水基鉆井液防泥包潤滑劑的性能評價與機理分析

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》標準［11］，采用極壓潤滑儀對鉆井液的潤滑性能進行測定。

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》標準［11］，對鉆井液體系的流變性、濾失量及潤滑性進行測定。

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》標準［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的吸附基團密度較大，具有多點吸附特性，F(xiàn)NBJ的親水基團含有的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)量分數(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)量分數(shù)從0增大到0．2%，其表面張力不斷降低。當FNBJ質(zhì)量分數(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重，鋼柱表面泥包質(zhì)量達172．45 g，當加入1．5%的FNBJ后，泥包黏土量為6．73 g，泥包降低率達96．1%，加入 3．0%FNBJ，泥包黏土量為 0．51 g，泥包降低率達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，長鏈疏水基向外排列，形成致密緩蝕膜，減緩腐蝕。但當FNBJ質(zhì)量分數(shù)達到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，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裕鰪婐ね翉你@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。