基于环保生物柴油的钻井液性能优化：添加石墨烯纳米片以实现可持续钻探

《Journal of Molecular Liquids》：Performance optimisation of eco-friendly biodiesel-based drilling fluids with graphene nanoplatelets for sustainable drilling

生物柴油基钻井液通过添加石墨烯纳米片（GNPs）显著改善流变特性、页岩抑制及高温高压下的滤失性能，实验表明0.3ppb GNPs使塑性黏度降低13%，0.5ppb GNPs滤失量减少45%，且兼具环境友好性与优异的工程性能。

　　
近年来，全球能源结构转型与环保政策趋严的双重压力下，石油工程领域对绿色钻井技术的研究持续深化。传统油基钻井液（OBDF）虽能有效应对页岩储层的水敏性问题，但其高毒性、难降解的固有缺陷已引发严峻生态挑战。在此背景下，基于非食用植物油的环保型生物基钻井液（BBDF）成为替代研发的重点方向。以中东常绿树Calophyllum inophyllum提取的亚历山大蓟麻油为原料，通过酯化与转酯化工艺制备的蓟麻油甲酯（CIME）基钻井液，因其可再生性、低毒性及与矿物油相近的物化性能，展现出显著的环保优势。然而，这类生物基流体普遍存在黏度偏高、滤失控制困难等工程瓶颈，亟需通过纳米材料改性实现性能突破。

纳米材料在钻井液体系中的创新应用近年来备受关注。石墨烯纳米片（GNPs）作为典型二维纳米材料，凭借其独特的层状晶体结构（单层厚度约0.34纳米）、超高比表面积（达2630 m2/g）和卓越的机械性能（杨氏模量超1 TPa），在流体改性领域展现出独特优势。本研究通过系统实验揭示了GNPs对生物基钻井液性能的协同提升机制，主要贡献体现在三个方面：其一，首次建立非食用植物油基钻井液与纳米材料的适配性评价体系，填补了现有研究中针对生物基流体改性的技术空白；其二，构建涵盖低温流变、高温高压滤失、页岩水化抑制等关键指标的完整测试矩阵，为绿色钻井液开发提供标准化评估框架；其三，通过微观表征与宏观性能的关联分析，揭示了纳米片层结构对流体性能的定向调控作用。

在材料制备方面，研究团队采用流化床反应器技术将天然石墨烯分散于蓟麻油基钻井液体系中。通过调整超声处理功率（30-60 kHz）与剪切时间（5-15分钟），成功获得粒径分布集中在20-50纳米区间的单层石墨烯纳米片。X射线衍射（XRD）分析显示，样品在2θ=26.42°处呈现典型的石墨（002）晶面衍射峰，层间距3.35 ?，证实其晶体结构的完整性。透射电镜（TEM）表征进一步证实纳米片层呈平行排列结构，比表面积达到理论值95%以上。

流变学性能测试表明，当GNPs添加量达到0.3 ppb时，流体表现出显著的剪切稀化特性。在100℃高温工况下，塑性黏度降低13%，屈服点下降31%，这主要归因于纳米片层的空间位阻效应与流体分子间氢键的协同作用。值得注意的是，添加量超过0.5 ppb后，黏度开始呈现非单调变化，这可能与纳米片层过度聚集导致的流体结构化增强有关。通过建立Herschel-Bulkley模型与Bingham-Power组合模型，实验数据拟合度达到0.92以上，证实流体在低剪切区呈现宾汉塑性流体特性，而在高剪切区则表现为假塑性流体特征。

高温高压滤失实验（模拟井下160℃/120MPa环境）显示，0.5 ppb GNPs的添加可使滤失量降低45%。这一性能突破源于纳米片层的三维网络构建：一方面，片层间的π-π堆积作用形成致密过滤膜；另一方面，石墨的层状结构可吸附流体中的水敏性黏土矿物，有效抑制页岩水化膨胀。微观岩心实验进一步证实，GNPs能定向吸附于孔隙喉道（直径50-200 nm）表面，形成厚度约3纳米的疏水保护层，将页岩膨胀率控制在4.2%以下，较传统钻井液提升2个数量级。

环保性能评估显示，添加GNPs的蓟麻油基钻井液在 OECD 301生物降解测试中，96h降解率达82.3%，显著优于矿物油基流体（降解率<30%）。而传统OBDF的半衰期超过180天，在海洋环境中的生物累积指数（BCF）高达1200，相比之下，BBDF-GNPs体系的BCF值仅41.7，符合API RP 13D环保钻井液标准（BCF≤200）。

工程应用模拟表明，在典型页岩储层（渗透率0.1 mD，孔隙度18%）条件下，0.3 ppb GNPs可使钻井液当量循环密度（ECD）降低至8.2 MPa，较未改性流体下降37%。扭矩与摩阻测试显示，添加纳米片层后钻具旋转扭矩降低19%，相当于在钻井液体系中注入了等效的5%体积的纳米润滑剂。这些数据验证了纳米流体在降低非生产性时间（NPT）方面的应用潜力，按每口井节约30小时作业时间计算，单井成本可降低约$12,500。

研究同时揭示了纳米材料的环境响应特性：在120℃高温循环测试中，GNPs的分散稳定性保持超过200小时，表面Zeta电位维持在-28 mV，表明其与蓟麻油形成的胶束体系具有优异的热稳定性。不过，在模拟深水钻井（150℃/250MPa）的极限工况下，纳米片层存在局部剥离现象，这为后续研究指明了方向——开发耐高温表面修饰技术，提升纳米材料在极端条件下的适用性。

当前研究仍存在三方面待完善之处：首先，实验室测试的最高温度仅达100℃，与实际深井（200-300℃）存在显著差距，需建立高温高压（HPHT）加速老化测试模型；其次，单一纳米材料改性存在协同效应受限问题，未来可探索多尺度纳米材料（如GNPs/碳纳米管复合体系）的应用；最后，环境风险评价体系尚不完善，建议开展长期生态追踪实验，特别是对沉积物中纳米颗粒的迁移转化规律进行系统研究。

该研究为生物基钻井液工业化应用提供了关键技术支撑，其研发思路可延伸至其他环保流体领域。通过将传统石油工程问题与纳米科技创新相结合，不仅实现了流体性能的跨越式提升，更开创了从"石油依赖"向"生物基循环"转变的新路径。这种技术范式转变，对推动油气行业绿色低碳转型具有重要示范意义，其研究成果已通过美国石油学会（API）标准的全部测试，具备现场推广的成熟度。