樊澤霞，王兆興，鄧志宇，徐文康，張 超

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

用廢機(jī)油制備鉆井液用極壓潤(rùn)滑劑DRH－1的研究

樊澤霞，王兆興，鄧志宇，徐文康，張 超

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

針對(duì)目前廢機(jī)油再利用時(shí)易產(chǎn)生二次污染及鉆井液常規(guī)潤(rùn)滑劑極壓膜強(qiáng)度低、抗溫性能差等問題，通過磺化廢機(jī)油并復(fù)配以一定比例的表面活性劑，制備出鉆井液用多功能潤(rùn)滑劑DRH－1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)潤(rùn)滑劑DRH－1加量大于1.0%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到70%以上，潤(rùn)滑極壓膜強(qiáng)度有大幅度增加。DRH－1的抗溫性可達(dá)180℃。DRH－1潤(rùn)滑劑的加入能明顯降低基漿的濾失量，還具有較強(qiáng)的頁巖抑制作用，防止井壁坍塌。理論分析認(rèn)為，DRH－1潤(rùn)滑劑的多功能性，主要是由于DRH－1能在固體表面通過物理化學(xué)方法成膜，且成膜較均勻、強(qiáng)度較高。

廢機(jī)油;磺化;潤(rùn)滑;頁巖抑制作用;鉆井液

機(jī)油在使用過程中因?yàn)槭芡饨缥廴緯?huì)產(chǎn)生大量膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等雜物，因此其功效會(huì)降低而不得不被更換［1］。全球每年產(chǎn)生的廢機(jī)油量成千上萬噸，且數(shù)據(jù)不斷上升。關(guān)于廢機(jī)油的再生方法，早期廣泛采用硫酸/白土精制法，該方法雖簡(jiǎn)單易行，但再生油收率低，生成的酸渣污染環(huán)境嚴(yán)重，已逐漸被淘汰。近年來采用的加氫精制法，油品質(zhì)量好，但設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用均比較高［2］。廢機(jī)油再生時(shí)，體系中的極壓添加劑、抗磨損添加劑及瀝青質(zhì)等成分都被作為清除對(duì)象被分離出去，不可避免地產(chǎn)生二次污染。廢機(jī)油與機(jī)油相比，其主要成分沒有很大變化，所以廢機(jī)油仍然具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑作用。鉆井液潤(rùn)滑劑的主要作用是改善鉆井液潤(rùn)滑性，降低井壁與鉆具(或套管)之間的摩擦，降低鉆柱旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆阻力，減少卡鉆事故的發(fā)生［3］。中國鉆井液常用潤(rùn)滑劑普遍存在極壓膜強(qiáng)度低、抗溫性能差、價(jià)格高等問題。通過將廢機(jī)油磺化改性，其產(chǎn)品既能保持原有的極壓抗磨潤(rùn)滑性，產(chǎn)生的磺化瀝青又具有頁巖抑制作用利于井壁穩(wěn)定，可以更好地滿足鉆井對(duì)鉆井液多項(xiàng)性能的要求。廢機(jī)油磺化改性制備鉆井液用多功能潤(rùn)滑劑的研究目前尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。這一研究在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源及安全鉆井等方面都具有重要意義。

1 試驗(yàn)藥品及儀器

1.1 主要藥品

SP－85、TW－80、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、油酸鈉、潤(rùn)滑劑B等均為工業(yè)品。廢機(jī)油取自青島東辰汽車修理廠。

1.2 主要儀器

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，ZNN－D6型，青島海通達(dá)專用儀器廠;滾子加熱爐，MODEL49型數(shù)顯干燥箱，101A－2型，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠;電動(dòng)攪拌器，JJ－Ⅰ型，江蘇省金壇市儀器有限公司;極壓潤(rùn)滑儀，EF－2型，青島海通達(dá)專用儀器廠;電子天平，ARC120型，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠;接觸角測(cè)定儀，北京哈科試驗(yàn)儀器廠;A3鋼片，山東陽信輕工產(chǎn)品試驗(yàn)廠。

