環(huán)保強(qiáng)吸附水基潤(rùn)滑劑BM-1的研制與評(píng)價(jià)

管申，何淼，曹峰，許明標(biāo)，劉智勤，倪超武

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 3.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

隨著我國(guó)油氣鉆探工程鉆探深度的增加，高摩阻扭矩問(wèn)題已成為鉆井作業(yè)中面臨的主要工程難題之一。水基鉆井液經(jīng)濟(jì)環(huán)保、應(yīng)用廣泛，但其潤(rùn)滑性能明顯低于油基，如何有效改善其潤(rùn)滑性能是高效水基鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵[1-3]。

目前多數(shù)水基鉆井液應(yīng)用潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油為礦物油。礦物油由芳烴組成，經(jīng)濟(jì)環(huán)保性較差[4-7]。植物油毒性低、易降解、可再生，且其結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)能使?jié)櫥瑒┰谀Σ帘砻娴奈叫蕴岣遊8]。其中，蓖麻油相比其他植物油具有更優(yōu)良的潤(rùn)滑性和抗氧化性能[9]，宜作為潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油和添加劑。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究[10-13]，將蓖麻油進(jìn)行化學(xué)改性，加入到水基潤(rùn)滑液中，來(lái)改善潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)特性。但是，蓖麻油改性后的潤(rùn)滑劑在鉆井液方面的應(yīng)用研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文對(duì)蓖麻油進(jìn)行化學(xué)改性，合成了新型高效環(huán)保的水基潤(rùn)滑劑BM-1，對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 潤(rùn)滑劑BM-1的合成原理與方法

1.1 反應(yīng)原理

目前對(duì)植物油多采用酯交換反應(yīng)對(duì)植物油進(jìn)行改性，制得脂肪酸酯類(lèi)化合物，但其酯基極性弱，吸附能力較差。采用胺類(lèi)化合物改性油脂具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)氨基具有較強(qiáng)的親核性，相比酯交換其反應(yīng)的原料用量少，條件溫和；2)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；3)酰胺結(jié)構(gòu)顯著提高潤(rùn)滑劑極性基團(tuán)的吸附能力，進(jìn)而在摩擦表面形成牢固的化學(xué)吸附膜。

1.2 合成步驟

1)將蓖麻油溶于95%乙醇的溶液中，然后加入NaOH，加熱回流3 h，加入濃硫酸進(jìn)行酸化，分液，溫水洗3次，取油層用無(wú)水硫酸鎂干燥，過(guò)濾，得油狀產(chǎn)品蓖麻酸。

2)通入N2保護(hù)，開(kāi)啟攪拌器，在蓖麻酸中加入一定量的二乙醇胺，升溫至預(yù)定溫度，反應(yīng)一定時(shí)間，使蓖麻酸與部分二乙醇胺進(jìn)行反應(yīng)，以利于多生成酰胺單酯、酰胺雙酯。

3)降溫至預(yù)定溫度，加入NaOH作催化劑，然后加入剩余的二乙醇胺，氮?dú)獗Ｗo(hù)，反應(yīng)一定時(shí)間，即可得到潤(rùn)滑劑BM-1。

1.3 潤(rùn)滑系數(shù)的測(cè)定

將潤(rùn)滑劑BM-1加入到5%鈉基膨潤(rùn)土基漿中。使用EP擠壓潤(rùn)滑儀測(cè)試潤(rùn)滑劑BM-1的潤(rùn)滑性能，用潤(rùn)滑環(huán)和滑塊副模擬鉆柱與套管之間的摩擦，5 min后記錄扭矩結(jié)果。按下式計(jì)算極壓潤(rùn)滑系數(shù)。

(1)

(2)

式中：k0為測(cè)定的基漿極壓潤(rùn)滑系數(shù)的校正系數(shù)；kd為添加潤(rùn)滑劑后基漿的極壓潤(rùn)滑系數(shù)；kw為蒸餾水的極壓潤(rùn)滑系數(shù)；Rk為極壓潤(rùn)滑系數(shù)降低率，%；k1為空白基漿的極壓潤(rùn)滑系數(shù)。

2 潤(rùn)滑劑綜合性能評(píng)價(jià)

2.1 潤(rùn)滑系數(shù)

