泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜在高温高盐钻井液滤失机制研究中的创新应用-泽攸科技

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泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜在高温高盐钻井液滤失机制研究中的创新应用

发布时间：

2025-05-26

随着油气资源开发向深部、超深部复杂地层拓展，高温高压、高盐度等极端地质条件对水基钻井液的性能提出了严峻挑战。水基钻井液因其环保性和经济性被广泛应用，而滤失控制剂作为其关键添加剂，直接影响钻井液的流变性和滤失特性。传统线性结构滤失剂虽能改善滤失性能，但其分子链在高温高盐环境下易发生交联、蜷曲等构象变化，导致钻井液黏度剧增或骤降，进而引发流变失控、滤失量增加等问题，严重威胁钻井安全。此外天然或改性聚合物在高温下易氧化降解，而合成聚合物虽耐温性较好，却因线性结构的固有缺陷难以平衡流变与滤失控制的需求。因此开发兼具高温高盐稳定性、低黏度及高效滤失控制的新型滤失剂成为当前研究的重点。

现有线性滤失剂在复杂地层中面临两大核心问题：一是高温高盐环境下分子链构象不稳定，导致钻井液流变性能不可控，表现为黏度异常波动或滤失量显著增加；二是线性聚合物的高自黏度会干扰钻井液的整体流变行为，加剧高温下的性能失效风险。例如高温可能引发聚合物分子链交联或蜷曲，破坏其与黏土颗粒的相互作用，进而降低滤饼致密性。此外盐污染会通过电荷中和作用削弱黏土颗粒间的静电斥力，加速聚沉，进一步恶化滤失控制效果。这些问题使得传统滤失剂难以满足深井、超深井作业的长期稳定性需求，需通过分子结构创新突破性能瓶颈。

针对上述高温高盐环境下水基钻井液滤失控制的技术难题，由中国石油大学等组成的研究团队利用泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜开展了系统性研究。该团队基于超支化聚合物的三维网络结构优势，通过酯交换缩聚反应和自由基聚合两步法合成了一种新型超支化滤失剂。实验表明，该材料在200℃高温、30%高盐条件下仍能保持稳定的流变性能和优异的滤失控制能力。相关成果以“Preparation and Mechanism Study of Resistant to High Temperature and High Salt Hyperbranched Fluid Loss Reducer for Water-Based Drilling Fluid”为题发表在《OnePetro》期刊上。

这篇论文主要研究了一种新型超支化滤失剂HBPSi-DADN的制备及其在水基钻井液中的应用性能。针对传统线性滤失剂在高温高盐环境下易发生分子链构象变化、导致钻井液流变性能失控和滤失量增加的问题，研究团队通过分子设计创新，采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷和1,4-丁二醇为原料，通过酯交换缩聚反应合成超支化聚硅氧烷HBPSi，再与N,N-二甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等单体进行自由基共聚，成功制备了具有三维网络结构的超支化聚合物HBPSi-DADN。

图 (a) HBPSi-DADN的合成路线。(b) HBPSi-DADN的分子结构

通过FTIR、1H NMR、TGA和CRYO-SEM等表征手段证实了HBPSi-DADN的成功合成及其结构特性。结果表明，该聚合物具有高度支化的三维网络结构，热稳定性优异，在600℃时仍能保持25.7%的质量残留。这种独特的结构使其在高温高盐条件下不易发生分子链蜷曲或交联，从而维持稳定的性能。此外，聚合物分子中的磺酸基、季铵盐等官能团增强了其与黏土颗粒的相互作用，有利于形成致密滤饼。

图 (a) HBPSi-DADN共聚物的FTIR光谱；(b) HBPSi-DADN的1H NMR谱图；(c) HBPSi-DADN共聚物的热重分析和微分热重曲线；(d) HBPSi-DADN的冷冻扫描电镜图像

在性能评价方面，研究系统考察了HBPSi-DADN对钻井液流变性和滤失特性的影响。实验发现，添加3 wt% HBPSi-DADN的钻井液在200℃老化16小时后，表观粘度仅从26 mPa·s降至23 mPa·s，高温高压滤失量仅为22 mL，表现出卓越的耐温耐盐性能。即使在30% NaCl污染条件下，钻井液仍能保持稳定的流变性能和低滤失量。相比之下，商业滤失剂Driscal D和CMC在相同条件下的性能显著劣化，凸显了HBPSi-DADN的优越性。

进一步通过zeta电位、粒度分析和滤饼形貌观察揭示了HBPSi-DADN的作用机制。研究表明，该聚合物的三维网络结构能够有效抑制黏土颗粒的高温聚沉，通过增强静电排斥和空间位阻效应维持胶体稳定性。同时，其与黏土颗粒的强相互作用促进了致密滤饼的形成，从而显著降低滤失量。这些发现不仅为解决高温高盐环境下钻井液性能控制难题提供了有效方案，也为新型钻井液添加剂的分子设计提供了重要参考。

图不同水基钻井液体系经热老化处理(200°C，16小时)后的滤饼数码图像：(a)基浆；(b)基浆+3 wt% HBPSi-DADN；(c)基浆+3 wt% HBPSi-DADN+4 wt% NaCl；(d)基浆+3 wt% HBPSi-DADN+30 wt% NaCl。不同水基钻井液体系经热老化处理(200°C，16小时)后的滤饼扫描电镜图像：(e)基浆；(f)基浆+3 wt% HBPSi-DADN；(g)基浆+3 wt% HBPSi-DADN+4 wt% NaCl；(h)基浆+3 wt% HBPSi-DADN+30 wt% NaCl

该研究通过创新的超支化聚合物设计，成功突破了传统线性滤失剂在极端条件下的性能局限，为深井、超深井等复杂地层钻井作业提供了可靠的技术支持。研究成果不仅具有重要的理论价值，也为实际工程应用提供了切实可行的解决方案。

泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，且购买及维护成本均低于落地式扫描电镜，现已成为许多高校、研究所和企业的首选设备之一。