一種水基鉆井液超支化高分子潤滑添加劑

許 林 王 浪 許明標 吳舒琪 揭芳芳 許 力 孟 雙 包 宇

1.浙江海洋大學石油化工與環境學院 2. 貝爾法斯特女王大學化學化工學院 3. 長江大學石油工程學院 4. 重慶化工職業學院

0 引言

隨著能源形勢日趨嚴峻，頁巖氣資源的開發受到了廣泛重視。頁巖氣開發主要采用水平井方式，但受復雜地層、長水平段等因素影響，通常存在井壁失穩風險高、井眼清潔難、鉆具摩阻大和地層污染等問題，因此對配套鉆井液體系提出了更高要求[1-3]。油基鉆井液以其良好防塌效果、熱穩定性、抗污染能力和潤滑性，能滿足非常規油氣藏及復雜地層安全鉆進需求，成為了頁巖氣水平井及各種復雜地層鉆進的首選鉆井液體系[4-6]。然而，隨著油基鉆井液大規模使用，其成本高、環境污染等問題逐漸顯現[7-9]，影響了頁巖氣的清潔高效開發，所以研發水替油的高性能水基鉆井液成為油田化學領域研究熱點。

對于頁巖氣水基鉆井液，研究人員根據頁巖氣成藏特征與礦物組分，結合功能處理劑合成與篩選，設計開發了一系列抑制防塌水基鉆井液體系[10-12]，為頁巖地層安全鉆進提供了重要技術支持。然而，隨著定向井技術發展以及水平井施工規模不斷擴大，頁巖氣水基鉆井液體系設計已從早期注重抑制、封堵、攜砂等能力逐漸轉移到潤滑性上。因此，減小長水平段作業摩阻和扭矩，提高水基鉆井液潤滑性能成為設計重點。目前，就強潤滑水基鉆井液開發而言，其重點與難點是如何基于井下摩擦副間復雜作用，構筑潤滑機理清晰、構效關系明確的新型潤滑劑分子。

水基鉆井液的液體潤滑劑按化學結構不同分為植物油脂類、聚合醇醚類與烷基葡萄糖苷類，分子中含N、O、S、P元素的羥基、胺基、羧基、巰基等極性基團通過物理或化學作用吸附在摩擦副表面，而非極性長鏈則在摩擦副表面定向排列，形成潤滑過程中的疏水保護膜。這種采用強極性基團修飾潤滑劑，提升潤滑劑吸附能力，增強形成潤滑膜強度，是鉆井液潤滑劑開發的主要策略。據此，國內外研究者設計開發了多種聚合物潤滑劑及潤滑添加劑，并引入固體潤滑劑進行協同增效，已取得良好降摩減阻效果[13-17]。此外，為了增強分子在摩擦表面的吸附作用，提高成膜強度，研究人員嘗試了離子液體作為添加劑[18-19]，增強水基鉆井液的潤滑降摩性，在油氣田開發領域展現了巨大應用潛力。然而，現場數據顯示，隨著鉆井液循環，潤滑性能會持續下降，導致這種現象的主要原因是：①潤滑劑在鉆屑表面的吸附損耗；②高溫或剪切下分子鏈發生不可逆斷裂，導致結構破壞，潤滑失效；③在受限空間高接觸載荷下，摩擦副表面膜發生損壞或擠出，造成摩擦增大。所以，提高水基鉆井液潤滑性需要強化潤滑劑分子結構的穩定性，同時改善潤滑劑分子與鉆井液固相粒子間作用以促進表面成膜，這就要求從潤滑劑分子形態設計入手。然而，對于傳統鏈型聚合物，僅依靠基團、單體、分子量改變等常規化學修飾，對鉆井液體系宏觀性能的影響有限，設計梳形、星形、分支狀等體型拓撲結構替代傳統環境敏感的線型結構，不僅能進一步增強分子結構的抗剪切與抗溫降解能力，還可以賦予聚合物分子從單一吸附基團到多吸附位點的轉變，有利于聚合物分子吸附成膜能力及潤滑成膜強度的提高[20-22]。

