新型水基潤滑劑的合成與性能研究

＊張小平 陳磊* 賈俊

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 陜西 710018 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室 陜西 710018）

大多油藏蘊(yùn)藏在泥頁巖地層中，而泥頁巖地層具有吸水能力強(qiáng)和易滲透等特點(diǎn)，在水基鉆井液中容易水化分散成黏土礦物，從而在鉆井過程中易于吸附在PDC鉆頭表面，造成鉆具泥包和卡鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械鉆速下降和PDC鉆頭使用壽命降低，嚴(yán)重制約了鉆井效率[1-3]。當(dāng)前，PDC鉆頭泥包的首要解決方法就是處理好泥漿性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要從以下幾個(gè)方法解決PDC鉆頭泥包問題，即在鉆井液中加入聚合物以提高泥餅質(zhì)量、提高鉆井液抑制性以降低泥頁巖的水化分散程度、使用清潔劑清洗鉆頭以及添加潤滑劑預(yù)防鉆屑黏附鉆頭等[4-5]。在上述方法中，潤滑劑除了具有預(yù)防PDC鉆頭泥包以及延長鉆頭、鉆具等鉆井配件的使用壽命功能之外，還可以進(jìn)一步有效降低卡鉆、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜事故的發(fā)生率，因此在鉆井應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。然而，當(dāng)前PDC防泥包潤滑劑普遍為含硫、氯、磷等的油基體系，毒性偏大且難以降解，難以達(dá)到環(huán)保要求，而國外斯倫貝謝和哈里伯頓等公司所開發(fā)出極壓潤滑劑價(jià)格成本較高，對(duì)我國存在嚴(yán)重的技術(shù)封鎖[6-8]。因此，開發(fā)新型的水基潤滑劑以防止鉆屑黏附鉆頭并實(shí)現(xiàn)自清潔能力對(duì)于降低鉆井成本、提高鉆井效率，進(jìn)而推動(dòng)我國原油的增效增產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本文以親水性的丙烯酰胺、兩親性的α-烯基磺酸鈉以及多羥基位點(diǎn)的三羥乙基烯丙基氯化銨為功能單體，采用膠束共聚法合成了一種新型的水基潤滑劑，揭示了水基潤滑劑潤滑性能的影響因素和變化規(guī)律，并進(jìn)一步研究了其在現(xiàn)場漿中的防泥包效果和放大穩(wěn)定性能。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

丙烯酰胺（AM）、α-烯烴磺酸鈉（AOS），分析純；三羥乙基烯丙基氯化銨（TAC）、過硫酸銨（APS）、乙二胺四乙酸（EDTA），分析純；渤鉆土，工業(yè)級(jí)。

紅外光譜儀（Thermo 5700）；極壓潤滑儀（FANN 21200）；凝膠色譜儀（Waters PL-GPC50）；高溫滾子加熱爐（HTD-GL8）。

(2)水基潤滑劑的合成

將AM、TAC和AOS按照摩爾比溶解在水中配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的溶液，待攪拌分散均勻后，加入一定量的APS和EDTA，在水浴環(huán)境下通過機(jī)械攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后得到均勻透亮的淡黃色溶液即為水基潤滑劑。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

①水基潤滑劑的結(jié)構(gòu)

采用紅外光譜儀對(duì)水基潤滑劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用凝膠色譜儀對(duì)水基潤滑劑的分子量進(jìn)行表征。

②潤滑系數(shù)的測(cè)定

去離子水基漿（5.0%）的配置：取500mL去離子水，加入碳酸鈣1g、渤鉆土25g，在10000r/min下攪拌30min，密封養(yǎng)護(hù)24h以備用。

根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)表征Q/SY 17088-2016《鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》測(cè)定水基潤滑劑的潤滑系數(shù)。

③水基潤滑劑的防泥包性能

將現(xiàn)場漿及模擬鉆頭（鎢鋼棒）放入老化罐，利用滾子加熱爐熱滾，模擬鎢鋼棒在水基潤滑劑存在下的防泥包性能。其中熱滾溫度為60℃，熱滾時(shí)間為30min。

2.結(jié)果與討論

(1)水基潤滑劑合成條件的優(yōu)化

①單體配比

將單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為30%，研究AM、TAC和AOS的摩爾比例對(duì)所得到的水基潤滑劑的潤滑性能的影響。其中引發(fā)劑的加量為單體摩爾比的0.05%，聚合時(shí)間為3h，反應(yīng)溫度為75℃。如圖1所示，當(dāng)TAC的濃度增大時(shí)，水基潤滑劑在渤鉆土中的潤滑系數(shù)降低率從42.3%降低到4.9%，表明過多的TAC不利于潤滑系數(shù)降低率的提高，這很有可能是TAC的量過多導(dǎo)致分子間的靜電排斥作用增大，從而不利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)AOS的濃度增大時(shí)，水基潤滑劑在渤鉆土中的潤滑系數(shù)降低率呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，最大的潤滑系數(shù)降低率為45.0%，這說明AM、TAC和AOS合適的摩爾比例可以實(shí)現(xiàn)水基潤滑劑在鉆具表面的最強(qiáng)吸附。當(dāng)繼續(xù)增大AOS用量時(shí)，潤滑系數(shù)基本上沒有變化。因此，以AM、TAC和AOS的摩爾比為1:1:6作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的研究配比。

