2.兩親性碳點的潤滑機理分析

2.1接觸角

通過測(ce)(ce)(ce)試(shi)接觸角(jiao)評(ping)價兩親性(xing)碳(tan)點(dian)的(de)(de)吸(xi)附性(xing)能，接觸角(jiao)測(ce)(ce)(ce)定依據標(biao)準SY/T 5153—2017《油藏巖石潤濕性(xing)測(ce)(ce)(ce)定方法(fa)》。具體實驗步驟如下：將(jiang)玻(bo)(bo)璃板(ban)(ban)浸泡在(zai)(zai)現配的(de)(de)食(shi)人魚溶(rong)(rong)(rong)液(ye)（濃硫酸(suan)∶雙氧(yang)水=3∶1）中1 min，進行(xing)表(biao)面羥基化(hua)的(de)(de)親水處理(li)，再洗凈烘干(gan)；將(jiang)玻(bo)(bo)璃板(ban)(ban)下半部(bu)浸泡在(zai)(zai)表(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)中，上(shang)半部(bu)懸空，讓溶(rong)(rong)(rong)液(ye)保持攪拌狀(zhuang)態，浸泡12 h后取出(chu)，自然晾干(gan)。利用(yong)光學接觸角(jiao)測(ce)(ce)(ce)量儀（DSA100，Krüss，德國(guo)）測(ce)(ce)(ce)定表(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)浸泡前后水滴在(zai)(zai)玻(bo)(bo)璃板(ban)(ban)上(shang)的(de)(de)靜態接觸角(jiao)。玻(bo)(bo)璃的(de)(de)主要成分為硅(gui)酸(suan)鹽，因此可(ke)用(yong)玻(bo)(bo)璃板(ban)(ban)模擬硅(gui)酸(suan)鹽顆粒表(biao)面。通過測(ce)(ce)(ce)定玻(bo)(bo)璃板(ban)(ban)水滴靜態接觸角(jiao)研究(jiu)C12-CDS潤滑劑(ji)在(zai)(zai)玻(bo)(bo)璃表(biao)面的(de)(de)吸(xi)附性(xing)能，實驗結果見圖3。

圖(tu)3 C12-CDS在玻璃板(ban)表(biao)面吸(xi)附后的水(shui)滴(di)接觸角

由圖3可知，C12-CDS對玻璃(li)板具有良好的(de)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)性能(neng)，其(qi)水(shui)(shui)滴接(jie)觸角隨(sui)濃(nong)度增大而減小(xiao)。當濃(nong)度較低(di)(di)時，C12-CDS分子(zi)的(de)親水(shui)(shui)頭基吸(xi)(xi)附(fu)(fu)在(zai)親水(shui)(shui)玻璃(li)板表(biao)(biao)面(mian)，疏水(shui)(shui)尾鏈朝外(wai)，單層吸(xi)(xi)附(fu)(fu)使玻璃(li)板的(de)水(shui)(shui)滴接(jie)觸角從20°左(zuo)右(you)(you)變(bian)為52°左(zuo)右(you)(you)。當濃(nong)度繼續增大，膠束形成并生(sheng)長，越(yue)來(lai)越(yue)多的(de)分子(zi)在(zai)單層吸(xi)(xi)附(fu)(fu)的(de)基礎上產(chan)生(sheng)多層或膠束吸(xi)(xi)附(fu)(fu)，故表(biao)(biao)面(mian)隨(sui)之轉變(bian)為強親水(shui)(shui)性，接(jie)觸角降(jiang)低(di)(di)到5°左(zuo)右(you)(you)，表(biao)(biao)明C12-CDS對硅酸(suan)顆粒(li)存在(zai)強烈吸(xi)(xi)附(fu)(fu)，大量C12-CDS碳點可吸(xi)(xi)附(fu)(fu)在(zai)硅酸(suan)聚(ju)(ju)集體(ti)表(biao)(biao)面(mian)，經過表(biao)(biao)面(mian)改性的(de)硅酸(suan)聚(ju)(ju)集體(ti)對鉆具的(de)摩阻降(jiang)低(di)(di)，最終促進體(ti)系潤(run)滑性能(neng)的(de)提高。

