抗鉆高溫復合淀粉鉆井液體系研究及評價

安俊睿

摘 ?????要： 淀粉類化合物一直被作為一種現代環保型鉆井液處理劑。研究了土豆淀粉及玉米淀粉的熱穩定性，為了強化淀粉在鉆井液中的性能，以其為主要原材料，利用液相結合法的方式將其與聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁進行復配優選，制備出抗高溫性能理想的鉆井液處理劑。實驗結果表明：相比于聚合氯化鋁，低濃度的聚合硫酸鐵-土豆淀粉處理劑具有一定的優勢，且其降黏率約為20%;兩種淀粉的分解溫度為150℃，在此溫度下質量比14∶1的土豆淀粉與聚合硫酸鐵復配體可以顯著降低濾失量至41%;聚合硫酸鐵-土豆淀粉處理后的黏土結構并沒有發生太大變化，且復配后的鉆井液可有效改善鉆井液的流動性。

關 ?鍵 ?詞：淀粉;鉆井液;熱穩定性;復配;抗高溫;流動性

中圖分類號：TE622.1⁺1 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0627-04

Study and Evaluation of High Temperature Resistant

Composite Starch Drilling Fluid System

AN Jun-rui

（College of the Earth Sciences， Yangtze University，?Hubei Wuhan 430100， China）

Abstract： ?Starch compounds have been used as a modern environmentally friendly drilling fluid treatment agent. In this paper， the thermal stability of potato starch and corn starch was studied. In order to enhance the performance of starch in drilling fluid， a drilling fluid additive with ideal high temperature resistance was prepared by mixing potato starch and corn starch with polyferric sulfate and polyaluminium chloride by liquid phase bonding method. The experiment?results showed that， compared?with polyaluminium chloride， the low concentration of polyferric sulfate-potato starch treatment agent had certain advantages， and its viscosity reduction rate was about 20%. The decomposition temperature of the two starches was 150 C， at which the mass ratio of potato starch to polyferric sulfate complex at 14∶1 significantly reduced the filtration loss to 41%. The structure of ferric sulfate-potato starch treated clay was not changed much， and the drilling fluid effectively improved the fluidity of drilling fluid.

Key words： ?starch; drilling fluid; thermal stability; compounding; high temperature resistance; fluidity

鉆井液體系中添加淀粉類化合物不僅可以提高鉆井液的性能，且對環境無害，因此其被作為一種現代環保型處理劑^[1-4]。一方面，由于淀粉中環醇羥基吸附結合黏土，橋接增大結構強度，進而增大黏度;另一方面，淀粉中的大分子聚糖鏈增加黏度的同時也阻礙了水分子的運移，會形成保護膜起到防濾失的作用^[5-9]。此外又加之淀粉的制作簡單且相對廉價，因此其已經被廣泛應用于鉆井液體系多年，在控制水分流失方面起到很重要的作用。由于淀粉結構特殊，易變質通常使其在應用過程中受到限制，而且其始終抗高溫性能較差^[10，11]。

研究表明將淀粉與無機聚合物復合配比，可以顯著提高其抗溫性能^[12]。前不久出現了一種衍生自木薯淀粉的新型添加劑，其可以有效控制水基鉆井液的過濾^[13]。同時研究發現，納米尺寸的淀粉在較低濃度時可以顯著改善控制流體損失，且會降低泥餅厚度^[14，15]。新型處理方式酶解劑的出現顯著改進了多井生產的性能。盡管聚合物和淀粉被復合使用，但對聚合物的熱降解研究較少，初步發現其主要與暴露時間和環境溫度有關^[16-19]。因此，本文以淀粉為主要原材料，利用液相結合法的方式將其與無機聚合物進行復配優選，制備出抗溫性能理想的鉆井液處理劑，進而使其鉆井液體系具有良好的性能。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

土豆及玉米淀粉、聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、雜多糖甙（SJ）、磺化鹽類木質素、蒙脫石-鈉、高嶺土-鈣、三氯化鐵、聚丙烯酰胺（PAM）。

