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兩親性碳點(diǎn)CDS表面活性劑濃度、膠束對(duì)硅酸鹽溶液潤(rùn)滑性能的影響(二)

來(lái)源: 鉆井液與完井液 瀏覽 125 次 發(fā)布時(shí)間:2024-10-18

2.兩親性碳點(diǎn)的潤(rùn)滑機(jī)理分析


2.1接觸角


通過(guò)測(cè)試接觸角評(píng)價(jià)兩親性碳點(diǎn)的吸附性能,接觸角測(cè)定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5153—2017《油藏巖石潤(rùn)濕性測(cè)定方法》。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:將玻璃板浸泡在現(xiàn)配的食人魚溶液(濃硫酸∶雙氧水=3∶1)中1 min,進(jìn)行表面羥基化的親水處理,再洗凈烘干;將玻璃板下半部浸泡在表面活性劑溶液中,上半部懸空,讓溶液保持?jǐn)嚢锠顟B(tài),浸泡12 h后取出,自然晾干。利用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(DSA100,Krüss,德國(guó))測(cè)定表面活性劑溶液浸泡前后水滴在玻璃板上的靜態(tài)接觸角。玻璃的主要成分為硅酸鹽,因此可用玻璃板模擬硅酸鹽顆粒表面。通過(guò)測(cè)定玻璃板水滴靜態(tài)接觸角研究C12-CDS潤(rùn)滑劑在玻璃表面的吸附性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 C12-CDS在玻璃板表面吸附后的水滴接觸角


由圖3可知,C12-CDS對(duì)玻璃板具有良好的吸附性能,其水滴接觸角隨濃度增大而減小。當(dāng)濃度較低時(shí),C12-CDS分子的親水頭基吸附在親水玻璃板表面,疏水尾鏈朝外,單層吸附使玻璃板的水滴接觸角從20°左右變?yōu)?2°左右。當(dāng)濃度繼續(xù)增大,膠束形成并生長(zhǎng),越來(lái)越多的分子在單層吸附的基礎(chǔ)上產(chǎn)生多層或膠束吸附,故表面隨之轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)親水性,接觸角降低到5°左右,表明C12-CDS對(duì)硅酸顆粒存在強(qiáng)烈吸附,大量C12-CDS碳點(diǎn)可吸附在硅酸聚集體表面,經(jīng)過(guò)表面改性的硅酸聚集體對(duì)鉆具的摩阻降低,最終促進(jìn)體系潤(rùn)滑性能的提高。


2.2兩親性碳點(diǎn)在石英砂上的吸附性能


選取粒徑為0.180 mm的石英砂作為吸附劑,將石英砂在30℃下浸泡在表面活性劑溶液中,且溶液保持?jǐn)嚢锠顟B(tài),12 h后選取上清液,通過(guò)表面張力儀(K13,Krüss,德國(guó))和總有機(jī)碳分析儀(XPERT-TOC/TNb,Trace Elemental Instruments,荷蘭)分別對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)前后的溶液進(jìn)行表面張力值和總有機(jī)碳值測(cè)定。兩親性碳點(diǎn)的化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含疏水長(zhǎng)鏈和親水頭基(多羥基),因而具有表面活性。圖4為C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面張力數(shù)據(jù)。比較吸附前后的表面張力差值,當(dāng)C12-CDS濃度遠(yuǎn)低于其CMC(200 mg/L)時(shí),進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)后,溶液表面張力值明顯上升,濃度為100 mg/L的C12-CDS溶液在石英砂上吸附前后的表面張力從44.81 mN/m上升為64.03 mN/m;當(dāng)C12-CDS濃度接近于CMC時(shí),吸附前后的表面張力值變化很小,這是由于隨著濃度升高,溶液體相中具有大量的C12-CDS膠束聚集體吸附在石英砂表面,而溶液表面的C12-CDS數(shù)量幾乎不受影響,吸附后的表面張力值幾乎不變。

圖4 C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面張力值


圖5為不同兩親性碳點(diǎn)和聚氧乙烯型表面活性劑在吸附前后的總有機(jī)碳值(TOC),其中每種溶液的濃度均設(shè)置為200 mg/L。由圖5可知,C8-CDS和C12-CDS在吸附后TOC值明顯降低,其中C12-CDS的吸附量達(dá)到89.23 mg/L,而其他3種聚氧乙烯型表面活性劑吸附前后的TOC值略微下降,這是因?yàn)槭⑸氨砻娴牧u基與兩親性碳點(diǎn)的多羥基結(jié)構(gòu)形成大量氫鍵,兩親性碳點(diǎn)牢牢吸附在石英砂表面,導(dǎo)致溶液TOC值大大降低。

圖5兩親性碳點(diǎn)和聚氧乙烯型表面活性劑在吸附前后的TOC值(c=200 mg/L)


2.3水動(dòng)力學(xué)直徑


為進(jìn)一步明確兩親性碳點(diǎn)對(duì)硅酸鹽溶液的潤(rùn)滑機(jī)理,通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射儀(Malvern Zetasizcrnano ZS90,Malvern,英國(guó))測(cè)定硅酸鈉溶液、硅酸鈉與兩親碳點(diǎn)和硅酸鈉與聚氧乙烯型表面活性劑的混合溶液水動(dòng)力學(xué)直徑,其中散射角為173°,測(cè)試溫度為30℃。如圖6所示,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Na2SiO3粒徑分布在220~800 nm之間,平均粒徑約為514.0 nm;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的C12-CDS溶液的粒徑主要分布在8~100 nm之間,平均粒徑為43.4 nm;而5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS的混合溶液粒徑為10~120 nm,平均粒徑為63.2 nm,C12-CDS的加入使得Na2SiO3聚集體的尺寸大大降低,這表明C12-CDS可以讓Na2SiO3聚集體解聚,這與表面活性劑對(duì)膠體溶液的分散作用相關(guān)。由于大量C12-CDS分子或膠束吸附在Na2SiO3聚集體表面形成具有機(jī)械阻礙作用的水化膜,可對(duì)Na2SiO3聚集體起到穩(wěn)定分散作用。

