木質(zhì)素基漏失控制材料的研究進(jìn)展

摘 要： 本文介紹了木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)與化學(xué)改性，結(jié)合井下漏失控制的機(jī)理研究，闡述了木質(zhì)素井下漏失控制材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用。針對(duì)研究現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展方向，以期為木質(zhì)素基漏失控制材料的研究與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)素；井下漏失控制；化學(xué)改性

中圖分類號(hào)：TS79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 003

井漏是指鉆井、固井過程中井筒工作液大量漏入地層的現(xiàn)象，其中大量鉆井液從井筒逸出到周圍巖體中，不但浪費(fèi)了鉆井液，若處理不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致如鉆井泥漿流失、井眼壓力不平衡、鉆桿卡鉆和井筒坍塌等復(fù)雜情況的發(fā)生[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，井漏是導(dǎo)致鉆井項(xiàng)目停機(jī)的最主要因素之一，且井漏事件發(fā)生概率高達(dá) 20%～25%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。隨著油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)向深井、超深井快速轉(zhuǎn)移，目前絕大多數(shù)深井和超深井均屬于Ⅰ類高溫高壓井 （儲(chǔ)層 壓 力 ： 68.94～137.89 MPa， 儲(chǔ) 層 溫 度 ： 148.8～204.4 ℃） 和Ⅱ類超高溫高壓井 （儲(chǔ)層壓力：137.89～206 MPa，儲(chǔ)層溫度：204.4～260.0 ℃） [4]，在日益惡劣的復(fù)雜地質(zhì)條件下，石油鉆探領(lǐng)域面臨著事故多發(fā)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5-6]。因此，開發(fā)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色的漏失控制材料及處理策略十分必要。

木質(zhì)素是自然界中含量最豐富的天然芳香族聚合物[7]，廣泛存在于陸生植物的細(xì)胞壁中，被視為一種生物黏合劑，連接纖維素與半纖維素，從而為植物提供足夠的力學(xué)性能[8-11]。木質(zhì)素獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其能與其他材料形成良好的氫鍵和共價(jià)鍵，不僅提供了出色的密封性能和黏合性能，還能增強(qiáng)材料整體的機(jī)械承壓能力并改善流變性能，便于加工和成形。目前，木質(zhì)素主要作為一種工業(yè)副產(chǎn)物，主要來源于制漿造紙及生物質(zhì)精煉工業(yè)過程，且產(chǎn)量巨大、利用率及利用價(jià)值較低，絕大部分用于燃燒供能[12-13]。利用木質(zhì)素開發(fā)具有高附加值的能源、化學(xué)品和功能材料，在推動(dòng)可再生資源的生態(tài)化利用及緩解石化資源短缺方面具有重要意義[14-15]。早在20世紀(jì)80 年代，我國(guó)就已經(jīng)開始了對(duì)木質(zhì)素基漏失控制材料的探索與應(yīng)用。1985 年，由勝利油田勝采指揮部新技術(shù)推廣站配制的木質(zhì)素磺酸鈣復(fù)合堵水劑通過了局級(jí)的技術(shù)鑒定并列入了油田重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，該堵水劑在2年內(nèi)先后在5個(gè)油田的18口油水井上進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了較好的應(yīng)用效果[16]，開創(chuàng)了木質(zhì)素應(yīng)用于井下漏失控制的先河，為木質(zhì)素的高值化應(yīng)用開辟了一條全新的道路。2000年，劉慶旺等[17]以聚丙烯酰胺 （PAM） 與木質(zhì)素磺酸鹽的縮合產(chǎn)物為主體劑，用 K2Cr2O7與硫脲氧化還原體系為交聯(lián)劑制備地層水（FW） 凝膠調(diào)剖劑，在大慶油田注水井上應(yīng)用后，堵水增油效果明顯。2018年，李佳[18]通過高溫處理，利用木質(zhì)素與交聯(lián)劑、增強(qiáng)劑反應(yīng)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并將樹脂填充于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中間，形成有彈性、耐高溫和具備一定強(qiáng)度的凝膠類堵劑，該堵劑對(duì)遼河油田井組的3口井增油降水效果明顯。時(shí)至今日，木質(zhì)素基漏失控制材料的研發(fā)與應(yīng)用仍在不斷推進(jìn)，這些材料在促進(jìn)木質(zhì)素高值化利用和控制井下漏失方面發(fā)揮了重要作用。

