王偉吉，邱正松，鐘漢毅，黃維安，董兵強（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

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鉆井液用新型納米潤滑劑SD-NR的制備及特性

王偉吉，邱正松，鐘漢毅，黃維安，董兵強
（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

針對目前鉆井液用常規(guī)潤滑劑極壓膜強度低、抗溫性差、毒性大等突出問題，采用硅烷偶聯劑KH570對納米SiO2進行超聲表面改性，然后將其與表面活性劑S1按一定比例添加到菜籽油中，80℃下攪拌并加入適量穩(wěn)定劑制備出納米潤滑劑SD-NR，通過紅外光譜（FT-IR）和透射電鏡（TEM）對產物進行了表征。性能評價表明，SD-NR加量為1%時潤滑系數降低率大于85%，對鉆井液流變性無明顯影響，具有一定的降濾失性和抑制性，極壓膜強度高，抗溫達180℃以上，熒光級別在1～2級。

潤滑劑；納米SiO2；菜籽油；硅烷偶聯劑；鉆井液

0　引言

隨著石油天然氣資源勘探開發(fā)領域的擴大和深入，鉆探難度不斷增加，鉆遇的復雜情況更加突出，同時要求提高鉆井速度；因此，需要添加大量的鉆井液潤滑劑，以降低鉆井過程中的摩阻，減少井下復雜情況［1］。近年來，鉆井液潤滑劑研究取得了長足的進步，但多功能型高效潤滑劑種類少、價格高，對鉆井液性能易產生不利影響，研究技術性、經濟性高的鉆井液潤滑劑成為必然的發(fā)展趨勢。

納米材料本身具有各種優(yōu)異的性能，在很多領域的應用前景都非常廣泛［2-3］。納米SiO2作為納米材料研究的熱門之一，具有許多獨特的性能，如熱穩(wěn)定性好、強度高、尺寸穩(wěn)定性好、表面光滑等，這些新奇的特性為制備高效潤滑劑提供了新的思路和方法［4-7］。本文對室內制備的新型納米潤滑劑SD-NR進行了性能評價，并探討了其作用機理。

1　實驗研究

1.1實驗材料

納米SiO2（粒徑10～20 nm），泰弘晟達新材料有限公司提供；天然菜籽油（密度0.93 g/cm3，100℃運動黏度8.32 mm2/s，黏度指數 220，生物降解率大于95%），濟南鵬興化工有限公司提供；硅烷偶聯劑KH570、表面活性劑S1、無水乙醇（分析純），上海晶純生化科技股份有限公司提供。

1.2SD-NR的制備

1.2.1納米SiO2表面超聲處理

SiO2是由氧原子和硅原子交替排列形成的三維空間網絡結構，表面覆有大量的硅氧烷基和硅羥基，導致其親水性強。同時，存在于SiO2表面的羥基之間存在氫鍵、范德華力等分子間作用力，導致納米SiO2強烈團聚［8-11］。納米SiO2表面改性方法很多，而硅烷偶聯劑改性是一種最常用、最傳統(tǒng)的改性方法［12-14］。

將納米SiO2粉體放置在真空干燥箱內，120℃下烘干24 h，稱取10 g納米SiO2粉體分散于50 mL無水乙醇中，采用BILON-R1200型非接觸式全自動超聲破碎儀，900 W功率下超聲分散30 min。另取1.2 g硅烷偶聯劑KH570溶于10 mL無水乙醇中，將兩者混合均勻，900 W功率下繼續(xù)超聲分散1 h后轉入四口燒瓶中，在N2氣氛、均勻攪拌及85℃條件超聲振蕩條件下反應6 h。反應完畢后將產物離心，用無水乙醇洗滌數次，置于60℃真空干燥箱中烘干，并標記為KH570-nano-SiO2備用。

1.2.2SD-NR制備

將表面改性的KH570-nano-SiO2與表面活性劑S1按一定比例添加到菜籽油中，加入適量穩(wěn)定劑，80℃下攪拌4 h，制得淡黃色透明狀納米潤滑劑SD-NR。

1.3SD-NR的表征

采用6700型傅里葉變換紅外光譜儀（美國尼高力公司），通過KBr壓片法測定樣品的紅外光譜（FTIR），表征其分子結構，分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1；將2%SD-NR水溶液滴于銅網上，室溫下晾干，采用 832.20B型透射電鏡特殊成像系統(tǒng)（美國Gatan公司），測試樣品的透射電鏡（TEM）照片，1 100萬像素。

