β-环糊精纳米海绵对高温条件下反相乳液钻井液流变性能、过滤性能及乳液稳定性的影响

《Industrial Crops and Products》：Effect of β-cyclodextrin nanosponges on the rheology, filtration and emulsion stability of invert emulsion drilling fluids under elevated temperatures

本研究通过溶剂法合成β-CDNSs，并探究其在高温下对 invert emulsion 钻井液性能的影响。结果表明，当温度高于160℃时，β-CDNSs发生水热碳化生成碳 spheres，显著提升钻井液流变学性能、滤失控制及乳液稳定性，其机理在于碳 spheres 在油水界面形成稳定结构并填充滤饼微孔。摘要：本研究通过溶剂法合成β-CDNSs，并探究其在高温下对 invert emulsion 钻井液性能的影响。结果表明，当温度高于160℃时，β-CDNSs发生水热碳化生成碳 spheres，显著提升钻井液流变学性能、滤失控制及乳液稳定性，其机理在于碳 spheres 在油水界面形成稳定结构并填充滤饼微孔。

　　本研究聚焦于高温条件下倒相钻井液性能的提升，提出了一种基于β-环糊精纳米海绵（β-CDNSs）的新型方法。随着钻井深度的增加，井下温度随之上升，这对钻井液的性能提出了严峻挑战。传统的倒相钻井液虽然具有优异的高温稳定性、防止页岩水化、润滑性及抗污染能力，但在超过200°C的高温环境下，乳化剂、润湿剂及滤失控制剂的热降解会显著影响乳化液的稳定性，进而引发一系列问题，包括流变性能、滤失性能及沉降稳定性等。因此，开发具有更高热稳定性的环保型添加剂成为研究重点。

β-环糊精作为一种天然来源的环状寡糖，因其独特的结构，包括亲水性表面与疏水性空腔，使其成为一种极具潜力的添加剂。在本研究中，采用溶剂法将β-CD与二苯基碳酸酯（DPC）进行交联反应，合成出具有疏水性质的β-CDNSs。该纳米海绵具有三维网状结构，表现出良好的吸附性能，能够有效吸附原油并形成稳定的结构，从而在高温条件下提升钻井液的性能。

实验结果显示，在低于160°C的温度下，β-CDNSs对钻井液性能的提升有限，但当温度超过160°C时，β-CDNSs发生了水热碳化反应，生成了碳球。这些碳球能够吸附在油水界面，作为稳定的乳化剂，形成网络结构，从而改善钻井液的流变性能。此外，碳球还能堵塞滤饼中的微孔，降低滤饼渗透性，显著减少滤失量。与传统添加剂相比，β-CDNSs的结构变化使得其在高温下展现出更优的性能。

本研究还分析了不同油水比例下β-CDNSs对钻井液性能的影响。当油水比低于9:1时，β-CDNSs的加入能够显著改善钻井液的流变性能、滤失性能及乳化稳定性。然而，当油水比高于9:1时，β-CDNSs对钻井液性能的提升效果有限。这表明，β-CDNSs的水热碳化反应对油水比有一定的依赖性，其生成的碳球在较低的油水比条件下更易吸附于油水界面，从而发挥更好的稳定作用。

为了进一步验证β-CDNSs的结构变化及其对钻井液性能的影响，本研究通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）及扫描电子显微镜（SEM）等手段对β-CDNSs进行了表征。结果表明，β-CDNSs在高温下发生了显著的结构变化，其亲水性官能团减少，酯基特征峰消失，同时出现新的碳球特征峰，说明水热碳化反应的进行。此外，β-CDNSs在高温下的吸附行为及结构变化进一步验证了其在高温条件下对乳化液稳定性的增强作用。

研究还探讨了β-CDNSs在不同浓度下的影响。在热滚温度为180°C的条件下，当β-CDNSs的浓度达到0.5%及以上时，其对钻井液流变性能和滤失性能的改善效果显著。这表明，β-CDNSs的加入能够有效提升钻井液的性能，尤其在高温条件下。同时，通过接触角测试发现，生成的碳球对白油表现出更高的亲和力，因此更容易分散在油相中，形成稳定的乳化结构。

此外，研究还分析了β-CDNSs在不同油水比条件下的表现。当油水比为6:4、7:3及8:2时，β-CDNSs的加入显著改善了钻井液的流变性能及滤失性能。然而，当油水比达到9:1及以上时，其改善效果减弱。这可能与碳球在油水界面的吸附能力有关，当油水比过高时，水相的含量不足以引发有效的水热碳化反应，导致碳球的生成量减少，进而影响其对钻井液的稳定作用。

从机制角度来看，β-CDNSs在高温下发生水热碳化反应，生成的碳球不仅能够吸附在油水界面，形成稳定的乳化结构，还能在连续相中形成网络，从而提升钻井液的流变性能。同时，碳球能够填充滤饼中的微孔，降低滤饼渗透性，有效减少滤失量。这一过程显著优于传统添加剂，后者在高温下容易降解，导致性能下降。

综上所述，本研究通过合成β-CDNSs，并结合其在高温下的水热碳化反应，成功提升了倒相钻井液的性能。该方法不仅具有较高的环保性，还能在高温条件下有效改善钻井液的流变性能、滤失性能及乳化稳定性。β-CDNSs的结构特点使其在高温环境下表现出良好的适应性，为开发高性能、环保型钻井液提供了新的思路。未来，β-CDNSs在钻井液领域的应用潜力巨大，其结构特点及性能优势有望推动钻井技术向更加环保和高效的方向发展。