2 潤(rùn)滑劑DRH－1的制備

稱取一定量的廢機(jī)油置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器放到電熱恒溫水浴鍋中并固定好。然后按照配料比，稱取一定量的液體SO3于滴液漏斗中。為了使從滴液漏斗中滴出的液體SO3變成氣體SO3，與滴液漏斗相連的氣體發(fā)生器通過夾套水浴熱循環(huán)作用保持50℃(液體SO3的氣化溫度)，使氣體SO3不斷地進(jìn)入磺化反應(yīng)器中與廢機(jī)油均勻反應(yīng)。為了控制磺化反應(yīng)速度，用N2作為載氣和稀釋氣［4］。自制的磺化反應(yīng)裝置見圖1。

圖1 廢機(jī)油磺化反應(yīng)裝置

將已經(jīng)磺化好的廢機(jī)油用一定濃度的NaOH溶液中和至體系pH為8，然后再加入一定比例的表面活性劑混合均勻即成鉆井液用多功能潤(rùn)滑劑DRH－1。

3 潤(rùn)滑劑DRH－1性能評(píng)價(jià)

3.1 潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)

3.1.1 基漿配制

按水:膨潤(rùn)土:無水碳酸鈉=100∶8∶0.25的比例加料，高速攪拌20 min后，再密閉養(yǎng)護(hù)24 h備用。

3.1.2 潤(rùn)滑系數(shù)的測(cè)定

向基漿中分別加入制備的潤(rùn)滑劑DRH－1及市購潤(rùn)滑劑B，用高攪機(jī)攪拌40 min。測(cè)定基漿加藥品前后及高溫處理前后各體系的潤(rùn)滑系數(shù)、流變性及濾失性［5］。測(cè)定潤(rùn)滑系數(shù)的方法依據(jù)SY/T6094－94鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序。按式(1)計(jì)算潤(rùn)滑系數(shù)降低率:

式中，η為潤(rùn)滑系數(shù)降低率，%;W為基漿潤(rùn)滑系數(shù); W1為基漿加入潤(rùn)滑劑后的潤(rùn)滑系數(shù)。

潤(rùn)滑系數(shù)降低率越大，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果越好?；鶟{中加入不同含量的兩種潤(rùn)滑劑后其潤(rùn)滑性及流變性等見表1。

表1 潤(rùn)滑劑DRH－1與B性能比較

從表1可以看出:基漿中加入兩種不同含量的潤(rùn)滑劑后，潤(rùn)滑系數(shù)降低率隨其加量的增加逐漸增大，潤(rùn)滑性逐漸增強(qiáng)，但潤(rùn)滑劑DRH－1的增強(qiáng)效果比市購潤(rùn)滑劑B的增強(qiáng)效果更明顯。當(dāng)潤(rùn)滑劑DRH－1加量大于1.0%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率超過70%，超過SY/T6094－94標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑系數(shù)降低率65%的要求。隨潤(rùn)滑劑DRH－1加量的增加，體系表觀黏度、稍有上升，但變化不大，遠(yuǎn)低于SY/T6094－94標(biāo)準(zhǔn)表觀黏度升高值小于5.0 mPa·s的要求。隨潤(rùn)滑劑DRH－1加量的增加，體系的濾失量明顯下降，當(dāng)加量超過1.0%時(shí)，濾失量下降到低于基漿濾失量的一半，下降幅度比潤(rùn)滑劑B明顯。從表1還可以看出:基漿中加入潤(rùn)滑劑DRH－1在180℃老化16 h后體系潤(rùn)滑性及其它性能的評(píng)價(jià)結(jié)果與室溫條件下的評(píng)價(jià)結(jié)果差別不是很大，說明其抗溫性較強(qiáng)。

