环保型生物质合成树脂降滤失剂

周启成，单海霞，位华，李彬，周亚贤，符俊昌

（1.中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；2.中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001)

降滤失剂作为钻井液的重要处理剂，对于稳定井壁、保护油气层起着重要作用。磺化酚醛树脂降滤失剂（以SMP 为代表）因具备优良的稳定性和高温高压降滤失性被广泛应用，但随着国家环保要求提高，降滤失剂除了具备抗温、抗盐之外，还应易生物降解[1-3]。笔者围绕绿色化学品、绿色合成的发展方向，利用可再生的生物质资源——木质素为原料，经生物降解和化学反应合成出一种绿色环保、抗温可生物降解的生物质合成树脂降滤失剂LDR-501。性能评价表明，LDR-501 降滤失性能优良、抗温抗盐能力强、可生物降解，与钻井液配伍性好，解决了钻井液抗温性与环保性之间的矛盾，还可为环境敏感地区、环保要求高地区的钻井材料提供一种选择，具有广阔的应用前景[4-6]。

1 生物质合成树脂降滤失剂的制备思路

利用生物酶定向催化，将木质素大分子解聚成富含芳香基、酚羟基和醇羟基等活性基团的小分子，然后利用分子重排、化学聚合等反应，一方面提高主链刚性，利用空间体积和空间位阻效应，增强抗温性能；另一方面利用空间体型结构的吸附点，提高在黏土上的吸附性、吸附厚度及抑制性，形成低渗透性致密泥饼，使生物质合成树脂降滤失剂的性能满足抗高温、抗盐和降滤失性能需求[7-9]。

2 生物质合成树脂降滤失剂的性能评价

2.1 理化性能和环保性能

按照标准SY/T 5094—2017《钻井液用降滤失剂磺甲基酚醛树脂SMP》、SY/T 6787—2010《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》对产品性能进行测定，同时对比分析了LDR-501 和SMP-Ⅱ的理化和环保性能，结果见表1。由表1 可知，LDR-501 水溶性较好，易水解，浊点盐度为160 g/L，表明产品抗盐能力强，生物降解性BOD5/CODCr为0.26，属于可生物降解，是传统磺化酚醛树脂降滤失剂SMP-Ⅱ的21 倍，生物毒性EC50为440 000 mg/L，是国家规定指标的44 倍，表明产品无毒。

表1 降滤失剂LDR-501 与SMP-Ⅱ理化性能和环保性能

2.2 降滤失性能

按照SY/T 5241—1991《水基钻井液用降滤失剂评价程序》，分别配制淡水基浆和盐水基浆，加入不同浓度的LDR-501，在不同温度下老化16 h，测定基浆的API 滤失量，评价产品在基浆中的降滤失剂性能，结果见图1 和图2。可知，随LDR-501加量的增加，淡水基浆和盐水基浆的API 滤失量逐渐下降；不同温度老化后，3%LDR-501 淡水基浆，API 滤失量在5.6～8.4 mL，降低率达73.4%～86.0%；5%LDR-501 盐水基浆，API 滤失量在7.0～10.8 mL，降低率达79.2%～88.2%，显示出良好的降滤失效果。LDR-501 具有空间体型结构的酶解木质素为主原料合成，保留了木质素吸附点多的特点，通过交联剂，增加主链长度和刚性，达到抗温降滤失的效果，阴阳离子的引入，增强了水化抑制能力。淡水基浆和盐水基浆配方如下。

淡水基浆 4%膨润土+4%评价土+0.3%Na2CO3

盐水基浆 4%膨润土+4%评价土+4%NaCl+0.3%Na2CO3

图1 LDR-501 加量对淡水基浆API 滤失量的影响

图2 LDR-501 加量对盐水基浆API 滤失量的影响

2.3 基浆中抗盐性能

考察5%LDR-501 在不同浓度盐水基浆中抗盐性能，结果见表2。由表2 可知，随着盐含量的增加，基浆的黏度也随之增加。150、180 ℃老化下，25%NaCl 高温高压滤失量均小于25 mL；在150、180 ℃老化下，30%NaCl 盐水基浆高温高压降滤失量分别是32.4、36.6 mL，表明LDR-501 抗盐能力可达25%，具有较强的抗盐能力。基浆配方如下。