超支化高分子具有復雜拓撲結構，連接主干的支化表面分布著大量官能團，內部為相對疏水的空腔，由于分子尺寸可控，可作為一種促進表面功能化的特殊界面材料，目前已在生物、醫藥、材料等領域獲得成功應用。在摩擦學方面，超支化高分子最早用于黏度改進劑，即作為潤滑添加劑與潤滑油混合，進而改善潤滑油穩定性及潤滑性[23-25]。近年的研究指出，超支化高分子與分子刷類似，可以在摩擦副表面通過端基吸附和分子鏈法向伸展，直接實現摩擦副表面的功能化潤滑，從而達到降摩減磨目的[26-27]。這一模型假設被仿生工程學借鑒，廣泛用于解釋軟骨組織的超低邊界潤滑性[28-29]。因此，考慮對潤滑劑高分子結構進行超支化設計，并結合水化膨潤土片層搭接的凝膠行為，闡明鉆進過程中鉆具與井壁受限空間內水基鉆井液的邊界潤滑膜作用，將為高性能潤滑材料研發提供新思路。

筆者開展了超支化高分子潤滑添加劑的應用基礎研究，分析鉆進過程中鉆具與井壁的動態摩擦行為，初步建立了混合潤滑模型。以丙烯酸甲酯（MA）、乙二胺（EDA）單體為主要原料，合成了高代（G5.5）超支化高分子聚（丙烯酸甲酯—乙二胺，PMA-EDA），并檢測了分子結構及其膨潤土吸附特征。以合成超支化高分子為潤滑添加劑構建水基鉆井液，評價了潤滑強化特性。

1 超支化高分子井壁潤滑機理

在水平鉆進中，鉆具與井壁的摩擦行為十分復雜。一方面，根據Stribeck曲線[23]對摩擦副潤滑成膜機理和特征的描述，潤滑區域可分為流體動力潤滑、混合潤滑、邊界潤滑3個區（圖1-a）。分析井下摩擦行為特點可以發現，在鉆具自重和高密度鉆井液柱壓力影響下，井壁法向載荷極高，鉆具在井壁的潤滑作用應該是泥餅邊界膜潤滑和微間隙流體膜潤滑同時存在的混合潤滑。進一步分析混合區摩擦特點，在鉆具與井壁受限空間內，液體膜厚下降，摩擦副粗糙表面上細微突起發生接觸，法向載荷由表面突觸和液體膜共同承受；而在邊界潤滑區，由于液體完全擠出，摩擦副表面可能直接接觸，此時邊界潤滑膜應該是主導因素。

圖1 超支化高分子潤滑機理示意圖

另一方面，水基鉆井液作為隔離鉆具井壁摩擦副、實現降摩減阻的流體屏障，本質上是一種含液體、固體顆粒的多相流，其復雜組分雖然促進潤滑，但也進一步加大了摩擦分析難度。在鉆進過程中，鉆井液體系潤滑作用可分為液體潤滑和固體潤滑，液體潤滑通過彈性潤滑流體（如植物油脂、聚合物溶液）作用降低動力摩擦，而固體潤滑則是通過剛性顆粒（如加重劑）對摩擦副表面缺陷充填和微軸承作用，變滑動摩擦為滾動摩擦形式，降低摩擦副表面磨損。在此應該指出，膨潤土與聚合物在井壁上形成的泥餅作為固體屏障，也在潤滑與抗磨中發揮了極其重要作用，然而這一點經常被基于油脂潤滑理論的潤滑模型忽略，所以鉆具與井壁的潤滑表現為液體潤滑與液—固潤滑的協同效應。因此，對于鉆進過程中潤滑作用，除起到直接潤滑作用的固、液態材料外，考慮到聚合物潤滑劑加量與井身結構關系，聚合物形成連續潤滑膜直接增強潤滑效能非常有限，應該主要作為潤滑添加劑，通過高分子構型與官能團的物理、化學吸附作用，或在承載、局部高溫誘導下發生摩擦化學反應，促進摩擦表面強力保護膜的生成[30-31]，獲得降低摩擦和磨損的能力。

