李公讓，王承俊

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

隨鉆井深度不斷增加，深井、超深井、大斜度井、定向井及水平井等復(fù)雜井不斷增多，高摩阻對(duì)于水基鉆井液的潤(rùn)滑性能提出了更高的要求[1-4]。高密度鉆井液導(dǎo)致鉆井液與地層壓力之間的壓差增大，砂巖區(qū)域井壁虛厚，鉆具與泥餅接觸面積增大，多種因素的作用導(dǎo)致鉆桿與井壁之間摩擦力增大，容易引起壓差卡鉆事故[5-6]。長(zhǎng)位移水平井區(qū)域或者鉆桿扭曲會(huì)導(dǎo)致鉆桿與井壁之間的接觸面積增大，增加鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦力。通過(guò)加入潤(rùn)滑劑能夠有效降低鉆桿與井壁之間的摩擦系數(shù)，減少2 者之間的摩擦力，降低扭矩，可以預(yù)防甚至解決壓差卡鉆事故，提高鉆井效率[7-8]。另一方面，鉆具在套管中鉆進(jìn)過(guò)程中，兩金屬面之間緊密接觸形成極壓條件，造成潤(rùn)滑油層失效。加入含有極壓反應(yīng)基團(tuán)的潤(rùn)滑劑在極壓條件下與金屬發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，從而形成極壓潤(rùn)滑膜，增強(qiáng)鉆具的耐磨性[9-10]。

目前鉆井液潤(rùn)滑劑種類多樣，主要有固體潤(rùn)滑劑、油基潤(rùn)滑劑及水基潤(rùn)滑劑。水基潤(rùn)滑劑按潤(rùn)滑劑化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，可分為聚合醇或聚醚類潤(rùn)滑劑，植物油脂及其衍生物類潤(rùn)滑劑，長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷類潤(rùn)滑劑等。鉆井液潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)大量采用低極性長(zhǎng)鏈烷基用于提供潤(rùn)滑過(guò)程中的外層疏水保護(hù)膜，潤(rùn)滑劑在摩擦面的吸附能力往往要依賴于其結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)種類。筆者將對(duì)具有極性吸附功能鉆井液潤(rùn)滑劑的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并著重對(duì)鉆具表面吸附潤(rùn)滑劑及多吸附點(diǎn)潤(rùn)滑劑方面的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期對(duì)鉆井液研究人員提供參考。

1 極性吸附鉆井液潤(rùn)滑劑的研究進(jìn)展

具有極性吸附功能的潤(rùn)滑劑與摩擦面的吸附形式主要有物理吸附膜、化學(xué)吸附膜及化學(xué)反應(yīng)膜。物理吸附膜成膜較弱，成膜形式是潤(rùn)滑劑分子利用范德華力吸附于摩擦面，一般存在于低極性的烴類與油脂類潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑過(guò)程。能夠形成化學(xué)吸附膜的潤(rùn)滑劑，其結(jié)構(gòu)中通常含有大極性的基團(tuán)，例如羥基、氨基、羧基等，其形成潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度較物理吸附膜高?；瘜W(xué)反應(yīng)膜形成于極壓潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑過(guò)程中，主要是利用潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)中的極壓潤(rùn)滑基團(tuán)與金屬在極壓條件下發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，從而在表面形成牢固的吸附膜[11-13]。

