近年(nian)來，隨著(zhu)油(you)氣鉆(zhan)(zhan)探(tan)領(ling)域的(de)(de)(de)不斷開發拓展，頁巖氣層的(de)(de)(de)井(jing)(jing)(jing)壁(bi)(bi)穩(wen)定問題(ti)引起國內(nei)外廣泛關注(zhu)，外來流(liu)體入侵導致黏土(tu)礦物的(de)(de)(de)水(shui)(shui)化(hua)膨脹和分散是(shi)頁巖儲層井(jing)(jing)(jing)壁(bi)(bi)失穩(wen)的(de)(de)(de)重要原因(yin)。油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液可(ke)極大程度地抑制頁巖水(shui)(shui)化(hua)，但成本(ben)高和環(huan)境(jing)污染嚴重，綜(zong)合考慮(lv)井(jing)(jing)(jing)壁(bi)(bi)穩(wen)定性(xing)(xing)能、成本(ben)和環(huan)保3個方面，可(ke)引入與油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液防塌抑制性(xing)(xing)能相當的(de)(de)(de)硅酸鹽(yan)水(shui)(shui)基(ji)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液。其(qi)主處理(li)劑硅酸鹽(yan)成本(ben)低(di)且對環(huan)境(jing)友好，對泥頁巖地層具有較強的(de)(de)(de)抑制和封(feng)堵(du)能力。因(yin)此，硅酸鹽(yan)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液被認為(wei)是(shi)最有希望替代油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液的(de)(de)(de)一種水(shui)(shui)基(ji)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液體系。

研究證實，硅(gui)酸(suan)鹽具有優異的(de)膜(mo)效應(ying)，能(neng)夠在(zai)(zai)(zai)金屬鉆具和(he)井(jing)壁表面(mian)吸附成膜(mo)，但因硅(gui)酸(suan)聚集體(ti)的(de)存在(zai)(zai)(zai)造成硅(gui)酸(suan)鹽鉆井(jing)液(ye)的(de)潤滑(hua)(hua)性能(neng)極差，甚(shen)至遠低于其他(ta)常規水(shui)基鉆井(jing)液(ye)。此外，硅(gui)酸(suan)鹽水(shui)溶液(ye)呈強堿(jian)性，在(zai)(zai)(zai)地(di)層溫度下，常規酯類和(he)生物(wu)可(ke)降(jiang)解植(zhi)物(wu)油(you)類潤滑(hua)(hua)劑在(zai)(zai)(zai)高溫強堿(jian)性環境(jing)容易發生水(shui)解而(er)失(shi)效，嚴重影響了潤滑(hua)(hua)劑的(de)使用效果。盡管國內外學者在(zai)(zai)(zai)改(gai)善硅(gui)酸(suan)鹽鉆井(jing)液(ye)潤滑(hua)(hua)性能(neng)方面(mian)做(zuo)了大量嘗試(shi)，但能(neng)明顯(xian)改(gai)善該鉆井(jing)液(ye)體(ti)系潤滑(hua)(hua)性的(de)潤滑(hua)(hua)劑在(zai)(zai)(zai)國內外仍較少。

基(ji)于硅酸(suan)鹽鉆(zhan)井液(ye)體(ti)系，通過(guo)對比結(jie)構相似（同時具備長烷(wan)基(ji)鏈(lian)及帶羥基(ji)的親(qin)水頭基(ji)）的兩(liang)親(qin)性(xing)碳點(dian)（CDs）型表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)和聚氧乙烯型表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)的潤滑(hua)性(xing)能，致力(li)于找到一種適用于硅酸(suan)鹽鉆(zhan)井液(ye)體(ti)系的潤滑(hua)劑(ji)，同時探究其潤滑(hua)機理，為更好地解(jie)決硅酸(suan)鹽鉆(zhan)井液(ye)在超深井、水平(ping)井鉆(zhan)探中的高摩阻問題(ti)提供理論指(zhi)導和建(jian)議。

1.潤滑性能評價

1.1潤滑劑的理(li)化性質

兩(liang)親(qin)性碳點C8-CDs，C12-CDs均為(wei)實驗室自制(zhi)。以C8-CDs的合成為(wei)例，實驗步(bu)驟如下：將(jiang)一定(ding)質量(liang)的檸檬(meng)酸和正(zheng)辛胺加入三頸燒(shao)瓶中(zhong)，并在(zai)油(you)浴中(zhong)于180℃加熱3 h，所得(de)(de)產物(wu)(wu)溶(rong)解在(zai)無水乙(yi)(yi)醇中(zhong)，將(jiang)上述乙(yi)(yi)醇溶(rong)液在(zai)10 000 r/min下離心15 min，除去不溶(rong)解物(wu)(wu)質。減壓蒸餾除去乙(yi)(yi)醇后(hou)，將(jiang)產物(wu)(wu)溶(rong)解于超純水中(zhong)并用(yong)1 kDa透析膜透析12 h。最后(hou)，冷凍干燥透析膜內產物(wu)(wu)，得(de)(de)到C8-CDs；同樣，C12-CDs合成具(ju)體步(bu)驟可(ke)參(can)照文獻。