本文從木質(zhì)素的基本特性與改性出發(fā)，結(jié)合井下漏失控制的機(jī)理研究，概述了木質(zhì)素基漏失控制材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用，并分析了其面臨的挑戰(zhàn)與未來的發(fā)展方向，以期為木質(zhì)素基漏失控制材料的研究與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和參考。

1 木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)改性

1. 1 木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)

在自然界中，天然木質(zhì)素廣泛分布于針葉木、闊葉木以及禾本科植物中，其結(jié)構(gòu)取決于木質(zhì)素生物質(zhì)的來源。總的來說，天然木質(zhì)素是一種由苯丙烷基結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵或碳碳鍵連接而成、具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的芳香族高分子化合物[19]，構(gòu)成木質(zhì)素的 3種基本結(jié)構(gòu)單元包括紫丁香基丙烷結(jié)構(gòu)單元 （S型）、對(duì)羥苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元 （H型） 和愈創(chuàng)木基丙烷結(jié)構(gòu)單元 （G 型）[20]，各基本結(jié)構(gòu)單元之間的主要連接鍵為β-O-4 醚鍵，占木質(zhì)素鍵結(jié)構(gòu)的 50% 以上[21]（圖 1）。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，來源廣泛、成本較低的工業(yè)木質(zhì)素在許多材料的研發(fā)中展現(xiàn)出了巨大潛力，成為推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的重要力量。

工業(yè)木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相較天然木質(zhì)素發(fā)生了較大的改變，根據(jù)分離工藝的不同，分子質(zhì)量通常分布在1 000～20 000 g/mol之間[22]。硫酸鹽木質(zhì)素與堿木質(zhì)素是最常見的2種工業(yè)木質(zhì)素，二者均源自制漿造紙工業(yè)的副產(chǎn)物。由于在蒸煮過程中硫酸鹽木質(zhì)素的β-芳基鍵被大量裂解，使其具有更多的酚羥基，在苛刻的蒸煮條件下還會(huì)形成一些聯(lián)苯和其他縮合結(jié)構(gòu)，一般來說，縮合結(jié)構(gòu)的數(shù)量會(huì)隨著蒸煮時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。此外，脫木質(zhì)素過程中的氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致形成奎寧和兒茶酚結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加羧基數(shù)量[23]。與硫酸鹽木質(zhì)素相比，堿木質(zhì)素不含硫元素，具有更多的對(duì)羥基單元和羧基，化學(xué)成分更接近天然木質(zhì)素[24]。

工業(yè)木質(zhì)素在提取分離過程中經(jīng)歷了不斷地分解和縮合，分子質(zhì)量發(fā)生了不同程度的改變，具有芳香基、酚羥基、醇羥基、羰基、羧基等多種活性基團(tuán)，并且存在大量的α-O-4、β-5等共價(jià)鍵，使工業(yè)木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變得復(fù)雜[25]。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)雖然為工業(yè)木質(zhì)素性能的穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)化造成了困難，但使木質(zhì)素在化學(xué)性質(zhì)方面呈現(xiàn)出多樣性，為工業(yè)木質(zhì)素在多領(lǐng)域應(yīng)用提供了更多可能。通過磺化、羥基化、接枝等化學(xué)改性方法，在工業(yè)木質(zhì)素分子中引入活性基團(tuán)，可大幅度提升木質(zhì)素的性能、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域[26-27]。

