罗源皓，林凌，郭拥军，杨玉坤，熊贵霞，任仁，屈沅治

（1 西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500；2 西昌学院理学院，四川 西昌 615000；3 中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206）

近些年来，随着全球油气资源需求的快速增长和常规浅层油气资源的枯竭，石油勘探与开发向着深层超深层油气藏发展，但深层储层埋深一般超过5000m，井底温度可达180～260℃，对钻井液抗高温性能提出了更高的要求。钻井液性能易受高温的影响，高温下钻井液流变性能易趋于不稳定，滤失量增大，造成井壁失稳，发生井下坍塌、卡钻、井喷等严重事故。提高钻井液抗高温性能的一般方法是在钻井液中加入聚合物处理剂，高温作用下，聚合物处理剂（如包被剂、降滤失剂、流型调节剂）的分子链易发生高温降解、高温解吸附和高温交联，使钻井液滤失量和流变性能趋于难控制，需要通过加入更多聚合物处理剂来维护钻井液性能，提高了钻井的成本。同时，常规钻井液处理剂（如封堵剂）颗粒多为微米级尺寸，难以封堵岩层中纳米级裂隙。因此，研究人员开始寻找物理体积小、热稳定性强、对环境无害的物质，用于抗高温钻井液。由于纳米材料在物理化学、热学、流体力学等方面与常规材料完全不同，具有优异的导热性能和抗温耐压性能，允许研究人员通过改变纳米材料的成分、类型和粒径来改善钻井液的流变性能，提高其降滤失效果和稳定井壁的能力。倪晓骁等将纳米封堵剂加入油基钻井液中，在不影响钻井液流变性能的前提下，让钻井液150℃老化后高温高压（HTHP）滤失量由5.8mL降至2.4mL，破乳电压提高58%，提高钻井液的高温稳定性。

根据国内外对高温高压井的分类，本文将抗高温钻井液的温度定义在150℃及以上。本文将简要概述高温对钻井液性能的影响因素和纳米材料在钻井液中的作用，从无机纳米材料、聚合物纳米球和纳米复合材料3个方面介绍纳米材料在高温下提高钻井液热稳定性、优化其流变性能（表观黏度、塑性黏度、动切力和凝胶强度等）和滤失性能（API滤失量和HTHP滤失量）的研究现状，并对今后的研究进行展望。

1 高温对钻井液性能的影响

目前，高温对钻井液性能的影响已经成为钻井工程中主要的技术难点。高温对钻井液性能影响主要体现在3个方面。

（1）黏土颗粒的分散和聚结 高温作用下，黏土颗粒热运动加剧，水化作用增强，趋于分散。但当温度超过一定范围，高温去水化作用增强，黏土颗粒之间相互碰撞概率增大，促使黏土颗粒趋于聚结和絮凝。高温条件下，黏土颗粒的分散和聚结同时存在，同时作用，使得钻井液出现黏度降低、滤失量增大和高温增稠等现象。

（2）聚合物分子链的降解和交联 钻井液主要处理剂（如增黏剂、表面活性剂和降滤失剂）多为高分子聚合物。高温条件下，聚合物分子链中亲水基团与黏土颗粒表面的水化作用减弱，水化膜变薄，聚合物的溶解性变差，黏土的聚结倾向上升。同时，高温作用下，聚合物分子链主链和侧链断裂，主链断裂使得聚合物分子量降低，侧链上功能基团断裂使得分子链内和分子链间吸附性和亲水性减弱，处理剂的护胶能力变弱，导致钻井液的抗污性能和降滤失效果减弱。而当高分子聚合物处理剂（如磺化酚醛树脂类和磺化褐煤类）的分子链上存有不饱和键及活性基团时，高温作用下彼此交联，导致聚合物分子量增大，影响钻井液的流变性能和滤失性能。

（3）黏土与聚合物之间高温解吸附和去水化

高温下分子热运动加剧，聚合物在黏土表面解吸附增强，影响聚合物的护胶能力，使黏土颗粒更加分散；同时高温下黏土颗粒表面和聚合物分子链上亲水基团的水化能力降低，使水化膜变薄。两者共同作用，让聚合物的护胶能力减弱，导致钻井液滤失量增大和流变性能趋于不可控，严重时还会促使高温胶凝和高温固化等现象。