1.1 烷基醇醚類潤(rùn)滑劑

烷基醇醚類化合物是由醇類化合物與環(huán)氧化物縮合反應(yīng)得到，其結(jié)構(gòu)中不僅包含疏水性的長(zhǎng)鏈烷基，同時(shí)還有一組親水性的極性基團(tuán)多元醇或多醚結(jié)構(gòu)。目前，在鉆井液潤(rùn)滑劑的研究方面，烷基醇醚類化合物利用其親水、親油結(jié)構(gòu)通常用作乳化劑。由于常見(jiàn)的潤(rùn)滑基礎(chǔ)油白油、植物油及礦物油難以與水混溶，限制了它們?cè)谒@井液中的使用。采用醇醚類乳化劑與潤(rùn)滑基礎(chǔ)油進(jìn)行復(fù)配，使?jié)櫥湍軌蛞匀橐旱男螒B(tài)在水中分散，并根據(jù)需要加入極壓劑、固體抗磨劑等助劑與潤(rùn)滑油進(jìn)行復(fù)配，以提高潤(rùn)滑劑的極壓潤(rùn)滑性和抗磨性，形成復(fù)配型鉆井液潤(rùn)滑劑。利用這一思路，李小瑞[14]等人采用烷基醇醚結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑XP-1 作為乳化劑與廢棄植物油脂復(fù)配，并加入非硫磷有機(jī)硼酸酯極壓劑YJP-1 與油溶性熒光屏蔽劑YP-1，對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行改性，最終形成高性能環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑HPRH。HPRH 的潤(rùn)滑性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類型潤(rùn)滑劑。在HPRH 加量為0.5%時(shí)，潤(rùn)滑劑在淡水基漿與鹽水漿中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別達(dá)到93.75%與80.64%，同時(shí)潤(rùn)滑劑能夠抗溫160 ℃，起泡率低，抗磨效果顯著，潤(rùn)滑持效性好，與現(xiàn)場(chǎng)常用復(fù)合潤(rùn)滑劑相比，HPRH 潤(rùn)滑性能突出，潤(rùn)滑持效性良好，能夠節(jié)約用量，并且有效避免了托壓、卡鉆等井下復(fù)雜事故，起到了顯著的降本增效作用。劉云峰[15]等人利用常見(jiàn)的烷基醇醚類化合物司盤(pán)80 組合變性酒精形成乳化劑，與MVO-3 改性植物油復(fù)配，并加入改性石墨和分散劑PMA、CMC 形成潤(rùn)滑劑SDL-1。淡水基漿與鹽水漿中分別加入0.5%SDL-1時(shí)，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別達(dá)到了85%與70%以上。SDL-1 與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性良好，抗溫能夠達(dá)到150 ℃，起泡率低，熒光級(jí)別小。

烷基醇醚類化合物是一種非離子表面活性劑，自身作為潤(rùn)滑劑時(shí)，具有非常明顯的“濁點(diǎn)效應(yīng)”[16-17]。利用這一特性，烷基醇醚類化合物可以在高于濁點(diǎn)溫度時(shí)形成一種類似于油滴的疏水液體，黏附在井壁與鉆具表面，從而改善鉆井液體系的潤(rùn)滑性能。因此醇醚類潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果受溫度影響較大。然而，烷基醇醚類潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)醚或羥基極性較弱，在摩擦表面的吸附能力較弱。同時(shí)，醇醚結(jié)構(gòu)容易被降解，一般烷基醇醚類化合物使用溫度不超過(guò)120 ℃。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的具有醇醚結(jié)構(gòu)的鉆井液潤(rùn)滑劑有以下3 種。許明標(biāo)[18]等人報(bào)道的一種天然物質(zhì)與烷氧基化合物縮合而成的多元醇醚潤(rùn)滑劑，其具有優(yōu)良的抗鹽性，加量2%時(shí)，在淡水基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率能夠達(dá)到97.06%，在15%鹽水基漿以及海水鉆井液中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別能夠維持在71.83%、71.43%，耐溫120 ℃。另一方面，作為醇醚類非離子表面活性劑，潤(rùn)滑劑的濁點(diǎn)效應(yīng)非常明顯，潤(rùn)滑系數(shù)降低率隨溫度升高持續(xù)上升，在30～60 ℃內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑效果。其次是呂開(kāi)河等人[19]報(bào)道的聚醚多元醇潤(rùn)滑劑SYT-2，其潤(rùn)滑性能優(yōu)異，在加量1%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到93%。潤(rùn)滑劑具有一定的抗鹽性，在4%鹽水基漿中潤(rùn)滑系數(shù)降低率略有降低，但仍然維持在72.9%。潤(rùn)滑劑能夠耐溫120 ℃，不起泡，生物毒性低，易生物降解，并成功用于降低長(zhǎng)位移水平井的扭矩與起下鉆阻力。肖穩(wěn)發(fā)等人[20]研制的脂肪醇醚磷酸酯（AEP）潤(rùn)滑劑，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能、井眼清潔、保護(hù)儲(chǔ)層、抗海水侵污能力以及環(huán)境保護(hù)性質(zhì)，潤(rùn)滑劑已經(jīng)被成功用于海上鉆井。