1. 2 木質(zhì)素的化學(xué)改性

1. 2. 1 磺甲基化和磺化改性

木質(zhì)素磺甲基化是將亞甲基磺酸基團(tuán)引入木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中，以增加木質(zhì)素產(chǎn)品中磺酸基的數(shù)量，提高其鞣制能力。木質(zhì)素磺化改性是指通過使用硫酸或亞硫酸鈉將磺酸基團(tuán)添加到木質(zhì)素中的反應(yīng)，以增加木質(zhì)素產(chǎn)品中磺酸基的數(shù)量，使其具備一定吸附性能的同時(shí)還擁有較高的彈性和表面活性，增加木質(zhì)素的實(shí)用價(jià)值[28-29]。He等[30]采用氧化和磺甲基化相結(jié)合的方法對(duì)針葉木硫酸鹽木質(zhì)素進(jìn)行改性，以生產(chǎn)磺甲基化木質(zhì)素。在最佳磺甲基化條件下，獲得磺甲基化度為2.05 meq/g 的磺甲基化木質(zhì)素 （圖 2（a））。Huang 等[31]通過磺甲基化利用堿木質(zhì)素 （AL） 和酶水解殘?jiān)‥HR） 制備木質(zhì)素磺酸鹽 （LS），在最佳磺甲基化條件下，AL 和 EHR 中木質(zhì)素的磺化率分別為 94.9%和68.9%。仝麗麗等[32]以宜賓竹漿黑液木質(zhì)素為原料，與無(wú)水亞硫酸鈉和去離子水一起加入高壓反應(yīng)釜中，并用 2 mol/L 的 NaOH 溶液調(diào)節(jié) pH 值，所得木質(zhì)素磺酸鈉的最大磺酸基含量為 1.93 mmol/g，最佳溶解度為98.48%。

1. 2. 2 羥基官能化

木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的酚羥基和脂肪羥基位于側(cè)鏈的C-γ和C-α位置，酚羥基是反應(yīng)性最強(qiáng)的官能團(tuán)，會(huì)影響新形成材料的化學(xué)反應(yīng)性。對(duì)羥基進(jìn)行包括烷基化、酯化、醚化、酚化和氨基甲酸酯化等改性 （圖 2（b））從而促使木質(zhì)素多元醇衍生物的形成[33]。

木質(zhì)素具有不同的烷基化位點(diǎn)，包括羥基、羰基和羧基的氧原子，通常有3種改性方法，包括與重氮烷烴反應(yīng)、在催化劑 （如鹽酸） 存在下與酒精反應(yīng)或使用烷基硫酸鹽和氫氧化鈉反應(yīng)[28]。木質(zhì)素酯化反應(yīng)是最容易制備木質(zhì)素基聚酯的反應(yīng)，酯化反應(yīng)可通過3種不同的方式進(jìn)行，即使用環(huán)酯的開環(huán)反應(yīng)、與羧酸氯化物的縮合聚合反應(yīng)以及與二羧酸的脫水聚合反應(yīng)[33-34]。木質(zhì)素醚化改性可通過以下 1 種或多種方式組合進(jìn)行：使用氧化亞烷 （如環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷）進(jìn)行聚合、使用環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行聚合、使用二縮水甘油醚進(jìn)行交聯(lián)及使用乙二醇溶解木質(zhì)素。氧丙基化是最常用的醚化方法，在堿性溶液中使用環(huán)氧丙烷對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行改性，以制備木質(zhì)素基環(huán)氧樹脂[34]。木質(zhì)素酚化又稱苯溶解，是指在酸性介質(zhì)中，在甲醇或乙醇等有機(jī)溶劑的存在下，通過木質(zhì)素與苯酚反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改性的過程。這種反應(yīng)通常用于改性木質(zhì)素磺酸鹽，以增加酚基的含量，提高目標(biāo)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的反應(yīng)活性。木質(zhì)素經(jīng)酚解反應(yīng)后，再與甲醛縮合制備木質(zhì)素酚醛樹脂，其固化時(shí)間和黏度與標(biāo)準(zhǔn)的商用苯酚甲醛樹脂相當(dāng)，可用于木板黏合劑的制備[35-36]。木質(zhì)素氨基甲酸酯化反應(yīng)通過木質(zhì)素羥基和異氰酸酯基反應(yīng)生成氨基甲酸酯鍵。傳統(tǒng)上，聚氨酯由多元醇和二異氰酸酯制備而成，可制得多種產(chǎn)品，包括低溫彈性體和具有高拉伸強(qiáng)度的柔性或剛性黏合劑[28， 33]。

