基于FeCl2/FeCl3-椰壳-橙皮颗粒的水基钻井液损耗循环剂的合成：参数优化与统计分析

《Advances in Materials Science and Engineering》：Synthesis of Loss Circulation Agent From FeCl2/FeCl3-Coconut Husk-Orange Peel Particles for Water-Based Drilling Fluid: Parametric Optimization and Statistical Analysis

椰子壳-橙皮颗粒负载氯化亚铁/氯化铁颗粒作为水基钻井液堵漏剂，通过正交实验设计优化质量、磁化液体积、氯化钠浓度和温度参数，实验结果表明最佳条件下塑性粘度为17.1 cP，滤失体积5.06 mL，凝胶强度21.8 Lb/100 ft2，泥饼厚度0.44 mm，屈服点25.5 Lb/100 ft2，形成损伤率10.84%。SEM显示均匀多孔结构，FTIR证实表面含羧基、羟基、胺基和巯基。

　　在当前的能源开发与资源利用过程中，如何实现可持续发展并减少环境污染成为全球关注的焦点。近年来，科学家们积极探索利用农业废弃物作为工业材料的原料，以达到资源循环利用和减少废弃物排放的目的。本文研究了一种新型的水基钻井液（WBDF）添加剂——FeCl?/FeCl?-椰子壳纤维-橙皮（CH-OP）微粒，探讨其在钻井过程中对过滤性能和流变特性的优化效果，并评估其在地层中的应用潜力。通过采用Taguchi正交实验设计方法，研究人员系统地分析了CH-OP质量、磁性溶液（MS）体积、NaCl浓度以及温度等因素对钻井液性能的影响，为实际工程应用提供了理论支持和实验依据。

### 研究背景与意义

钻井液在石油和天然气开采中扮演着至关重要的角色。其主要功能包括控制地层压力、防止钻井液渗漏、润滑钻头、冷却钻具、清除井底岩屑并将其输送至地面、稳定井壁，以及减少对地层的损害。然而，传统的钻井液往往需要昂贵的添加剂，并且可能对环境造成污染。因此，寻找低成本、环保的替代材料成为行业关注的热点。农业废弃物，如椰子壳纤维和橙皮，因其丰富的天然成分（如纤维素、果胶、蛋白质等）以及可生物降解的特性，被认为是极具潜力的资源。通过化学改性，如FeCl?和FeCl?的浸渍，这些废弃物可以被转化为具有优异性能的磁性微粒，从而进一步提升其作为钻井液损失控制剂（LCAs）的效能。

### 实验方法与设计

为了系统研究FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒对钻井液性能的影响，研究团队采用了L?正交Taguchi实验设计方法，以减少实验次数并提高效率。实验变量包括CH-OP质量（5 g、10 g、15 g）、磁性溶液体积（5 mL、10 mL、15 mL）、NaCl浓度（2 wt%、4 wt%、6 wt%）以及温度（25°C、55°C、85°C）。这些变量被设置为三个水平，通过正交设计矩阵进行组合实验，从而优化钻井液的过滤性能和流变特性。

实验过程中，首先对CH和OP进行清洗和干燥处理，随后将其研磨成微粒，并通过特定的化学浸渍过程（FeCl?和FeCl?）进行磁化。最终制备的钻井液样品在Fann粘度计上进行流变性能测试，包括塑料粘度（PV）、凝胶强度（GS）和屈服点（YP）。同时，使用API滤压机测定滤液体积（FV）和泥饼厚度（MCT），以评估其过滤性能。此外，研究还准备了由未固结砂岩和页岩制成的岩心样本，并在不同压力条件下测试钻井液对岩心的损害程度，以验证其在实际地层中的适用性。

### 实验结果与分析

实验结果表明，随着CH-OP质量的增加，钻井液的流变性能（如塑料粘度、凝胶强度、屈服点）也相应提升，而滤液体积和泥饼厚度则有所下降。这说明CH-OP微粒的增加有助于改善钻井液的粘稠度和稳定性，同时减少其渗漏。然而，高浓度的NaCl和高温条件会对钻井液性能产生不利影响，导致其流变性能下降，从而增加地层损害的风险。因此，选择合适的NaCl浓度和温度对于优化钻井液性能至关重要。

在形成损害方面，实验发现，当CH-OP质量为5 g、NaCl浓度为6 wt%、温度为55°C、压力为150 psi时，钻井液的形成损害达到了最低值（10.84%）。这表明，在这些条件下，FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒能够有效降低钻井液对地层的渗透和破坏，从而减少地层损害，提高钻井效率。此外，实验还通过SEM和FTIR对钻井液的微观结构和表面化学组成进行了分析，结果显示，这些微粒具有光滑且均匀分布的晶格结构，并含有羧基、羟基、氨基和硫醇等活性基团，这进一步解释了其在钻井液中的优异性能。

### 模型建立与优化

研究团队还建立了数学模型，以预测钻井液的流变和过滤性能。通过分析方差（ANOVA）和回归分析，模型的拟合度较高，各参数的贡献率也得到了明确。例如，在塑料粘度的预测中，NaCl浓度的贡献率最高（49.19%），其次是温度（37.06%）和磁性溶液体积（13.75%）。这说明，NaCl浓度是影响钻井液性能的关键因素，而温度和磁性溶液体积也起到了重要作用。

通过模型优化，研究团队确定了最佳的实验条件：CH-OP质量为15 g、磁性溶液体积为10 mL、NaCl浓度为2 wt%、温度为25°C。在这些条件下，塑料粘度为17.1 cP，滤液体积为5.06 mL，凝胶强度为21.8 Lb/100 ft2，屈服点为25.5 Lb/100 ft2，泥饼厚度为0.44 mm。这些参数表明，该钻井液在流变和过滤方面具有良好的性能，能够在实际钻井过程中有效减少渗漏，同时维持钻井液的稳定性和操作性。

### 实际应用与展望

FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒作为损失控制剂在钻井液中的应用，不仅具有环保和可持续发展的优势，还能够有效降低钻井成本。此外，该材料的磁性特性使其在复杂地层中表现出良好的适应性，能够在高压高温条件下保持稳定的性能。这为未来的钻井液设计提供了新的思路，尤其是在应对高渗透性地层和复杂地质条件时，FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒可以作为一种高效的损失控制剂。

然而，研究团队也指出了一些需要进一步探索的方向。例如，未来的研究可以考虑在较低浓度下使用CH-OP微粒，以进一步降低材料成本并减少可能的操作风险。此外，当前实验主要集中在低压低温（LPLT）条件下，因此需要在高压高温（HPHT）条件下进行更全面的评估，以确保其在真实钻井环境中的稳定性。这些研究将有助于推动FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒在钻井液中的广泛应用，并为可持续能源开发提供技术支持。

### 结论

本研究通过实验和建模相结合的方法，验证了FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒在水基钻井液中的优异性能。这些微粒不仅能够有效减少钻井液的渗漏，还能够提高其流变特性，从而增强钻井液的稳定性。同时，实验表明，FeCl?/FeCl?-CH-OP微粒在低压低温条件下表现良好，但在高压高温环境下仍需进一步研究。未来，随着对农业废弃物再利用技术的不断进步，这类材料有望成为钻井液行业的重要组成部分，为实现零废弃物社会和可持续能源开发做出贡献。