1.2 植物油脂類潤(rùn)滑劑

植物油對(duì)環(huán)境毒性低，能夠被環(huán)境所降解，來(lái)源豐富且可再生。其結(jié)構(gòu)中的極性酯基能夠使?jié)櫥瑒┪接谀Σ帘砻妗２捎玫统杀镜膹U棄植物油或油脂工業(yè)下腳料來(lái)制備植物油基鉆井液潤(rùn)滑劑不僅可以節(jié)約成本，提供持續(xù)可再生的鉆井液潤(rùn)滑劑制備的原料來(lái)源，而且能夠緩解廢棄油脂給環(huán)境污染帶來(lái)的壓力，減少植物油脂后處理帶來(lái)的損耗。因此，最直接的植物油脂基潤(rùn)滑劑的構(gòu)建策略是在水分散能力低的植物油中混入乳化劑、極壓劑、消泡劑等助劑，復(fù)配形成的潤(rùn)滑劑在兼顧植物油脂潤(rùn)滑性能的同時(shí)，具有非常優(yōu)良的環(huán)境相容性以及環(huán)境可降解度。夏小春等人[21]采用易降解、生物相容性好的植物油脂為內(nèi)相，低凝固點(diǎn)的多元醇水溶液為外相，以聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯/失水山梨醇三油酸酯為復(fù)合乳化劑，制備出環(huán)保潤(rùn)滑劑GreenLube。GreenLube 潤(rùn)滑劑易生物降解，無(wú)毒，96 h 半致死濃度LC50高達(dá)35 981 mg/L，達(dá)到了I級(jí)海域排放標(biāo)準(zhǔn)，BOD5/COD值為0.95，說(shuō)明該潤(rùn)滑劑具備良好的生物降解性能，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，加入該潤(rùn)滑劑后，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)以及鉆具扭矩均得到顯著降低。

單純的植物油酯類化合物水溶性太低，熱穩(wěn)定性仍有待提升。一方面，其結(jié)構(gòu)中的酯基容易在高溫堿性硅酸鹽、鈣基等高pH 值體系中被分解皂化，形成的長(zhǎng)鏈烷基羧酸鹽容易使鉆井液起泡；另一方面，植物油烷基鏈結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵容易在光照、高溫及酶促反應(yīng)下被氧化斷鍵，從而造成植物油降解。這2 方面的協(xié)同作用直接降低了植物油的抗溫、抗氧化能力，使?jié)櫥瑒┑臐?rùn)滑效果不具備持效性。從另一個(gè)角度，植物油脂中含有的高反應(yīng)活性酯基及活潑雙鍵也給植物油脂的進(jìn)一步改性提供了反應(yīng)修飾可能性。在這一方面，酯基容易發(fā)生酯交換反應(yīng)與氨解反應(yīng)，雙鍵容易被硫或氯加成。多個(gè)修飾位點(diǎn)以及多種反應(yīng)形式使植物油脂的改性具有非常大的靈活度，結(jié)合植物油脂價(jià)廉易得，種類多樣，環(huán)保的特點(diǎn)，多種基于植物油改性的鉆井液潤(rùn)滑劑產(chǎn)品被研究開(kāi)發(fā)出來(lái)并成功用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井潤(rùn)滑。