2.2兩親性碳點在石英砂上(shang)的吸附(fu)性能

選取粒徑為(wei)(wei)0.180 mm的(de)(de)(de)石英砂作為(wei)(wei)吸(xi)附(fu)劑，將石英砂在(zai)(zai)30℃下(xia)浸泡在(zai)(zai)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑溶液(ye)中，且溶液(ye)保持(chi)攪拌狀態(tai)，12 h后(hou)選取上(shang)清(qing)液(ye)，通過表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)儀(yi)（K13，Krüss，德(de)國）和(he)總有(you)機碳分析儀(yi)（XPERT-TOC/TNb，Trace Elemental Instruments，荷蘭(lan)）分別對吸(xi)附(fu)實驗前后(hou)的(de)(de)(de)溶液(ye)進(jin)行表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)和(he)總有(you)機碳值(zhi)(zhi)測定。兩親性碳點的(de)(de)(de)化(hua)學結構中包含疏水長鏈和(he)親水頭基(ji)（多羥基(ji)），因而具有(you)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)活(huo)性。圖4為(wei)(wei)C12-CDS在(zai)(zai)石英砂表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)吸(xi)附(fu)前后(hou)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)數(shu)據。比較(jiao)吸(xi)附(fu)前后(hou)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)差值(zhi)(zhi)，當(dang)C12-CDS濃(nong)(nong)度遠低于(yu)其CMC（200 mg/L）時，進(jin)行吸(xi)附(fu)實驗后(hou)，溶液(ye)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)明(ming)顯上(shang)升，濃(nong)(nong)度為(wei)(wei)100 mg/L的(de)(de)(de)C12-CDS溶液(ye)在(zai)(zai)石英砂上(shang)吸(xi)附(fu)前后(hou)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)從44.81 mN/m上(shang)升為(wei)(wei)64.03 mN/m；當(dang)C12-CDS濃(nong)(nong)度接近于(yu)CMC時，吸(xi)附(fu)前后(hou)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)變(bian)化(hua)很(hen)小(xiao)，這是由(you)于(yu)隨著(zhu)濃(nong)(nong)度升高，溶液(ye)體相中具有(you)大量(liang)的(de)(de)(de)C12-CDS膠(jiao)束聚集(ji)體吸(xi)附(fu)在(zai)(zai)石英砂表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)，而溶液(ye)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)C12-CDS數(shu)量(liang)幾(ji)乎不受影(ying)響，吸(xi)附(fu)后(hou)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)(zhang)(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)幾(ji)乎不變(bian)。

圖4 C12-CDS在石英砂(sha)表(biao)面吸附前后的表(biao)面張力(li)值(zhi)

圖(tu)5為不同(tong)兩(liang)(liang)親(qin)性(xing)碳(tan)點和聚氧(yang)乙(yi)烯型表(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)在吸(xi)附(fu)(fu)前(qian)(qian)后的總有機碳(tan)值(zhi)（TOC），其(qi)中(zhong)每種(zhong)(zhong)溶液的濃度均設置為200 mg/L。由(you)圖(tu)5可知，C8-CDS和C12-CDS在吸(xi)附(fu)(fu)后TOC值(zhi)明顯降低(di)，其(qi)中(zhong)C12-CDS的吸(xi)附(fu)(fu)量(liang)達到(dao)89.23 mg/L，而其(qi)他3種(zhong)(zhong)聚氧(yang)乙(yi)烯型表(biao)面活(huo)性(xing)劑(ji)吸(xi)附(fu)(fu)前(qian)(qian)后的TOC值(zhi)略微下降，這是因(yin)為石英砂(sha)表(biao)面的羥基(ji)與兩(liang)(liang)親(qin)性(xing)碳(tan)點的多羥基(ji)結構形(xing)成大量(liang)氫(qing)鍵，兩(liang)(liang)親(qin)性(xing)碳(tan)點牢牢吸(xi)附(fu)(fu)在石英砂(sha)表(biao)面，導致(zhi)溶液TOC值(zhi)大大降低(di)。