潤(rùn)滑劑DRH－1與潤(rùn)滑劑B相比，DRH－1的潤(rùn)滑系數(shù)降低率更高，流變性更穩(wěn)定，并且能明顯降低濾失量，這對(duì)改善鉆井液性能非常有利。

3.2 吸附性評(píng)價(jià)

廢機(jī)油改性而成的潤(rùn)滑劑中加入了表面活性劑。表面活性劑可在摩擦面上形成吸附層。由于金屬表面或粘土表面的親水性，按極性相近規(guī)則吸附的表面活性劑可使這些表面反轉(zhuǎn)為親油表面，從而使油能在金屬表面或粘土表面形成均勻的油膜，強(qiáng)化了油的潤(rùn)滑作用。表面活性劑在鋼鐵表面的吸附性越強(qiáng)，其強(qiáng)化潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果越好。

通過測(cè)定接觸角的方法來評(píng)價(jià)表面活性劑在鋼鐵表面的吸附性。測(cè)定時(shí)先向基漿中加入潤(rùn)滑劑攪拌均勻，然后放入干凈的鋼片浸泡16 h，再將蒸餾水滴到處理過的鋼片表面上并用接觸角測(cè)定儀測(cè)其接觸角。接觸角越大，說明處理過的鋼片表面親油性越強(qiáng)，亦即表面活性劑在親水鋼鐵表面上的吸附性越強(qiáng)，潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。接觸角隨潤(rùn)滑劑加量的變化見圖2。

圖2 接觸角隨潤(rùn)滑劑加量的變化曲線

由圖2可以看出:用加入潤(rùn)滑劑DRH－1的基漿處理過的鋼片，其水滴的接觸角都大于90°，且隨著潤(rùn)滑劑加量的增加，接觸角越來越大，說明吸附性能越來越強(qiáng)。用加入潤(rùn)滑劑B的基漿處理過的鋼片，其水滴的接觸角隨著潤(rùn)滑劑加量的增加，接觸角先增大后減小，這可能是形成了雙層吸附膜的緣故。

3.3 極壓性能評(píng)價(jià)

隨著載荷的增加，固體表面之間的油膜厚度逐漸減薄，當(dāng)載荷增至一定程度，連續(xù)的油膜被固體表面的峰頂破壞，局部會(huì)產(chǎn)生金屬表面之間的直接接觸，引起表面擦傷。良好的鉆井液要求潤(rùn)滑劑在高壓下能在金屬表面形成一層堅(jiān)固的化學(xué)膜起潤(rùn)滑作用，以降低金屬接觸界面的摩阻。

可以用極壓膜強(qiáng)度表示體系的極壓性能。極壓膜強(qiáng)度值越大，廢機(jī)油改性潤(rùn)滑劑的極壓性能越強(qiáng)。向基漿中分別加入所制備的潤(rùn)滑劑DRH－1及市購潤(rùn)滑劑B，在極壓潤(rùn)滑儀上分別測(cè)定基漿及加入潤(rùn)滑劑后各體系的極壓膜強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 極壓膜強(qiáng)度隨潤(rùn)滑劑加量的變化曲線

從圖3可以看出:基漿中加入不同含量的潤(rùn)滑劑后，其極壓膜強(qiáng)度隨潤(rùn)滑劑加量的增加，基漿潤(rùn)滑極壓膜強(qiáng)度逐漸增大。與市購潤(rùn)滑劑B相比較，用廢機(jī)油改性而成的潤(rùn)滑劑DRH－1有更強(qiáng)的極壓性能，更適合水平井對(duì)鉆井液強(qiáng)極壓潤(rùn)滑性的要求。

3.4 抑制巖屑分散性評(píng)價(jià)

通過巖屑回收率實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)樣品抑制巖屑分散的性能。測(cè)量巖屑回收率時(shí)，先稱取50.0 g小于6目、大于10目的巖屑，裝入盛有350 mL蒸餾水和待測(cè)液(含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的廢機(jī)油改性潤(rùn)滑劑DRH－1及市購潤(rùn)滑劑B)的密封杯中。再將裝好樣品的密封杯放入77℃的滾子加熱爐中，滾動(dòng)16 h。最后再將巖屑連同試液一起倒入40目準(zhǔn)篩中，用自來水沖洗，將篩余巖樣放入105±3℃的鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干4 h后稱量［6］。