目前常見(jiàn)的植物油改性的方式是酯交換反應(yīng)，采用醇類化合物取代植物油脂中的甘油，形成脂肪酸酯類化合物。劉娜娜等人[22]采用二乙二醇通過(guò)酯交換反應(yīng)醇解地溝油酯，得到潤(rùn)滑劑雙脂肪酸二乙二醇酯。再對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行輕度硫化并添加石墨與油溶性樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)配，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)降低率持續(xù)上升，得到最終潤(rùn)滑劑配方。潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，不起泡，耐溫200 ℃，能夠在海水基漿及高密度鉆井液中有效潤(rùn)滑。陳馥等人[23]采用植物油脂下游產(chǎn)物脂肪酸與多羥基醇酯化得到合成酯類潤(rùn)滑劑HCZ，其在較低加量下，具有較高的潤(rùn)滑效果，且具有耐高溫，抗鹽效果，對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的負(fù)面影響小，與聚合物、有機(jī)鹽、聚磺鉆井液體系的配伍性良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井應(yīng)用需要。

天然植物油脂或者合成酯結(jié)構(gòu)中的酯基極性較弱，其酯基提供的吸附能力仍然有待提升。采用胺類化合物對(duì)油脂進(jìn)行氨解具有眾多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先是反應(yīng)活性，氨基的親核性較強(qiáng)，氨解所需的胺類原料相較于酯交換反應(yīng)較少，反應(yīng)條件更為溫和。其次是熱穩(wěn)定性與環(huán)保效果，氨解植物油脂所得產(chǎn)物的連接方式是酰胺鍵，其耐高溫能力要遠(yuǎn)優(yōu)于酯鍵，同時(shí)，植物油酰胺結(jié)構(gòu)中包含植物油酸片段以及類似于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的“肽鍵”片段，潤(rùn)滑劑分子具有優(yōu)異的生物相容性以及生物可降解度。最后，酰胺化后引入酰胺鍵與氨基可提高潤(rùn)滑劑極性基團(tuán)與摩擦面的吸附能力，有利于潤(rùn)滑劑形成牢固潤(rùn)滑保護(hù)膜，同時(shí)，氨基的引入也為進(jìn)一步地功能化修飾提供了反應(yīng)位點(diǎn)，使?jié)櫥瑒┓肿拥臉?gòu)建更具有靈活度。目前，基于植物油酰胺結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑劑已經(jīng)得到了廣泛的報(bào)道。例如，逯貴廣等人[24]采用聚醚胺與油酸酰胺化反應(yīng)得到的雙油酰聚醚胺潤(rùn)滑劑NH-HPL。這一潤(rùn)滑劑具有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，潤(rùn)滑劑分子中含有大量親水性的醚鍵，使?jié)櫥瑒┚哂袃?yōu)良的水分散能力。潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)醚鍵與酰胺鍵，能夠使?jié)櫥瑒├喂涛接阢@具以及井壁表面，尤其是酰胺鍵，具有在金屬表面形成誘導(dǎo)偶極，并依托自身永久偶極的性質(zhì)，形成牢固的吸附。最后，分子結(jié)構(gòu)中的醚和酰胺容易形成分子間氫鍵，使?jié)櫥瑒┪接谀Σ撩婧竽軌蛐纬筛鼮橹旅艿臐?rùn)滑膜。在實(shí)際性能評(píng)價(jià)中，向淡水基漿中加量1%潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到了92%，并且潤(rùn)滑劑能夠耐溫160 ℃，具有不起泡，配伍性好的優(yōu)點(diǎn)。張文等人[25]采用四乙烯五胺來(lái)氨解植物油脂，形成雙油酰多胺后，再用低碳酸對(duì)殘余氨基進(jìn)行再次酰胺化，從而構(gòu)建乳液型鉆井液潤(rùn)滑劑。這種多酰胺結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑劑能夠牢固地吸附于金屬鉆桿表面，從而降低鉆具與井壁之間的摩擦，展現(xiàn)出非常優(yōu)良的潤(rùn)滑功能，在淡水基漿中加量0.5%后，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到87.9%，能夠耐溫170 ℃以上，并且具有良好的耐鹽性能。將皂化后的蓖麻油與醇胺反應(yīng)，再與硼酸形成油酸酰胺硼酸酯，從而使?jié)櫥瑒┚哂袃?yōu)良的極壓潤(rùn)滑性能。又如王琳等人[6，26]以具有雙鍵結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)鏈脂肪酸與多元醇通過(guò)酯化反應(yīng)制備出含有不飽和雙鍵的大分子酯，進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在大分子酯結(jié)構(gòu)上修飾具有極壓抗摩能力的基團(tuán)，加入復(fù)合乳化劑、消泡劑等助劑與之復(fù)配，制得深棕紅色高密度鉆井液用極壓潤(rùn)滑劑SMJH-1。SMJH-1 在不同密度的鉆井液中均保持良好的潤(rùn)滑效果，抗鹽達(dá)到30%，抗溫高達(dá)180℃。SMJH-1 能夠利用物理化學(xué)吸附作用聚集于鉆具表面，分子內(nèi)的碳?xì)滏溚ㄟ^(guò)側(cè)向黏附力在金屬表面形成固態(tài)膜，增強(qiáng)鉆具表面的疏水性，降低摩擦阻力。