综上所述，高温让钻井液中聚合物和黏土之间协同作用失效，导致钻井液性能发生剧烈变化，出现高温增稠、高温降黏、高温固化、滤失量增大和泥饼增厚等现象。针对上述问题，科研人员发现钻井液中加入纳米材料，一方面可以减少聚合物处理剂的添加量和降低钻井液的固含量。Wang 等发现由质量分数为1%硅酸铝镁纳米颗粒代替质量分数为4%钠基膨润土配制得到水基钻井液，能获得更好的流变性能和降滤失效果；另一方面，改善钻井液流变性能和增强钻井液的滤失性能，实现降低钻井作业的成本。

2 纳米材料在钻井液中的作用

近年来，纳米材料因其独特的物化性质，在石油工业中引起了科研人员的关注。纳米材料是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，至少一个维度上尺寸范围为1～100nm。与较大的微米尺寸颗粒相比，纳米材料颗粒尺寸微小、比表面积大，使得纳米材料的物理化学性质发生了巨大变化。随着纳米颗粒粒径越小、比表面积越大，表面力、范德华力和分子力占据主导地位，有利于纳米颗粒之间或纳米颗粒与介质之间相互作用变得更加剧烈，获得独有的物化特性，当然这些特性也取决于纳米材料的类型、大小和形状。科研人员发现在钻井液中添加较低浓度（＜1%）纳米材料，增大钻井液中颗粒的粒径分布，颗粒间的内摩擦力随之增加，表现为钻井液的黏度增大，同时纳米颗粒物理堵塞泥饼和岩石中纳米级孔隙，减少流体的损失，降低泥饼的厚度，形成薄而不渗透的泥饼（图1），提高井壁稳定性和钻井效率，防止卡钻，降低钻杆的扭矩和阻力，减少水平和定向钻井作业期间的磨损。此外，纳米材料可改善钻井液的传热性能，降低井下工具和设备的热降解效应。Amanullah 等在钻井液中使用纳米材料进行了初步研究。研究表明，纳米材料可增强钻井液的流变稳定性，减少压差卡钻的可能性，同时观察到基于纳米材料的钻井液在减少钻井液滤失量和增强流变性能方面优于黏土基浆。

图1 纳米颗粒在钻井液中作用的示意图

3 高温条件下纳米材料在钻井液中的研究进展

3.1 无机纳米材料

传统的无机纳米材料，如纳米SiO、纳米金属氧化物和纳米碳材料等作为钻井液处理剂已经研究了多年，侧重研究其对钻井液流变性能和滤失性能的影响，如表1所示。无机纳米材料由于其尺寸超细和比表面积高，可作为架桥剂，有效地堵塞纳米尺寸孔隙，防止钻井液流失和井壁不稳定。同时，纳米材料可以增强黏土的结构和耐温性，改善钻井液的流变性能，让钻井液具有更好的井眼清洁能力和岩屑悬浮能力。

表1 部分用于钻井液的无机纳米材料

3.1.1 纳米SiO

纳米SiO为无定形白色粉末，微结构为絮状和网状的准颗粒结构，颗粒尺寸小，比表面积大，热稳定性强。将纳米SiO分散到钻井液体系中，可增强体系中粒径分布，利于堵塞纳米级孔隙，降低钻井液滤失量。Bakar 等研究纳米SiO含量对油基钻井液流变性能和滤失性能的影响。实验表明，纳米SiO对油基钻井液高温（135℃和177℃）老化前后塑性黏度、动切力、凝胶强度和电稳定性影响较小，能有效堵塞孔隙，降低钻井液滤液损失，这对作业者来说是有利的，作业成本和时间都可随之减少。

针对纳米SiO在高盐浓度下性能变差，Yang等以纳米SiO为基础，与钻井液材料复配来改善抗高温盐水钻井液NPBMs 的性能。实验表明，纳米SiO的存在让钻井液具有良好的抗温耐盐性能，NPBM-1（4%NaCl+3%KCl）在180℃老化后API 滤失7.6mL，NPBM-2 （10%NaCl+3%KCl） 在150℃老化后API 滤失6.6mL。同时，纳米SiO可以堵塞页岩中存在的纳米孔隙，减少钻井液滤失量，改善其润滑性，让NPBMs 具有稳定页岩井壁和降低循环摩擦阻力的能力。

