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兩親性碳點(diǎn)CDS表面活性劑濃度、膠束對硅酸鹽溶液潤滑性能的影響(一)

來源: 鉆井液與完井液 瀏覽 135 次 發(fā)布時間:2024-10-18

近年來,隨著油氣鉆探領(lǐng)域的不斷開發(fā)拓展,頁巖氣層的井壁穩(wěn)定問題引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注,外來流體入侵導(dǎo)致黏土礦物的水化膨脹和分散是頁巖儲層井壁失穩(wěn)的重要原因。油基鉆井液可極大程度地抑制頁巖水化,但成本高和環(huán)境污染嚴(yán)重,綜合考慮井壁穩(wěn)定性能、成本和環(huán)保3個方面,可引入與油基鉆井液防塌抑制性能相當(dāng)?shù)墓杷猁}水基鉆井液。其主處理劑硅酸鹽成本低且對環(huán)境友好,對泥頁巖地層具有較強(qiáng)的抑制和封堵能力。因此,硅酸鹽鉆井液被認(rèn)為是最有希望替代油基鉆井液的一種水基鉆井液體系。


研究證實,硅酸鹽具有優(yōu)異的膜效應(yīng),能夠在金屬鉆具和井壁表面吸附成膜,但因硅酸聚集體的存在造成硅酸鹽鉆井液的潤滑性能極差,甚至遠(yuǎn)低于其他常規(guī)水基鉆井液。此外,硅酸鹽水溶液呈強(qiáng)堿性,在地層溫度下,常規(guī)酯類和生物可降解植物油類潤滑劑在高溫強(qiáng)堿性環(huán)境容易發(fā)生水解而失效,嚴(yán)重影響了潤滑劑的使用效果。盡管國內(nèi)外學(xué)者在改善硅酸鹽鉆井液潤滑性能方面做了大量嘗試,但能明顯改善該鉆井液體系潤滑性的潤滑劑在國內(nèi)外仍較少。


基于硅酸鹽鉆井液體系,通過對比結(jié)構(gòu)相似(同時具備長烷基鏈及帶羥基的親水頭基)的兩親性碳點(diǎn)(CDs)型表面活性劑和聚氧乙烯型表面活性劑的潤滑性能,致力于找到一種適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤滑劑,同時探究其潤滑機(jī)理,為更好地解決硅酸鹽鉆井液在超深井、水平井鉆探中的高摩阻問題提供理論指導(dǎo)和建議。


1.潤滑性能評價


1.1潤滑劑的理化性質(zhì)


兩親性碳點(diǎn)C8-CDs,C12-CDs均為實驗室自制。以C8-CDs的合成為例,實驗步驟如下:將一定質(zhì)量的檸檬酸和正辛胺加入三頸燒瓶中,并在油浴中于180℃加熱3 h,所得產(chǎn)物溶解在無水乙醇中,將上述乙醇溶液在10 000 r/min下離心15 min,除去不溶解物質(zhì)。減壓蒸餾除去乙醇后,將產(chǎn)物溶解于超純水中并用1 kDa透析膜透析12 h。最后,冷凍干燥透析膜內(nèi)產(chǎn)物,得到C8-CDs;同樣,C12-CDs合成具體步驟可參照文獻(xiàn)。


硅酸鈉(模數(shù)2.51,50.1°Bé),聚氧乙烯型表面活性劑OP-10、AEO-9、Tween 80(AR)。5種不同表面活性劑的理化性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)式見表1。其中,CMC為表面活性劑在水中的臨界膠束濃度,HLB為表面活性劑的親水親油平衡值。

表1 5種表面活性劑的理化性質(zhì)


1.2不同類型表面活性劑的潤滑性能


將15 g的硅酸鈉加入到300 mL蒸餾水中充分溶解配制成5%硅酸鈉水溶液,pH值為11.6,將一定量的兩親性碳點(diǎn)和聚氧乙烯型表面活性劑溶解于該水溶液中,使用美國Fann公司EP極壓潤滑儀在室溫下測定不同溶液的潤滑系數(shù)。測試步驟參照中國石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHCG 4-2011《水基鉆井液用潤滑劑技術(shù)要求》,計算潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)K和潤滑系數(shù)降低率RK。對兩親性碳點(diǎn)型和聚氧乙烯型表面活性劑的硅酸鈉水溶液在110℃,16 h熱滾前后的潤滑性能進(jìn)行對比分析見表2,表面活性劑質(zhì)量濃度均為0.3%。

表2不同潤滑劑的硅酸鈉水溶液在110℃熱滾16 h前后的潤滑系數(shù)


