于洪江，張美畫，杜春保，高明慧，常紫汐

（西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065）

引 言

隨著油氣資源勘探過程中鉆探地層深度的不斷增加，鉆探遇到的地層復(fù)雜程度加大，深井、水平井、大位移井、小眼井等特殊井位逐漸增多，時常鉆遇泥頁巖易水化地層，引起鉆具泥包，誘發(fā)眾多問題［1-2］。目前主要采取添加混油或增加油基潤滑劑投放量的方法［2-3］，油起到了涂層的作用，可在鉆頭表面形成油膜，來防止鉆頭泥包，延長鉆井配件的使用壽命，但殘留油易給環(huán)境帶來污染［4-5］。

分子烴鏈不帶支鏈且有足夠長的雙親結(jié)構(gòu)的陰離子表活劑，其極性基團(tuán)含有的S、N、O等活性元素可通過配位吸附在鉆具表面形成極壓吸附膜，非極性基團(tuán)朝外，在鋼鐵表面形成致密油膜，從而提高摩擦表面的潤滑性，并防止鉆頭泥包，同時可減緩腐蝕［6-9］；較大的吸附基團(tuán)密度，可提高其與黏土顆粒間的吸附能力，并在黏土表面形成水化膜，增加黏土的分散力［10］。本文在磺酸鹽表面活性劑中引入具有強吸附基團(tuán)的多羥基、氨基、酰胺基和季銨型陽離子，制備了具有雙親結(jié)構(gòu)的多吸附位點的低分子聚合物型防泥包潤滑劑FNBJ。研究了FNBJ的潤滑性能、耐溫性能、防泥包性能及緩蝕性能，并對其進(jìn)行機理分析。

1 實驗部分

1．1 實驗藥品及儀器

鈣基膨潤土（工業(yè)品，安丘膨潤土廠）、FNBJ（實驗室自制）、無水碳酸鈉（分析純，天津市紅巖化學(xué)試劑廠）、N80鋼片。

數(shù)顯式高速攪拌機（GJ-3C，青島宏祥石油機械制造有限公司）、數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計（ZNN-D12，青島宏祥石油機械制造有限公司）、多聯(lián)中壓濾失儀（SD，青島海通達(dá)專用儀器廠）、變頻高溫滾子加熱爐（GW300，青島同春石油儀器郵箱公司）、極壓潤滑儀（EP-B，青島石油設(shè)備股份有限公司）、接觸角測量儀（上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）、全自動表面張力儀（美國Thermo Fisher Scientific）、XPS光電子能譜儀（英國Kratos）。

1．2 FNBJ的制備

在裝有攪拌回流裝置的三口燒瓶中加入適量丙烯酰胺、對苯乙烯磺酸鈉及實驗室自制三羥乙基烯丙基氯化銨溶液，勻速攪拌至溶解，并水浴加熱至70℃后滴加適量的引發(fā)劑過硫酸銨，恒溫攪拌9 h，通過控制單因素變量由潤滑系數(shù)降低率確定最佳反應(yīng)條件，從而得到防泥包潤滑劑FNBJ產(chǎn)品。

1．3 基漿制備與性能測試

1．3．1 基漿的制備

取500 mL蒸餾水于攪拌杯中，加入25．0 g鉆井液專用膨潤土和1．0 g無水碳酸鈉，在高速攪拌機中攪拌1 h，并密封在玻璃容器中老化24 h后備用。

1．3．2 潤滑性能評價

根據(jù)SY／T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》標(biāo)準(zhǔn)［11］，采用極壓潤滑儀對鉆井液的潤滑性能進(jìn)行測定。

1．3．3 耐溫性能測定

采用高溫滾子爐熱滾，并根據(jù) SY／T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》標(biāo)準(zhǔn)［11］，對鉆井液體系的流變性、濾失量及潤滑性進(jìn)行測定。

1．3．4 防泥包性能測定

將現(xiàn)場漿及模擬鉆頭（鋼棒）放入老化罐中，利用滾子加熱爐，在60℃下熱滾30 min后觀察模擬鉆頭的泥包情況，并通過稱量鋼柱表面泥包黏土的質(zhì)量評價FNBJ的防泥包性能。