除此之外，由表面活性剂作为乳化剂形成的乳液在高温下热稳定性差，易破乳失去效果。而纳米SiO表面含有大量活性羟基，呈现出亲水疏油特性，可用作乳化剂吸附在油水界面，形成致密的界面膜阻止乳液滴的聚并，制得更加稳定的水包油（O/W）型或油包水（W/O）型Pickering 乳液，抗温效果优于表面活性剂。Agarwal 等使用疏水纳米SiO和有机改性纳米黏土代替表面活性剂作为乳化剂制备反相乳液钻井液。研究表明，将纳米SiO和纳米黏土结合用作乳化剂所得乳液的形态和流变性能类似于由表面活性剂稳定的乳液，可以改善乳液的高温稳定性，减缓由重晶石引起钻井液动切力显著变差的影响，同时这种影响可以通过增加纳米SiO含量进行调整恢复，如图2所示。

图2 重晶石对反相乳液钻井液流变性能的影响[43]

Liu 等进一步研究基于有机黏土和疏水性纳米SiO颗粒协同作用的耐高温Pickering乳液。高温（180～220℃）老化16h后，有机黏土对W/O型乳液的稳定性和流变性能有显著影响，在连续相中有机黏土优异的溶胀和剥落作用主导网络的形成，纳米SiO颗粒进一步吸附增强了网络强度，使得乳液在220℃老化后仍能保持良好的流变性能，如图3所示。

图3 由有机黏土和疏水性纳米SiO2稳定的Pickering乳液示意图[44]

无机纳米材料作为乳化剂提高Pickering 乳液的高温稳定性，还需考虑无机纳米材料的高温分散性和稳定性，一般对其进行改性或与表面活性剂复配使用。同时，有关Pickering 乳液制得钻井液长时间高温老化后稳定性的研究较少，这方面科研还有待进一步展开。

3.1.2 纳米FeO

Vryzas等向基浆加入质量分数为0.5%磁性纳米FeO（6～8nm），177℃老化前后HTHP滤失量分别降低40%和43%，表明磁性纳米FeO增强钻井液滤失性能。Barry 等研究纳米材料粒径对钻井液性能的影响，发现低粒径（3nm）纳米FeO相较于高粒径（30nm）纳米FeO对钻井液黏度增长的影响更加明显，在常温（25℃）和高温（200℃）下黏度分别增长66%和5%。相较于基浆，常温下纳米FeO钻井液滤失量增大，粒径越小滤失量越大，而高温下钻井液滤失量降低。这种现象源于黏土片层重构，低温黏土片层与纳米FeO杂凝形成疏松片状网状结构，使泥饼渗透率和滤失量增大；高温促使Na从黏土表面解离，杂凝结构被破坏，纳米FeO取代Na在黏土上位置，使黏土片层边缘存在正电荷，电荷相互排斥，使黏土片层分散，形成紧凑片状网状结构，让泥饼渗透率和滤失量降低。表明纳米FeO能辅助钻井液在高温下构建薄且不渗透的泥饼，从而提高钻井作业的成本效益。

3.1.3 纳米黏土矿物

科研人员发现将黏土矿物纳米化，与造浆黏土或聚合物协同作用也可提高钻井液高温稳定性。覃勇等发现与聚合物增黏剂PAC 和CMC 相比，纳米锂皂石在200℃以上仍能保持很好的增黏效果，抵抗2.5%钙侵和15%盐侵，具有良好的配伍性，适合用作抗高温水基钻井液增黏剂。Huang 等研究纳米锂皂石与三元共聚物PAAD的协同作用，发现锂皂石纳米颗粒与PAAD分子链存在静电作用和氢键作用（图4），让锂皂石纳米颗粒能提高共聚物PAAD在高温下起始分解温度和溶液黏度，含锂皂石的钻井液高温（150～210℃）老化后比不含锂皂石的钻井液具有更高的黏度。

图4 锂皂石纳米颗粒提高共聚物PAAD热稳定性的机理[49]

