新型水基润滑剂的合成与性能研究

＊张小平 陈磊* 贾俊

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 陕西 710018 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 陕西 710018）

大多油藏蕴藏在泥页岩地层中，而泥页岩地层具有吸水能力强和易渗透等特点，在水基钻井液中容易水化分散成黏土矿物，从而在钻井过程中易于吸附在PDC钻头表面，造成钻具泥包和卡钻现象，导致机械钻速下降和PDC钻头使用寿命降低，严重制约了钻井效率[1-3]。当前，PDC钻头泥包的首要解决方法就是处理好泥浆性能。近年来，国内外学者主要从以下几个方法解决PDC钻头泥包问题，即在钻井液中加入聚合物以提高泥饼质量、提高钻井液抑制性以降低泥页岩的水化分散程度、使用清洁剂清洗钻头以及添加润滑剂预防钻屑黏附钻头等[4-5]。在上述方法中，润滑剂除了具有预防PDC钻头泥包以及延长钻头、钻具等钻井配件的使用寿命功能之外，还可以进一步有效降低卡钻、井壁失稳等复杂事故的发生率，因此在钻井应用中展现出了巨大的应用价值。然而，当前PDC防泥包润滑剂普遍为含硫、氯、磷等的油基体系，毒性偏大且难以降解，难以达到环保要求，而国外斯伦贝谢和哈里伯顿等公司所开发出极压润滑剂价格成本较高，对我国存在严重的技术封锁[6-8]。因此，开发新型的水基润滑剂以防止钻屑黏附钻头并实现自清洁能力对于降低钻井成本、提高钻井效率，进而推动我国原油的增效增产具有十分重要的现实意义。

基于此，本文以亲水性的丙烯酰胺、两亲性的α-烯基磺酸钠以及多羟基位点的三羟乙基烯丙基氯化铵为功能单体，采用胶束共聚法合成了一种新型的水基润滑剂，揭示了水基润滑剂润滑性能的影响因素和变化规律，并进一步研究了其在现场浆中的防泥包效果和放大稳定性能。

1.实验部分

(1)实验药品和仪器

丙烯酰胺（AM）、α-烯烃磺酸钠（AOS），分析纯；三羟乙基烯丙基氯化铵（TAC）、过硫酸铵（APS）、乙二胺四乙酸（EDTA），分析纯；渤钻土，工业级。

红外光谱仪（Thermo 5700）；极压润滑仪（FANN 21200）；凝胶色谱仪（Waters PL-GPC50）；高温滚子加热炉（HTD-GL8）。

(2)水基润滑剂的合成

将AM、TAC和AOS按照摩尔比溶解在水中配置成质量分数为30%的溶液，待搅拌分散均匀后，加入一定量的APS和EDTA，在水浴环境下通过机械搅拌反应一定时间，反应结束后得到均匀透亮的淡黄色溶液即为水基润滑剂。

(3)实验方法

①水基润滑剂的结构

采用红外光谱仪对水基润滑剂的结构进行表征。采用凝胶色谱仪对水基润滑剂的分子量进行表征。

②润滑系数的测定

去离子水基浆（5.0%）的配置：取500mL去离子水，加入碳酸钙1g、渤钻土25g，在10000r/min下搅拌30min，密封养护24h以备用。

根据中国石油天然气集团公司企业表征Q/SY 17088-2016《钻井液用液体润滑剂技术规范》测定水基润滑剂的润滑系数。

③水基润滑剂的防泥包性能

将现场浆及模拟钻头（钨钢棒）放入老化罐，利用滚子加热炉热滚，模拟钨钢棒在水基润滑剂存在下的防泥包性能。其中热滚温度为60℃，热滚时间为30min。

2.结果与讨论

(1)水基润滑剂合成条件的优化

①单体配比

将单体的质量分数控制为30%，研究AM、TAC和AOS的摩尔比例对所得到的水基润滑剂的润滑性能的影响。其中引发剂的加量为单体摩尔比的0.05%，聚合时间为3h，反应温度为75℃。如图1所示，当TAC的浓度增大时，水基润滑剂在渤钻土中的润滑系数降低率从42.3%降低到4.9%，表明过多的TAC不利于润滑系数降低率的提高，这很有可能是TAC的量过多导致分子间的静电排斥作用增大，从而不利于聚合反应的进行。当AOS的浓度增大时，水基润滑剂在渤钻土中的润滑系数降低率呈现先降低后增大的趋势，最大的润滑系数降低率为45.0%，这说明AM、TAC和AOS合适的摩尔比例可以实现水基润滑剂在钻具表面的最强吸附。当继续增大AOS用量时，润滑系数基本上没有变化。因此，以AM、TAC和AOS的摩尔比为1:1:6作为后续实验的研究配比。