基于上述分析，井壁泥餅層應該在形成鉆具與井壁邊界潤滑膜，實現水平井降摩減阻中發揮重要作用，而引入聚合物類處理劑的主要作用是增強泥餅在摩擦副基體表面結合力，同時促進摩擦副表面邊界膜生成，保持動力剪切下泥餅結構遭受破壞與自主形成的平衡。所以，對水基鉆井液，在液相與固相組分確定的條件下，確保水基鉆井液潤滑長效性的核心問題是：如何設計與篩選聚合物添加劑，確保在剪切與承載下能夠生成固態潤滑膜，同時能動態補償和更新表面保護膜，提高邊界膜的動態穩定性。研究顯示，聚合物空間構象直接影響著邊界膜形成。在受限空間內的高剪切固體界面上，盡管線型和分支聚合物都能形成高黏邊界膜，但在分子量一定條件下，分支結構聚合物的分散性更高，吸附膜中鏈纏繞程度低，聚合物層可以有序性壓縮，移動分子臂或分支作為分子刷隔離摩擦副，阻止摩擦損失。與關節軟骨潤滑類似（圖1-b）[32]，鉆井液和泥餅分別具有類似滑液與接觸面膠質層功能，而超支化高分子具有空間分布密度大、活性位點多特點，可在蒙脫石表面通過多點吸附錨定，使分子臂展現分子刷行為，在受限空間內形成邊界潤滑膜，隔開鉆具與井壁摩擦面，最終減小摩阻與磨損，如圖1-c所示。此外，支化結構活性基團可以吸附水分子，在泥餅上形成水化層，不僅增強泥餅層結構穩定，還可以提高法向負載能力，進一步穩定邊界膜層，保持邊界潤滑穩定[33]。

2 實驗部分

2.1 材料與設備

乙二胺（EDA）、丙烯酸甲酯（MA）、甲醇、分析醇；固體潤滑劑MT244（石墨類）、增黏劑VIS-B（黃原膠類）、降濾失劑PAC-LV（聚丙烯酸類）、鈉膨潤土，工業品。

Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜，美國Nicolet公司；Advance Ⅲ HD 400型液體核磁共振波譜儀，德國布魯克公司；TA TGA 550型熱重分析儀，上海斯邁歐分析儀器有限公司；JY-82A型視頻接觸角測定儀，承德鼎盛試驗機檢測設備有限公司；數顯恒速攪拌機，湖南力辰儀器科技有限公司；HH-M6型恒溫水浴鍋，金壇市良友儀器有限公司；FY-1C型旋片式真空泵，溫嶺市飛越機電有限公司。

2.2 潤滑添加劑合成

室內采用發散法合成了一組以乙二胺為核的超支化分子。用乙二胺與丙烯酸甲酯進行Michael加成反應，得到一個四元酯作為結構內核。純化后再與乙二胺發生胺解反應，得到一個四元胺與甲醇，其中四元胺為第1代超支化分子（G1）。在此應該指出，乙二胺每在分子構型上迭代1次，表現為超支化分子生長1代，每代間的擴代過渡產物為0.5代。在G1結構上繼續引入丙烯酸甲酯，得到羰基C=O封端的八元甲酯，為第1.5代超支化分子（G1.5），繼續與乙二胺單體反應得到八元胺為第2代超支化分子（G2）。通過引入丙烯酸甲酯和乙二胺單體，持續擴展分子外層基團，擴大分子空間構象，獲得“枝葉”更加茂盛的高代數超支化分子，如圖2所示。在此應該指出，考慮到摩擦副、膨潤土等固相材料都顯示電子受體特征（如金屬Fe具有空d軌道，而蒙脫土晶體Si—OH顯示空穴構造），采用含有給電子能力更強羰基（C=O）的丙烯酸甲酯進行支化封端，更有利于超支化高分子在摩擦副表面的吸附成膜，所以室內設計合成G5.5超支化高分子聚（丙烯酸甲酯—乙二胺，PMA-EDA），如圖2所示。

