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高阳离子度两性共聚物包覆碳纳米管低黏降滤失剂

王国帅,  孙俊,  冯勇,  周楚翔,  邓正强

王国帅,孙俊,冯勇,等. 高阳离子度两性共聚物包覆碳纳米管低黏降滤失剂[J]. 钻井液与完井液,2026,43(5):631-639 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.05.007
引用本文: 王国帅,孙俊,冯勇,等. 高阳离子度两性共聚物包覆碳纳米管低黏降滤失剂[J]. 钻井液与完井液,2026,43(5):631-639 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.05.007
Wang Guoshuai, Sun Jun, Feng Yong, et al.An amphoteric copolymer coated carbon nanotube low viscosity filter loss reducer with high cationicity[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(5):631-639 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.05.007
Citation: Wang Guoshuai, Sun Jun, Feng Yong, et al.An amphoteric copolymer coated carbon nanotube low viscosity filter loss reducer with high cationicity[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(5):631-639 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.05.007

高阳离子度两性共聚物包覆碳纳米管低黏降滤失剂

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.05.007
基金项目: 中国石油集团川庆钻探工程有限公司科技项目“基于杂化材料的超高温高密度复合盐水钻井液体系研发”(CQ2025B-6-1-3)、“博孜-大北盐层、盐下故障复杂预防及处置技术研究”(CQ2024B-5-Z3-3)、“塔里木9000米级超深井优快钻井技术研究”(CQ2024B-5-Z2-3)。
详细信息
    作者简介:

    王国帅,高级工程师,博士,1995年生,毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业,现在从事钻井液技术研究工作。E-mail:13011030519@126.com

  • 中图分类号: TE254.4

An Amphoteric Copolymer Coated Carbon Nanotube Low Viscosity Filter Loss Reducer with High Cationicity

  • 摘要: 针对高密度饱和盐水钻井液在220 ℃超高温条件下流变性、滤失性能及稳定性难调控问题,以碳纳米管(CNT)为刚性载体,基于含氮阳离子和芳香环与CNT之间的阳离子-π与π-π堆积相互作用,研发了一种高阳离子度两性共聚物包覆CNT低黏降滤失剂CNT/ZPE,并以其作为唯一共聚物降滤失剂,配伍现场常用材料,构建出了一套抗温220 ℃高密度饱和盐水钻井液体系。红外光谱与透射电镜分析结果显示,CNT/ZPE分子结构中含有设计的季铵阳离子、苯环以及磺酸基等结构,高阳离子度两性共聚物成功包覆在了CNT表面。在饱和盐基浆(36%NaCl)与含钙基浆(2%CaCl2)中添加3%CNT/ZPE,220 ℃老化后中压滤失量分别仅为5.4 mL与6.0 mL。1%CNT/ZPE水溶液表观黏度仅5 mPa·s,低于DSP-1、PSP、SO-1等高温深井常用低黏共聚物降滤失剂。构建的饱和盐水钻井液体系的密度在2.0~2.3 g/cm3范围内,经过220 ℃老化16 h、48 h后,各项流变参数合理,高温高压滤失量可控,可抗0.7%CaCl2污染,能满足实际钻井工程需求。该研究还为研发钻井液用碳纳米管基聚合物复合材料提供了新策略。

     

  • 图  1  低黏降滤失剂CNT/ZPE分子结构示意图

    图  2  合成反应条件对产物黏度效应与降滤失性能的影响

    图  3  CNT/ZPE与纯CNT的红外光谱图

    图  4  CNT/ZPE的核磁共振氢谱图

    图  5  纯CNT(a)与CNT/ZPE(b)的透射电镜图

    图  6  CNT/ZPE的热重分析曲线

    图  7  1%不同低黏共聚物降滤失剂水溶液黏度效应对比

    表  1  CNT/ZPE加量对饱和盐基浆流变参数与滤失量的影响

    评价浆 老化
    条件
    AV/
    mPa·s
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    FLAPI/
    mL
    4%基浆 老化前 6.5 3.0 3.5 26.0
    4%基浆 220 ℃、16 h 5.0 4.0 1.0 35.5
    饱和盐基浆
    (4%基浆+
    36%NaCl)
    220 ℃、16 h 5.5 3.0 2.5 186.0
    饱和盐基浆+
    1%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 5.5 5.0 0.5 32.0
    饱和盐基浆+
    2%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 9.5 8.0 1.5 6.8
    饱和盐基浆+
    3%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 14.5 13.0 1.5 5.4
    下载: 导出CSV