1．3．5 緩蝕性能測定

根據(jù)SY／T 5273—2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》標(biāo)準(zhǔn)［12］，通過靜態(tài)掛片模擬實驗研究FNBJ的緩蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2．1 FNBJ的潤滑性評價

在5．0%的鈣土基漿中加入0．5%的水基防泥包潤滑劑FNBJ，并與油田現(xiàn)場用油基潤滑劑Ultrafree及838進(jìn)行摩阻系數(shù)對比分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 基漿中加入FNBJ、Ultrafree及838后的摩阻系數(shù)對比Fig．1 Com parison of friction coefficients after adding lubricant FNBJ，ultrafree and 838 separately to base slurry

室溫下，加入防泥包劑后基漿的摩阻系數(shù)較空白基漿的摩阻系數(shù)明顯降低，而加入FNBJ的基漿，其摩阻系數(shù)低于一般油基Ultrafree及838的摩阻系數(shù)。這是因為Ultrafree及838在鉆頭表面的吸附能力（位點）有限，不易產(chǎn)生持久性的潤滑減阻效應(yīng)，而FNBJ的吸附基團(tuán)密度較大，具有多點吸附特性，F(xiàn)NBJ的親水基團(tuán)含有的S、N、O等活性元素可通過配位作用穩(wěn)定地吸附在鉆頭表面，形成致密油膜，提高鉆頭表面的潤滑性。另外FNBJ為水基潤滑劑，相較于Ultrafree和838等油基潤滑劑具有價格低廉、無污染等優(yōu)點。

2．2 FNBJ的耐溫性能評價

向老化好的基漿中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%、2．0%的FNBJ，在120℃、160℃和180℃下熱滾16 h，待基漿冷卻至室溫后，其表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、API濾失量（FLAPI）及摩阻系數(shù)的變化見表1。

表1 不同溫度下FNBJ對基漿流變性、濾失性及潤滑性的影響Tab．1 Effect of FNBJ on rheology，filtration and lubricity of base slurry at different tem peratures

由表1可知，隨著溫度升高，加入FNBJ后的基漿體系，其表觀黏度、塑性黏度、動切力變化不大，濾失量有所減小，說明FNBJ基本不影響鉆井液的流變性，同時還能降低濾失量。當(dāng)熱滾溫度為180℃時，加入FNBJ的基漿體系仍保持較好的潤滑性，潤滑系數(shù)降低率始終保持在80%以上。這是因為FNBJ的分子結(jié)構(gòu)中含有耐高溫的磺酸基，所以在高溫條件下其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，具有較好的潤滑性。

2．3 表面張力測定

不同濃度的FNBJ水溶液的表面張力變化如圖2所示。

圖2 不同濃度的FNBJ水溶液的表面張力曲線Fig．2 Relationship between surface tension and mass fraction of FNBJ aqueous solution

由圖2可知，隨著FNBJ質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增大到0．2%，其表面張力不斷降低。當(dāng)FNBJ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．09%時，表面張力為25．9mN／m。FNBJ具有較低的表面張力時，可在短時間內(nèi)潤濕鉆頭表面，將摩擦面由高能表面降為低能表面，阻止鉆屑和泥餅在鉆頭表面黏附［7］。此外，F(xiàn)NBJ較低的表面張力有利于降低頁巖孔隙對水的吸附，使鉆井液更容易進(jìn)入頁巖孔隙，減小持壓，防止壓力過大造成井噴［10］。

2．4 防泥包性能

模擬鉆頭（鋼棒）在不同鉆井液中的泥包質(zhì)量如圖3所示。

圖3 不同基漿對鋼柱表面泥包質(zhì)量的影響Fig．3 Comparison ofmass ofmud bags formed on the surface of steel column in different slurry

由圖3可知，熱滾后的空白基漿泥包非常嚴(yán)重，鋼柱表面泥包質(zhì)量達(dá)172．45 g，當(dāng)加入1．5%的FNBJ后，泥包黏土量為6．73 g，泥包降低率達(dá)96．1%，加入 3．0%FNBJ，泥包黏土量為 0．51 g，泥包降低率達(dá)99．7%，防泥包效果顯著。同時，由圖4可知，未加FNBJ的鋼柱經(jīng)熱滾后表面黏附一層厚而密的黏土，當(dāng)加入FNBJ后鋼柱表面黏土量顯著降低，故該防泥包潤滑劑FNBJ具有較好的預(yù)防泥包效果。