1. 2. 3 接枝共聚

在木質(zhì)素接枝共聚改性中，木質(zhì)素被用作聚合的大分子引發(fā)劑，在聚合過程中，單體與木質(zhì)素中存在的羥基發(fā)生反應(yīng)，通過開環(huán)聚合或乙烯基單體自由基聚合將聚合物鏈組裝在木質(zhì)素核上[37]。木質(zhì)素羥基與環(huán)氧丙烷的反應(yīng)是氧丙基化木質(zhì)素最常見的開環(huán)聚合反應(yīng)之一 （圖 2（c）），可以通過增加接枝鏈長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)共聚物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和黏度的降低，所得共聚物已被普遍用作聚氨酯泡沫合成中的“大分子”單體[38]。乙烯基單體在木質(zhì)素表面通過自由基聚合的“接枝”，可制備木質(zhì)素-接枝共聚物 （圖 2（d）），這一過程包括在木質(zhì)素結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)乙烯基單體的聚合，通常利用輻照或化學(xué)引發(fā)劑 （過氧化物），通過這種工藝生產(chǎn)多種共聚物，包括木質(zhì)素-聚苯乙烯、木質(zhì)素-聚丙烯酸和木質(zhì)素-聚醋酸乙酯等，可有效改善所生成共聚物的性能[39]。

2 漏失控制機(jī)理及木質(zhì)素基漏失控制材料

2. 1 漏失控制機(jī)理

不同類型的漏失控制材料具有不同的適用性和工作機(jī)理，漏失控制機(jī)理是研發(fā)漏失控制材料的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對(duì)漏失控制機(jī)理的研究主要分為基于巖石力學(xué)假設(shè)的理論漏失控制機(jī)理研究和物理模擬漏失控制機(jī)理研究，包括應(yīng)力籠理論、裂縫封堵機(jī)理和隔離封堵機(jī)理。

2. 1. 1 應(yīng)力籠理論

Aston 等[40]提出的應(yīng)力籠理論認(rèn)為，通過調(diào)節(jié)井周切向應(yīng)力場(chǎng)和裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)，可以在井筒液柱壓力和地應(yīng)力場(chǎng)之間建立平衡，從而控制鉆井液的漏失。漏失工作液進(jìn)入裂縫后，在裂縫內(nèi)迅速形成滲透率極低的緊密封堵層[41]，阻隔鉆井液壓力和流體介質(zhì)的傳遞，增大周向應(yīng)力，形成應(yīng)力籠，進(jìn)而增強(qiáng)地層承壓能力。當(dāng)井筒壓力增加時(shí)，增加的周向應(yīng)力可以防止裂縫打開或產(chǎn)生新的裂縫。

2. 1. 2 裂縫封堵機(jī)理

裂縫封堵機(jī)理主要分為2個(gè)方面，分別為提高裂縫閉合應(yīng)力機(jī)理和控制裂縫尖端延伸機(jī)理。提高裂縫閉合應(yīng)力機(jī)理認(rèn)為，漏失控制材料必須沉積在裂縫內(nèi)部，迅速聚集形成封堵層，同時(shí)隔離裂縫尖端，增強(qiáng)裂縫閉合應(yīng)力，封堵層后的流體滲入巖層孔隙中，顯著降低裂縫尖端壓力，進(jìn)而增強(qiáng)地層的承壓能力[42]。控制裂縫尖端延伸的機(jī)理是指利用漏失控制材料隔離裂縫尖端，阻止鉆井液向裂縫尖端傳遞壓力，從而提高裂縫破裂壓力，防止裂縫延伸。當(dāng)鉆井液在地層中漏失時(shí)，漏失控制材料會(huì)在裂縫尖端附近形成一個(gè)嚴(yán)密的堵塞層，阻止壓力波的傳播，防止誘發(fā)裂縫的形成。在高滲透率地層中，裂縫頂端的堵塞層比較容易形成，但在低滲透率地層中則不易形成[43]。