圖2 超支化高分子聚PMA-EDA分散法合成原理圖

合成過程：①將一定量甲醇加入到裝有溫度計、冷凝管、攪拌裝置的3口燒瓶中，加入一定計量乙二胺，在冰浴條件下通入氮氣30 min，維持攪拌并滴入一定量丙烯酸甲酯，滴加完畢室溫保持24 h，得到初始產物四元胺；②在3口燒瓶中進一步滴加溶有一定量乙二胺的甲醇溶液，在冰浴攪拌下通入氮氣30 min，滴加完畢在室溫下反應24 h，減壓蒸餾去除甲醇及過量乙二胺，得到乙二胺封端的淡黃色液體，即為第一代G1超支化分子；③利用初代產物，重復上述實驗步驟，制備高代數（G5.5）超支化高分子聚（丙烯酸甲酯—乙二胺，PMA-EDA）。

2.3 潤滑添加劑表征

2.3.1 紅外光譜

將一定質量的干燥聚合物樣品用KBr壓片鑄膜，使用紅外光譜儀測試所屬特征峰，分辨率為4 000～400 cm-1，掃描次數為32，光譜掃描速率2 mm/s，檢測潤滑添加劑的合成超支化大分子特定官能團。

2.3.2 核磁共振氫譜

使用核磁共振波譜儀，以四甲基硅烷（TMS）為內標，氘代氯仿（CDCl3）為溶劑進行分子結構檢測，獲得滑劑所含分子結構信息。

2.3.3 熱重分析

氮氣保護下，用熱分析儀對潤滑劑進行熱失重分析，設置溫度范圍為30～800 ℃，加熱速率為10 ℃/min。

2.4 水基鉆井液性能檢測

2.4.1 流變性及濾失性

水基鉆井液配方為：0.5%基漿 + PMA-EDA潤滑添加劑 + 0.2%VIS-B增黏劑+ 0.3%PAC-LV降濾失劑 + 3%MN-17降濾失劑+ 2%MT244固體潤滑劑+4%KCl + 重晶石（按需要）。對老化后水基鉆井液，使用ZNN-D6B型六速旋轉黏度計測定鉆井液流變性能，并分別記錄黏度計為?3、?6、?100、?200、?300和?600等轉速下具體數值，計算表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）；測定鉆井液中壓失水量（FL）。在此，所有測試均遵守美國石油學會（API）規范和中國國家標準《石油天然氣工業鉆井液實驗室測試：GB/T 29170—2012》。

2.4.2 潤滑性

潤滑性檢測主要從摩擦和磨損兩個方面進行，從而綜合闡明合成超支化高分子PMA-EDA作為潤滑添加劑的降摩減阻效果。通過檢測泥餅黏滯系數、抗磨性與極壓潤滑系數，評價處理劑對鉆井液潤滑性的強化作用。使用NZ-3A型泥餅黏滯系數測定儀，分別測試老化前后基漿與含4%潤滑添加劑基漿的黏滯系數；使用視頻接觸角測定儀，測定鉆井液不同潤滑添加劑濃度水接觸角；使用EP極壓潤滑儀，測定鉆井液體系的極壓潤滑系數，評價鉆井液潤滑性能。開展材料表面抗磨性評價，采用全自動四球摩擦試驗機測定實驗配方、常規Plus/KCl水基鉆井液[10]與油基鉆井液的微觀磨痕[12]。