4%膨润土+4%评价土+5%LDR-501+5%SMC+0.3%Na2CO3

表2 不同浓度的NaCl 对钻井液基本性能的影响

2.4 抗温性能

配制密度为1.65 g/cm3的钻井液，加入5%LDR-501，在不同温度下老化16 h，评价其抗温性能，并与传统磺化酚醛树脂降滤失剂SMP-Ⅱ进行对比，结果见表3。由表3 可以看出，在120～180 ℃老化后，LDR-501 与钻井液的配伍性良好，钻井液均具有良好的流变性和高温高压滤失性，高温高压滤失量在8.4～12.4 mL，优于相同条件下SMP-Ⅱ；温度大于200 ℃下老化，钻井液黏度上升，高温高压滤失量为30.6 mL，这可能是在此温度下LDR-501 生物质材料有降解，后期继续研究生物质抗高温单体，以满足抗200 ℃高温的要求。

钻井液配方为4%基浆+5%LDR-501+5%SMC+1.0%PAMS601+0.5%铵盐+0.1%NaOH+7%KCl

表3 不同老化温度对钻井液性能变化影响

2.5 长期老化性能

配制密度为1.65 g/cm3的钻井液，向其中加入5%LDR-501，在180 ℃下老化不同时间，测定钻井液流变性能，结果见表4。由表4 可知，LDR-501 钻井液在180 ℃下老化168 h，高温高压降滤失量为10.8 mL，中压和高温高压滤失量均优于SMP-Ⅱ，表明LDR-501 具有良好的长期稳定性，但此时表观黏度达到77 mPa·s，钻井液出现增稠。分析认为，随着老化时间的增长，钻井液体系中自由水减少，通过维护补浆来改变钻井液流型。钻井液配方如下。

4% 基浆+5%LDR-501+5%SMC+0.5% 铵盐+1.0%PAMS601+0.1%NaOH+7%KCl

表4 不同老化时间对LDR-501 钻井液性能的影响

2.6 现场井浆配伍性

分3-1 井是位于四川省宣汉县毛坝镇弹子村的一口定向开发评价井，设计井深为5982 m，斜深为6406.56 m，完钻斜深为6620 m，采用聚磺封堵防塌润滑钻井液，井浆密度为1.69 g/cm3、漏斗黏度为49 s、固相含量为26%、膨润土含量为21 g/L、Cl-含量为119 635 mg/L，加入1.0%LDR-501 在150 ℃下老化16 h，考察其与井浆的配伍性能，并与SMP-II 进行对比，结果见表5。可知，1%LDR-501井浆的高温高压失水降低了55%，从28.8 mL 降到12.8 mL，钻井液流型与加入同样加量SMP-II 基本一致，滤失性能优于SMP-II，表明LDR-501 与现场井浆的配伍性良好。钻井液配方如下。

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

表5 不同降滤失剂与井浆配伍性能

3 机理分析

生物质合成树脂降滤失剂产品分子通过其分子上的磺酸等吸附基团在黏土颗粒表面吸附，形成一定的溶剂化膜，稳定黏土胶体颗粒，使钻井液中黏土粒子的聚集-分散程度适中，从而保证钻井液的流变性、滤失造壁性和抑制性以及其他相关性能，满足钻井作业要求；产品分子中水化基团的水溶性好，可增强处理剂高分子链的亲水性，从而使钻井液中黏土粒子表面形成较强的亲水溶剂化层，产生抗温的作用效能。

4 结论

1.以木质素为原料，经生物降解和化学反应得到生物质合成树脂降滤失剂LDR-501。LDR-501性能测试结果表明，其BOD5/CODCr为0.26，可生物降解；EC50为440 000 mg/L，无毒；浊点盐度为160 g/L，180 ℃老化16 h 后基浆的高温高压滤失为18.6 mL，抗温、抗盐、降滤失性能好。

2.LDR-501 综合性能与SMP-Ⅱ相当，环保优势突出，促进生物质资源在钻井液领域中的应用，提高水基钻井液绿色环保性能。