2. 1. 3 隔離封堵機(jī)理

隔離封堵機(jī)理是指在地層溫度、壓力和流體等因素的影響下，漏失控制材料在裂縫中經(jīng)物理和化學(xué)反應(yīng)形成的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)將井筒和地層壓力系統(tǒng)隔離開來，以提高地層承壓能力。隔離封堵機(jī)理提高地層承壓能力的效果取決于環(huán)境的自適應(yīng)能力、漏失控制材料的反應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等。這些漏失控制材料主要包括聚合物凝膠、固化樹脂等，適用于滲透性漏失的裂縫地層[44]。

2. 2 木質(zhì)素基漏失控制材料

隨著對(duì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，木質(zhì)素作為一種可再生的生物質(zhì)資源，逐漸成為研究熱點(diǎn)，木質(zhì)素不僅來源廣泛，而且具有良好的化學(xué)反應(yīng)性和生物相容性，在油氣開采、漏失控制等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力，以下將重點(diǎn)介紹木質(zhì)素凝膠類堵漏材料、木質(zhì)素降濾失劑和木質(zhì)素頁(yè)巖抑制劑的研究進(jìn)展及其實(shí)際應(yīng)用。

2. 2. 1 木質(zhì)素凝膠類堵漏材料

與其他類型的漏失控制材料相比，具有顯著壓縮變形能力的凝膠材料不受通道形狀的限制，可自適應(yīng)地進(jìn)入不同大小的泄漏通道，并在損失通道中形成高強(qiáng)度的堵塞層。凝膠材料大致可分為交聯(lián)成膠材料和非交聯(lián)成膠材料。交聯(lián)成膠材料是指聚合物 （或單體）、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等通過交聯(lián)反應(yīng)以水溶液形式注入井下漏失通道而形成的黏彈性凝膠；非交聯(lián)成膠材料主要通過具有特殊官能團(tuán)的聚合物鏈之間的纏結(jié)或締合形成凝膠結(jié)構(gòu)。在實(shí)際操作時(shí)，需根據(jù)井下的實(shí)際情況 （環(huán)境溫度、漏速等） 調(diào)控凝膠的成膠時(shí)間，以適應(yīng)環(huán)境的需要，使凝膠在完全成膠前以液體或高黏稠流體泵送進(jìn)入漏失通道，抵達(dá)漏失通道后，凝膠滯留在井筒和漏失通道中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步成膠，黏滯阻力逐步增加，漏失逐漸減小，當(dāng)凝膠完全成膠后，形成的封堵強(qiáng)度足以抵抗井筒與漏層之間的壓差時(shí)，即可完成封堵[45]。