硅酸鈉（模數2.51，50.1°Bé），聚氧乙烯型(xing)表(biao)面活性(xing)劑OP-10、AEO-9、Tween 80（AR）。5種不同表(biao)面活性(xing)劑的(de)理化性(xing)質和化學結(jie)構式見表(biao)1。其中，CMC為表(biao)面活性(xing)劑在(zai)水(shui)(shui)中的(de)臨界(jie)膠束濃度(du)，HLB為表(biao)面活性(xing)劑的(de)親水(shui)(shui)親油平衡值。

表1 5種表面活性劑的理化性質

1.2不(bu)同類型表面活性(xing)劑的(de)潤滑性(xing)能

將(jiang)15 g的硅(gui)酸(suan)鈉加入到(dao)300 mL蒸餾水(shui)中充分(fen)溶(rong)解配(pei)制成5%硅(gui)酸(suan)鈉水(shui)溶(rong)液，pH值為11.6，將(jiang)一定(ding)量(liang)的兩親(qin)性(xing)(xing)碳(tan)點(dian)和聚(ju)氧乙烯型(xing)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)劑溶(rong)解于該水(shui)溶(rong)液中，使用美國Fann公司EP極(ji)壓潤滑(hua)(hua)儀(yi)在(zai)(zai)室(shi)溫下測(ce)定(ding)不同溶(rong)液的潤滑(hua)(hua)系數(shu)。測(ce)試(shi)步驟參照中國石油化工集團(tuan)公司企業標準Q/SHCG 4-2011《水(shui)基(ji)鉆井液用潤滑(hua)(hua)劑技術要求》，計算(suan)潤滑(hua)(hua)劑的極(ji)壓潤滑(hua)(hua)系數(shu)K和潤滑(hua)(hua)系數(shu)降低(di)率RK。對(dui)(dui)兩親(qin)性(xing)(xing)碳(tan)點(dian)型(xing)和聚(ju)氧乙烯型(xing)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)劑的硅(gui)酸(suan)鈉水(shui)溶(rong)液在(zai)(zai)110℃，16 h熱滾前后的潤滑(hua)(hua)性(xing)(xing)能進(jin)行對(dui)(dui)比分(fen)析見(jian)表2，表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)劑質量(liang)濃(nong)度均為0.3%。

表2不同潤(run)滑劑的硅(gui)酸鈉水溶液(ye)在110℃熱滾16 h前后的潤(run)滑系數

由表2可(ke)知，C12-CDs具(ju)有(you)優異(yi)的潤滑(hua)(hua)效果，可(ke)顯著改善硅(gui)酸鹽(yan)水溶液的潤滑(hua)(hua)性(xing)能，將潤滑(hua)(hua)系(xi)數從(cong)0.521降(jiang)低(di)至(zhi)0.065，潤滑(hua)(hua)系(xi)數降(jiang)低(di)率高達87.52%，經高溫老化后其潤滑(hua)(hua)系(xi)數進一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)，表明C12-CDs能夠耐高溫耐強堿，與硅(gui)酸鹽(yan)配伍性(xing)良好，而碳鏈相對(dui)較短(duan)的C8-CDs對(dui)硅(gui)酸鹽(yan)水溶液并沒有(you)表現(xian)出(chu)明顯的潤滑(hua)(hua)效果。

此外，其他3種聚氧乙烯(xi)型表面活性(xing)劑(ji)熱滾前后在硅酸鈉(na)溶液中(zhong)的潤(run)滑(hua)(hua)系數均在0.500左右(you)，無潤(run)滑(hua)(hua)效果。5種表面活性(xing)劑(ji)HLB相(xiang)近，結構相(xiang)似，均具有長(chang)疏水鏈和帶羥基(ji)的親水頭基(ji)，但對硅酸鈉(na)的潤(run)滑(hua)(hua)效果存在明顯(xian)差異，兩親性(xing)碳(tan)點的碳(tan)核(he)及其表面的多羥基(ji)結構是發(fa)揮潤(run)滑(hua)(hua)效果的關鍵(jian)。

1.3表面活性劑濃度(du)對(dui)潤滑性能的影響

表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)濃度是影響體系潤(run)(run)(run)滑(hua)性(xing)(xing)能的重要(yao)原因(yin)(yin)之(zhi)一。單(dan)一濃度無法全(quan)面(mian)系統地評價表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)的潤(run)(run)(run)滑(hua)性(xing)(xing)能，因(yin)(yin)此，進一步探究表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)濃度對潤(run)(run)(run)滑(hua)性(xing)(xing)能的影響，測定(ding)了不同濃度的5種(zhong)表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)在硅酸鈉水(shui)溶液中的潤(run)(run)(run)滑(hua)系數，如(ru)圖1所示(shi)。