圖5兩親性(xing)(xing)碳點和聚氧(yang)乙烯型表面活(huo)性(xing)(xing)劑在吸附前(qian)后的TOC值(zhi)（c=200 mg/L）

2.3水動力學直徑

為進一步明確兩親(qin)性碳點對(dui)硅(gui)酸鹽(yan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液的(de)(de)潤滑(hua)機(ji)理，通過動(dong)態光散射儀（Malvern Zetasizcrnano ZS90，Malvern，英(ying)國）測定硅(gui)酸鈉(na)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液、硅(gui)酸鈉(na)與兩親(qin)碳點和硅(gui)酸鈉(na)與聚(ju)(ju)氧乙烯型表(biao)面(mian)活性劑的(de)(de)混合溶(rong)(rong)(rong)(rong)液水動(dong)力學直徑(jing)，其中散射角為173°，測試溫度(du)為30℃。如圖6所(suo)示，質量分數為5%的(de)(de)Na2SiO3粒(li)(li)徑(jing)分布在220～800 nm之(zhi)間，平(ping)(ping)均粒(li)(li)徑(jing)約為514.0 nm；質量分數為0.3%的(de)(de)C12-CDS溶(rong)(rong)(rong)(rong)液的(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)主要分布在8～100 nm之(zhi)間，平(ping)(ping)均粒(li)(li)徑(jing)為43.4 nm；而5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS的(de)(de)混合溶(rong)(rong)(rong)(rong)液粒(li)(li)徑(jing)為10～120 nm，平(ping)(ping)均粒(li)(li)徑(jing)為63.2 nm，C12-CDS的(de)(de)加入使得Na2SiO3聚(ju)(ju)集體(ti)的(de)(de)尺寸大(da)大(da)降低，這表(biao)明C12-CDS可(ke)以讓Na2SiO3聚(ju)(ju)集體(ti)解聚(ju)(ju)，這與表(biao)面(mian)活性劑對(dui)膠體(ti)溶(rong)(rong)(rong)(rong)液的(de)(de)分散作(zuo)用相關。由(you)于(yu)大(da)量C12-CDS分子或膠束吸附在Na2SiO3聚(ju)(ju)集體(ti)表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)具(ju)有機(ji)械阻礙(ai)作(zuo)用的(de)(de)水化(hua)膜(mo)，可(ke)對(dui)Na2SiO3聚(ju)(ju)集體(ti)起到穩(wen)定分散作(zuo)用。