1.3.1紅外光譜分析

圖1為納米SiO2表面改性前、后的紅外光譜。由圖1可知：3 100～3 450 cm-1處的寬峰為硅醇基與氫鍵的締合振動峰，表明納米SiO2表面存在大量OH—，1108，492 cm-1為Si—O—Si鍵的收縮振動和彎曲振動峰；KH570表面改性納米SiO2后，3 100～3 450 cm-1處的寬峰明顯變弱，而在2 920，2 851，1 220 cm-1處出現3個新峰，分別為KH570的甲基、亞甲基反對稱伸縮振動峰和酯基振動峰，表明大部分納米SiO2已和KH570發(fā)生縮合反應，KH570成功接枝到了納米SiO2表面［15］。改性前納米 SiO2表面富含羥基為親水性表面，經KH570改性后變成了含有機官能團的親油性表面。KH570有機包覆層的存在，顯著改善了納米SiO2與有機相的相容性，還能有效阻止納米SiO2的團聚，改善其在油相中的分散性。

圖1　樣品的紅外光譜

1.3.2透射電鏡分析

圖2為納米SiO2表面改性前、后分散在菜籽油中的透射電鏡照片。由圖2可知：表面改性前，納米SiO2在菜籽油中粘連團聚現象嚴重，基本呈塊狀存在；經KH570表面改性后，KH570-nano-SiO2在菜籽油中分散性較好，形狀規(guī)則（基本為球形），粒度較均勻（15 nm左右），納米粒子表面的高分子鏈KH570在粒子間形成一層薄膜將其隔開，粒子間不存在粘連團聚現象［15］。

圖2　樣品的透射電鏡照片

2　SD-NR性能測試

2.1物理性質

肉眼觀察納米潤滑劑SD-NR，外觀呈淡黃色黏稠透明液體，表觀黏度14.3 mPa·s，密度0.96 g/cm3，放置40 d不分層，穩(wěn)定性好。向20 mL正己烷溶劑中加入0.02 g納米潤滑劑SD-NR，磁力攪拌條件下至完全溶解；然后，將混合溶液放入OFA-3DI型石油熒光分析儀中，測試其三維熒光圖。測試結果與標準樣品圖譜的對照分析結果表明，SD-NR的熒光級別在1～2級，滿足地質錄井的要求。

2.2SD-NR對鉆井液性能的影響

選取8%膨潤土漿、1.2 g/cm3聚合物鉆井液和1.2 g/cm3聚磺鉆井液（以下同），評價SD-NR對鉆井液潤滑性及流變性的影響，結果如表1所示。

表1　SD-NR對鉆井液性能的影響

由表1可知，1%SD-NR就能極大地改善鉆井液的潤滑性（潤滑系數降低率大于85%），SD-NR對鉆井液的流變性影響不大，略有降濾失作用［16］。這是由于KH570表面改性后的KH570-nano-SiO2粒徑較?。?5 nm左右），比表面積大，當在鉆井液中有效分散時，在摩擦過程中易轉移到摩擦表面，形成覆蓋面大且厚的表面膜，減少其摩擦因數，從而提高減阻抗磨效果；而且納米粒子表面活性高，可以直接吸附到摩擦表面的劃痕和微坑處，在摩擦表面形成“滾珠軸承”效應，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，起到降低扭矩的作用；同時納米粒子表面的KH570及表面活性劑S1能吸附在金屬、井壁表面，形成一層隔離膜，將鉆桿與井壁之間的摩擦轉化為鉆桿與無機、有機、聚合物多層復合膜之間的摩擦，極大地降低了潤滑系數。

2.3熱穩(wěn)定性

在3種鉆井液體系中分別加入1%SD-NR，不同溫度下老化16 h，測試體系的潤滑性及流變?yōu)V失性，考察SD-NR的熱穩(wěn)定性［16］，結果如表2所示。由表2可知，3種鉆井液隨溫度升高黏切略有上升，濾失量略有增大，潤滑系數基本不變，表明SD-NR熱穩(wěn)定性好，耐溫達180℃以上。這是由于 KH570表面改性后的KH570-nano-SiO2粒徑小且均勻，具有較大的比表面積，導致其熵對比熱容的貢獻比常規(guī)材料大得多，所以納米材料的比熱容比常規(guī)材料大得多，具有一定的溫度自適應能力（相同熱量傳遞下，溫度改變較少）。

表2SD-NR熱穩(wěn)定性實驗結果

2.4極壓膜強度

極壓膜強度表示潤滑劑在金屬表面形成潤滑膜的抗壓強度，用E-P極壓潤滑儀測定。測定條件為轉速1 000 r/min，時間5 min，外加負荷350 N/cm，計算公式為［16-17］