    表  2  CNT/ZPE加量对含钙基浆流变参数与滤失量的影响

    评价浆 老化条件 AV/
    mPa·s
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    FLAPI/
    mL
    4%基浆 老化前 6.5 3.0 3.5 26.0
    4%基浆 220 ℃、16 h 5.0 4.0 1.0 35.5
    含钙基浆
    (4%基浆+
    2%CaCl2)
    220 ℃、16 h 3.5 2.0 1.5 216.0
    含钙基浆+
    1%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 4.0 4.0 0.0 27.0
    含钙基浆+
    2%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 7.5 7.0 0.5 9.8
    含钙基浆+
    3%CNT/ZPE
    220 ℃、16 h 16.0 14.0 2.0 6.0
    下载: 导出CSV

    表  3  不同高密度饱和盐水钻井液的流变与滤失性能

    ρ/
    g·cm−3
    老化
    条件
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    FLAPI/
    mL
    FLHTHP/
    mL
    开罐
    状态
    2.0 老化前 58 16.5 2.5/10.5 1.8
    220 ℃、16 h 52 10.5 2.5/8.0 2.0 8.6 未沉降
    220 ℃、48 h 36 8.0 1.5/6.5 2.1 9.6 未沉降
    2.2 老化前 78 18.5 3.5/13.5 1.8
    220 ℃、16 h 74 13.5 3.5/9.5 2.2 9.0 未沉降
    220 ℃、48 h 55 9.5 2.0/8.0 2.4 11.2 未沉降
    2.3 老化前 91 19.5 4.0/15.0 2.0
    220 ℃、16 h 87 15.5 3.5/10.5 2.8 11.6 未沉降
    220 ℃、48 h 67 10.5 2.5/9.0 3.2 13.5 未沉降
     注:流变性测试温度60 ℃,FLHTHP测试温度200 ℃、压差3.5 MPa。
    下载: 导出CSV

    表  4  高密度饱和盐水钻井液体系的抗钙污染性能

    CaCl2/
    %
    老化
    条件
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    FLAPI/
    mL
    FLHTHP/
    mL
    开罐
    状态
    0.5老化前5314.51.5/7.52.2
    220 ℃、16 h4613.03.5/9.52.811.8未沉降
    0.7老化前5014.01.5/7.02.5
    220 ℃、16 h4215.54.0/11.53.414.5未沉降
     注:流变性测试温度60 ℃,FLHTHP测试温度200 ℃、压差3.5 MPa。
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  • [1] 田惠, 王野, 赵雷, 等. 无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的研究[J]. 钻井液与完井液, 2018, 35(6): 22-26.

    Tian Hui, Wang Ye, Zhao Lei, et al. Study on filter loss reducer for high density clay-free saturated saltwater drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2018, 35(6): 22-26.
    [2] 祝学飞, 孙俊, 舒义勇, 等. ZQ2井盐膏层高密度欠饱和盐水聚磺钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2019, 36(6): 716-720. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2019.06.010

    Zhu Xuefei, Sun Jun, Shu Yiyong, et al. A high density undersaturated saltwater drilling fluid for salt and gypsum drilling in well ZQ2[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2019, 36(6): 716-720. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2019.06.010
    [3] 孙金声, 王韧, 龙一夫. 我国钻井液技术难题、新进展及发展建议[J]. 钻井液与完井液, 2024, 41(1): 1-30. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.001

    Sun Jinsheng, Wang Ren, Long Yifu. Challenges, developments, and suggestions for drilling fluid technology in China[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2024, 41(1): 1-30. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.001
    [4] 罗明望, 张现斌, 王中秋, 等. 超高温低黏聚合物降滤失剂的研制及作用机理[J]. 钻井液与完井液, 2020, 37(5): 585-592. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2020.05.008

    Luo Mingwang, Zhang Xianbin, Wang Zhongqiu, et al. Preparation and working mechanisms of an ultra-high temperature low viscosity polymer filtrate reducer[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2020, 37(5): 585-592. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2020.05.008
    [5] 侯从聪, 安立宝, 王惠颖. 功能化碳纳米管/聚合物复合材料的研究进展[J]. 高分子通报, 2022(6): 36-45. doi: 10.14028/j.cnki.1003-3726.2022.06.004