3 結果與討論

3.1 潤滑添加劑表征

3.1.1 紅外光譜

圖3為合成潤滑添加劑PMA-EDA的紅外光譜圖。從圖3中可以發現，在3 426 cm－1、1 736 cm－1、1 550 cm－1處出現酰胺基的特征吸收峰，其中3 426 cm－1為N—H鍵的伸縮振動峰，1 736 cm－1為酰胺基中羰基C=O的伸縮振動峰，峰強較大，說明外層高密度分布；在2 953、2 841cm－1處分別出現亞甲基—CH2—的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動峰；1 455 cm－1和1 436 cm－1為亞甲基—CH2—彎曲振動峰；在1 202 cm－1和1 174 cm－1處，出現較弱的酯基特征吸收峰；1 042 cm－1和1 174 cm－1對應兩組C—N伸縮振動峰。紅外光譜分析結果表明，合成潤滑添加劑含有分子結構設計中各種單體的特征官能團。此外，在1 647 cm－1和895 cm－1分別出現代表雙鍵的C=C伸縮振動峰和==C—H彎曲振動峰，說明產物中存在微量單體丙烯酸甲酯，這應該歸因于產物的空間拓撲結構。對高代數支化分子PMA-EDA，雖然支化外層基團較多，但中心存在空腔，部分單體可能遷入超支化結構空腔內干擾測試。

圖3 PMA-EDA紅外光譜圖

3.1.2 核磁共振

圖4給出了合成潤滑添加劑PMA-EDA的核磁共振氫譜。在圖4中，以G1.5超支化分子PMA-EDA結構為例進行H特征峰標識。從內核向外層分支擴展，化學位移2.50 ppm（1 ppm = 10－6，下同）處峰對應超支化結構內核乙二胺片段亞甲基氫—CH2N—，2.55 ppm和2.42 ppm處峰分別對應丙烯酰片段亞甲基氫—CH2—CH2—CO—，3.32 ppm和2.76 ppm處峰分別對應擴支片段乙二胺的亞甲基氫—N—CH2—CH2—，2.43 ppm和2.79 ppm處峰分別對應端鏈片段丙烯酰片段亞甲基氫—CH2—CH2—CO—，最后3.66 ppm處最強峰對應端鏈羧酸酯片段—COOCH3—上的甲基氫。由此可見，H特征峰類型及分布與超支化結構氫一致，說明合成產物為設計代數超支化高分子。

圖4 PMA-EDA核磁共振氫譜圖

3.1.3 熱重分析

圖5為合成潤滑添加劑PMA-EDA的TG-DTG熱分析曲線，超支化高分子結構的熱分解過程主要包括3個階段：①第1階段（30～180 ℃）是一個吸熱過程，主要為潤滑添加劑高分子結構中含有大量親水極性基團，因此分子外層所附水在升溫過程中最先被揮發掉；同時，樣品失重率僅為1.73%，說明未反應單體存量很少；②第2階段發生在180～250 ℃，超支化高分子結構在200 ℃左右分解加劇，樣品失重率為70.85%，說明產物分子支狀結構開始分解，表現為分解曲線急劇下降，確定主要分解溫度為225 ℃；③第3階段發生在250～500 ℃，樣品失重率為25.29%，熱分解曲線在390 ℃呈現轉折，這是因為早期熱分解以超支化外層酯基和酰胺基團為主，之后內部支鏈開始逐漸分解，導致熱分解變慢，失重曲線變得平緩。潤滑劑產物在200 ℃的失重僅為1.73%，分解溫度高達225 ℃，在約500 ℃才能完全分解，說明潤滑劑的超支化聚集態結構抗溫性高，穩定性較好。

再次，仲裁庭認為，美國加利福尼亞州所實施的立法措施是對公眾普遍適用的，而不只是針對Glamis Gold公司的投資。該立法措施并未違反美國應當保護投資者的義務，因為Glamis Gold公司的預期收益并沒有得到美國政府的特別保證，Glamis Gold公司亦沒有提出證據證明加州政府的這一措施是不公平地針對該公司的投資。

