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兩親性碳點(diǎn)CDS表面活性劑濃度、膠束對(duì)硅酸鹽溶液潤(rùn)滑性能的影響（一）
來(lái)源： 鉆井液與完井液 瀏覽 318 次 發(fā)布時(shí)間:2024-10-18
近年來(lái)，隨著油氣鉆探領(lǐng)域的不斷開發(fā)拓展，頁(yè)巖氣層的井壁穩(wěn)定問(wèn)題引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，外來(lái)流體入侵導(dǎo)致黏土礦物的水化膨脹和分散是頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)的重要原因。油基鉆井液可極大程度地抑制頁(yè)巖水化，但成本高和環(huán)境污染嚴(yán)重，綜合考慮井壁穩(wěn)定性能、成本和環(huán)保3個(gè)方面，可引入與油基鉆井液防塌抑制性能相當(dāng)?shù)墓杷猁}水基鉆井液。其主處理劑硅酸鹽成本低且對(duì)環(huán)境友好，對(duì)泥頁(yè)巖地層具有較強(qiáng)的抑制和封堵能力。因此，硅酸鹽鉆井液被認(rèn)為是最有希望替代油基鉆井液的一種水基鉆井液體系。
研究證實(shí)，硅酸鹽具有優(yōu)異的膜效應(yīng)，能夠在金屬鉆具和井壁表面吸附成膜，但因硅酸聚集體的存在造成硅酸鹽鉆井液的潤(rùn)滑性能極差，甚至遠(yuǎn)低于其他常規(guī)水基鉆井液。此外，硅酸鹽水溶液呈強(qiáng)堿性，在地層溫度下，常規(guī)酯類和生物可降解植物油類潤(rùn)滑劑在高溫強(qiáng)堿性環(huán)境容易發(fā)生水解而失效，嚴(yán)重影響了潤(rùn)滑劑的使用效果。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在改善硅酸鹽鉆井液潤(rùn)滑性能方面做了大量嘗試，但能明顯改善該鉆井液體系潤(rùn)滑性的潤(rùn)滑劑在國(guó)內(nèi)外仍較少。
基于硅酸鹽鉆井液體系，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)相似（同時(shí)具備長(zhǎng)烷基鏈及帶羥基的親水頭基）的兩親性碳點(diǎn)（CDs）型表面活性劑和聚氧乙烯型表面活性劑的潤(rùn)滑性能，致力于找到一種適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤(rùn)滑劑，同時(shí)探究其潤(rùn)滑機(jī)理，為更好地解決硅酸鹽鉆井液在超深井、水平井鉆探中的高摩阻問(wèn)題提供理論指導(dǎo)和建議。
1.潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)
1.1潤(rùn)滑劑的理化性質(zhì)
兩親性碳點(diǎn)C8-CDs，C12-CDs均為實(shí)驗(yàn)室自制。以C8-CDs的合成為例，實(shí)驗(yàn)步驟如下：將一定質(zhì)量的檸檬酸和正辛胺加入三頸燒瓶中，并在油浴中于180℃加熱3 h，所得產(chǎn)物溶解在無(wú)水乙醇中，將上述乙醇溶液在10 000 r/min下離心15 min，除去不溶解物質(zhì)。減壓蒸餾除去乙醇后，將產(chǎn)物溶解于超純水中并用1 kDa透析膜透析12 h。最后，冷凍干燥透析膜內(nèi)產(chǎn)物，得到C8-CDs；同樣，C12-CDs合成具體步驟可參照文獻(xiàn)。
硅酸鈉（模數(shù)2.51，50.1°Bé），聚氧乙烯型表面活性劑OP-10、AEO-9、Tween 80（AR）。5種不同表面活性劑的理化性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)式見表1。其中，CMC為表面活性劑在水中的臨界膠束濃度，HLB為表面活性劑的親水親油平衡值。
表1 5種表面活性劑的理化性質(zhì)
1.2不同類型表面活性劑的潤(rùn)滑性能
將15 g的硅酸鈉加入到300 mL蒸餾水中充分溶解配制成5%硅酸鈉水溶液，pH值為11.6，將一定量的兩親性碳點(diǎn)和聚氧乙烯型表面活性劑溶解于該水溶液中，使用美國(guó)Fann公司EP極壓潤(rùn)滑儀在室溫下測(cè)定不同溶液的潤(rùn)滑系數(shù)。測(cè)試步驟參照中國(guó)石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHCG 4-2011《水基鉆井液用潤(rùn)滑劑技術(shù)要求》，計(jì)算潤(rùn)滑劑的極壓潤(rùn)滑系數(shù)K和潤(rùn)滑系數(shù)降低率RK。對(duì)兩親性碳點(diǎn)型和聚氧乙烯型表面活性劑的硅酸鈉水溶液在110℃，16 h熱滾前后的潤(rùn)滑性能進(jìn)行對(duì)比分析見表2，表面活性劑質(zhì)量濃度均為0.3%。
表2不同潤(rùn)滑劑的硅酸鈉水溶液在110℃熱滾16 h前后的潤(rùn)滑系數(shù)
