[摘要]天然野生植物膠是配制無粘土沖洗液的主要原材料。近年來,隨著環保意識的逐漸加強,野生植物資源的開采受到極大限制,植物膠已面臨**枯竭的狀況。故需要尋找可替代的植物膠資源。目標是原料易得,可種植再生或人工合成,且成本較低。作者以一種可種植再生的植物膠瓜爾膠為研究對象,通過適度交聯改性和性能控制等手段,形成可滿足鉆進要求的新型復合膠無粘土沖洗液。經現場試用,效果較好,完全滿足地質鉆探的要求。

[關鍵詞]植物膠;瓜爾膠;PHP;交聯劑;改性

1.問題提出
天然野生植物膠是新型復合無粘土沖洗液的主要原料。近年來,國家越來越重視對環境的保護,并制定了相應的法律、法規來保護植被使其免遭破壞。因此,原來被地質鉆探和工程地質勘察廣為采用的天然SM植物膠已面臨原料枯竭、采集困難的情況。現在迫切需要尋找出可替代SM植物膠的,原料易得,可再生合成,成本較低的配制無粘土沖洗液的新植物膠。本文就是想通過對植物膠改性方面的探討,來達到這個目的。

2.研究思路
植物膠在鉆井液中的主要作用是保持體系有適當的粘度和切力。實踐表明,若將單一的植物膠液直接用做泥漿處理劑或配制成無固相沖洗液,其性能效果均不理想,所以必須對植物膠進行改性處理。通常是通過向植物膠液中加入適當的交聯劑和處理劑,使其發生交聯作用、橋接作用和水化作用,使膠粒變得更為致密。具體的改性方法有兩種:一為交聯劑改性;另一種是復合改性。其中交聯劑改性又可分為無機交聯劑改性和有機交聯劑改性兩種。本文以石油工業中常用的一種壓裂液原料瓜爾膠為交聯改性對象,通過交聯劑以及交聯控制劑的選擇,進行了系統的實驗研究,篩選出*優復合方案,并將研制產品投入到現場試用。

3.植物膠的改性
3.1　植物膠的品種篩選
國內外用于提高無粘土沖洗液粘度的植物膠很多,如:瓜爾膠或羥丙基瓜爾膠、魔芋膠、田菁、鉆井粉等等。根據改性要求,篩選的基本原則是資源豐富、性能穩定、易于采集加工、成本低廉。在進行了大量試驗的基礎上,重點對以下常用的幾種植物膠原液進行了性能對比,其結果如表1所示。從表1可以看出:在相同溶液濃度下,羥丙基瓜爾膠的增粘效果*好,其漏斗粘度、表觀粘度、塑性粘度均大大超過了其他幾種植物膠原液。另外羥丙基瓜爾膠目前在中國已有幾個種植與生產配套的生產企業,可確保原料來源豐富,性能穩定可靠,完全能滿足沖洗液的推廣應用和長期使用的要求。其他幾種植物膠雖然性能上也可滿足沖洗液的基本要求,但是都存在著原料來源不穩定的缺點。因此,本研究中確定羥丙基瓜爾膠作為改
性的主要研究對象。
3.2　交聯劑改性品種的選擇
根據沖洗液的性能的綜合要求,交聯體系應盡量以線**聯為主,應抑制和控制體形交聯,同時也要求交聯體應具有一定的強度和足夠的穩定性。達到這幾項要求都與交聯劑類型的選擇有關,目前在鉆井壓裂液中采用的交聯劑,主要是有機金屬鋯、鈦、有機硼、有機硼-鋯、硼砂交聯劑和FeCl3等等。考慮到有機過渡金屬鋯和鈦價格比較昂貴,研究中僅對有機硼、PS交聯劑和三價鐵作了對比。
在相同試驗條件下,PS交聯劑對羥丙基瓜爾膠交聯形成的交聯體結構*為穩定,保存時間*長,完全能夠滿足沖洗液現場應用的要求。而且PS交聯劑來源廣、成本低,是較為理想的交聯劑。因此擬選擇PS交聯劑為瓜爾膠改性的基本交聯劑。
3.3　交聯控制劑的選擇
交聯控制劑目的是控制植物膠交聯體系為線**聯,改善溶液流變特性,提高溶液成膜護芯作用,并且應盡量兼顧沖洗液的其他性能要求(如潤滑減阻、絮凝清潔等等)。因此,在確定了植物膠的種類和適宜加量的基礎上,進行交聯控制劑(合成高分子聚合物)的選擇是又一重要工作。這里所指的合成高分子聚合物主要系指工業化生產合成的高分子聚合物。用于無粘土沖洗液的高聚物一般有:羥乙基纖維素(HEC)、鈉羧甲基纖維素(CMC)、生物聚合物(XC)、水解聚丙烯酰胺(PHP)、未水解聚丙烯酰胺(PAM)等等,以下是幾種高聚物與羥丙基瓜爾膠復合后配制無粘土沖洗液的性能測試結果。