噻唑類緩蝕潤滑劑研制及其對氯化鉀聚合物鉆井液性能的影響

曾 佳， 由福昌， 李 杰， 呂季隆， 周書勝

1荊州學院 2長江大學 3荊州嘉華科技有限公司 4中國石油長慶油田分公司頁巖油產能建設項目組 5中國石油長慶油田分公司第十一采油廠

0 引言

氯化鉀聚合物鉆井液(以下簡稱：PF-PLUS/KCl鉆井液)具有強抑制性、良好的造壁性和剪切稀釋性，且滿足環境友好性的要求，因此廣泛運用在各類鉆井平臺[1- 3]。該鉆井液中KCl含量高，可有效地抑制井壁巖石吸水膨脹以及鉆屑水化分散[4]，其中Cl-會增強金屬表面電子的運輸，且穿透能力強[5]，使鉆具、套管等產生小蝕坑。另外，PF-PLUS/KCl鉆井液中KCl使其潤滑性變差，增大了鉆具與井眼之間的摩阻，縮短金屬使用壽命[6]。為了延長金屬設備的使用壽命，筆者合成一種噻唑類緩蝕潤滑劑(以下簡稱：ZJ),噻唑雜環化合物與Fe原子生成穩定的配合物或螯合物[7]，可阻止腐蝕進一步發生，起到緩蝕作用；而分子中帶有的N、S等原子可在金屬表面形成致密的有機吸附膜(潤滑膜)，降低金屬表面、鉆具與井壁的接觸面積，起到潤滑作用[8- 9]。采用失重法、電化學方法、極壓潤滑儀等研究了該緩蝕潤滑劑在PF-PLUS/KCl鉆井液中對N80鋼的緩蝕性能以及PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑性能，并成功在南海珠江口盆地大位移井進行了現場應用。

1 試驗部分

1.1 鉆井液體系

模擬現場PF-PLUS/KCl鉆井液配方：400 mL海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.2%PF-XC-H+0.3%PF-PLUS+10%NaCl+5%KCl+2%FLOTROL+0.4%PAC-LV+0.3%PF-VIS+重晶石加重至密度1.2 g/cm3。

1.2 ZJ的合成

在裝有溫度計、冷凝管、攪拌器的三口燒瓶中，以無水乙醇作溶劑，依次加入一定摩爾比的2-氨基噻唑、苯乙酮和苯甲醛，采用濃鹽酸調節pH值至3～4，升溫至70～80 ℃下反應6～8 h，完成曼尼希反應，最后加入氯乙酸鈉對其進行季銨化反應，攪拌回流，反應6～8 h后，除去溶劑得到初產品，采用苯溶劑進行重結晶提純，真空干燥后得最終產物，即緩蝕潤滑劑ZJ。

1.3 失重法測試鉆井液腐蝕性能

按照標準SY/T5273—2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》，采用失重法測定鋼片在PF-PLUS/KCl鉆井液中的腐蝕速率。試驗步驟為：將鋼片放入裝有一定濃度ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的廣口瓶中密封，在指定溫度條件下浸泡168 h，計算腐蝕速率和緩蝕效率。

1.4 電化學法測試鉆井液腐蝕性能

電化學法測試采用CHI660電化學工作站的三電極體系測量PF-PLUS/KCl鉆井液的極化曲線[10]。自制N80鋼工作電極，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，試驗溫度為40 ℃，極化曲線掃描范圍為-300～-600 mV(相對開路電位)，電位掃描速率為5 mV/s。

1.5 極壓潤滑儀測試鉆井液潤滑系數

按照標準SY/T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》中潤滑系數降低率的評價方法，采用EP極壓潤滑儀測定PF-PLUS/KCl鉆井液和PF-PLUS/KCl鉆井液加ZJ后的潤滑系數。試驗步驟為：EP極壓潤滑儀預熱20 min后測試1.03 MPa下蒸餾水的摩阻系數D水和鉆井液的摩阻系數D鉆井液。每測一個樣品時應用蒸餾水校準一次，蒸餾水的摩阻系數在28～38，否則應繼續磨合[11]，計算潤滑系數K和潤滑系數降低率RK。

