強吸附極壓潤滑劑的合成及性能評價

郭海峰

（中海油服采辦共享中心，河北三河 065201）

頁巖油氣、致密油氣、凝析油氣等非常規油氣資源已成為國內油氣開發的主戰場，為了獲得更大的油氣滲流面積，常以水平井、分支井和大位移井等開發模式提質增效[1-2]。然而長水平段井易增大井壁與鉆具的摩阻，降低了機械鉆速，嚴重時影響鉆井安全[3]。油基鉆井液具有良好的潤滑性能，但生物毒性、生物降解性和高成本限制了油基鉆井液在鉆井中的應用[4]。現場水基鉆井液常以膨潤土漿為基礎，起到增黏提切的效果，同時滿足抗高溫要求和降濾失效果。膨潤土惡化了水基鉆井液的潤滑性能[5]。高性能潤滑劑對水基鉆井液的潤滑性能影響甚大，要求潤滑劑分子在鉆具和井壁上形成一層致密的油膜，分子可通過范德華作用力、氫鍵以及配位鍵作用力等穩定地吸附于金屬表面，起到抗溫、耐磨和潤滑作用[6-7]。水基鉆井液中常用的潤滑劑包括植物油、礦物油和乳液等，但此類潤滑劑在水溶液中的分散性能差，極壓抗磨性能差[8]。潤滑劑分子要求具備長直鏈，其碳原子個數在12～18 個，可提高油膜的致密性；另外，還要求潤滑劑分子含有極性較強的吸附基團（如胺基、酰胺基、多羥基、羧基、酯基和醚基等）和極壓潤滑基團（含硫、氯、磷等元素）[9]。基于以上分析，根據親核取代反應和酯化反應原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇為原料制備一種強吸附極壓潤滑劑RHJ-1，并在水基鉆井液中評價其性能。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

主要材料：2-氨基苯并噻唑、氯乙醇、正十八酸、石油醚、對甲苯磺酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；NaOH、Na2CO3、二甲基亞砜（DMSO）（分析純，上海麥克林生化有限公司）；潤滑劑（PF-BLUE）（工業級，中海油服化學有限公司）；流型調節劑（XC-HT）、降濾失劑（BI-FLO）、封堵劑（BI-SEAL）、膠體穩定劑（STAGEL）（工業級，漢科新技術股份有限公司）；重晶石（工業級，貴州天柱鋇鹽有限公司）；鈉基膨潤土（工業級，山東濰坊信誠膨潤土有限公司）。

主要儀器：DHG-9140 微波化學合成儀（青島邁可威創新科技有限公司）；Nicolet iS5 型傅里葉紅外光譜儀（美國Thermo Fisher 有限公司）；Fann21200 極壓潤滑儀（美國Fann 公司）；DSA100 型接觸角測量儀（德國克魯斯公司）；MR-S10A 型四球摩擦試驗機（濟南辰達試驗機制造有限公司）；NF-2 型黏附系數測定儀（山東美科儀器有限公司）；XGRL 高溫滾子加熱爐（青島森欣機電設備有限公司）；ZNN-D6 六速旋轉黏度計（青島恒泰達機電設備有限公司）；SD3 型中壓失水儀（青島同春石油儀器有限公司）。

1.2 RHJ-1 的制備與表征

親核取代反應：在裝有攪拌器和球形回流冷凝管的250 mL 燒瓶中，依次加入100 mL 水、1.5 g NaOH、15.0 g 2-氨基苯并噻唑和20.0 g 氯乙醇，攪拌均勻后，置于微波反應器中，反應溫度為75 ℃，攪拌條件下反應1.5 h。通過減壓蒸餾除水和未反應的原料，得到黏稠黃色液體產物。

酯化反應：在上述含有黏稠黃色液體的250 mL 燒瓶中加入50.0 g 正十八酸混合，然后加入60 mL 石油醚和60 mL 二甲基亞砜（DMSO）作為溶劑，攪拌均勻后加入0.5 g 對甲苯磺酸作為催化劑，將上述燒瓶置于恒溫油浴鍋中，反應溫度為120 ℃，攪拌條件下反應24.0 h，并在反應過程中充N2來防止副反應發生。通過減壓蒸餾除水和未反應的原料，得到黏稠深棕色液體產物，并通過Nicolet iS5 型傅里葉紅外光譜儀反射法分析RHJ-1 的結構。

1.3 RHJ-1 的性能評價

1.3.1 極壓潤滑系數測試 按照標準SY/T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》中潤滑系數測試方法來評價RHJ-1 的潤滑性能，采用Fann21200 極壓潤滑儀在1 034 kPa 的壓力下測定含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數[10]。實驗步驟：Fann21200 極壓潤滑儀預熱30 min 后測試1 034 kPa 下蒸餾水的摩阻系數D水和鉆井液的摩阻系數D鉆井液，按照式（1）計算含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數K。

式中：K-含有RHJ-1 的膨潤土基漿極壓潤滑系數，無量綱；D水-蒸餾水的摩阻系數，無量綱；D鉆井液-含有RHJ-1 的膨潤土基漿摩阻系數，無量綱。

1.3.2 濾餅黏附系數測定 將一定量的RHJ-1 加入到4% 膨潤土基漿中，高速攪拌均勻后，通過SD3 型中壓失水儀獲得API 濾餅，采用NF-2 型黏附系數測定儀測量不銹鋼圓盤轉動時所需最小扭矩，并按照式（2）計算濾餅黏附系數。