Liu 等[45]制 備 了 一 種 基 于 木 質(zhì) 素 的 封 堵 水 凝 膠（Lig-plugel），該方法利用木質(zhì)素與聚乙二醇二縮水甘油醚 （PEGDGE） 之間的交聯(lián)反應(yīng)和高溫下木質(zhì)素的自交聯(lián)反應(yīng) （圖3（a）和圖3（b）），減少了交聯(lián)劑的用量，達(dá)到了調(diào)節(jié)凝膠化時(shí)間的目的，同時(shí)提高了其力學(xué)性能，最大壓縮應(yīng)變可達(dá) 76.83%，抗壓強(qiáng)度和抗壓韌性分別為 1.85 MPa 和 276.13 kJ/m3，模擬封堵實(shí)驗(yàn)表明，Lig-plugel 具有有效的封堵效果和適應(yīng)性。Jiang等[46]以具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和生物相容性的木質(zhì)素磺酸鈉與羧甲基纖維素和β-環(huán)糊精交聯(lián)以制備水凝膠gf-5 （圖 3（c）和圖 3（d）），在 60～90 ℃的環(huán)境中保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)120天，在不同滲透率的填砂管中，密封率超過 96%，突破壓力達(dá) 8.593 MPa。耿紹等[47]利用 AL、PEGDGE 與雙醛纖維素納米纖絲 （DA-CNF） 交聯(lián)聚合制備了具有較高的耐溫耐鹽特性、較好的 pH 適應(yīng)性的 DA-CNF/木質(zhì)素水凝膠 （圖 4（a）），該反應(yīng)利用DA-CNF在水凝膠中的互穿網(wǎng)絡(luò)作用以及醛基與AL酚羥基發(fā)生縮合反應(yīng)。在 150 ℃、pH 值=9、20 萬(wàn)礦化度 的 鹽 水 中 老 化 20 天 ， 其 質(zhì) 量 保 留 率 依 然 能 達(dá)86.4%。Yang等[48]制備了以木質(zhì)素納米纖維素 （LCN）為交聯(lián)劑來增強(qiáng)聚丙烯酰胺 （PAM） 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的水凝膠 （PAM-LCN） （圖4（b）），在高溫 （150 ℃） 和高鹽 （2×105 mg/L） 的條件下，65天內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。封堵實(shí)驗(yàn)表明，PAM-LCN 封堵率為 96.77%，突破壓力為3.16 MPa。木質(zhì)素凝膠類堵漏材料主要以木質(zhì)素為原料，其不僅可利用自身的活性基團(tuán) （酚羥基、醇羥基等） 與交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)，還可以進(jìn)行化學(xué)改性 （磺化、官能化等），賦予其一定的聚合度、交聯(lián)能力和熱穩(wěn)定性后再進(jìn)行交聯(lián)，基于上述2種方法制備的木質(zhì)素凝膠憑借其優(yōu)異的耐溫、耐鹽與封堵性能而具有潛在的油田封堵應(yīng)用價(jià)值，為解決井下漏失問題提供了一種有前途的解決方案。

2. 2. 2 木質(zhì)素降濾失劑

在鉆井作業(yè)中，鉆井液在壓力差的作用下易滲透到地層中，導(dǎo)致泥頁(yè)巖發(fā)生水化膨脹，從而引發(fā)井壁坍塌。降濾失劑又稱降失水劑，通過在井壁上形成一層薄而密實(shí)的濾餅，減少鉆井液的流失，從而有效維持井筒的穩(wěn)定[49]。傳統(tǒng)降濾失劑主要包括纖維素類、腐殖酸類、淀粉類、丙烯酸聚合物類和樹脂類。大多降濾失劑的生物降解性較差，還可能含有重金屬離子，具有一定的生物毒性。若處理不當(dāng)，含有這些添加劑的鉆井液可能對(duì)水源、土壤及生物造成嚴(yán)重影響。因此，利用生物質(zhì)及其改性產(chǎn)品制備的降濾失劑越來越受到重視，廣泛應(yīng)用于石油開采和開發(fā)領(lǐng)域[50]。

