郭海峰

（中海油服采辦共享中心，河北三河 065201）

頁巖油氣、致密油氣、凝析油氣等非常規(guī)油氣資源已成為國內(nèi)油氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，為了獲得更大的油氣滲流面積，常以水平井、分支井和大位移井等開發(fā)模式提質(zhì)增效[1-2]。然而長水平段井易增大井壁與鉆具的摩阻，降低了機(jī)械鉆速，嚴(yán)重時(shí)影響鉆井安全[3]。油基鉆井液具有良好的潤滑性能，但生物毒性、生物降解性和高成本限制了油基鉆井液在鉆井中的應(yīng)用[4]?，F(xiàn)場水基鉆井液常以膨潤土漿為基礎(chǔ)，起到增黏提切的效果，同時(shí)滿足抗高溫要求和降濾失效果。膨潤土惡化了水基鉆井液的潤滑性能[5]。高性能潤滑劑對水基鉆井液的潤滑性能影響甚大，要求潤滑劑分子在鉆具和井壁上形成一層致密的油膜，分子可通過范德華作用力、氫鍵以及配位鍵作用力等穩(wěn)定地吸附于金屬表面，起到抗溫、耐磨和潤滑作用[6-7]。水基鉆井液中常用的潤滑劑包括植物油、礦物油和乳液等，但此類潤滑劑在水溶液中的分散性能差，極壓抗磨性能差[8]。潤滑劑分子要求具備長直鏈，其碳原子個(gè)數(shù)在12～18 個(gè)，可提高油膜的致密性；另外，還要求潤滑劑分子含有極性較強(qiáng)的吸附基團(tuán)（如胺基、酰胺基、多羥基、羧基、酯基和醚基等）和極壓潤滑基團(tuán)（含硫、氯、磷等元素）[9]?；谝陨戏治觯鶕?jù)親核取代反應(yīng)和酯化反應(yīng)原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇為原料制備一種強(qiáng)吸附極壓潤滑劑RHJ-1，并在水基鉆井液中評價(jià)其性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與儀器

主要材料：2-氨基苯并噻唑、氯乙醇、正十八酸、石油醚、對甲苯磺酸（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；NaOH、Na2CO3、二甲基亞砜（DMSO）（分析純，上海麥克林生化有限公司）；潤滑劑（PF-BLUE）（工業(yè)級，中海油服化學(xué)有限公司）；流型調(diào)節(jié)劑（XC-HT）、降濾失劑（BI-FLO）、封堵劑（BI-SEAL）、膠體穩(wěn)定劑（STAGEL）（工業(yè)級，漢科新技術(shù)股份有限公司）；重晶石（工業(yè)級，貴州天柱鋇鹽有限公司）；鈉基膨潤土（工業(yè)級，山東濰坊信誠膨潤土有限公司）。

主要儀器：DHG-9140 微波化學(xué)合成儀（青島邁可威創(chuàng)新科技有限公司）；Nicolet iS5 型傅里葉紅外光譜儀（美國Thermo Fisher 有限公司）；Fann21200 極壓潤滑儀（美國Fann 公司）；DSA100 型接觸角測量儀（德國克魯斯公司）；MR-S10A 型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南辰達(dá)試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）；NF-2 型黏附系數(shù)測定儀（山東美科儀器有限公司）；XGRL 高溫滾子加熱爐（青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司）；ZNN-D6 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；SD3 型中壓失水儀（青島同春石油儀器有限公司）。

1.2 RHJ-1 的制備與表征

親核取代反應(yīng)：在裝有攪拌器和球形回流冷凝管的250 mL 燒瓶中，依次加入100 mL 水、1.5 g NaOH、15.0 g 2-氨基苯并噻唑和20.0 g 氯乙醇，攪拌均勻后，置于微波反應(yīng)器中，反應(yīng)溫度為75 ℃，攪拌條件下反應(yīng)1.5 h。通過減壓蒸餾除水和未反應(yīng)的原料，得到黏稠黃色液體產(chǎn)物。