圖1表面活性劑濃度對潤滑性能的影(ying)響

由圖1可知(zhi)，在較寬(kuan)的濃(nong)度范圍下，3種聚氧(yang)乙烯型表面活性劑對硅酸鈉均(jun)無潤(run)(run)滑作用(yong)。而(er)(er)兩親性碳點(dian)的潤(run)(run)滑性能(neng)表現出強烈(lie)的濃(nong)度依(yi)賴(lai)性，潤(run)(run)滑系數隨濃(nong)度增大(da)而(er)(er)顯(xian)著降低，潤(run)(run)滑系數曲(qu)線先降低后基本保持不變，直線拐點(dian)處為臨界(jie)潤(run)(run)滑濃(nong)度。

雖然(ran)C12-CDS與(yu)C8-CDs潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)隨濃(nong)度(du)變化的趨勢一致(zhi)，但(dan)后者(zhe)臨界(jie)潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)濃(nong)度(du)是前者(zhe)的十(shi)倍左右，碳鏈更長的C12-CDS濃(nong)度(du)為0.2%時(shi)，潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)即達到(dao)0.100以下，而C8-CDs在該濃(nong)度(du)下潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)仍(reng)(reng)為0.500，直到(dao)濃(nong)度(du)增加為2%時(shi)，潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)才顯著降低，但(dan)總體上(shang)其最佳潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)效果仍(reng)(reng)不及C12-CDS。因此(ci)，兩(liang)親性(xing)(xing)碳點的烷基(ji)鏈長度(du)對潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)性(xing)(xing)能具有(you)顯著影響，即烷基(ji)鏈越長，潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)效果越好。同(tong)時(shi)C12-CDS的濃(nong)度(du)僅(jin)為0.2%時(shi)即達到(dao)良好的潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)效果，體現了C12-CDS作為硅酸鹽體系(xi)(xi)潤(run)(run)(run)(run)滑(hua)劑的高效性(xing)(xing)。

1.4兩親性(xing)碳(tan)點膠束對潤滑(hua)性(xing)能的影響(xiang)

C12-CDS和C8-CDs的(de)潤(run)(run)(run)滑效果存(cun)在明顯差異，兩者(zhe)疏水烷基鏈長(chang)(chang)度不同，而烷基鏈長(chang)(chang)度可影(ying)響(xiang)(xiang)表(biao)(biao)面活性(xing)劑的(de)表(biao)(biao)界(jie)面活性(xing)以及(ji)膠(jiao)束的(de)形成，推測是CDs形成的(de)膠(jiao)束在潤(run)(run)(run)滑過程中發揮作用，由(you)此進一步探究CDs的(de)膠(jiao)束對潤(run)(run)(run)滑性(xing)能的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，圖2是CDs的(de)硅(gui)酸鈉(na)溶液潤(run)(run)(run)滑系數(shu)與2種CDS各自(zi)的(de)CMC倍數(shu)的(de)關系曲線。

圖2 CDs膠(jiao)束對潤滑性能(neng)的影響

由(you)圖2可知(zhi)，在10倍CMC濃度下(xia)(xia)，C12-CDS可將硅酸鈉水溶(rong)液的(de)(de)(de)潤滑(hua)系數顯著降低(di)到0.1以下(xia)(xia)，達到曲線的(de)(de)(de)平臺值(zhi)，而短鏈(lian)的(de)(de)(de)C8-CDs在其20倍的(de)(de)(de)CMC濃度下(xia)(xia)僅降低(di)至0.15左(zuo)右。由(you)表(biao)1可知(zhi)，C8-CDs的(de)(de)(de)疏水尾鏈(lian)比(bi)C12-CDS少(shao)4個烷基鏈(lian)長(chang)度，其CMC是C12-CDS的(de)(de)(de)5倍，因此(ci)，C12-CDS比(bi)C8-CDs具有(you)更高的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)活(huo)性(xing)，形(xing)成膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)的(de)(de)(de)能力更強，且烷基鏈(lian)越長(chang)濃度越高，對應形(xing)成的(de)(de)(de)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)尺寸(cun)也(ye)更大(da)，更大(da)更多的(de)(de)(de)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)牢固地吸(xi)附在兩摩擦(ca)(ca)面(mian)，因此(ci)形(xing)成的(de)(de)(de)中(zhong)間(jian)潤滑(hua)膜(mo)越厚，證實是CDs膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)的(de)(de)(de)存在促進吸(xi)附從而隔絕兩摩擦(ca)(ca)面(mian)，發揮了潤滑(hua)作用(yong)。這與(yu)文獻(xian)中(zhong)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)活(huo)性(xing)劑膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)可吸(xi)附在固體表(biao)面(mian)形(xing)成憎水層(ceng)的(de)(de)(de)結果一致，但需要達到一定的(de)(de)(de)濃度才能形(xing)成膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)及其潤滑(hua)膜(mo)。分析(xi)表(biao)明(ming)，CDs烷基鏈(lian)長(chang)度的(de)(de)(de)不同導(dao)致2種(zhong)表(biao)面(mian)活(huo)性(xing)劑膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)化行為的(de)(de)(de)差異，膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)的(de)(de)(de)大(da)小和數量影(ying)響其潤滑(hua)效果。