1.3 長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷類潤(rùn)滑劑

長(zhǎng)鏈烷基糖苷類潤(rùn)滑劑最早被開(kāi)發(fā)出來(lái)用作非離子表面活性劑，由于化合物含有葡萄糖結(jié)構(gòu)，這類化合物最顯著的特征是可降解。長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷的合成方法主要有轉(zhuǎn)糖苷法，直接苷化法，Koenigs-Knorr 法，酶催化法，醇解法等[27]。作為一種非離子表面活性劑，長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷結(jié)構(gòu)中固然含有一個(gè)長(zhǎng)鏈烷基，其另一端糖環(huán)結(jié)構(gòu)上富含的極性多羥基結(jié)構(gòu)不僅為長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷提供了足夠的極性吸附能力，而且也提高了烷基糖苷的可修飾性。作為一種具有親膚、無(wú)毒、易降解優(yōu)點(diǎn)的表面活性劑，長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷已經(jīng)在清潔劑、化妝品、食品、紡織、涂料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[28]。長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷結(jié)構(gòu)上含有多個(gè)極性親水基團(tuán)羥基，通過(guò)半透膜效應(yīng)，降滲透作用，去水化作用，封堵作用展現(xiàn)出優(yōu)良的抑制防塌能力。而多羥基結(jié)構(gòu)的存在也使長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷可修飾性增強(qiáng)，通常引入季銨鹽，聚醚胺、磺基等基團(tuán)可以進(jìn)一步強(qiáng)化糖苷的親水能力以及抑制防塌性能[29]。另一方面，長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷中的多羥基結(jié)構(gòu)以及極性基團(tuán)修飾產(chǎn)物所提供的強(qiáng)極性環(huán)境可以進(jìn)一步提升其在摩擦面的吸附能力，從而可以用于鉆具與井壁之間的摩擦。針對(duì)高pH 值鉆井液體系（甲基硅酸鉀體系），Pober K W 等人[30]設(shè)計(jì)了一種耐堿的長(zhǎng)鏈烷基糖苷潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑和脂肪醇復(fù)配后形成的潤(rùn)滑劑組合物能夠在高pH 值（4～7）鉆井液體系中發(fā)揮良好的潤(rùn)滑效果，避免了常規(guī)潤(rùn)滑劑在高pH值環(huán)境下因水解而導(dǎo)致潤(rùn)滑性能減弱的問(wèn)題。Albrecht M S 等人[31]將十六烷基糖苷與脂肪醇聚醚、淀粉復(fù)配后形成潤(rùn)滑劑，并成功用于硅酸鹽鉆井液體系中的潤(rùn)滑。司西強(qiáng)等人[32]研制的烷基糖苷類潤(rùn)滑劑—聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）具有較好的潤(rùn)滑效果，加量3%時(shí)，在鉆井液中的極壓潤(rùn)滑系數(shù)低至0.041。研究表明，聚醚胺基烷基糖苷具有優(yōu)良的抑制性、降濾失性、抗鹽抗鈣以及儲(chǔ)層保護(hù)性能。陽(yáng)離子長(zhǎng)鏈烷基葡萄糖苷自身帶有正電性，在井壁通過(guò)靜電吸附成膜，嵌層去水，降低水活度，在增強(qiáng)潤(rùn)滑效果的同時(shí)具有優(yōu)良的抑制防塌能力[33]。