考察潤(rùn)滑劑BM-1加量對(duì)5%膨潤(rùn)土基漿潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 潤(rùn)滑劑BM-1加量對(duì)5%膨潤(rùn)土基漿潤(rùn)滑性能的影響老化條件為120 ℃、16 h

由圖1可知，潤(rùn)滑劑濃度對(duì)膨潤(rùn)土漿的潤(rùn)滑有顯著影響。隨著B(niǎo)M-1用量的增加，潤(rùn)滑系數(shù)急劇下降。隨著潤(rùn)滑劑濃度的增加，潤(rùn)滑系數(shù)逐漸降低。與老化前的系數(shù)相比，老化處理后的系數(shù)較低。在2%加量，老化前后的系數(shù)差異較小，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到83.3%。由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑劑BM-1可以顯著提高膨潤(rùn)土漿的潤(rùn)滑性，且高溫老化過(guò)程改善了膨潤(rùn)土基漿的潤(rùn)滑性能。

2.2 泥餅黏附系數(shù)

2%潤(rùn)滑劑BM-1對(duì)基漿泥餅黏附系數(shù)的影響如表1所示。由表1可以看出，潤(rùn)滑劑BM-1能夠顯著降低泥餅的黏附系數(shù)，降低率為68.1%，且老化后的降低效果可以達(dá)到70.2%。因此，潤(rùn)滑劑BM-1能夠大大降低泥餅的黏附系數(shù)，可以有效緩解鉆具接觸井壁時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力。

表1 加入潤(rùn)滑劑BM-1膨潤(rùn)土漿的泥餅黏附系數(shù)

2.3 潤(rùn)滑持續(xù)效果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑在鉆井初期潤(rùn)滑效果很好，摩阻扭矩下降。但是，幾天后潤(rùn)滑性能下降，摩阻扭矩增加，需要補(bǔ)充大量潤(rùn)滑劑，鉆井成本增加[14]。室內(nèi)使用EP極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間的潤(rùn)滑系數(shù)以及滑塊發(fā)熱情況來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的持續(xù)效果，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在不加潤(rùn)滑劑BM-1時(shí)，膨潤(rùn)土基漿和幾種體系鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，且滑塊也出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。當(dāng)加入3%的潤(rùn)滑劑后，各體系鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)顯著降低，且在極壓條件下摩擦30 min，潤(rùn)滑系數(shù)并未顯著增加。可見(jiàn)，BM-1可以顯著降低鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)，且潤(rùn)滑效果持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

表2 潤(rùn)滑劑極壓摩擦下不同時(shí)間的潤(rùn)滑系數(shù)

2.4 抗磨性能

使用KMY201-1A抗磨試驗(yàn)機(jī)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的抗磨性能，通過(guò)記錄所加砝碼數(shù)量來(lái)判斷鉆井液的抗磨性能。室內(nèi)評(píng)價(jià)不同加量的潤(rùn)滑劑BM-1對(duì)基漿抗磨性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，不加潤(rùn)滑劑的膨潤(rùn)土基漿最初的砝碼數(shù)只有4塊，隨著潤(rùn)滑劑的增加，砝碼數(shù)量隨之增加。當(dāng)潤(rùn)滑劑加量為3%時(shí)，抗磨試驗(yàn)機(jī)砝碼承載量達(dá)到最大值8塊，油基鉆井液抗磨砝碼的最大加量為9塊。因此，膨潤(rùn)土基漿+3%BM-1擁有接近于油基鉆井液的抗磨性能。

表3 潤(rùn)滑劑抗磨性能評(píng)價(jià)

2.5 起泡性

將2%的BM-1分別加入到5%的膨潤(rùn)土基漿、聚合物體系、硅酸鹽體系鉆井液中，評(píng)價(jià)其起泡性，如表4所示。當(dāng)加入2%的潤(rùn)滑劑后，膨潤(rùn)土漿和3類(lèi)鉆井液體系的起泡率較低，其中硅酸鹽體系起泡率最高，僅為5.7%，完全滿(mǎn)足Q/SH 15000031—2013標(biāo)準(zhǔn)中，起泡率≤10%的指標(biāo)。

表4 潤(rùn)滑劑起泡性能評(píng)價(jià)

2.6 與鉆井液體系的配伍性評(píng)價(jià)