圖4 不同鉆井液中的泥包情況Fig．4 Mud bags formed in different drilling fluids

2．5 緩蝕性能評價

將N80鋼片分別置于含不同濃度FNBJ的4%蒙脫土懸浮液，并置于50℃、70℃、90℃的環(huán)境下，靜置72 h。通過失重法評價FNBJ的緩蝕性能，結(jié)果見表2。

由表2可知，加入FNBJ后，鋼片的腐蝕速率明顯降低。FNBJ的吸附基團(tuán)密度較大，且含有耐溫的磺酸基，通過多點吸附穩(wěn)定地吸附在鋼鐵表面，長鏈?zhǔn)杷蛲馀帕校纬芍旅芫徫g膜，減緩腐蝕。但當(dāng)FNBJ質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，緩蝕效果反而降低，這可能是因為FNBJ的濃度越大，吸附在鋼鐵表面上的FNBJ越多，其吸附速度大于排列速度，導(dǎo)致吸附膜分布不均勻。

表2 FNBJ緩蝕72 h評價Tab．2 Corrosion inhibition effect of FNBJ in 72 h

3 FNBJ吸附機理分析

3．1 接觸角測定

為揭示FNBJ的吸附機理，采用接觸角測量儀對潤滑劑在鋼片表面吸附前后的潤濕性能進(jìn)行測定，結(jié)果如圖5所示。

由于固體表面的潤濕性與潤滑劑分子在摩擦表面上形成吸附膜有關(guān)，所以可以通過測量液體在固體表面上的接觸角來評估潤濕性。由圖5可知，蒸餾水在空白鋼片表面的接觸角為76．0°，F(xiàn)NBJ水溶液在空白鋼片表面的接觸角為44．0°，蒸餾水在鋼片表面吸附FNBJ水溶液后形成的薄膜接觸角為103．8°。表明該潤滑處理劑相比于水優(yōu)先吸附在N80鋼片表面使得鋼片表面呈現(xiàn)疏水狀態(tài)。這是由于FNBJ的分子結(jié)構(gòu)中具有羥基、氨基等多種極性基團(tuán)，通過化學(xué)吸附及范德華力牢固地吸附在金屬表面。蒸餾水在被FNBJ水溶液浸泡后，鋼片表面的接觸角明顯大于在空白鋼片表面，實現(xiàn)了將鋼鐵表面的潤濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，增強黏土從鉆頭表面解吸［13-15］，防止鉆屑黏附在鉆頭和鉆具上發(fā)生泥包，提高鉆速。

圖5 防泥包潤滑劑FNBJ的潤濕性Fig．5 W ettability of antimud bag lubricant FNBJ

3．2 XPS光譜分析

采用XPS研究了鋼片表面吸附FNBJ前后的化學(xué)狀態(tài)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，金屬塊在沒有任何吸附時，F(xiàn)e2p3／2的結(jié)合能在707．2 eV和710．9 eV，表明鋼片表面的Fe的化學(xué)狀態(tài)為單質(zhì)Fe和Fe2O3，主要是由于未吸附FNBJ的金屬塊與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。而在鋼鐵表面吸附FNBJ后的金屬塊，其XPS譜圖發(fā)生明顯改變，F(xiàn)e2p3／2的結(jié)合能在711．2 eV出現(xiàn)了新峰，為單質(zhì)Fe與含孤對電子的N／O／S元素的配位結(jié)合，說明FNBJ在鋼鐵表面存在有效吸附。FNBJ首先通過靜電力及范德華力吸附在金屬表面，其次主要由于S、N、O等原子上的孤對電子與Fe原子的空軌道發(fā)生配位結(jié)合，引起FNBJ在鋼鐵表面發(fā)生化學(xué)吸附［10］。

4 結(jié) 論

（1）FNBJ可以提高潤滑性，具有較好的耐溫性，同時防泥包效果顯著，其泥包黏土量降低率達(dá)99．7%。

（2）FNBJ將金屬表面的潤濕性能從親水向親油方向轉(zhuǎn)變，在金屬表面形成一層致密的薄膜，降低表面對黏土顆粒的吸附性，有效防止泥包的產(chǎn)生，緩解了金屬表面的腐蝕速度。