Abdo 等研究坡缕石粒径对钻井液流变性能的影响，发现坡缕石由微米尺寸（≤15µm）到纳米尺寸（10～20nm），钻井液的黏度、动切力和凝胶强度都有所增长，尤其是凝胶强度增长200%。通过调整钻井液中纳米坡缕石与蒙脱石的比例，可让钻井液在HTHP（≤185℃，6.8MPa）条件下具有良好流变稳定性。而后，Abdo 等发现纳米海泡石的粒径从微米级（≤15µm） 降至纳米级（30～60nm），也有像纳米坡缕石类似调节钻井液流变性能的能力，钻井液的黏度、动切力和凝胶强度都有所增长。与基浆相比，含质量分数为4%纳米海泡石（30～60nm）的钻井液HTHP（≤185℃，17.3MPa）滤失量明显降低，温度和压力的变化对钻井液滤失量影响小，API 滤失量整体控制在10mL 左右。陈洪强发现由双十八烷基二甲基氯化铵改性海泡石用作油基钻井液的流型调节剂，高温180℃老化后乳化效率能保持98%左右，有效提高油基钻井液的黏度和动切力，保证钻井液的抗温性能和乳液稳定性。

3.1.4 纳米碳材料

纳米碳材料来源广泛，具有耐高温、化学稳定性强和力学性能优异等特性，使其具有应用到抗高温钻井液的潜在可能性。Khan 等发现水基钻井液中添加质量分数为1.5%碳纳米管（CNT）在高温（204℃）老化后塑性黏度提高14.6%，滤失量降低11.1%，表明CNT 粒径小，具有高比表面积，能增大颗粒之间内摩擦力，提高钻井液的黏度，同时CNT 颗粒能够物理堵塞泥饼中纳米级孔隙来减少流体损失，降低泥饼的厚度，形成薄而不渗透的泥饼，有助于提高水基钻井液在高温高压条件下的热稳定性。Halali 等发现CNT 能与表面活性剂和聚合物协同作用提高钻井液的黏度，降低高温（≤205℃）老化后钻井液的滤失量（约93%）。这种现象源于表面活性剂通过静电力和范德华力吸附在圆柱状的CNT 表面上，随着表面活性剂浓度的增加，表面活性剂分子的一端以特定形状进一步吸附在CNT 表面，形成胶束聚集体（图5）。相对地，CNT也能通过物理吸附联结聚合物分子链，三者共同作用形成空间网状结构，对钻井液起到增黏降滤失的作用。Ismail 等研究表明，高温（≤177℃）下多壁碳纳米管（MWCNT）对水基钻井液的塑性黏度、动切力和凝胶强度没有显著影响，而在油基钻井液中，上述性能相对依赖于MWCNT 的浓度，呈正相关。同时，高温下MWCNT有利于改善钻井液泥饼的质量，降低API滤失量。

图5 表面活性剂在CNT表面上吸附机理[54]

上述无机纳米材料的化学键键长短、键能高、原子排列规整，具有刚性和热稳定性。在钻井液中加入少量的无机纳米材料有利于优化粒度级配，改善高温下钻井液的流变性能，有效地堵塞纳米尺寸的孔隙，防止钻井液流失。但是纳米材料在钻井液中能否很好发挥自身性能取决于其在体系中的分散程度。当无机纳米材料添加量增大，亲水性较差时，团聚的概率增大，直接影响钻井液的性能，使得形成泥饼的孔隙率和渗透率增大，降滤失效果变差，进而影响钻井液的流变性能。

3.2 聚合物纳米球

除了采用无机纳米材料外，科研人员也尝试将钻井液处理剂纳米化来满足钻井液抗高温的需求。钻井液用聚合物纳米球在高温（≥150℃）中应用的文献相对较少，多数以苯乙烯（ST）为主料，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、-二甲基丙烯酰胺（DMAM）等具有抗高温耐水解单体为辅料，通过乳液聚合合成结构紧凑的聚合物纳米球。聚合物纳米球初始粒径为纳米级别，具有较好分散性和抗温性，可以作为封堵剂，在钻井压差和毛细管压力作用下，被挤压到页岩纳米级孔隙和裂缝中，形成致密的孔喉堵塞，降低钻井液滤失量。