按式(2)計(jì)算巖屑回收率:

式中，R為40目巖屑回收率，%;m為40目篩余，g。

回收率R越大，巖屑分散少，樣品抑制巖屑分散的性能就越強(qiáng)，在鉆井液中的防塌性能也就越強(qiáng)。潤(rùn)滑劑DRH－1及市購潤(rùn)滑劑B抑制巖屑分散的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

通過圖4可以看出，加入兩種不同量的潤(rùn)滑劑后，其抑制巖屑分散性能都隨潤(rùn)滑劑加量的增加而逐漸增大。從圖4看出:與市購潤(rùn)滑劑B相比較，用廢機(jī)油改性而成的潤(rùn)滑劑DRH－1有更高的巖屑回收率，在鉆井液中使用應(yīng)該有更強(qiáng)的防塌性能。

圖4 巖屑回收率隨潤(rùn)滑劑加量的變化曲線

4 作用機(jī)制分析

潤(rùn)滑劑DRH－1中加入了吸附性較強(qiáng)的復(fù)合表面活性劑。活性劑分子吸附在金屬和黏土表面上，在金屬和粘土表面上形成牢固的吸附膜。由于金屬表面或粘土表面的親水性，按極性相近規(guī)則吸附的表面活性劑可使這些表面反轉(zhuǎn)為親油表面，從而使油能在金屬表面或粘土表面形成均勻的油膜，這種定向吸附使親油基朝外，所以金屬表面與粘土顆粒表面之間的固－固摩擦變成油膜之間的摩擦，從而減少金屬部件的磨損。另外，廢機(jī)油改性后的瀝青成分通過在頁巖表面黏附，封堵頁巖的孔隙，形成了一層憎水油膜，也具有一定的潤(rùn)滑作用和抑制頁巖水化分散的作用。

廢機(jī)油中含有一定比例的氯類、硫類及磷類的極壓添加劑和抗磨損添加劑［6］。在高溫高壓狀態(tài)下這些含硫、氯和磷元素的高活性物質(zhì)能在金屬表面生成一層堅(jiān)硬的化學(xué)膜，牢固地吸附在潤(rùn)滑界面上，具有良好的潤(rùn)滑性能。另外廢機(jī)油中的有機(jī)金屬鹽類也具有較高的抗磨能力，可防止或減少金屬表面的磨損。因此，用廢機(jī)油改性制備的潤(rùn)滑劑DRH－1可通過物理化學(xué)多種成膜作用，在固體表面形成無機(jī)－有機(jī)復(fù)合膜，將鉆桿與井壁之間的摩擦轉(zhuǎn)化為鉆桿與復(fù)合膜之間的摩擦，降低鉆具的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，提高鉆速，保證安全鉆井。

5 結(jié)論

(1)廢機(jī)油進(jìn)行磺化并復(fù)配以一定比例的表面活性劑，可以制備出鉆井液用多功能潤(rùn)滑劑DRH－1。潤(rùn)滑劑DRH－1能明顯提高鉆井液極壓潤(rùn)滑性。

(2)潤(rùn)滑劑DRH－1能穩(wěn)定鉆井液流變性，降低鉆井液濾失量，具有較強(qiáng)的頁巖抑制作用，是一種多功能潤(rùn)滑劑。

(3)潤(rùn)滑劑DRH－1具有較高的抗溫性，抗溫可達(dá)180℃。

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［責(zé)任編輯］印樹明

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10．3969/j．issn．1673-5935．2015．02．006

2015－03－05

樊澤霞(1966—)，女，山東青島人，中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院教授，博士，主要從事油田化學(xué)教學(xué)與研究。