1.2 ?實驗儀器

旋轉式黏度測定計（NNZ-X21型）、高速攪動儀器（GSSJ-B21型）、變頻加熱滾子爐（GCRBL-6）、粘滯因子測數儀（ZN-4A型）、中聯多壓失水儀（XC型）、衍射激光粒度測量儀（LD1560型）、NICOLET 5700紫外和可見光光譜儀、熱重分析儀（TGA/DSC1）及電子測量顯示鏡（SHM-6991B型）。

2 ?鉆井液的配制及評價

在進行實驗前，首先取適量土豆和玉米淀粉，各自配制濃度為1%的溶液進行不同溫度下的性能評價測試，其中測試溫度為120～150 ℃之間，測試時間為16 h，測試項目主要包括濾失量、黏度及摩阻等。

2.1 ?復合淀粉及鉆井液配制

添加是適量的無機金屬聚合硫酸鐵進入淀粉溶液，其中淀粉與聚合硫酸鐵分別按照不同質量比復合配制出7∶1、14∶1、56∶1的溶液，在室溫下充分攪拌，待其完全反應后，蒸發去除溶劑;隨后對剩余部分進行真空干燥取得聚鐵-土豆淀粉復合體（PFTS）和聚鐵-玉米淀粉復合體（PFCS），將三種不同復合配比分別記為1、2、3。同樣，將淀粉與聚合硫酸鋁按照不同質量比復合配制出35∶1、70∶1、350∶1的溶液，經過類似地步驟分別取得聚鋁-土豆淀粉復合體（PATS）和聚鋁-玉米淀粉復合體（PACS），不同復合體的標記規律始終一致。

隨后進行坂土的預水化操作，分別取350mL水、0.7 g碳酸鈉加入14 g膨潤土中進行充分攪拌，混合均勻后封閉待用;取適量制備好的坂土漿與不同濃度處理劑混合攪拌，配制不同的水基鉆井液，最終對其進行性能評價測試（評價方法及步驟參考GB/T16783-1997），其中需要在變頻滾子加熱爐中對配制的工作液進行老化處理。

2.2 ?配伍性評價

進行配伍性評價時，取適量制備好的坂土漿，向其中分別加入1%雜多糖甙及0.03%PAM配制出相應的處理漿，隨后進行配伍性實驗，測定評價其基本的指標。此外，又分別測定了膨潤土的線性膨脹率、耐水洗率、泥球實驗等。

3 ?結果與討論

3.1 ?淀粉分解及復合配比

測定淀粉的分解溫度實驗中，分別對1%的土豆及玉米淀粉配制的水基鉆井液進行了性能評價測試。測試結果顯示，淀粉的流變性、濾失性在實驗溫度范圍120～140 ℃內不會發生明顯改變，但溫度升至150 ℃時，淀粉的濾失性會發生下降，表明淀粉在此溫度條件下便會開始進行分解。

當淀粉中添加無機金屬聚合物時，其處理漿會發生絮凝現象，經過不同復合配比實驗篩選后，確定出了兩者的最優配比。經過對處理漿的表觀黏度、塑性黏度及失水體積等指標，最終初步篩選出了PFTS-2、PFCS-2、PATS-2及PACS-2四種做進一步研究。

溫度為150 ℃的條件下，針對四種處理漿進行老化實驗后，與淀粉處理漿進行對比發現，PATS-2處理劑的表觀黏度會降至5.1 mPa·s，動切力為1.7 mPa·s，表現一定的懸浮巖屑的能力，且相應地標準失水體積也會降低約28.4%，。除此之外，濾失量下降最為明顯的是PFTS-2，幾乎達到41%。總之，在無機金屬聚合物與淀粉復配后作為處理漿時，其在降黏及濾失量方面表現出一定的優勢，且還具有一定的懸浮巖屑能力。

3.2 ?線性膨脹及防膨實驗

圖1所示為所復配的不同濃度聚合硫酸鐵-土豆淀粉（PFTS-2）對膨潤土線性膨脹率的影響規律。10 min內鈣基膨潤土在1.5%聚合硫酸鐵-土豆淀粉（PFTS-2）復配溶液中的線性膨脹率始終較低，隨后其線性膨脹率出現急劇上升的趨勢，這主要是因為吸附在膨潤土表面的聚合硫酸鐵-土豆淀粉很難構成網狀空間結構，韌性極低，進而難以阻礙水分子的滲透。1 h后其線性膨脹率約為54.92%，略大于1% KCl溶液。