Elochukwu等利用纳米聚苯乙烯（PS，25nm）和表面活性剂甲酯磺酸酯（MES）协同作用改善水基钻井液性能。钻井液中加入质量分数为0.01%纳米PS 和0.02% MES，钻井液获得更大的黏度和动切力，有助于提高钻井液钻屑的承载能力，钻井液HTHP（150℃、3.45MPa）滤失量减少61%。但作者未研究高温老化后钻井液性能的变化，无法体现高温长时间作用对纳米PS 和MES 的影响。卢震等采用乳液聚合法将AMPS、DMAM、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）和ST 合成纳米聚合物封堵剂，中值粒径129nm。高温（150～200℃）老化后，纳米聚合物封堵剂分子链断裂，粒径尺寸减小至90～120nm，表明其具有良好的抗高温能力。砂盘封堵实验中，1%纳米聚合物封堵剂可让钻井液HTHP 滤失量分别降低44.6%（150℃）和47.6%（180℃），表明高温下纳米聚合物封堵剂具有良好的封堵性能。Li 等将ST、丙烯酰胺（AM）、AMPS和DMDAAC通过无皂乳液聚合法合成具有双交联结构的聚合物纳米球PNS （图6），高温（150～200℃）处理后可保留原始粒径（平均粒径133nm）的一半左右，具有一定抗高温耐水解能力。高温180℃老化后含质量分数为1% PNS 的钻井液API 滤失量和HTHP 滤失量分别降低18.5%和20.8%。同时，质量分数为1% PNS 胶乳封堵后，页岩岩屑的比表面积和孔隙体积较水处理页岩样品分别降低49.5%和31.0%，表明PNS 对页岩孔隙有效封堵。而且作者也强调滤失性能不等同于封堵性能，测试中使用的滤纸的孔隙为微米级（2～5µm），而页岩孔隙范围从微米级到纳米级不等，且大部分孔隙为纳米级，所以页岩封堵效果与其降滤失效果不能等同而语。

图6 具有双交联结构的聚合物纳米球PNS的网络结构[61]

抗高温钻井液用聚合物纳米球主要由聚合物组成，多采用将现有钻井液处理剂单体通过乳液聚合+交联的方法提高聚合物分子链的抗温耐水解能力，但经过高温长时间老化后聚合物分子链依旧会发生降解，纳米球粒径变小，影响其作为堵漏剂的应用效果，减缓高温对聚合物纳米球的降解方面的研究有待深入。

3.3 纳米复合材料

纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维方向以纳米级尺寸复合而成的复合材料。纳米相与其他相间通过化学（共价键、离子键等）和物理（氢键等）作用在纳米水平上复合，即相分离尺寸不得超过纳米数量级。因此，相较于较大微米尺寸的传统复合材料在结构和性能上有明显的区别，近年来已成为聚合物化学和物理、物理化学、材料科学等多门学科交叉的前沿领域，受到各国科研人员的重视。通过对纳米材料改性，将无机纳米材料和聚合物的优势结合起来制得纳米复合材料，增强纳米材料的分散性，提高钻井液的抗温耐盐性，降低环境污染和生产成本，改善抗高温钻井液流变性能和滤失性能，最高耐温可达260℃。

3.3.1 有机/无机杂化纳米材料

有机/无机杂化纳米材料将无机纳米材料的刚性和热稳定性与有机高分子的韧性和可加工性相结合，通过物理共混法、插层法和溶胶-凝胶法等方法优化纳米材料的结构，改善其物化性质，从而创造出具有优异性能的纳米复合材料。研究人员报道了有机/无机杂化纳米材料作为钻井液处理剂，通过聚合物和纳米颗粒协同作用，在高温下热稳定性强，具有改善钻井液的流变性能和滤失性能的作用。

曲建锋等针对氧化石墨烯（GO）单独作为钻井液处理剂加入钻井液中，存在所需耗材较大、成本过高等问题，将GO 与AM、DMDAAC、AMPS 和乙酸乙烯酯（VAC）共聚制得降滤失剂GOJ。在钻井液中添加质量分数为0.2%的GOJ，150℃老化后API 滤失降低75%，并且能抗盐至饱和，与其他处理剂配伍性良好。同时，降滤失剂GOJ 中GO 成分占比越高，高温下GOJ 的降滤失能力越强，抗温能力提升约20℃。Mao 等以AMPS、ST 和马来酸酐（MA）和纳米SiO为原料，先后经过反相微乳液聚合和溶胶-凝胶制备得到一种具有核壳结构的纳米复合材料SDFL，粒径约为300nm，水溶液中微交联。由表2 可见，淡水钻井液和饱和盐水钻井液中加入少量SDFL，经过230℃老化后表观黏度、塑性黏度和动切力明显增长，HTHP 滤失量分别降低69%和65%，摩擦系数分别降低93%和87%，表明SDFL 能让钻井液具有优异的热稳定性、耐盐性、润滑性、流变性能和滤失性能。同时，SDFL 作为纳米钻井液处理剂，能有效封堵地层，显著提高地层承压能力，隔离钻井液与地层流体的相互作用，有利于稳定井眼和保护储层。