圖5 PMA-EDA熱重曲線圖

3.2 潤滑添加劑成膜性能評價

3.2.1 潤滑膨潤土微觀形貌

為研究潤滑添加劑PMA-EDA對基漿中固相分散粒子的影響，比較了基漿與4% PMA-EDA潤滑添加劑基漿經干燥處理后膨潤土表觀形貌。

在圖6中，紅色部分為隔離膨潤土基體的溝壑，綠色為聯結緊密的膨潤土基體層。從圖6中可以發現，空白基漿干燥后，膨潤土表面層上存在明顯界域，充滿棱角，且溝壑和突觸眾多，說明膨潤土粒子間搭接作用較弱；而對比4%潤滑基漿可以發現，膨潤土表面間隙減少，且整體平滑規整，說明超支化高分子處理劑能夠改善膨潤土粒子間吸附方式，促進致密韌性泥餅形成。因此可以推測，對潤滑添加劑PMA-EDA，由于存在超支化表層活性基團分布及高密度分支鏈，極易在膨潤土粒子表面吸附，同時增強了泥餅基體粒子間聯結，這種特殊“拉筋”作用將有利于膨潤土粒子生成致密、韌性泥餅，促進具有一定強度邊界潤滑膜形成，為改善鉆具與井壁摩擦表面的邊界潤滑創造了條件。

圖6 潤滑基漿表面干燥形貌圖

3.2.2 潤滑膨潤土熱重

對超支化高分子潤滑添加劑，其與膨潤土界面的吸附成膜作用是促進韌性屏障形成，實現邊界潤滑的關鍵。為了提供膨潤土粒子與超支化分子間的吸附作用信息，進一步對潤滑基漿膨潤土開展了熱重分析，結果如圖7所示。

圖7 潤滑基漿熱重曲線圖

比較基漿和潤滑基漿膨潤土粒子熱重曲線，可以發現兩個趨勢：①在升溫熱解時，中低溫段（120 ℃）基漿膨潤土的熱解溫度低、失重值大；②而在高溫下（180～600 ℃），潤滑基漿膨潤土的失重比更大，熱解失重更嚴重。通常認為，熱解溫度低，失重更容易，對應熱失重比應該更大，而高溫段潤滑膨潤土失重明顯更高，如在600 ℃溫度范圍內，其失重比普通膨潤土高7.3%。

顯然，基漿與潤滑基漿熱解失重行為與常規解釋矛盾，但究其本質，正是超支化高分子潤滑添加劑與膨潤土粒子間強吸附作用的體現。對中低溫段，潤滑基漿中超支化高分子通過外層“樹枝”上密集分布的極性基團與膨潤土片層邊緣發生吸附，不僅導致了膨潤土片層的邊緣橋接作用，而且部分鏈甚至可以插入膨潤土片層結構中，形成穩定性更高的復合結構，抑制熱分解作用。因此，潤滑基漿在超支化高分子作用下與膨潤土粒子形成更穩定復合結構，熱解溫度更高，失重更小。對高溫段，由于超支化外層富集N、O原子，能夠最大程度地通過靜電、氫鍵等作用與膨潤土片層邊緣空懸鍵Si—OH連接（圖7）；而一旦達到無機—聚合物復合結構的熱分解溫度，不僅聚合物結構被熱解破壞，與之連接的Si—OH也會被大規模破壞，同時隨著—OH熱解離去，結構破壞導致弱界面層使破壞向膨潤土內層擴展，所以膨潤土的失重程度更大[34]。也就是說，一旦溫度升高到破壞基體程度，超支化高分子的表面吸附會加速基體破壞進程。因此，與0.5%潤滑基漿膨潤土相比，1%潤滑基漿超支化高分子與膨潤土片層有更大程度的基體邊緣橋接，復合結構的高溫破壞更容易，其失重也更嚴重。