將潤(rùn)滑劑BM-1分別加入到5%膨潤(rùn)土漿、密度為1.40 g/cm3的聚合物鉆井液、聚磺鉆井液、硅酸鹽鉆井液體系中，評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑與各種鉆井液體系的配伍性，結(jié)果如表5所示。由表5可知，3%的潤(rùn)滑劑BM-1加入到各個(gè)鉆井液體系中后，對(duì)鉆井液的流變性能影響較小，并在一定程度上降低了失水量，潤(rùn)滑系數(shù)與泥餅黏附系數(shù)大大降低。實(shí)驗(yàn)表明，潤(rùn)滑劑BM-1與各類(lèi)鉆井液的配伍性良好。

表5 潤(rùn)滑劑對(duì)不同鉆井液體系的性能影響

2.7 環(huán)保性

以BOD5/CODcr法測(cè)定潤(rùn)滑劑的生物降解性，結(jié)果見(jiàn)表6?？梢?jiàn)BM-1生物降解性>25%，屬于易降解物質(zhì)[15]。

表6 BM-1生物降解性

依據(jù)Q/SY 111—2007，測(cè)定該潤(rùn)滑劑BM-1的生物毒性EC50全值為67 400 mg/L，遠(yuǎn)大于排放標(biāo)準(zhǔn)30 000 mg/L，表明合成的潤(rùn)滑劑BM-1無(wú)生物毒性，屬環(huán)境友好型。

2.8 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.8.1 磨痕微觀

利用SU8000冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察抗磨實(shí)驗(yàn)后鋼球的磨痕形貌(見(jiàn)圖2)。由圖2可知，不加潤(rùn)滑劑的鋼球呈現(xiàn)了縱向不規(guī)則、長(zhǎng)短不一的磨痕。1%加量鋼球則呈現(xiàn)出了較為清晰的紋理，但縱壑仍深淺不一。而3%加量的鋼球呈現(xiàn)出光滑的磨痕，僅在縱向上顯示出摩擦較淺紋理?？梢?jiàn)，BM-1能夠有效降低金屬表面的摩擦力，提升抗磨性，降低摩阻。

圖2 不同加量潤(rùn)滑劑的鋼球微觀表征

2.8.2 泥餅微觀結(jié)構(gòu)

利用SEM對(duì)高溫高壓泥餅進(jìn)行觀察，如圖3所示。由圖3可以看出，未添加潤(rùn)滑劑的泥餅結(jié)構(gòu)中固相顆粒散亂，且充滿(mǎn)棱角，而添加了3%潤(rùn)滑劑的泥餅緊致，固體顆粒被緊密包裹住，呈圓球狀。潤(rùn)滑劑BM-1通過(guò)包裹泥餅中的固相顆粒，改變固相顆粒的外觀形態(tài)，從不規(guī)則形狀變?yōu)橐?guī)則的球形，改變鉆具與泥餅的摩擦方式，在泥餅表面形成“滾珠軸承”效應(yīng)，有效降低鉆具與泥餅間的摩擦阻力。

圖3 添加潤(rùn)滑劑前后泥餅的SEM照片

3 結(jié) 論

a.選用蓖麻油作為基礎(chǔ)油，用胺類(lèi)化合物進(jìn)行親水改性，引入酰胺基團(tuán)，制備了具有高效潤(rùn)滑、吸附性強(qiáng)、耐高溫、無(wú)生物毒性的水基鉆井液用新型潤(rùn)滑劑BM-1。

b.BM-1用量2%，可使膨潤(rùn)土基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)86.3%，泥餅黏附系數(shù)降低率達(dá)70.2%，且潤(rùn)滑持續(xù)效果明顯。BM-1與各類(lèi)鉆井液配伍性良好，對(duì)流變性基本沒(méi)影響，可有效降低潤(rùn)滑系數(shù)及泥餅黏附系數(shù)。BM-1生物降解性>25%，易降解，且生物毒性EC50值為67 400 mg/L，屬于環(huán)境友好型。

c.通過(guò)SEM觀察抗磨鋼球的磨痕，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑劑能夠顯著改善摩擦表面的粗糙度，有效降低金屬表面的摩擦力。通過(guò)高溫高壓泥餅微觀分析可知，BM-1通過(guò)包裹泥餅中的固相顆粒，改變固相顆粒的外觀形態(tài)，提高其球形度，在泥餅表面形成“滾珠軸承”效應(yīng)，有效降低了鉆具與泥餅間的摩阻。