1.4 極壓潤(rùn)滑劑

極壓潤(rùn)滑劑是最典型的極性吸附功能的潤(rùn)滑劑。極壓潤(rùn)滑劑是一類含有氯、磷酸酯、硼酸酯、硫等極壓反應(yīng)基團(tuán)的潤(rùn)滑劑，這一類潤(rùn)滑劑能夠在極壓條件下以化學(xué)鍵合的形式吸附于金屬表面，形成潤(rùn)滑保護(hù)膜，從而減少金屬器件之間因機(jī)械擠壓造成的黏合劑磨損以及潤(rùn)滑油層失效，并阻止器件之間的摩擦磨損。

二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）作為一種重要極壓抗磨劑，用作潤(rùn)滑酯、齒輪油以及機(jī)油的抗磨添加劑。這種潤(rùn)滑油添加劑可能的作用機(jī)理是ZDDP 受熱分解后，在摩擦表面自組裝形成一層交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬磷酸鹽。Chang Z Y 等人[34]嘗試將ZDDP 作為添加劑與其它鉆井液潤(rùn)滑劑（包括脂肪酸酯，植物油，聚α 烯烴，石墨，硫化烯烴等）混合后，并將混合后的潤(rùn)滑劑加入到硅酸鹽鉆井液體系中，研究發(fā)現(xiàn)混合ZDDP 后，潤(rùn)滑劑的極壓抗磨性能得到顯著提升。機(jī)理研究表明，ZDDP 能夠在鉆桿形成一層抗壓、抗剪切、具有一定韌性的化學(xué)反應(yīng)膜，從而產(chǎn)生極壓潤(rùn)滑效果。另一方面，鑒于ZDDP 優(yōu)良的極壓潤(rùn)滑效果同時(shí)整體結(jié)構(gòu)水溶性低的問(wèn)題，羅春芝等人[35]開(kāi)發(fā)了一種類似于ZDDP 結(jié)構(gòu)的水基鉆井液極壓潤(rùn)滑劑烷基聚氧乙烯醚硫代磷酸鋅XCR，由于親水基團(tuán)聚氧乙烯醚的引入，該潤(rùn)滑劑的水分散能力得到有效的改善。機(jī)理研究表明，潤(rùn)滑劑能夠在摩擦面形成有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜、聚合物膜，從而具有非常優(yōu)良極壓潤(rùn)滑功能。潤(rùn)滑劑加量為3%后，潤(rùn)滑系數(shù)降低率能夠達(dá)到70%，同時(shí)，XCR 具有持效潤(rùn)滑以及一定的防塌效果。目前，潤(rùn)滑劑已經(jīng)成功被用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井。

除此之外，長(zhǎng)鏈烷基硼酸酯類化合物也具有非常優(yōu)異的極壓潤(rùn)滑性能，在潤(rùn)滑過(guò)程中，長(zhǎng)鏈烷基通過(guò)物理吸附的作用附著在摩擦表面，隨著器件之間的咬合壓力增大，物理吸附膜逐漸破裂，結(jié)構(gòu)中的硼酸酯進(jìn)入摩擦區(qū)，在摩擦表面通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)形成具有抗極壓，高承載的極壓潤(rùn)滑膜。例如，吳超、孟祥濤等人[36，37]以月桂酸、油酸為原料，以醇酰胺為橋接基團(tuán)形成硼酸酯，在增強(qiáng)潤(rùn)滑劑水解穩(wěn)定性的同時(shí)，提供牢固的潤(rùn)滑吸附膜，提高潤(rùn)滑劑的抗磨性。Saffari H R M 等人[38]研制出適用于水基鉆井液的納米硼酸鹽潤(rùn)滑添加劑，研究表明，將這種納米硼酸鹽加入到水基鉆井液后，潤(rùn)滑添加劑會(huì)在摩擦面形成堅(jiān)固的潤(rùn)滑膜，能夠顯著降低鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。