表2 230℃/16h高温老化后，SDFL对不同钻井液配方性能的影响［17］

Shen 等以AM、AMPS、DMDAAC、ST 和锂皂石为原料合成一种以锂皂石为基础具有“豆荚”结构的纳米层状硅酸盐复合材料AADS@LP，见图7。AADS@LP 具有适当的动态疏水缔合相互作用，热稳定性好。在水基钻井液和盐水钻井液分别添加质量分数为1% AADS@LP，150℃老化后API滤失量分别在8mL 和10mL 以内。AADS@LP 中疏水基团在分子链间和分子链内疏水缔合相互作用，交联网络结构多变，在高温和高盐下有效抵消黏土构成的卡-屋结构，维持流体的黏度。同时，AADS@LP 吸附在黏土颗粒表面形成水化膜，防止黏土高温下颗粒聚结，优化了钻井液的粒径分布，形成更薄、更致密的泥饼，见图8。

图7 AADS@LP的TEM图[68]

图8 AADS@LP在水基钻井液中的工作机理[67]

Liu等合成一种有机-无机纳米复合材料NS-D，平均粒径131.4nm，用作水基钻井液堵漏剂。NS-D结合无机和聚合物纳米堵漏剂的优点，可堵塞页岩中纳米孔隙，抑制页岩水化膨胀，提高钻井液的堵漏性能，减少泥饼的渗透性，降低钻井液的滤液损失。含NS-D 的钻井液在150℃老化后滤液量降低88.3%，渗透率降低85.4%，封堵效果优于聚合物封堵剂交联聚丙烯酰胺微球和无机封堵剂纳米SiO。

钻井液用有机/无机杂化纳米材料的研究侧重将钻井液常用能抗高温的单体与纳米材料结合制得的复合材料进行研究分析，而缺少将复合材料与相关抗高温聚合物进行对比分析，研究纳米材料的引入对聚合物分子链的影响。

3.3.2 接枝聚合物

无机纳米材料由于高比表面积和表面能，在溶液中倾向于团聚，遇到盐侵时不稳定加剧。因此，对纳米材料表面进行适当的接枝改性，是提高其稳定性的主要思路。相较于有机/无机杂化纳米材料，接枝共聚物中无机纳米材料与聚合物分子链之间缠结更加均匀紧密，通过改变单体的种类和反应介质可更加充分发挥无机纳米材料与聚合物各自的优点，降低纳米材料的表面能和团聚概率，赋予纳米材料新的特性，使其具有一定抗高温耐钙的能力，有机会在钻井液中发挥更重要的作用。

Ma 等以AM、AMPS、-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和改性纳米SiO（M-SiO）为原料合成具有球形核壳结构纳米接枝共聚物PAAN-SiO，粒径为200～400nm。含质量分数为2%PAAN-SiO的钙基钻井液180℃老化后滤失量由186mL 降至6mL，粒径分布集中在1～10µm 和100～1000µm 之间，表明PAAN-SiO与黏土之间的连接有效阻止Ca的污染，减少黏土的聚结，使得黏土颗粒粒径分布更宽，形成薄而致密的泥饼，加强钻井液高温滤失性能。An 等采用自由基聚合法合成AM/AMPS/MSiO接枝共聚物（图9），纳米球粒径小于50nm。在钻井液中加入接枝聚合物，增大钻井液体系中纳米级颗粒的含量，有利于纳米颗粒通过吸附进入页岩纳米级的孔隙，降低钻井液的滤失量。当纳米接枝聚合物添加质量分数为1.5%时，钻井液150℃老化后API 滤失量降至8.4mL，能抗盐至饱和，抵抗质量分数为1%Ca的污染。

图9 AM/AMPS/M-SiO2接枝共聚物的结构式[70]