圖1 AM、TAC和AOS的摩爾比對(duì)潤滑系數(shù)降低率的影響

②引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖2所示，隨著引發(fā)劑加量從0.05%增大到0.3%，水基潤滑劑在渤鉆土中的潤滑系數(shù)降低率顯著增大。APS加量的增大會(huì)使得水基潤滑劑中高分子鏈段長度的減小，這說明分子量的降低有利于潤滑系數(shù)降低率的提高，這是因?yàn)榉肿恿康偷臐櫥瑒┑姆肿渔溸\(yùn)動(dòng)阻力小，更容易與金屬表面形成穩(wěn)定的相互作用。然而，當(dāng)引發(fā)劑加量繼續(xù)增大至7.0%，潤滑系數(shù)降低率持續(xù)降低，這很有可能是引發(fā)劑的過量不利于形成足夠長度的高分子鏈段，從而無法使得高分子表面的極性基團(tuán)與金屬表面的結(jié)合發(fā)揮協(xié)同增強(qiáng)作用。因此，在AM、TAC和AOS三元共聚反應(yīng)中，APS的最佳加量為單體摩爾比的0.3%。

圖2 引發(fā)劑APS加量對(duì)潤滑系數(shù)降低率的影響

③聚合時(shí)間

如圖3所示，隨著聚合時(shí)間從2h增大到3h，潤滑系數(shù)降低率從66.7%增大到72.0%，這說明足夠長的反應(yīng)時(shí)間可使得聚合反應(yīng)得到了分子量可控的水基潤滑劑。然而，繼續(xù)延長聚合時(shí)間，潤滑系數(shù)降低率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。較長的聚合時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致長鏈段的鏈自由基的碰撞，使得偶合中止的概率增大。如前所述，分子鏈段過長會(huì)導(dǎo)致潤滑劑分子鏈段的卷曲，不利于分子鏈的舒展，從而也不利于潤滑系數(shù)降低率的提高。由此可見，AM、TAC和AOS的最佳的聚合時(shí)間為3h。

圖3 聚合時(shí)間對(duì)潤滑系數(shù)降低率的影響

④最佳反應(yīng)條件的可重復(fù)性

為了進(jìn)一步證實(shí)水基潤滑劑的最佳反應(yīng)條件的可重復(fù)性，進(jìn)行了三次重復(fù)聚合實(shí)驗(yàn)。在渤鉆土中測(cè)定三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得到的水基潤滑劑的潤滑系數(shù)降低率分別為70.6%、71.5%、69.2%，潤滑系數(shù)降低率的平均值為70.4%，誤差范圍為±1.1%，這說明AM、TAC和AOS在該反應(yīng)條件下的三元膠束共聚具有較好的穩(wěn)定性。聚合體系的穩(wěn)定性對(duì)于后期進(jìn)一步實(shí)施放大應(yīng)用具有十分重要的意義。

⑤放大實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性

為了進(jìn)一步證實(shí)水基潤滑劑具有放大應(yīng)用潛力，采用1000mL的機(jī)械攪拌體系代替100mL的磁力攪拌，對(duì)上述水基潤滑劑的合成進(jìn)行了五次重復(fù)聚合實(shí)驗(yàn)。所得到的五種水基潤滑劑在渤鉆土中的潤滑系數(shù)降低率分別為73.7%、73.1%、73.7%、70.8%、71.2%，其平均值為72.5%，誤差范圍為±1.2%，該潤滑系數(shù)降低率與非放大體系的數(shù)值相接近，表明AM、TAC和AOS的三元膠束共聚反應(yīng)在進(jìn)行放大反應(yīng)時(shí)的穩(wěn)定性較好。此外，磁力攪拌與機(jī)械攪拌對(duì)水基潤滑劑的潤滑性能影響不大，這說明AM、TAC和AOS的三元膠束共聚反應(yīng)的穩(wěn)定性較好，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

(2)水基潤滑劑的防泥包性能

在未加水基潤滑劑的現(xiàn)場漿中，熱滾后鎢鋼棒表面的黏土吸附量為19.5g。當(dāng)分別加入1.0%和2.0%的水基潤滑劑后，熱滾后鎢鋼棒表面的黏土吸附量分別降低至6.8g和3.7g，說明水基潤滑劑具有顯著的防泥包效果，這主要?dú)w功于水基潤滑劑在現(xiàn)場漿中的分散提高了潤滑性能，削弱了現(xiàn)場漿在鎢鋼棒表面的吸附能力。圖4為未加水基潤滑劑的現(xiàn)場漿和加入水基潤滑劑的現(xiàn)場漿的泥包效果圖。從圖中可以直觀的看出，水基潤滑劑具有較好的防泥包性能，且水基潤滑劑的防泥包性能具有典型的濃度依賴性。

圖4 不同加量的水基潤滑劑的防泥包性能

3.結(jié)論

本文以丙烯酰胺、α-烯烴磺酸鈉、三羥乙基烯丙基氯化銨為功能單體，采用三元膠束共聚合成了新型的水基潤滑劑，并評(píng)價(jià)了其以防泥包性能。結(jié)論如下：

（1）水基潤滑劑的最佳合成條件為：丙烯酰胺、α-烯烴磺酸鈉、三羥乙基烯丙基氯化銨的摩爾比例為1:1:6，引發(fā)劑過硫酸銨的加量為單體摩爾比的0.3%，最佳的聚合時(shí)間為3h。

（2）水基潤滑劑的分子量分布范圍為457～2876，是一種典型的低分子量的聚合物，這有利于水基潤滑劑中的分子鏈段的自由伸展及其在鉆具表面的穩(wěn)定吸附。

（3）水基潤滑劑的合成條件具有較好的可重復(fù)性，在渤鉆土中的潤滑系數(shù)降低率可以達(dá)到70%以上。在現(xiàn)場漿應(yīng)用中，水基潤滑劑具有良好的防泥包性能，在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。