圖(tu)6不(bu)同混合溶液的(de)粒徑分布曲線

硅(gui)酸(suan)鹽水(shui)溶液因其聚(ju)(ju)集(ji)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)造成(cheng)(cheng)(cheng)高摩(mo)(mo)阻(zu)缺陷，CDS能(neng)顯(xian)著(zhu)降低(di)摩(mo)(mo)阻(zu)，其潤(run)滑(hua)機(ji)理(li)主要表(biao)(biao)現在(zai)兩個(ge)方面(mian)(mian)(mian)，一是(shi)(shi)CDS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳核表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)具(ju)有多(duo)羥基(ji)(ji)結(jie)構，能(neng)夠牢固吸(xi)附(fu)(fu)在(zai)金屬鉆具(ju)與井(jing)壁表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，同(tong)時(shi)由于CDS與硅(gui)酸(suan)鈉的(de)(de)(de)(de)(de)(de)競爭吸(xi)附(fu)(fu)和(he)膠束的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)，吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)(li)進(jin)一步增強，兩個(ge)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)接(jie)觸(chu)面(mian)(mian)(mian)因膠束的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)作(zuo)用(yong)形成(cheng)(cheng)(cheng)憎水(shui)層隔(ge)絕兩摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)面(mian)(mian)(mian)；二(er)是(shi)(shi)CDS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)羥基(ji)(ji)結(jie)構與硅(gui)酸(suan)聚(ju)(ju)集(ji)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硅(gui)醇結(jie)構以(yi)氫鍵結(jie)合，包裹在(zai)聚(ju)(ju)集(ji)體表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)形成(cheng)(cheng)(cheng)球形顆粒，并(bing)將大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)聚(ju)(ju)集(ji)體進(jin)行分散和(he)解聚(ju)(ju)，將滑(hua)動摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)變為滾動摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)進(jin)一步降低(di)摩(mo)(mo)阻(zu)。雖然其他三種聚(ju)(ju)氧乙烯型表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)活性劑(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)親水(shui)頭基(ji)(ji)也(ye)具(ju)有羥基(ji)(ji)結(jie)構，存(cun)(cun)在(zai)一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)(li)，但羥基(ji)(ji)數量較少，吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)(li)較弱(ruo)，此(ci)外(wai)在(zai)極壓(ya)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)情況下，潤(run)滑(hua)劑(ji)不僅(jin)需要較強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)(li)，同(tong)時(shi)也(ye)需要具(ju)備優(you)異的(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)磨耐(nai)壓(ya)性能(neng)，形成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)膜強度足夠高才能(neng)在(zai)極壓(ya)環境(jing)保持潤(run)滑(hua)效(xiao)果。

2.4摩擦性能測試

為研究兩親性(xing)(xing)碳點(dian)在硅酸鈉溶(rong)液中的(de)摩擦學性(xing)(xing)能(neng)，利用SGW-10G型杠桿四球摩擦試驗(yan)機測(ce)試，測(ce)試方法參照行(xing)業(ye)標準(zhun)SH/T 0189—92《潤滑油抗摩損性(xing)(xing)能(neng)測(ce)定法（四球機法）》，實驗(yan)參數設置(zhi)如(ru)下，用掃描電(dian)鏡（SEM）拍攝摩擦表面形(xing)態圖片并分(fen)析如(ru)圖7所示。

圖(tu)7鋼球磨痕形貌的SEM照片(pian)

從圖7可以得知(zhi)，5%Na2SiO3溶(rong)(rong)液的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)痕有較大片的(de)(de)剝落，磨(mo)(mo)(mo)痕深，說明Na2SiO3聚(ju)集(ji)體在鋼(gang)球表(biao)面(mian)成(cheng)膜，其(qi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)方式(shi)為黏著磨(mo)(mo)(mo)損(sun)；相比于前者(zhe)，5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS溶(rong)(rong)液的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)痕為細長的(de)(de)淺犁溝，表(biao)明添(tian)加碳點后的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)方式(shi)為磨(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)，且磨(mo)(mo)(mo)痕體積小(xiao)。這是由于C12-CDS對(dui)硅酸鈉溶(rong)(rong)液的(de)(de)潤滑機理是碳核(he)表(biao)面(mian)的(de)(de)多羥(qian)基結(jie)構和長烷(wan)基鏈(lian)使(shi)其(qi)膠(jiao)束(shu)強烈吸(xi)附(fu)在金屬(shu)、井(jing)壁上形(xing)成(cheng)憎水層隔絕(jue)兩摩擦面(mian)，通過氫鍵(jian)作(zuo)用(yong)吸(xi)附(fu)包裹(guo)在硅酸聚(ju)集(ji)體表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)球形(xing)顆(ke)粒(li)造(zao)成(cheng)滾動摩擦。