由表2可知,C12-CDs具有優(yōu)異的潤滑效果,可顯著改善硅酸鹽水溶液的潤滑性能,將潤滑系數(shù)從0.521降低至0.065,潤滑系數(shù)降低率高達(dá)87.52%,經(jīng)高溫老化后其潤滑系數(shù)進(jìn)一步降低,表明C12-CDs能夠耐高溫耐強(qiáng)堿,與硅酸鹽配伍性良好,而碳鏈相對較短的C8-CDs對硅酸鹽水溶液并沒有表現(xiàn)出明顯的潤滑效果。


此外,其他3種聚氧乙烯型表面活性劑熱滾前后在硅酸鈉溶液中的潤滑系數(shù)均在0.500左右,無潤滑效果。5種表面活性劑HLB相近,結(jié)構(gòu)相似,均具有長疏水鏈和帶羥基的親水頭基,但對硅酸鈉的潤滑效果存在明顯差異,兩親性碳點(diǎn)的碳核及其表面的多羥基結(jié)構(gòu)是發(fā)揮潤滑效果的關(guān)鍵。


1.3表面活性劑濃度對潤滑性能的影響


表面活性劑濃度是影響體系潤滑性能的重要原因之一。單一濃度無法全面系統(tǒng)地評價表面活性劑的潤滑性能,因此,進(jìn)一步探究表面活性劑濃度對潤滑性能的影響,測定了不同濃度的5種表面活性劑在硅酸鈉水溶液中的潤滑系數(shù),如圖1所示。

圖1表面活性劑濃度對潤滑性能的影響


由圖1可知,在較寬的濃度范圍下,3種聚氧乙烯型表面活性劑對硅酸鈉均無潤滑作用。而兩親性碳點(diǎn)的潤滑性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的濃度依賴性,潤滑系數(shù)隨濃度增大而顯著降低,潤滑系數(shù)曲線先降低后基本保持不變,直線拐點(diǎn)處為臨界潤滑濃度。


雖然C12-CDS與C8-CDs潤滑系數(shù)隨濃度變化的趨勢一致,但后者臨界潤滑濃度是前者的十倍左右,碳鏈更長的C12-CDS濃度為0.2%時,潤滑系數(shù)即達(dá)到0.100以下,而C8-CDs在該濃度下潤滑系數(shù)仍為0.500,直到濃度增加為2%時,潤滑系數(shù)才顯著降低,但總體上其最佳潤滑效果仍不及C12-CDS。因此,兩親性碳點(diǎn)的烷基鏈長度對潤滑性能具有顯著影響,即烷基鏈越長,潤滑效果越好。同時C12-CDS的濃度僅為0.2%時即達(dá)到良好的潤滑效果,體現(xiàn)了C12-CDS作為硅酸鹽體系潤滑劑的高效性。


1.4兩親性碳點(diǎn)膠束對潤滑性能的影響


C12-CDS和C8-CDs的潤滑效果存在明顯差異,兩者疏水烷基鏈長度不同,而烷基鏈長度可影響表面活性劑的表界面活性以及膠束的形成,推測是CDs形成的膠束在潤滑過程中發(fā)揮作用,由此進(jìn)一步探究CDs的膠束對潤滑性能的影響,圖2是CDs的硅酸鈉溶液潤滑系數(shù)與2種CDS各自的CMC倍數(shù)的關(guān)系曲線。

圖2 CDs膠束對潤滑性能的影響


由圖2可知,在10倍CMC濃度下,C12-CDS可將硅酸鈉水溶液的潤滑系數(shù)顯著降低到0.1以下,達(dá)到曲線的平臺值,而短鏈的C8-CDs在其20倍的CMC濃度下僅降低至0.15左右。由表1可知,C8-CDs的疏水尾鏈比C12-CDS少4個烷基鏈長度,其CMC是C12-CDS的5倍,因此,C12-CDS比C8-CDs具有更高的表面活性,形成膠束的能力更強(qiáng),且烷基鏈越長濃度越高,對應(yīng)形成的膠束尺寸也更大,更大更多的膠束牢固地吸附在兩摩擦面,因此形成的中間潤滑膜越厚,證實是CDs膠束的存在促進(jìn)吸附從而隔絕兩摩擦面,發(fā)揮了潤滑作用。這與文獻(xiàn)中的表面活性劑膠束可吸附在固體表面形成憎水層的結(jié)果一致,但需要達(dá)到一定的濃度才能形成膠束及其潤滑膜。分析表明,CDs烷基鏈長度的不同導(dǎo)致2種表面活性劑膠束化行為的差異,膠束的大小和數(shù)量影響其潤滑效果。