在全球能源转型与生态保护双重压力下，钻探工程对环保型高性能材料的需求日益迫切。高粘聚丙烯酰胺作为传统石油基聚合物的替代方案，凭借其独特的分子结构与环境友

好特性，在钻头保护领域展现出显著的应用潜力。

一、材料特性与作用机制

生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 通过引入天然高分子链段（如淀粉、纤维素衍生物）或微生物合成模块，实现了化学结构的改性。这种材料在保持传统高粘度（10⁶-10⁷ mPa・s

）的同时，赋予其生物可降解性。其作用机制主要体现在三个方面：

润滑减摩：高粘度溶液在钻头表面形成动态吸附膜，将滑动摩擦转化为流体摩擦，减少钻具与井壁的摩擦系数（降幅可达 40%-60%），减少磨损。

抗温抗盐：通过引入疏水缔合基团（如 N - 乙烯基吡咯烷酮），材料在 150℃高温及高矿化度（10⁵ mg/L）环境下仍能保持稳定的流变性能，优于传统 高粘聚丙烯酰胺 的热

稳定性。

生物降解：在土壤微生物分泌的酯酶作用下，材料主链的酯键发生水解，生成二氧化碳和水。实验室数据显示，在堆肥条件（58℃、湿度 98%）下，45 天内降解率可达 80% 

以上。

二、钻头保护中的核心优势

延长钻头寿ming：在鄂尔多斯盆地页岩气钻探中，生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 钻井液使 PDC 钻头的平均使用寿ming从 80 小时提高到 120 小时，机械钻速提高 25%。这

归因于材料的高粘度和吸附成膜特性，有效减少了钻头齿面的冲蚀磨损。

减少环境风险：传统 高粘聚丙烯酰胺 在土壤中残留期长达数十年，而生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 在钻探结束后 6 个月内即可全部分解，避免了对地下水和土壤的长期污染

。例如，在内蒙古露天煤矿的生态xiu复项目中，使用该材料后土壤微生物活性恢复率提高 30%。

适应复杂地层：材料的剪切稀释性使其在深井高压环境下仍能保持良好的携岩能力。在顺北地区碳酸盐岩地层，含生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 的钻井液将井壁失水量从 15 

mL/30min 降到 5 mL/30min，显著提高了井壁稳定性。

三、产业化挑战与技术突破

成本控制：当前生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 的生产成本约为传统 高粘聚丙烯酰胺 的 2-3 倍，但随着合成工艺的优化（如酶催化聚合）和规模化生产，预计 2025 年成本可

降到 1.5 万元 / 吨，接近传统产品水平。

环境适应性：材料的降解速率受温度、pH 值和微生物群落影响较大。通过添加降解促进剂（如柠檬酸铁铵），可将其在低温（5℃）环境下的降解周期从 180 天缩短到 90 天。

四、应用场景

常规油气钻探：在页岩气、煤层气开发中，生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 可替代传统磺化沥青类润滑剂，减少对储层的伤害。例如，在鄂尔多斯盆地的水ping井钻井中，该材料

使储层渗透率恢复率从 65% 提高到 82%。

地热与水井工程：在高温地热井中，材料的耐温性（180℃）和生物相容性可避免化学污染，符合绿色矿山建设要求。

极地与生态min感区：在南极科考钻探中，材料的快速降解特性可有效保护极地脆弱生态系统。

未来，随着分子设计技术（如梯度交联结构）和智能制造工艺的发展，生物降解型 高粘聚丙烯酰胺 有望实现 “按需降解” 的精准调控。例如，通过引入 pH 响应性基团，使其

在钻探结束后遇地层水自动触发降解程序。此外，与纳m纤维素、石墨烯等材料的复合改性，将进一步提高其力学性能与环境适应性，推动钻探工程向低碳化、智能化转型。

生物降解型高粘聚丙烯酰胺的应用，不仅是材料科学的创新突破，更是能源行业践行 “双碳” 目标的重要实践。其技术成熟度与产业化进程的加速，将为全球钻探工程的可

持续发展提供新范式。