    Hou Congcong, An Libao, Wang Huiying. Research progress of functionalized carbon nanotubes/polymer composites[J].Chinese Polymer Bulletin, 2022(6): 36-45. doi: 10.14028/j.cnki.1003-3726.2022.06.004
    [6] Ma P C, Siddiqui N A, Marom G, et al. Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: a review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41(10): 1345-1367. doi: 10.1016/j.compositesa.2010.07.003
    [7] 陈点, 吕仕铭, 汪羽翎. 非共价键化学修饰碳纳米管的分散及其机理[J]. 材料导报, 2023, 37(17): 68-85.

    Chen Dian, Lv Shiming, Wang Yuling. Dispersion and mechanism of non-covalent chemically modified carbon nanotubes[J]. Materials Reports, 2023, 37(17): 68-85.
    [8] Yang D Q, Rochette J F, Sacher E. Spectroscopic evidence for pi-pi interaction between poly (diallyl dimethylammonium) chloride and multiwalled carbon nanotubes[J]. The Journal of Physical Chemistry. B, 2005, 109(10): 4481-4484. doi: 10.1021/jp044511+
    [9] O'connell M J, Boul P, Ericson L M, et al. Reversible water-solubilization of single-walled carbon nanotubes by polymer wrapping[J]. Chemical Physics Letters, 2001, 342(3/4): 265-271.
    [10] 任烨, 李齐方, 陈广新. 聚离子液体包覆碳纳米管及其复合材料介电性能的研究[C]//2015年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题L高分子复合体系. 苏州: 中国化学会高分子学科委员会, 2015: 2017-2017.

    Ren Ye, Li Qifang, Chen Guangxin. Study on the dielectric properties of polyionic liquid-coated carbon nanotubes and their composites[C]//2015 National Polymer Academic Paper Conference Abstract Collection-Theme L Polymer Composite System. Suzhou: Polymer Science Committee of the Chinese Chemical Society, 2015: 2017-2017
    [11] Yang J, Lin Y H, Wang J F, et al. Morphology, thermal stability, and dynamic mechanical properties of atactic polypropylene/carbon nanotube composites[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 98(3): 1087-1091. doi: 10.1002/app.21206
    [12] 陈力力, 郭建华, 谢刚. 碳纳米管封堵剂在水基钻井液中的作用机理[J]. 钻井液与完井液, 2022, 39(1): 29-35.

    Chen Lili, Guo Jianhua, Xie Gang. Study on mechanisms of carbon nanotube as a nanosized plugging agent in water based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2022, 39(1): 29-35.
    [13] 马超, 刘怡麟, 唐嘉婧, 等. 基于β-环糊精修饰的抗高温降滤失剂[J]. 油田化学, 2025, 42(1): 1-7. doi: 10.19346/j.cnki.1000-4092.2025.01.001

    Ma Chao, Liu Yilin, Tang Jiajing, et al. High temperature resistance fluid loss reducer modified by β-cyclodextrin[J]. Oilfield Chemistry, 2025, 42(1): 1-7. doi: 10.19346/j.cnki.1000-4092.2025.01.001
    [14] 胡正文, 任庭飞, 邓小刚, 等. 聚合物降滤失剂PAAAA的合成及其性能评价[J]. 石油化工, 2020, 49(4): 378-384.

    Hu Zhengwen, Ren Tingfei, Deng Xiaogang, et al. Synthesis and property evaluation of polymer fluid loss additive PAAAA[J]. Petrochemical Technology, 2020, 49(4): 378-384.
    [15] 黄维安, 李国真, 贾江鸿, 等. 环保型改性纳米碳酸钙降滤失剂的合成与性能评价[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2024, 48(2): 126-134. doi: 10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.014

    Huang Weian, Li Guozhen, Jia Jianghong, et al. Synthesis and performance evaluation of environment-friendly modified nano-calcium carbonate filtrate reducer[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2024, 48(2): 126-134. doi: 10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.014
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-18
  • 修回日期:  2026-05-26
  • 刊出日期:  2026-10-01

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