图1 AM、TAC和AOS的摩尔比对润滑系数降低率的影响

②引发剂质量分数

如图2所示，随着引发剂加量从0.05%增大到0.3%，水基润滑剂在渤钻土中的润滑系数降低率显著增大。APS加量的增大会使得水基润滑剂中高分子链段长度的减小，这说明分子量的降低有利于润滑系数降低率的提高，这是因为分子量低的润滑剂的分子链运动阻力小，更容易与金属表面形成稳定的相互作用。然而，当引发剂加量继续增大至7.0%，润滑系数降低率持续降低，这很有可能是引发剂的过量不利于形成足够长度的高分子链段，从而无法使得高分子表面的极性基团与金属表面的结合发挥协同增强作用。因此，在AM、TAC和AOS三元共聚反应中，APS的最佳加量为单体摩尔比的0.3%。

图2 引发剂APS加量对润滑系数降低率的影响

③聚合时间

如图3所示，随着聚合时间从2h增大到3h，润滑系数降低率从66.7%增大到72.0%，这说明足够长的反应时间可使得聚合反应得到了分子量可控的水基润滑剂。然而，继续延长聚合时间，润滑系数降低率呈现降低的趋势。较长的聚合时间可能会导致长链段的链自由基的碰撞，使得偶合中止的概率增大。如前所述，分子链段过长会导致润滑剂分子链段的卷曲，不利于分子链的舒展，从而也不利于润滑系数降低率的提高。由此可见，AM、TAC和AOS的最佳的聚合时间为3h。

图3 聚合时间对润滑系数降低率的影响

④最佳反应条件的可重复性

为了进一步证实水基润滑剂的最佳反应条件的可重复性，进行了三次重复聚合实验。在渤钻土中测定三次重复实验所得到的水基润滑剂的润滑系数降低率分别为70.6%、71.5%、69.2%，润滑系数降低率的平均值为70.4%，误差范围为±1.1%，这说明AM、TAC和AOS在该反应条件下的三元胶束共聚具有较好的稳定性。聚合体系的稳定性对于后期进一步实施放大应用具有十分重要的意义。

⑤放大实验的可重复性

为了进一步证实水基润滑剂具有放大应用潜力，采用1000mL的机械搅拌体系代替100mL的磁力搅拌，对上述水基润滑剂的合成进行了五次重复聚合实验。所得到的五种水基润滑剂在渤钻土中的润滑系数降低率分别为73.7%、73.1%、73.7%、70.8%、71.2%，其平均值为72.5%，误差范围为±1.2%，该润滑系数降低率与非放大体系的数值相接近，表明AM、TAC和AOS的三元胶束共聚反应在进行放大反应时的稳定性较好。此外，磁力搅拌与机械搅拌对水基润滑剂的润滑性能影响不大，这说明AM、TAC和AOS的三元胶束共聚反应的稳定性较好，因此在实际应用中具有潜在的应用价值。

(2)水基润滑剂的防泥包性能

在未加水基润滑剂的现场浆中，热滚后钨钢棒表面的黏土吸附量为19.5g。当分别加入1.0%和2.0%的水基润滑剂后，热滚后钨钢棒表面的黏土吸附量分别降低至6.8g和3.7g，说明水基润滑剂具有显著的防泥包效果，这主要归功于水基润滑剂在现场浆中的分散提高了润滑性能，削弱了现场浆在钨钢棒表面的吸附能力。图4为未加水基润滑剂的现场浆和加入水基润滑剂的现场浆的泥包效果图。从图中可以直观的看出，水基润滑剂具有较好的防泥包性能，且水基润滑剂的防泥包性能具有典型的浓度依赖性。

图4 不同加量的水基润滑剂的防泥包性能

3.结论

本文以丙烯酰胺、α-烯烃磺酸钠、三羟乙基烯丙基氯化铵为功能单体，采用三元胶束共聚合成了新型的水基润滑剂，并评价了其以防泥包性能。结论如下：

（1）水基润滑剂的最佳合成条件为：丙烯酰胺、α-烯烃磺酸钠、三羟乙基烯丙基氯化铵的摩尔比例为1:1:6，引发剂过硫酸铵的加量为单体摩尔比的0.3%，最佳的聚合时间为3h。

（2）水基润滑剂的分子量分布范围为457～2876，是一种典型的低分子量的聚合物，这有利于水基润滑剂中的分子链段的自由伸展及其在钻具表面的稳定吸附。

（3）水基润滑剂的合成条件具有较好的可重复性，在渤钻土中的润滑系数降低率可以达到70%以上。在现场浆应用中，水基润滑剂具有良好的防泥包性能，在实际应用中具有潜在的应用价值。