Chang 等[51]利用 π-π 鍵的相互作用，通過層層自組裝，由內(nèi)向外合成了納米木質(zhì)素 （Nano-LS），隨后以Nano-LS為單體、過硫酸銨和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，在Nano-LS上接枝了N，N-二甲基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，合成了一種新型納米木質(zhì)素兩性共 聚 物 降 濾 失 劑 （Nano-LS-g-DAD） （圖 5（a））。在260 ℃下老化 16 h后，Nano-LS-g-DAD 含量為 2.0% 的膨潤(rùn)土基泥漿的濾失量?jī)H為8.0 mL，表明在高溫條件下，Nano-LS-g-DAD在水基鉆井液中仍保持正的降濾失性能。Sun 等[52]利用反聚電解質(zhì)效應(yīng)，以分子內(nèi)自組裝方法制備了酶解木質(zhì)素納米顆粒 （EHL），利用EHL 合成了一種新型鹽響應(yīng)性降濾失劑 （EHL-ASN）（圖5（b）），測(cè)試結(jié)果顯示，EHL-ASN具有顯著的增黏和降濾失效果，可以顯著降低飽和鹽水基漿 （SSBM）的 液 體 流 失。Abdollahi 等[53]以 水 為 介 質(zhì)，在 30 和55 ℃下分別使用氧化還原 （H2O2/CaCl2氧化還原引發(fā)劑） 和熱引發(fā) （KPS 熱引發(fā)劑） 體系，將丙烯酰胺（AAM） 接枝到 LS 上，合成了木質(zhì)素磺酸鹽/丙烯酰胺接枝共聚物降濾失劑 （LS-g-PAAM）（圖 6（a）），其中，氧化還原體系中的反應(yīng)稱為 LA-1 （AAM∶LS 質(zhì)量比=10∶1） 與LA-2（AAM∶LS質(zhì)量比=20∶1），熱引發(fā)體系中的反應(yīng)稱為L(zhǎng)A-3。在高溫下的自來水膨潤(rùn)土基中，LA-2 可以提高流變學(xué)性能，LA-3 對(duì)液體流失的控制能力最好，并且均具備良好的熱穩(wěn)定性和耐鹽性。Chang 等[54]在水溶液中以過硫酸鉀為引發(fā)劑，將AAM和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 （AMPS） 接枝到納米木質(zhì)素 （Nano-LS） 上，合成了環(huán)保型降濾失劑 （Nano-LS-g-PAM-PAMPS）（圖 6（b）），木質(zhì)素納米球在泥餅中聚集，起到封堵作用，降低泥餅的滲透性，減少鉆井液漏失，在200 ℃下老化16 h后，流體損失可以顯著降低至7.5 mL。木質(zhì)素降濾失劑可以木質(zhì)素納米材料為主要原材料，通過接枝共聚技術(shù)并利用其自身的高強(qiáng)度、高韌性與高比表面積的特性，提高了材料的反應(yīng)性和功能性，增強(qiáng)了復(fù)合材料的強(qiáng)度，具有環(huán)保綠色、耐高溫、降濾失強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是木質(zhì)素在漏失控制領(lǐng)域的一種良好應(yīng)用。

2. 2. 3 木質(zhì)素頁(yè)巖抑制劑

在頁(yè)巖油氣勘探中，水基鉆井液被認(rèn)為比合成鉆井液和油基鉆井液更經(jīng)濟(jì)環(huán)保[55]。與普通儲(chǔ)層截然不同的是，在鉆井過程中，當(dāng)水敏頁(yè)巖 （蒙脫石含量高） 浸入水基鉆井液中時(shí)，頁(yè)巖會(huì)迅速發(fā)生膨脹或分散行為，從而導(dǎo)致孔隙壓力擴(kuò)散和物理化學(xué)性能改變，使巖石的強(qiáng)度降低，增加了井眼的不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致包括鉆井液漏失、卡鉆等問題的發(fā)生[56-57]。因此，各種頁(yè)巖抑制劑被廣泛應(yīng)用于鉆井作業(yè)中，頁(yè)巖抑制劑主要通過抑制水敏性礦物或者水敏性泥頁(yè)巖地層的水化膨脹和水化分散來保持頁(yè)巖的強(qiáng)度，其中的大分子聚合物通過對(duì)黏土懸浮體及鉆屑敏化、絮凝、包被作用來抑制其水化分散，以保證井壁和頁(yè)巖地層的穩(wěn)定性[49]。近年來，生物質(zhì)材料因其環(huán)境友好、抑制能力強(qiáng)、流變性能穩(wěn)定、潤(rùn)滑性好等優(yōu)點(diǎn)，在原油開采中作為頁(yè)巖抑制劑備受關(guān)注。