2 結果與討論

2.1 產物結構表征

從圖1中可以看出，噻唑五元環上含有C=N，在1 520.38 cm-1處為C=N的伸縮振動峰；694.26 cm-1處出現的峰為C-S鍵的伸縮振動峰；3 010.2 cm-1處為=C-H結構中的C-H伸縮振動峰；在3 342.12 cm-1和1 493.66 cm-1處出現的中等強度吸收峰分別為仲胺伸縮振動和彎曲振動吸收峰；1 615.61 cm-1處出現苯環的骨架振動吸收峰; 在778.39 cm-1、721.74 cm-1處有苯環彎曲振動雙峰；1 747.15 cm-1處左右出現季銨鹽上—CH2COO—中C=O的特征峰。以上分析表明，合成產物即為目標產物。

圖1 ZJ的紅外光譜圖

2.2 加量對腐蝕速率的影響

將盛裝加有不同濃度梯度(0、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%)ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的容器全部放置于溫度設置為40 ℃的恒溫鼓風干燥箱中，掛片168 h后取出試片N80鋼，處理后得出腐蝕速率見表1。

表1 不同濃度的ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的緩蝕能力

從表1可知，隨著ZJ濃度的增加使得N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液中的腐蝕速率逐漸降低，當ZJ的加量達到了整個體系的2.0%時，這時N80鋼的腐蝕速率約為0.01 mm/a，其緩蝕效率為70.11%。當ZJ的加量達到了整個腐蝕體系的3.0%時，此時N80腐蝕速率約為0.009 5 mm/a,這時的腐蝕速率下降并不明顯，原因為當ZJ加量超過2.0%后，N80鋼表面吸附ZJ分子達到飽和狀態。

2.3 溫度對腐蝕速率的影響

考察不同溫度條件下PF-PLUS/KCl鉆井液對N80鋼腐蝕速率的影響，試驗時間為168 h，見表2。

從表2可知，隨溫度的升高，N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液體系中的腐蝕速率逐漸增大，腐蝕程度加劇，體系溫度為150 ℃時，其腐蝕速率為 0.103 5 mm/a(大于 0.076 mm/a)，難以滿足工程要求[12]，加入2% ZJ后，其腐蝕速率僅為 0.051 mm/a，ZJ對N80鋼的緩蝕效率超過50%，表明ZJ在溫度較高的情況下仍能發揮出優異的緩蝕性能。

表2 不同溫度下ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的緩蝕性能

2.4 緩蝕性能機理分析

緩蝕性能機理可通過量子化學計算、分子動力學模擬、交流阻抗法和極化曲線法進行研究，本文采用極化曲線測試不同濃度下ZJ的緩蝕效果。對N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液體系中腐蝕過程的電化學行為進行測試。測試溫度為40 ℃，ZJ濃度分別為0、0.5 %、1.0%、2.0%、3.0%，以極化電位E為橫坐標、極化電流密度的對數lg|I|為縱坐標進行作圖，其極化曲線見圖2，相關電化學參數見表3。

圖2 PF-PLUS/KCl鉆井液中緩蝕潤滑劑ZJ不同加量下N80的極化曲線

從圖2、表3可知，隨著ZJ濃度的增大，使陰、陽極極化曲線均向低電流方向移動，腐蝕電流密度顯著降低，表明ZJ對金屬的陽極溶解和陰極析氫均具有阻礙作用[13]。對照空白組，加入ZJ后，N80鋼自腐蝕電位負向移動，表明ZJ屬于陰極抑制型緩蝕劑。隨著ZJ加量增大，N80鋼腐蝕速率逐漸降低，與失重法得出的結論一致。