式中：f-濾餅黏附系數，無量綱；M-發生轉動的最小扭矩，N·m。

1.3.3 潤濕性能評價 RHJ-1 分子吸附在金屬表面形成油膜，能改變金屬表面的潤濕性能。因此，采用DSA100 型接觸角測量儀評價RHJ-1 的疏水性能，疏水性能越強，則表明RHJ-1 形成的油膜越致密。實驗步驟：將鋼片置于未含或含有2.0%RHJ-1 的水溶液中浸泡2.0 h，75 ℃烘干，測試蒸餾水與被處理鋼片的接觸角。

1.4 RHJ-1 對鉆井液性能的影響

1.4.1 RHJ-1 與鉆井液配伍性評價 水基鉆井液配方：3.0%鈉基膨潤土基漿+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.4% XC-HT+2.0%BI-FLO+2.0%BI-SEAL+0.5%STAGEL+重晶石（密度為1.4 g/cm3）。參考GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1 部分：水基鉆井液》規定的測試程序進行鉆井液流變性和濾失量的測定。

1.4.2 潤滑抗磨性能評價 將未加和加入2.0%RHJ-1的水基鉆井液的潤滑抗磨效果通過MR-S10A 型四球摩擦試驗機進行評價，分析RHJ-1 對水基鉆井液潤滑抗磨性能的影響。測試時間為60 min，測試速度為1 200 r/min，負荷為147 N。

2 結果與討論

2.1 RHJ-1 紅外光譜分析

RHJ-1 的結構表征見圖1。從圖1 可知，噻唑五元環上含有C=N，1 485 cm-1附近出現噻唑五元環上C=N 伸縮振動峰，在1 257 cm-1、695 cm-1附近出現噻唑五元環中的C-S 伸縮、彎曲振動峰；在1 525 cm-1附近出現苯環的骨架伸縮振動峰，在810 cm-1附近出現苯環彎曲振動峰；在1 700 cm-1附近出現中酯基的C=O 特征峰；2 915 cm-1、2 850 cm-1附近出現-CH2-中C-H 的不對稱伸縮與對稱伸縮振動吸收峰；綜上分析，合成產物即為目標產物。

圖1 RHJ-1 的紅外光譜圖

2.2 極壓潤滑系數測試

在4%膨潤土基漿中分別加入不同濃度的RHJ-1，并以潤滑劑（PF-BLUE）作為比對樣，實驗數據見圖2。從圖2 可知，隨著RHJ-1 的加入，使膨潤土基漿的極壓潤滑系數顯著降低。當RHJ-1、PF-BLUE 加量均為2.0%時，膨潤土基漿的極壓潤滑系數分別為0.09 和0.14，表明RHJ-1 的極壓潤滑性能優于PF-BLUE，由于RHJ-1 分子中含有多個強吸附基團，且含有噻唑雜環這樣的極壓潤滑基團，能使RHJ-1 分子穩定地吸附在金屬表面，可提高油膜的致密性，起到極壓潤滑的效果。

圖2 極壓潤滑系數分析

2.3 濾餅黏附系數測定

濾餅黏附系數數據見圖3。從圖3 可知，隨著RHJ-1 的加量逐漸增大，濾餅黏附系數隨之降低，當RHJ-1 的加量為2.0%時，其濾餅黏附系數降低率為50%。鉆井過程中，由于大位移井的水平段較長，濾餅黏附系數較大時會增大鉆具泥包的風險以及影響鉆具與井壁的摩阻。RHJ-1 加入可以降低濾餅黏附系數，提高鉆井效果和降低鉆具泥包的風險。

圖3 濾餅黏附系數分析

2.4 潤濕性能評價

測試蒸餾水與被處理鋼片的接觸角見圖4。從圖4可知，隨著2.0%RHJ-1 的加入，使蒸餾水與被處理鋼片的接觸角顯著增大，表明RHJ-1 分子吸附在鋼片表面，改變了鋼片的潤濕性能，形成一層疏水油膜，有利于降低金屬與井壁的摩阻。

圖4 水滴鋼片的接觸角圖（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

2.5 RHJ-1 與鉆井液配伍性評價

將RHJ-1 加入上述水基鉆井液中，經過120 ℃老化16.0 h，老化后流變性能、濾失量和極壓潤滑系數被測試，實驗數據見表1。從表1 可知，RHJ-1 的加入對水基鉆井液流變性能和濾失性能影響較小，且降低水基鉆井液的潤滑系數，表明RHJ-1 與水基鉆井液具有良好的配伍性能。

表1 RHJ-1 對鉆井液性能的影響

（2）RHJ-1 對水基鉆井液流變性能和濾失性能影響較小，降低水基鉆井液的極壓潤滑系數，與水基鉆井液具有良好的配伍性能，且RHJ-1 具有良好的潤滑抗磨性能。

備注：流變性能測試溫度為50 ℃。

2.6 潤滑抗磨性能評價

將未加和加入2.0%RHJ-1 的水基鉆井液通過MR-S10A 型四球摩擦試驗機分析RHJ-1 對水基鉆井液潤滑抗磨性能的影響，實驗結果見圖5。從圖5 可知，水基鉆井液中未加RHJ-1 時，鋼球的磨損直徑為1.014 mm；水基鉆井液中加入2.0%RHJ-1 時，鋼球的磨損直徑僅為0.482 mm，表明RHJ-1 具有良好的潤滑抗磨性能。

圖5 鋼球磨損形貌圖（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

3 結論

（1）基于親核取代反應和酯化反應原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇為原料制備一種強吸附極壓潤滑劑RHJ-1，能吸附在鋼片表面，改變了鋼片的潤濕性能，形成一層疏水油膜，起到極壓潤滑的效果。