式中：P為極壓膜強度，MPa；T為轉矩表讀數，N·m；w為傷痕寬度，cm。

以8%膨潤土漿為基漿，對比SD-NR和市售性能較優(yōu)的極壓潤滑劑A在相同加量下的極壓潤滑系數和極壓膜強度（見圖3）。由圖3可知，與市售潤滑劑A相比，SD-NR性能更加優(yōu)異，1%SD-NR就能大幅降低鉆井液極壓潤滑系數，顯著提高極壓膜強度。

圖3　不同潤滑劑條件下體系的潤滑系數和極壓膜強度

2.5SD-NR水溶液穩(wěn)定性

采用Nanotrac Wave型納米粒度儀測試2%SDNR水溶液不同時間的粒度中值，結果如圖4所示。由圖4可知，30 d內該水溶液的粒度中值維持在80～90 nm，粒徑變化較小，表明SD-NR與水有較好的相容性。這是由于表面活性劑S1與KH570-nano-SiO2納米粒子能吸附在油水界面，顯著降低界面張力，維持乳狀液的穩(wěn)定性。

圖4　SD-NR水溶液粒度中值隨時間的變化曲線

2.6抑制性

采用頁巖滾動分散實驗和膨脹性實驗，評價SDNR的抑制性能［16］。結果表明：1%SD-NR能使巖屑回收率提高9.7百分點以上（見表3）；1 h后，巖樣在1% SD-NR水溶液中的膨脹量趨于穩(wěn)定，與清水相比膨脹量較低，表明SD-NR具有一定的抑制性（見圖5）。這是由于KH570-nano-SiO2納米粒子比表面積大，具有較高的表面活性，極易進入巖屑孔隙進行封堵，KH570分子鏈則覆蓋在巖屑表面呈疏水性，阻隔水的侵入。

表3　鉆井液滾動分散實驗

圖5　頁巖膨脹性實驗

3　結論

1）采用硅烷偶聯劑KH570，對納米SiO2進行超聲表面改性。將改性后的KH570-nano-SiO2和表面活性劑S1按一定比例加入菜籽油中，制備出納米潤滑劑SD-NR。

2）納米潤滑劑SD-NR加量為1%時，潤滑系數降低率大于85%，對鉆井液流變性無明顯影響，具有一定的降濾失性和抑制性，極壓膜強度高，抗溫達180℃以上，熒光級別在1～2級。

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（編輯趙衛(wèi)紅）

Preparation and properties of nanoparticle-based lubricant SD-NR for drilling fluids

Wang Weiji，Qiu Zhengsong，Zhong Hanyi，Huang Wei′an，Dong Bingqiang
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In allusion to the drawbacks of conventional lubricant for drilling fluids such as low extreme pressure film intensity，inferior lubrication persistence，high-fluorescence and poor temperature resistance performance，in this article，firstly，we carry out ultrasonic surface modification on the nano-silica with silane coupling agent K570，then，we get SD-NR by putting surface modified nano-silica and surfactant into colleseed oil in a certain proportion.the product was characterized by FT-IR and TEM.Indoor experiment evaluation shows that the reducing rate of the friction coefficient is over 85%when the dosage of SD-NR is 1%，SD-NR has no adverse effects on the behavior of drilling fluid and can enhance fluid loss control and suppression performance to some extent.With higher extreme pressure film intensity and lubrication persistence，SD-NR can be used at temperature as high as 180℃，the fluorescence level is 1 to 2.

lubricant；nano-silica；colleseed oil；silane coupling agent；drilling fluid

國家自然科學基金面上項目“海洋深水淺層井壁穩(wěn)定與水合物抑制的機理和新方法研究”（51474236）；國家科技重大專項課題“大位移井強抑制高潤滑水基鉆井液技術研究與復雜地層井壁穩(wěn)定技術研究”（2011ZX05021-004）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目“頁巖地層溫敏型聚N-異丙基丙烯酰胺/納米SiO2智能納米粒子研究”（15CX06021A）；中國石油大學（華東）研究生創(chuàng)新工程資助項目“頁巖地層溫敏型納米聚合物微球智能封堵劑研究”（YCX2015011）

TE254+.4

A

10.6056/dkyqt201601025

2015-07-28；改回日期：2015-10-27。

王偉吉，男，1987年生，油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，2011年本科畢業(yè)于中國石油大學（華東），主要從事鉆井液技術研究工作。E-mail：wangweiji2007@126.com。

引用格式：王偉吉，邱正松，鐘漢毅，等.鉆井液用新型納米潤滑劑SD-NR的制備及特性［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：113-116.

Wang Weiji，Qiu Zhengsong，Zhong Hanyi，et al.Preparation and properties of nanoparticle-based lubricant SD-NR for drilling fluids［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：113-116.