3.3 水基鉆井液潤滑性能評價

3.3.1 潤滑添加劑濃度影響

以合成的G5.5超支化高分子PMA-EDA為潤滑添加劑，控制加量在4%、6%、8%及10%配制水基潤滑鉆井液（以下簡稱潤滑鉆井液），考察潤滑添加劑濃度對其潤滑系數的影響。如圖8所示，隨著潤滑添加劑濃度升高，鉆井液潤滑系數顯著下降；當加量超過4%后，潤滑系數減小趨勢減緩。例如，當基漿中PMA-EDA加量提高到4%，鉆井液潤滑系數從0.179下降到0.054，降幅69.8%。該結果證實，超支化高分子可以作為潤滑添加劑降低水基鉆井液體系摩阻，其最佳加量為4%。

圖8 PMA-EDA濃度對鉆井液潤滑系數影響圖

圖8中也給出了浸泡潤滑鉆井液前后載玻片上水接觸角變化。由于載玻片表面具有Si—OH基團，表現出與黏土礦物類似的親水性，所以用載玻片直接模擬膨潤土表面。正如預料，隨著潤滑添加劑濃度增加，接觸角增大，說明載玻片表面由親水向疏水轉變，這種表面潤濕反轉也證實了超支化高分子強化表面成膜作用。載玻片經潤滑基漿浸泡后，一方面超支化高分子通過外層高密度分布的活性N、O原子與蒙脫石片層發生締合與橋接作用，增強高分子與膨潤土層復合結構穩定性，促進成膜。另一方面，超支化高分子通過活性位點在蒙脫石表面進行多點吸附，分子支鏈暴露，受空間位阻作用及超支化拓撲結構影響，在膜上方呈分子刷狀密集排布，一定程度上增強了膜的韌性及表面疏水性[35-37]。這個結果與圖6和圖7中獲得規律一致，說明引入潤滑添加劑可有效增強水基鉆井液中蒙脫石粒子的成膜作用，促進泥餅生成，有利于降摩減阻。

3.3.2 潤滑穩定性

對構建的潤滑鉆井液體系在90～130 ℃條件下老化16 h，評價基本性能及潤滑穩定性，結果詳見表1。在考察溫度范圍內，水基鉆井液體系表觀黏度、塑性黏度、動切力平均值分別為32.9 ± 2.3 mPa·s、23.4 ± 1.9 mPa·s及9.5 ± 0.4 Pa，數值變化范圍窄，顯示了體系的黏溫穩定性。同時，在90～130 ℃內，潤滑系數變化區間為0.037～0.042，均小于常規Plus/KCl水基鉆井液潤滑系數0.07，說明引入潤滑添加劑PMA-EDA后，水基鉆井液具有穩定、良好的潤滑效果。此外，可以發現水基鉆井液濾失量小于8 mL，能滿足現場應用要求。上述結果顯示，作為潤滑添加劑，超支化高分子PMA-EDA不僅可以強化鉆井液潤滑性，體系潤滑性的溫度影響較小，同時對流變性和濾失性影響也很小，這些特性不僅與PMA-EDA空間構型密切相關，也證實了超支化高分子作為其處理劑的適用性。

表1 水基潤滑鉆井液老化后性能參數表

3.3.3 摩擦與磨損性

對鉆井液體系開展摩擦與磨損檢測有利于系統評價體系潤滑性能。摩擦與磨損測試分別通過泥餅黏滯系數與摩擦副磨痕分析開展，圖9給出了典型Plus/KCl體系、油基鉆井液體系和潤滑鉆井液體系摩擦與黏滯系數的比較結果。圖9-a和9-b分別為摩擦系數和磨痕深度變化，摩擦系數關系為Plus/KCl體系大于油基鉆井液，更大于潤滑鉆井液，磨痕深度關系與摩擦系數一致。潤滑鉆井液的磨痕最淺為0.69 mm，與常規Plus/KCl體系和典型油基鉆井液相比，對應摩擦系數分別減小了62%和53%，顯然加入潤滑添加劑PMA-EDA的潤滑鉆井液展示了最好的降摩減磨效果。此外，與同為水基鉆井液的Plus/KCl體系相比，設計潤滑鉆井液的摩擦與磨損參數下降顯著，說明二者在潤滑性能的實現上應該不同。