酯化反應(yīng)：在上述含有黏稠黃色液體的250 mL 燒瓶中加入50.0 g 正十八酸混合，然后加入60 mL 石油醚和60 mL 二甲基亞砜（DMSO）作為溶劑，攪拌均勻后加入0.5 g 對甲苯磺酸作為催化劑，將上述燒瓶置于恒溫油浴鍋中，反應(yīng)溫度為120 ℃，攪拌條件下反應(yīng)24.0 h，并在反應(yīng)過程中充N2來防止副反應(yīng)發(fā)生。通過減壓蒸餾除水和未反應(yīng)的原料，得到黏稠深棕色液體產(chǎn)物，并通過Nicolet iS5 型傅里葉紅外光譜儀反射法分析RHJ-1 的結(jié)構(gòu)。

1.3 RHJ-1 的性能評價(jià)

1.3.1 極壓潤滑系數(shù)測試 按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價(jià)程序》中潤滑系數(shù)測試方法來評價(jià)RHJ-1 的潤滑性能，采用Fann21200 極壓潤滑儀在1 034 kPa 的壓力下測定含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數(shù)[10]。實(shí)驗(yàn)步驟：Fann21200 極壓潤滑儀預(yù)熱30 min 后測試1 034 kPa 下蒸餾水的摩阻系數(shù)D水和鉆井液的摩阻系數(shù)D鉆井液，按照式（1）計(jì)算含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數(shù)K。

式中：K-含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數(shù)，無量綱；D水-蒸餾水的摩阻系數(shù)，無量綱；D鉆井液-含有RHJ-1 的膨潤土基漿摩阻系數(shù)，無量綱。

1.3.2 濾餅黏附系數(shù)測定 將一定量的RHJ-1 加入到4% 膨潤土基漿中，高速攪拌均勻后，通過SD3 型中壓失水儀獲得API 濾餅，采用NF-2 型黏附系數(shù)測定儀測量不銹鋼圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需最小扭矩，并按照式（2）計(jì)算濾餅黏附系數(shù)。

式中：f-濾餅黏附系數(shù)，無量綱；M-發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的最小扭矩，N·m。

1.3.3 潤濕性能評價(jià) RHJ-1 分子吸附在金屬表面形成油膜，能改變金屬表面的潤濕性能。因此，采用DSA100 型接觸角測量儀評價(jià)RHJ-1 的疏水性能，疏水性能越強(qiáng)，則表明RHJ-1 形成的油膜越致密。實(shí)驗(yàn)步驟：將鋼片置于未含或含有2.0%RHJ-1 的水溶液中浸泡2.0 h，75 ℃烘干，測試蒸餾水與被處理鋼片的接觸角。

1.4 RHJ-1 對鉆井液性能的影響

1.4.1 RHJ-1 與鉆井液配伍性評價(jià) 水基鉆井液配方：3.0%鈉基膨潤土基漿+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.4% XC-HT+2.0%BI-FLO+2.0%BI-SEAL+0.5%STAGEL+重晶石（密度為1.4 g/cm3）。參考GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1 部分：水基鉆井液》規(guī)定的測試程序進(jìn)行鉆井液流變性和濾失量的測定。

1.4.2 潤滑抗磨性能評價(jià) 將未加和加入2.0%RHJ-1的水基鉆井液的潤滑抗磨效果通過MR-S10A 型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評價(jià)，分析RHJ-1 對水基鉆井液潤滑抗磨性能的影響。測試時(shí)間為60 min，測試速度為1 200 r/min，負(fù)荷為147 N。

2 結(jié)果與討論

2.1 RHJ-1 紅外光譜分析

RHJ-1 的結(jié)構(gòu)表征見圖1。從圖1 可知，噻唑五元環(huán)上含有C=N，1 485 cm-1附近出現(xiàn)噻唑五元環(huán)上C=N 伸縮振動(dòng)峰，在1 257 cm-1、695 cm-1附近出現(xiàn)噻唑五元環(huán)中的C-S 伸縮、彎曲振動(dòng)峰；在1 525 cm-1附近出現(xiàn)苯環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)峰，在810 cm-1附近出現(xiàn)苯環(huán)彎曲振動(dòng)峰；在1 700 cm-1附近出現(xiàn)中酯基的C=O 特征峰；2 915 cm-1、2 850 cm-1附近出現(xiàn)-CH2-中C-H 的不對稱伸縮與對稱伸縮振動(dòng)吸收峰；綜上分析，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖1 RHJ-1 的紅外光譜圖