Su等[55]利用硅烷偶聯(lián)劑改性磺化木質(zhì)素 （Si-SL）制備了一系列水基鉆井液可生物降解頁(yè)巖抑制劑（圖7（a）），與常規(guī)頁(yè)巖抑制劑（包括甲酸鉀（HCOOK）、聚乙二醇 （PEA）、Ultrahib聚合物和聚丙烯酰胺鉀鹽（K-PAM） 相比，在常溫下，抑制性能與 Ultrahib 相似，明顯優(yōu)于 HCOOK、PEA 和 K-PAM，此外，Si-SL表現(xiàn)出最佳的耐溫性。在井下的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，Si-SL有效地抑制了水敏巖屑的水化，保持了頁(yè)巖地層的井筒穩(wěn)定性，為安全快速鉆井提供了保障。Zhang等[58]以氯化鐵和LS為原料，制備了一系列氯化鐵-木質(zhì)素磺酸鹽頁(yè)巖抑制劑（FCLS）（圖7（b））。FCLS對(duì)黏土的水化和膨脹過程表現(xiàn)出較高的抑制能力，溶脹度遠(yuǎn)低于對(duì)照，并且泥球在FCLS溶液中更穩(wěn)定。張黎等[59]利用LS與甲醛發(fā)生羥甲基化反應(yīng)制備了羥甲基化LS，與LS相比，羥甲基化LS在室溫下對(duì)基漿的降黏、降濾失作用有所增強(qiáng)，形成的泥餅厚度降低，對(duì)黏土水化膨脹的抑制作用較強(qiáng)，泥餅膨脹率降低至29.7% （表1）。張潔等[60]利用硝酸處理 LS 制備硝化-氧化木質(zhì)素磺酸鹽（NOLS），NOLS 對(duì)黏土的抑制作用較 LS 得到進(jìn)一步增強(qiáng)，濾餅在 NOLS 處理劑中的膨脹率降低至 31.4%（表 1）。木質(zhì)素頁(yè)巖抑制劑利用改性木質(zhì)素的高耐溫、降黏、抑制水化膨脹等特性研發(fā)拓展了木質(zhì)素在漏失控制方面的應(yīng)用，從地層源頭對(duì)漏失進(jìn)行了有效控制。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著不可再生石油資源的枯竭、資源循環(huán)利用要求的提高以及碳中和的國(guó)際共識(shí)，生物質(zhì)材料的應(yīng)用前景廣闊，木質(zhì)素因其在生產(chǎn)生物基聚合物和復(fù)合材料方面的潛力被廣泛研究并應(yīng)用在井下漏失控制方面。但是，目前仍有不少困難和挑戰(zhàn)需要解決。

隨著油氣勘探開發(fā)向深層、超深層地層的拓展，對(duì)井下漏失控制材料的耐高溫、抗鹽等性能的要求越來越嚴(yán)苛，使木質(zhì)素類的井下漏失控制材料應(yīng)用受到了一定的限制。未來，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)木質(zhì)素改性的研究或?qū)⒛举|(zhì)素與其他高性能聚合物、納米材料相結(jié)合制備復(fù)合材料，通過多學(xué)科的合作研究，未來的井下漏失控制材料將不僅能應(yīng)對(duì)嚴(yán)酷的地層條件，還能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

木質(zhì)素的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其具備良好的改性潛力，但改性過程往往涉及多種化學(xué)反應(yīng)和物理處理，工藝復(fù)雜且難以標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致木質(zhì)素類漏失控制材料的研究與實(shí)際應(yīng)用之間存在明顯的脫節(jié)，在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，限制了其推廣和應(yīng)用。因此，未來的研究應(yīng)集中于簡(jiǎn)化木質(zhì)素的改性工藝，降低生產(chǎn)成本，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的體系，加強(qiáng)與油田實(shí)際需求的對(duì)接，推動(dòng)木質(zhì)素類產(chǎn)品的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

總體來說，目前針對(duì)木質(zhì)素漏失控制材料的研究仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，隨著對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)研究的不斷完善和改性方式的不斷進(jìn)步，木質(zhì)素將有可能成為一種制造成本低、高性能、綠色無(wú)污染的漏失控制應(yīng)用產(chǎn)品，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色鉆探，加快油氣勘探的綠色建設(shè)。

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（責(zé)任編輯：宋佳翼）