2 極性吸附鉆井液潤(rùn)滑劑的發(fā)展趨勢(shì)

目前，采用極性基團(tuán)修飾潤(rùn)滑劑，提升潤(rùn)滑劑的吸附能力，增強(qiáng)形成潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度已經(jīng)成為鉆井液潤(rùn)滑劑開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛使用的策略。但是，盲目地增加潤(rùn)滑劑的極性往往會(huì)造成潤(rùn)滑劑極性過(guò)大，使?jié)櫥瑒┐罅扛街阢@屑表面，隨著鉆井液循環(huán)，潤(rùn)滑劑損耗嚴(yán)重。通過(guò)降低潤(rùn)滑劑的極性，提升潤(rùn)滑劑在鉆具金屬表面吸附能力，從而在金屬表面形成潤(rùn)滑膜的同時(shí)，能夠降低潤(rùn)滑劑附著于鉆屑表面而造成的損耗。另一方面，單一吸附基團(tuán)修飾的潤(rùn)滑劑所產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于多個(gè)吸附基團(tuán)修飾的潤(rùn)滑劑，具有多吸附位點(diǎn)的潤(rùn)滑劑能夠形成更為牢固的潤(rùn)滑膜。

2.1 鉆具表面吸附潤(rùn)滑劑

研究表明，含雜原子的化合物特別是含氮雜環(huán)化合物能夠在金屬表面形成牢固的吸附，從而可以用于抗磨減摩。含氮雜環(huán)類化合物整體電負(fù)性高，原子半徑小，分子結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)于胺類化合物，極性較低。能夠利用結(jié)構(gòu)中氮原子上的孤對(duì)電子與金屬原子的空d 軌道絡(luò)合或者與金屬表面的正電荷位點(diǎn)結(jié)合，形成較穩(wěn)定的絡(luò)合吸附保護(hù)膜。這種吸附作用隨著氮原子數(shù)增多，與金屬表面的結(jié)合點(diǎn)增多，形成的表面膜更牢固，抗磨性能也更好[39–41]。鑒于此，利用含氮雜環(huán)化合物作為潤(rùn)滑劑的吸附基團(tuán)，在此結(jié)構(gòu)上進(jìn)行脂溶性修飾，形成潤(rùn)滑劑具有一定的極壓潤(rùn)滑性質(zhì)，甚至于可以替代原先的硫磷類極壓潤(rùn)滑劑。例如，吳超等人[42]在苯并三氮唑的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行硬脂酰修飾，所形成的潤(rùn)滑劑具有一定的極壓抗磨性能，尤其是在低實(shí)驗(yàn)力的條件下表現(xiàn)出更高的抗磨能力。又如，歐陽(yáng)平等人[43]在苯并嘧啶衍生物的結(jié)構(gòu)上面修飾長(zhǎng)鏈烷基，所形成的潤(rùn)滑劑NLMWPS 可以吸附于摩擦表面，形成以FeO、有機(jī)氮化物和含氮金屬配合物等為主要成分的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，從而有效降低摩擦副的磨損，減小摩擦因數(shù)，縮短摩擦跑合時(shí)間。另一方面，金屬緩蝕劑的作用機(jī)理是利用緩蝕劑在金屬表面形成一層致密牢固的保護(hù)膜，減少金屬表面腐蝕，這與金屬表面潤(rùn)滑劑的作用機(jī)理具有相通之處。因此，緩蝕潤(rùn)滑功能日益成為國(guó)內(nèi)外鉆井液潤(rùn)滑劑研究開(kāi)發(fā)的著眼點(diǎn)。例如，斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)的桿輕松（ROD EASE）潤(rùn)滑劑能夠在保護(hù)鉆桿、降低扭矩的同時(shí)，具有優(yōu)良的緩蝕防垢效果。瑞孚公司開(kāi)發(fā)的BIO-ADD 系列潤(rùn)滑劑，能夠附著在金屬鉆具表面，具有一定緩蝕防潮性能。在國(guó)內(nèi)，王正等人[44]研制了一種噻吩類緩蝕潤(rùn)滑劑，它能吸附于N80鋼管表面，延緩N80 鋼管在高濃度鹽酸溶液中的腐蝕，不僅如此，潤(rùn)滑劑在鉆井液中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到了80.67%。因此，這種噻唑類潤(rùn)滑劑具有緩蝕與潤(rùn)滑2 種功能，能夠提高水基鉆井液的極壓潤(rùn)滑能力。