随着国家对环保要求越来越严格，科研人员发现由苯丙烷单元组成的可再生芳香族聚合物木质素具有抗高温的潜力，将其与钻井液常用单体接枝聚合反应得到接枝聚合物，既满足抗高温钻井液的要求，也符合现有的环保政策。Chang等通过ATRP法将AM、AMPS接枝到纳米木质素磺酸盐（Nano-LS）上生成接枝共聚物Nano-LS--PAM-PAMPS（图10），平均粒径20～100nm，具有良好的热稳定性。钻井液体系中含质量分数为3.0%共聚物时，经200℃高温老化，API 滤失由5.0mL 增至7.5mL，抗温效果明显，同时能够抵抗质量分数为2%Ca的污染。共聚物的生化需氧量（BOD5）为14.5mg/L，符合国家环保评价标准，表明Nano-LS--PAMPAMPS 可作为环保型降滤失剂进行使用。在另一项研究中，Chang 等将DMAM、AMPS、DMDAAC接枝到Nano-LS上合成两性接枝聚合物Nano-LS--DAD （≤100nm）。含质量分数为2% Nano-LS--DAD 的钻井液高温260℃老化后的表观黏度有31.0mPa·s，API滤失量为8.0mL（图11）。同时，高温200℃时能抵抗质量分数为1.0%Ca的污染，表明接枝聚合物Nano-LS--DAD 具有良好的增黏效果和抗温耐盐能力。共聚物的生物毒性试验EC为54800mg/L，表明其对环境无害。

图10 接枝共聚物Nano-LS-g-PAM-PAMPS的结构式[71]

图11 Nano-LS-g-PAM-PAMPS含量对钻井液性能的影响[64]

Sun等合成一种以酶解木质素纳米颗粒（EHL）为基础的环保盐响应型聚合物刷EHL-ASN，作为钻井液降滤失剂，具有显著增黏耐盐降滤失的效果。研究表明，EHL-ASN 随NaCl 含量增加溶解性增大，由质量分数为2.5%EHL-ASN配制饱和盐水钻井液，表观黏度和塑性黏度分别增长500%和600%，高温150℃老化后滤失量降低约93.5%。EHL-ASN的生物毒性试验EC为51900mg/L，符合直接排放标准。

纳米材料与聚合物链之间化学作用力增强，有利于接枝共聚物结构紧凑，具有抵抗高温的能力。但是大多数接枝共聚物的合成一般需对纳米颗粒进行超声分散、酸化和偶联接枝等预处理，才利于纳米颗粒表面进行接枝共聚，工艺较为烦琐，无法满足工业化的需求。可结合反应机理进一步研究，简化工艺，满足环保需求，提高生产效率与经济效益。

4 结语

纳米材料因其独特的物化性质，在钻井工程等领域中成为热门的研究方向。国内外学者为了满足钻井液抗高温性能的需求，逐渐开发出无机纳米材料、聚合物纳米球和纳米复合材料等纳米材料，让钻井液在高温下能保持稳定的流变性能和滤失性能。目前，抗高温钻井液所用的纳米材料仍需进一步研究，主要集中于以下几个方面。

（1）现有抗高温钻井液性能主要以聚合物类处理剂为主，纳米材料为辅来进行调节。研究人员可以考虑以纳米材料为主剂来构建钻井液体系。同时，通过优选原料，比如选用廉价易得的原料进行纳米化处理，优化合成工艺，降低工业化生产难度，解决纳米材料的成本问题，以便纳米材料能在钻井液行业发挥更大的作用。

（2）若将纳米材料作为钻井液辅剂使用，则有必要将其引入现有钻井液体系（如聚磺抗高温钻井液体系、聚饱和盐水钻井液体系、钾基防塌钻井液体系等）来研究纳米材料对钻井液体系综合性能的影响。

（3）将计算机模拟和实验相结合，研究在井下环境里纳米材料对抗高温钻井液性能的影响。

（4）大多数研究工作集中在室内合成与评价方面，缺少现场应用潜力评价，可与相关企业合作，针对现场井下情况开发相应纳米材料。

（5）随着国家对环保要求越来越严格，具有无毒、可降解和环保等特性的纳米材料正成为研究热点。研究思路可从这几点展开：一是用现有的方法科学评测已有纳米材料的毒性，同时兼顾合成工艺低毒、低污染的需求，筛选出低毒性基底材料（如纳米SiO）和适合的低毒性合成工艺流程；二是对天然高分子材料（如木质素、纤维素、淀粉等）进行深度化学改性，开发成本低廉的产品；三是立足于国家相关的环保政策，研发环境友好型抗高温钻井液用纳米材料。