰基（C=O）吸收峰的出现。
2. 乙酰化淀粉（AYPS和APPS）的流变和滤失性能随浓度的增加而改善，但总体性能弱于CMC。CMC在增粘、屈服强度和凝胶强度方面表现更优。
3. AYPS和APPS在150 °C热老化后仍能保持一定的流变稳定性，表明其具有一定的热稳定性。
4. 在HPHT条件下，APPS表现出比AYPS更优的滤失控制能力，接近CMC的性能。
5. 赫歇尔-巴尔克利和卡森流变模型能很好地描述这些泥浆的剪切稀化行为，表明其具有良好的流变可预测性。

**研究结论（翻译）：** 本研究比较了乙酰化山药皮和芭蕉皮淀粉与常规水基钻井液添加剂羧甲基纤维素（CMC）对水基钻井液在实验室常温和高温下静态和动态条件下的流变和滤失特性的影响。这进一步促进了农业废弃物的利用，从而为社区创造价值，并有助于整体的环境可持续性。本研究的一些重要发现包括：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）观察到的光谱变化，包括在1730–1750 cm^-1处出现酯羰基（C=O）吸收峰以及增强的酯（C–O）峰，证实了淀粉的化学改性。对于所有配制的泥浆样品，两种改性淀粉（乙酰化山药皮淀粉，AYPS，和乙酰化芭蕉皮淀粉，APPS）的性能均随浓度的增加而提升。同时，CMC的塑性粘度（PV）和屈服点（YP）在浓度和温度范围内始终较高。乙酰化山药皮淀粉AYPS和乙酰化芭蕉皮淀粉APPS在较高温度下具有流变稳定性。然而，在150 °C热老化过程中，CMC的塑性粘度显著下降，甚至趋近于生物淀粉的水平。在LPLT条件下，泥浆的滤失量较低，但滤饼较厚；在HPHT条件下，滤失量较高，但滤饼压实良好。此外，乙酰化山药皮淀粉（AYPS）在低压低温（LPLT）和高压高温（HPHT）条件下均能实现较低的滤失量和合理的滤饼厚度。对泥浆样品进行的流变模型拟合使用了赫歇尔-巴尔克利（HB）和卡森（Casson）模型，这些模型得到了较高的R²值（>0.97）以及相对较低的均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（AAPE）。这也在27 °C和150 °C的钻井作业条件下证实了泥浆的剪切稀化特性及其屈服应力特征。