2.2 多吸附位點(diǎn)潤(rùn)滑劑

“多吸附位點(diǎn)”概念主要是用在金屬緩蝕劑的研究中，具有多個(gè)吸附基團(tuán)的緩蝕劑能夠在金屬表面形成更為致密的緩蝕膜，減少緩蝕劑的脫附[45-48]。在潤(rùn)滑劑上修飾多個(gè)鉆具金屬吸附基團(tuán)有效增強(qiáng)潤(rùn)滑劑的成膜強(qiáng)度。這方面最具代表性的工作是錢(qián)曉琳等人[49]研究的多元醇酯類SMLUB-E 潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)上修飾了多個(gè)極壓潤(rùn)滑基團(tuán)（二硫鍵、磷酸），因此潤(rùn)滑劑具有優(yōu)良的極壓潤(rùn)滑性質(zhì)，形成的潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高，能夠耐溫160 ℃以上，無(wú)毒環(huán)保。熊麗萍等人[50]報(bào)道的一種含硫磷的水溶性三嗪潤(rùn)滑添加劑，其結(jié)構(gòu)中含有硫、磷結(jié)構(gòu)以及含氮雜環(huán)，能夠在金屬表面形成多個(gè)吸附位點(diǎn)，提高基礎(chǔ)液的極壓潤(rùn)滑性能，從而表現(xiàn)出良好的抗磨減摩的作用。廖俊旭等人[51]開(kāi)發(fā)的含有硫與苯并三氮唑的潤(rùn)滑添加劑，能夠在金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)雜的保護(hù)膜，具有優(yōu)異的極壓、抗磨、減摩甚至于緩蝕作用。

3 結(jié)論

1.鉆井液潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑能力與結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)以及疏水烷基鏈具有密不可分的關(guān)系，其中潤(rùn)滑劑在摩擦面的吸附強(qiáng)度以及形成潤(rùn)滑膜的牢固程度取決于其結(jié)構(gòu)中極性吸附基團(tuán)的種類與特性。

2.氨基或酰胺基的極性要強(qiáng)于羥基或醚鍵，含有氨基或酰胺基結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑劑能夠在鉆具或井壁表面形成更為牢固的潤(rùn)滑膜。極壓潤(rùn)滑基團(tuán)硫、硼酸酯以及磷酸酯能夠在極壓條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的形式吸附于鉆具金屬表面，從而展現(xiàn)出抗磨減摩的潤(rùn)滑效果。

3.不同于氨基化合物，含氮雜環(huán)化合物相對(duì)極性較低，但是其結(jié)構(gòu)中氮原子上的孤對(duì)電子能夠有效地與金屬結(jié)合，從而牢固地吸附于金屬的表面，形成緩蝕潤(rùn)滑膜。另一方面，具有多個(gè)極性吸附基團(tuán)的潤(rùn)滑劑能夠在摩擦表面形成多吸附位點(diǎn)吸附，可以有效地增強(qiáng)潤(rùn)滑劑形成潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，采用含氮雜環(huán)化合物作為潤(rùn)滑劑的極性基團(tuán)，增強(qiáng)了潤(rùn)滑劑在鉆具金屬表面的吸附強(qiáng)度，減少潤(rùn)滑劑在鉆屑表面的吸附，降低了潤(rùn)滑劑損耗，同時(shí)，采用多吸附位點(diǎn)修飾的潤(rùn)滑劑，增強(qiáng)潤(rùn)滑劑與摩擦面的結(jié)合強(qiáng)度，也是目前鉆井液潤(rùn)滑劑的重要研究方向。