3.硅酸鹽鉆井液的性能評價

室內(nei)選(xuan)取現(xian)場用(yong)的(de)(de)無固相硅酸(suan)鹽鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液體(ti)系與兩親性碳點進行配伍性實驗(yan)(yan)，現(xian)場用(yong)鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液體(ti)系配方為(wei)：淡水(shui)(shui)+5%硅酸(suan)鈉+6%KCl+0.3%XC+2.5%磺甲(jia)基酚(fen)醛(quan)樹(shu)脂+3%乳化(hua)瀝青+C12-CDS。實驗(yan)(yan)條件為(wei)110℃老化(hua)16 h，鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液的(de)(de)流(liu)變(bian)性能是在50℃測(ce)定，實驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果如表(biao)3所(suo)示(shi)。實驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果表(biao)明，加入不(bu)同(tong)含(han)(han)量的(de)(de)C12-CDS潤(run)滑劑后(hou)，硅酸(suan)鹽鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液體(ti)系的(de)(de)密度變(bian)化(hua)值均小于0.01 g·cm?3，且鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液的(de)(de)流(liu)變(bian)性和pH隨著C12-CDS含(han)(han)量的(de)(de)增加基本保持不(bu)變(bian)，API失水(shui)(shui)量和沙盤封堵濾(lv)失量基本不(bu)受(shou)C12-CDS含(han)(han)量的(de)(de)影響(xiang)，表(biao)明兩親性碳點與硅酸(suan)鹽鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液體(ti)系具有(you)良(liang)好的(de)(de)配伍性能。另外，鉆(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液體(ti)系的(de)(de)潤(run)滑系數降低(di)率隨著C12-CDS含(han)(han)量的(de)(de)增加而降低(di)，當其含(han)(han)量為(wei)0.3%時，潤(run)滑系數降低(di)率達到86.34%。

表3兩親性(xing)碳點與硅酸鹽鉆(zhan)井(jing)液的配伍性(xing)能評價

4.結論

1.兩(liang)親(qin)性碳點對硅酸鈉溶液具有良(liang)好的(de)潤(run)滑(hua)(hua)效果，而聚氧乙烯(xi)型并無效果。長鏈C12-CDS在110℃熱滾16 h前后的(de)極(ji)壓潤(run)滑(hua)(hua)系(xi)數分別為(wei)0.065和(he)0.063，潤(run)滑(hua)(hua)系(xi)數降低率高達87%，體現了C12-CDS良(liang)好的(de)耐溫性和(he)潤(run)滑(hua)(hua)性能。

2.探究兩親(qin)性(xing)(xing)CDS濃度和膠束對硅酸鹽溶液潤(run)(run)(run)滑性(xing)(xing)能的影(ying)響，結果表明(ming)兩親(qin)性(xing)(xing)CDS的潤(run)(run)(run)滑性(xing)(xing)能具有較(jiao)強的濃度依(yi)賴性(xing)(xing)，且(qie)CDS碳鏈越長，潤(run)(run)(run)滑效果越好，大(da)量(liang)的膠束吸附可顯著提高其(qi)潤(run)(run)(run)滑性(xing)(xing)能。

3.C12-CDS對硅酸鈉溶液的(de)潤滑(hua)(hua)機理是碳核(he)表(biao)面的(de)多羥(qian)基(ji)結構和長烷基(ji)鏈使其膠束強烈吸附(fu)(fu)在金屬、井壁上(shang)形成憎(zeng)水層隔(ge)絕兩摩(mo)擦面，通過氫(qing)鍵作用吸附(fu)(fu)包裹(guo)在硅酸聚集(ji)體表(biao)面形成球形顆粒造(zao)成滾動摩(mo)擦，進而改善(shan)潤滑(hua)(hua)性能。

4.C12-CDS與(yu)現場用無(wu)固相硅酸鹽鉆井液具(ju)有良好的(de)配伍(wu)性(xing)能，可提高其潤(run)滑(hua)性(xing)能。