比較圖9-c中泥餅黏滯系數值可以發現，潤滑鉆井液體系具有最高黏滯系數0.23，為Plus/KCl體系泥餅黏滯系數的2.5倍，是油基鉆井液泥餅黏滯系數4倍，說明形成的泥餅具有最大表面阻力作用。液體膜潤滑理論認為[37]：表面黏滯阻力越小，潤滑效果越顯著。然而，此處的泥餅黏滯系數變化趨勢與體系摩擦系數值改變恰好相反，即泥餅表面阻力大，潤滑性反而高，這主要由潤滑區從液體潤滑向邊界潤滑轉移造成，因此潤滑模型也需要變化。前述圖1所示的潤滑混合區和邊界潤滑模型認為：加入潤滑添加劑后，可以促進泥餅在摩擦副表面高效形成，同時也提高了泥餅韌性與強度。所以，潤滑鉆井液具有更高的泥餅黏滯力，恰能反映超支化高分子能夠通過其空間分子結構，強化與膨潤土片層邊緣締合與橋接作用，進而促進韌性泥餅高效生成，這種能力不僅有利于在摩擦副間形成具有一定強度的韌性屏障充當邊界潤滑膜，還可以通過N、O原子在泥餅表面錨定作用維持潤滑膜破壞、生成的動態穩定，有效隔離鉆桿與井壁摩擦副，最終提高潤滑鉆井液降摩減阻功能的長效性。這一結果也反映僅用流體潤滑膜解釋井下鉆柱與井壁摩擦副間潤滑作用存在較大缺陷，有必要結合基于泥餅層的邊界潤滑作用開展復合潤滑研究。

4 結論與展望

設計合成具有清晰作用機理的鉆井液潤滑添加劑，是開發新型高性能水基潤滑鉆井液的基礎，將為頁巖氣長水平井鉆進提供關鍵技術支持。傳統鉆井液潤滑性能改進主要基于液體潤滑理論，忽略了鉆井液固相組分的潤滑協同作用。因此，本文借鑒人體工學潤滑作用，分析分子空間結構與潤滑性的構效關系，開展了超支化高分子潤滑添加劑設計、合成、表征及潤滑評價研究，獲得主要結論如下：

1）分析水平井鉆進摩擦行為，結合Stribeck潤滑曲線定義了井筒摩擦副邊界和混合潤滑作用；分析鉆井液多相流在鉆具與井壁受限空間內的承載與剪切環境，提出了基于超支化高分子多點吸附強化邊界潤滑成膜的構效關系，完善了井壁潤滑理論。

2）設計合成了以乙二胺為內核的第5.5代超支化高分子聚（丙烯酸甲酯—乙二胺），熱解溫度達225 ℃，具有良好結構穩定性，且與膨潤土片層發生邊緣橋接作用，形成具有密實韌性復合結構，促進邊界潤滑成膜，有利于泥餅形成。

3）以合成聚（丙烯酸甲酯—乙二胺）為潤滑添加劑構建了水基潤滑鉆井液，展現了良好潤滑性及穩定性，并結合鉆井液摩擦和磨損行為揭示了區別于傳統油基鉆井液的邊界潤滑作用。

為了進一步完善鉆井液在受限承載空間內的邊界潤滑模型理論，獲得基于分子設計的新型潤滑處理劑構效關系，需要繼續開展超支化高分子與膨潤土吸附作用的現代檢測技術研究，包括超支化分子空間結構分析、分子末端鏈長及官能團與基漿潤滑性關系、摩擦副表面多點吸附分子動力學行為、界面摩擦化學反應及邊界協同成膜動態穩定性演化規律等，這也為新一代潤滑添加劑開發及后續現場應用提供理論與技術支持。