2.2 極壓潤滑系數(shù)測試

在4%膨潤土基漿中分別加入不同濃度的RHJ-1，并以潤滑劑（PF-BLUE）作為比對樣，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖2。從圖2 可知，隨著RHJ-1 的加入，使膨潤土基漿的極壓潤滑系數(shù)顯著降低。當(dāng)RHJ-1、PF-BLUE 加量均為2.0%時(shí)，膨潤土基漿的極壓潤滑系數(shù)分別為0.09 和0.14，表明RHJ-1 的極壓潤滑性能優(yōu)于PF-BLUE，由于RHJ-1 分子中含有多個(gè)強(qiáng)吸附基團(tuán)，且含有噻唑雜環(huán)這樣的極壓潤滑基團(tuán)，能使RHJ-1 分子穩(wěn)定地吸附在金屬表面，可提高油膜的致密性，起到極壓潤滑的效果。

圖2 極壓潤滑系數(shù)分析

2.3 濾餅黏附系數(shù)測定

濾餅黏附系數(shù)數(shù)據(jù)見圖3。從圖3 可知，隨著RHJ-1 的加量逐漸增大，濾餅黏附系數(shù)隨之降低，當(dāng)RHJ-1 的加量為2.0%時(shí)，其濾餅黏附系數(shù)降低率為50%。鉆井過程中，由于大位移井的水平段較長，濾餅黏附系數(shù)較大時(shí)會增大鉆具泥包的風(fēng)險(xiǎn)以及影響鉆具與井壁的摩阻。RHJ-1 加入可以降低濾餅黏附系數(shù)，提高鉆井效果和降低鉆具泥包的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 濾餅黏附系數(shù)分析

2.4 潤濕性能評價(jià)

測試蒸餾水與被處理鋼片的接觸角見圖4。從圖4可知，隨著2.0%RHJ-1 的加入，使蒸餾水與被處理鋼片的接觸角顯著增大，表明RHJ-1 分子吸附在鋼片表面，改變了鋼片的潤濕性能，形成一層疏水油膜，有利于降低金屬與井壁的摩阻。

圖4 水滴鋼片的接觸角圖（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

2.5 RHJ-1 與鉆井液配伍性評價(jià)

將RHJ-1 加入上述水基鉆井液中，經(jīng)過120 ℃老化16.0 h，老化后流變性能、濾失量和極壓潤滑系數(shù)被測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。從表1 可知，RHJ-1 的加入對水基鉆井液流變性能和濾失性能影響較小，且降低水基鉆井液的潤滑系數(shù)，表明RHJ-1 與水基鉆井液具有良好的配伍性能。

表1 RHJ-1 對鉆井液性能的影響

（2）RHJ-1 對水基鉆井液流變性能和濾失性能影響較小，降低水基鉆井液的極壓潤滑系數(shù)，與水基鉆井液具有良好的配伍性能，且RHJ-1 具有良好的潤滑抗磨性能。

備注：流變性能測試溫度為50 ℃。

2.6 潤滑抗磨性能評價(jià)

將未加和加入2.0%RHJ-1 的水基鉆井液通過MR-S10A 型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)分析RHJ-1 對水基鉆井液潤滑抗磨性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5 可知，水基鉆井液中未加RHJ-1 時(shí)，鋼球的磨損直徑為1.014 mm；水基鉆井液中加入2.0%RHJ-1 時(shí)，鋼球的磨損直徑僅為0.482 mm，表明RHJ-1 具有良好的潤滑抗磨性能。

圖5 鋼球磨損形貌圖（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

3 結(jié)論

（1）基于親核取代反應(yīng)和酯化反應(yīng)原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇為原料制備一種強(qiáng)吸附極壓潤滑劑RHJ-1，能吸附在鋼片表面，改變了鋼片的潤濕性能，形成一層疏水油膜，起到極壓潤滑的效果。