由表2可知，C12-CDs具有優(yōu)異的潤(rùn)滑效果，可顯著改善硅酸鹽水溶液的潤(rùn)滑性能，將潤(rùn)滑系數(shù)從0.521降低至0.065，潤(rùn)滑系數(shù)降低率高達(dá)87.52%，經(jīng)高溫老化后其潤(rùn)滑系數(shù)進(jìn)一步降低，表明C12-CDs能夠耐高溫耐強(qiáng)堿，與硅酸鹽配伍性良好，而碳鏈相對(duì)較短的C8-CDs對(duì)硅酸鹽水溶液并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的潤(rùn)滑效果。
此外，其他3種聚氧乙烯型表面活性劑熱滾前后在硅酸鈉溶液中的潤(rùn)滑系數(shù)均在0.500左右，無(wú)潤(rùn)滑效果。5種表面活性劑HLB相近，結(jié)構(gòu)相似，均具有長(zhǎng)疏水鏈和帶羥基的親水頭基，但對(duì)硅酸鈉的潤(rùn)滑效果存在明顯差異，兩親性碳點(diǎn)的碳核及其表面的多羥基結(jié)構(gòu)是發(fā)揮潤(rùn)滑效果的關(guān)鍵。
1.3表面活性劑濃度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響
表面活性劑濃度是影響體系潤(rùn)滑性能的重要原因之一。單一濃度無(wú)法全面系統(tǒng)地評(píng)價(jià)表面活性劑的潤(rùn)滑性能，因此，進(jìn)一步探究表面活性劑濃度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，測(cè)定了不同濃度的5種表面活性劑在硅酸鈉水溶液中的潤(rùn)滑系數(shù)，如圖1所示。
圖1表面活性劑濃度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響
由圖1可知，在較寬的濃度范圍下，3種聚氧乙烯型表面活性劑對(duì)硅酸鈉均無(wú)潤(rùn)滑作用。而兩親性碳點(diǎn)的潤(rùn)滑性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的濃度依賴性，潤(rùn)滑系數(shù)隨濃度增大而顯著降低，潤(rùn)滑系數(shù)曲線先降低后基本保持不變，直線拐點(diǎn)處為臨界潤(rùn)滑濃度。
雖然C12-CDS與C8-CDs潤(rùn)滑系數(shù)隨濃度變化的趨勢(shì)一致，但后者臨界潤(rùn)滑濃度是前者的十倍左右，碳鏈更長(zhǎng)的C12-CDS濃度為0.2%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)即達(dá)到0.100以下，而C8-CDs在該濃度下潤(rùn)滑系數(shù)仍為0.500，直到濃度增加為2%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)才顯著降低，但總體上其最佳潤(rùn)滑效果仍不及C12-CDS。因此，兩親性碳點(diǎn)的烷基鏈長(zhǎng)度對(duì)潤(rùn)滑性能具有顯著影響，即烷基鏈越長(zhǎng)，潤(rùn)滑效果越好。同時(shí)C12-CDS的濃度僅為0.2%時(shí)即達(dá)到良好的潤(rùn)滑效果，體現(xiàn)了C12-CDS作為硅酸鹽體系潤(rùn)滑劑的高效性。
1.4兩親性碳點(diǎn)膠束對(duì)潤(rùn)滑性能的影響
C12-CDS和C8-CDs的潤(rùn)滑效果存在明顯差異，兩者疏水烷基鏈長(zhǎng)度不同，而烷基鏈長(zhǎng)度可影響表面活性劑的表界面活性以及膠束的形成，推測(cè)是CDs形成的膠束在潤(rùn)滑過(guò)程中發(fā)揮作用，由此進(jìn)一步探究CDs的膠束對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，圖2是CDs的硅酸鈉溶液潤(rùn)滑系數(shù)與2種CDS各自的CMC倍數(shù)的關(guān)系曲線。
圖2 CDs膠束對(duì)潤(rùn)滑性能的影響
由圖2可知，在10倍CMC濃度下，C12-CDS可將硅酸鈉水溶液的潤(rùn)滑系數(shù)顯著降低到0.1以下，達(dá)到曲線的平臺(tái)值，而短鏈的C8-CDs在其20倍的CMC濃度下僅降低至0.15左右。由表1可知，C8-CDs的疏水尾鏈比C12-CDS少4個(gè)烷基鏈長(zhǎng)度，其CMC是C12-CDS的5倍，因此，C12-CDS比C8-CDs具有更高的表面活性，形成膠束的能力更強(qiáng)，且烷基鏈越長(zhǎng)濃度越高，對(duì)應(yīng)形成的膠束尺寸也更大，更大更多的膠束牢固地吸附在兩摩擦面，因此形成的中間潤(rùn)滑膜越厚，證實(shí)是CDs膠束的存在促進(jìn)吸附從而隔絕兩摩擦面，發(fā)揮了潤(rùn)滑作用。這與文獻(xiàn)中的表面活性劑膠束可吸附在固體表面形成憎水層的結(jié)果一致，但需要達(dá)到一定的濃度才能形成膠束及其潤(rùn)滑膜。分析表明，CDs烷基鏈長(zhǎng)度的不同導(dǎo)致2種表面活性劑膠束化行為的差異，膠束的大小和數(shù)量影響其潤(rùn)滑效果。