【摘要】 PAM和HPAM的分子链在极端条件下更容易受到剪切应力的影响，导致粘度显著降低。

石油是现代世界的战略资源，被称为“现代工业的血液”。其高效稳定的产出对国民经济的发展和国家的安全至关重要。过度依赖进口石油将严重影响国民经济和安全。因此，提高油田采收率具有重要的战略意义。

 

随着石油工业技术的进步，开发出了种类繁多的新型油田化学品。现代石油钻井行业突出了与深井和超深井相关的技术。随着井深的增加，油井内温度和盐浓度也相应升高。因此，油田化学品，特别是钻井和石油生产中使用的化学品，应具有更高的耐盐性和热稳定性。水溶性合成聚合物，尤其是聚丙烯酰胺类聚合物，在深井和超深井中，它们的优异性能在很大程度上受到了影响。耐高温耐盐性差，PAM和HPAM容易分解，而丙烯酰胺单体的产量会对地层造成严重的破坏。

 

此外，PAM和HPAM的分子链在极端条件下更容易受到剪切应力的影响，导致粘度显著降低。这些缺点极大地限制了PAM和HPAM的广泛应用，因此开发高耐盐性、高热稳定性、环境友好的高性能油田化学品已成为当今油田化学的新趋势。在此背景下，纤维素及其衍生物引起了研究人员的广泛关注。

 

水溶性纤维素衍生物主要有羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)等。这些纤维素衍生物由于具有优异的流变特性，如剪切减薄、粘弹性、假塑性和触变性，已广泛应用于油田钻井、固井、压裂等工艺中。Liu[1]等人综述了纤维素及其衍生物在石油化工领域的最新应用和研究进展。并对纤维素及其衍生物在石油开发领域面临的挑战和前景进行了展望。

 

图1. 植物的等级结构，重点介绍纤维素的超分子结构。[1]

 

纤维素被认为是地球上最丰富的可再生聚合物。它广泛分布于高等植物细胞壁、海洋生物中，甚至由微生物生物合成(藻类、真菌、细菌)产生。无论其来源如何，纤维素的化学结构都是由相同的聚合物链组成的，这些聚合物链由d -葡萄糖吡喃基单元通过β-1,4-糖苷键连接。每个葡萄糖单元在C2、C3和C6上都有羟基，这些羟基能够在纤维素大分子分子内部和分子之间形成氢键。

 

因此，很明显，这些羟基及其形成氢键的能力在了解纤维素的晶体堆积和控制纤维素的物理化学性质方面起着至关重要的作用。聚合物链的长度取决于纤维素的来源。通常，天然木质纤维素的葡萄糖单位数或聚合度高达10,000。基本上，纤维素在自然界中不是以单个分子的形式存在的，而是由多个纤维素分子链组成的纤维几何结构。图1显示了纤维素的层次结构的细节。根据植物种类的不同，18-36个单独的纤维素链通过氢键聚集在一起，形成更大的单位，称为初级原纤维。然后，这些初级原纤维被包装成更大的微原纤维和微原纤维束(也称为大原纤维)。

 

此外，微原纤维和大原纤维与半纤维素和木质素一起形成细胞壁，细胞壁与其他成分(如蛋白质、无机化合物)结合最终形成植物。在单个纤维素微纤维中，纤维素分子链被分为高度有序的结构区(结晶区)和无序区(无定形区)，其中，纤维素链在结晶域中紧密排列形成致密结构，而在无序区则随机纠缠。

 

图2. 油田应用中纤维素衍生物的一些代表。[1]

 

纤维素衍生物的多功能化已使其广泛应用于油田开发的各个阶段。然而，纤维素衍生物仍有一些技术问题有待解决。例如:(1)耐盐性和耐温性有待进一步提高;(2)醚化反应是目前用于油田应用的纤维素衍生物的主要策略，而高水平的改性，如聚合物接枝，很少用于构建功能性纤维素材料;(3)纤维素基油田化学品仅局限于降滤失剂、增粘剂等少数领域，其多功能应用有待进一步拓展;(4)几乎所有的纤维素基油田化学品都是阴离子型、非离子型或钠盐型，而阳离子型或其他金属盐(如钾盐等)型纤维素衍生物的报道很少。

 

因此，如何充分利用丰富的纤维素资源，释放纤维素基材料的全部潜力，进一步拓宽纤维素油田化学品的应用范围，最大限度地发挥纤维素的价值，是未来研究的重要课题。

 

[1] Liu, K., Du, H., Zheng, T., Liu, H., Zhang, M., Zhang, R., . . . Si, C. (2021). Recent advances in cellulose and its derivatives for oilfield applications. Carbohydrate Polymers, 259, 117740.