表3 PF-PLUS/KCl鉆井液中ZJ不同加量下N80鋼的極化曲線電化學參數

2.5 加量對潤滑性能的影響

研究不同加量的ZJ對PF-PLUS/KCl鉆井液潤滑性的影響，測試溫度為40 ℃，在極壓潤滑儀加壓1.03 MPa穩定5 min后讀數，其結果見表4。對比性能較優的常用鉆井液潤滑劑PF-LUBE、LUB167、RT101，并測試了三種鉆井液潤滑劑對PF-PLUS/KCl鉆井液的影響。其結果見表5。

表4 ZJ加量對PF-PLUS/KCl鉆井液潤滑性能的影響

表5 不同潤滑劑對PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑性能與腐蝕性能的影響

從表4可知，隨著ZJ用量增加，PF-PLUS/KCl鉆井液的極壓潤滑系數逐漸下降，加入2%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑系數僅為0.07，其潤滑性能方面與油基鉆井液(潤滑系數0.05～0.1)相當，表明ZJ具有較好的潤滑能力，其原因為ZJ可穩定地吸附鋼珠在磨輪上，降低金屬之間的接觸面積，達到極壓潤滑的作用[14]。從表5可知，2%ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中表現出的潤滑性均優于相同加量條件下的其他三種潤滑劑，PF-LUBE、RT101對N80腐蝕反應的抑制作用并不明顯，LUB167潤滑劑反而促進了N80腐蝕反應。試驗表明，ZJ能有效地解決腐蝕和潤滑問題。

2.6 溫度對潤滑性能的影響

在不同溫度條件下熱滾16 h，研究不同熱滾溫度對加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液性能的影響，數據見表6。

表6 ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的抗溫性能

從表6可知，加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液在不同溫度下熱滾后，鉆井液的各性能(塑性黏度、動切力、Φ6/Φ3等)變化很小，ZJ與PF-PLUS/KCl鉆井液有良好的配伍性。隨著熱滾溫度的升高，PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑系數呈上升趨勢，但150 ℃、16 h熱滾后PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑系數仍小于0.1，表明ZJ具有良好的抗溫性能。

3 現場應用

2020年3月17日， PF-PLUS/KCl鉆井液應用于南海珠江口盆地大位移井X-1、X-2井?311.15 mm、?234.95 mm井段，其中X-2井鉆進過程中，PF-PLUS/KCl鉆井液加入1.0%～1.5%ZJ，對比X-1井、X-2井相同井段的扭矩、機械鉆速、鉆具腐蝕速率(采用腐蝕環法，參照SY/T5390—1991標準《鉆井液腐蝕性能檢測方法鉆桿腐蝕環法》)，數據見表7。

表7 緩蝕潤滑劑ZJ應用效果

從表7可知，PF-PLUS/KCl鉆井液中加入ZJ后，可有效地降低鉆具的腐蝕速率，且使鉆進中的平均扭矩明顯降低，提高了鉆井時效，有利于井壁穩定。X-2井鉆進過程中，未出現憋扭矩、起下鉆困難、倒劃眼困難等復雜情況，ZJ現場應用取得了良好的效果。

4 結論

(1)含2%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液對N80腐蝕速率僅為0.0107 mm/a，其緩蝕率高于70%，緩蝕機理為：ZJ可自發吸附在N80鋼表面，有效降低腐蝕介質與金屬表面的接觸面積，降低N80鋼的腐蝕速率，且ZJ屬于陰極抑制型緩蝕劑。

(2)2%ZJ的加入使PF-PLUS/KCl鉆井液的潤滑系數降低率超過50%，由于ZJ在金屬表面所形成致密的有機吸附膜(潤滑膜)，可有效降低金屬之間的接觸面積，起到抗腐蝕和磨損的作用。

(3)ZJ與PF-PLUS/KCl鉆井液有良好的配伍性，并成功在南海珠江口盆地大位移井進行了現場應用。PF-PLUS/KCl鉆井液中加入ZJ后，可有效地降低鉆具的腐蝕速率，且使鉆進中的平均扭矩明顯降低，提高了鉆井時效，有利于井壁穩定。