采用離心法，定量檢測巖心在穩定試劑溶液中的體積的變化，測試結果如下表1所示。可以發現聚合硫酸鐵-土豆淀粉（PFTS-2）中的膨潤土膨脹體積明顯較低，從初始的3.2 mL降至1.7 mL，其耐水洗率提高至93.82%。這主要是因為聚合硫酸鐵中的醇羥基及Fe³⁺對膨潤土具有較強的吸附作用，會阻礙其表面被水分子水化^[20]。

3.3 ?泥球實驗及粒度測定

泥球實驗測試中，取一定量的蒙脫石-鈉與去離子水按照質量比為2∶1進行混合并稱重制成標準等質量球（10 g），隨后將其分別放置清水及聚合硫酸鐵-土豆淀粉處理劑中進行室溫條件下測試，浸泡12、24及36 h后的結果如圖2所示。可以看出，聚合硫酸鐵-土豆淀粉處理劑中的泥球明顯發生膨脹，盡管表面出現較大裂縫但始終維持初始的球形。不同的是，清水中泥球則呈現出先膨脹后破碎的現象，這也表明了聚合硫酸鐵-土豆淀粉在膨潤土的穩定方面顯現出一定的促進效果。

表2所示為黏土分散在不同處理劑中進行高溫150 ℃老化處理后的粒徑測定結果。

基漿、土豆淀粉漿及聚合硫酸鐵-土豆淀粉（PFTS-2）三者中的中黏土平均直徑及中值粒徑依次增大，其中前兩者的粒徑相差無幾，而聚合硫酸鐵-土豆淀粉中黏土平均直徑及中值粒徑可達12.426和11.360μm，幾乎為前兩者的2倍。這些現象表明PFTS-2在一定程度上可以穩定黏土，在鉆井液中可以聚結黏土，降低黏土片總數，使得黏土的內部結構得到強化控制，減弱宏觀上的流體阻力^[21]。

3.4 ?熱重及紅外分析

圖3及圖4分別為黏土在土豆淀粉（TS）及聚合硫酸鐵-土豆淀粉（PFTS-2）處理劑兩者中浸泡24 h后的熱重分析及紅外光譜圖。隨著溫度從45 ℃升到300 ℃，經TS浸泡處理后的黏土質量降低約為7.5%，而PFTS-2中則僅為5%;同時隨著溫度從180 ℃升到800 ℃時時，前者的黏土質量降低量增至38.4%，而后者約為30%。造成這種現象可能是因為PFTS-2處理劑能夠吸附在黏土表面，填補封鎖原始的層間結構孔隙，阻礙水的層間滲透，同時還會增加坂土之間的黏合力，改善黏土內部結構的松散程度，限制自由水的流動，最終導致黏土的質量變化率減小。

通過圖4紅外光譜可以看出，經淀粉浸泡處理后的黏土，其高頻區會出現兩個強吸收帶，3 620、3 422 cm^-1附近特征峰分別為Al-O-H及H-O-H的伸縮振動;中頻區2 500 cm^-1?處特征峰則為Si-O-M 和 M-O的耦合振動;低頻區1 640、797 cm^-1附近的特征峰則可以分別歸結為H-O-H的伸縮振動及Si-O-Si 的反伸縮振動。聚合硫酸鐵-土豆淀粉處理的紅外光譜則與淀粉相差不大，這表明前者處理后的黏土結構并沒有發生太大變化。

4 ?結論

本文以土豆和玉米淀粉為鉆井液中主要降失水劑， 測定了其熱分解溫度，將其分別于聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁復合配比，強化了鉆井液的抗溫及流動性。可以得出以下結論：150 ℃為淀粉處理工作液的熱分解溫度，此溫度下聚合硫酸鐵-淀粉復合體在鉆井工作液中能夠明顯改善工作液的流動性能，主要表現為表觀黏度的降低，其降粘率約為38.35%;聚合硫酸鐵-淀粉在高溫下其懸浮能力顯著增加，標準過濾體積逐漸減小，低溫下則表現出良好降黏降濾失作用;150 ℃老化后，聚合硫酸鐵-土豆淀粉復合體的流動性、濾失造壁性能明顯增強。

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