圖6不同混合溶液的粒徑分布曲線


硅酸鹽水溶液因其聚集體的存在造成高摩阻缺陷,CDS能顯著降低摩阻,其潤(rùn)滑機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是CDS的碳核表面具有多羥基結(jié)構(gòu),能夠牢固吸附在金屬鉆具與井壁表面,同時(shí)由于CDS與硅酸鈉的競(jìng)爭(zhēng)吸附和膠束的存在,吸附能力進(jìn)一步增強(qiáng),兩個(gè)摩擦接觸面因膠束的吸附作用形成憎水層隔絕兩摩擦面;二是CDS的多羥基結(jié)構(gòu)與硅酸聚集體的硅醇結(jié)構(gòu)以氫鍵結(jié)合,包裹在聚集體表面形成球形顆粒,并將大的聚集體進(jìn)行分散和解聚,將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦進(jìn)一步降低摩阻。雖然其他三種聚氧乙烯型表面活性劑的親水頭基也具有羥基結(jié)構(gòu),存在一定的吸附能力,但羥基數(shù)量較少,吸附能力較弱,此外在極壓摩擦情況下,潤(rùn)滑劑不僅需要較強(qiáng)的吸附能力,同時(shí)也需要具備優(yōu)異的耐磨耐壓性能,形成的吸附膜強(qiáng)度足夠高才能在極壓環(huán)境保持潤(rùn)滑效果。


2.4摩擦性能測(cè)試


為研究?jī)捎H性碳點(diǎn)在硅酸鈉溶液中的摩擦學(xué)性能,利用SGW-10G型杠桿四球摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試,測(cè)試方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0189—92《潤(rùn)滑油抗摩損性能測(cè)定法(四球機(jī)法)》,實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下,用掃描電鏡(SEM)拍攝摩擦表面形態(tài)圖片并分析如圖7所示。

圖7鋼球磨痕形貌的SEM照片


從圖7可以得知,5%Na2SiO3溶液的磨痕有較大片的剝落,磨痕深,說(shuō)明Na2SiO3聚集體在鋼球表面成膜,其磨損方式為黏著磨損;相比于前者,5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS溶液的磨痕為細(xì)長(zhǎng)的淺犁溝,表明添加碳點(diǎn)后的磨損方式為磨粒磨損,且磨痕體積小。這是由于C12-CDS對(duì)硅酸鈉溶液的潤(rùn)滑機(jī)理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)蛊淠z束強(qiáng)烈吸附在金屬、井壁上形成憎水層隔絕兩摩擦面,通過(guò)氫鍵作用吸附包裹在硅酸聚集體表面形成球形顆粒造成滾動(dòng)摩擦。


3.硅酸鹽鉆井液的性能評(píng)價(jià)


室內(nèi)選取現(xiàn)場(chǎng)用的無(wú)固相硅酸鹽鉆井液體系與兩親性碳點(diǎn)進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液體系配方為:淡水+5%硅酸鈉+6%KCl+0.3%XC+2.5%磺甲基酚醛樹脂+3%乳化瀝青+C12-CDS。實(shí)驗(yàn)條件為110℃老化16 h,鉆井液的流變性能是在50℃測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加入不同含量的C12-CDS潤(rùn)滑劑后,硅酸鹽鉆井液體系的密度變化值均小于0.01 g·cm?3,且鉆井液的流變性和pH隨著C12-CDS含量的增加基本保持不變,API失水量和沙盤封堵濾失量基本不受C12-CDS含量的影響,表明兩親性碳點(diǎn)與硅酸鹽鉆井液體系具有良好的配伍性能。另外,鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)降低率隨著C12-CDS含量的增加而降低,當(dāng)其含量為0.3%時(shí),潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到86.34%。

表3兩親性碳點(diǎn)與硅酸鹽鉆井液的配伍性能評(píng)價(jià)


4.結(jié)論


1.兩親性碳點(diǎn)對(duì)硅酸鈉溶液具有良好的潤(rùn)滑效果,而聚氧乙烯型并無(wú)效果。長(zhǎng)鏈C12-CDS在110℃熱滾16 h前后的極壓潤(rùn)滑系數(shù)分別為0.065和0.063,潤(rùn)滑系數(shù)降低率高達(dá)87%,體現(xiàn)了C12-CDS良好的耐溫性和潤(rùn)滑性能。


2.探究?jī)捎H性CDS濃度和膠束對(duì)硅酸鹽溶液潤(rùn)滑性能的影響,結(jié)果表明兩親性CDS的潤(rùn)滑性能具有較強(qiáng)的濃度依賴性,且CDS碳鏈越長(zhǎng),潤(rùn)滑效果越好,大量的膠束吸附可顯著提高其潤(rùn)滑性能。


3.C12-CDS對(duì)硅酸鈉溶液的潤(rùn)滑機(jī)理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)蛊淠z束強(qiáng)烈吸附在金屬、井壁上形成憎水層隔絕兩摩擦面,通過(guò)氫鍵作用吸附包裹在硅酸聚集體表面形成球形顆粒造成滾動(dòng)摩擦,進(jìn)而改善潤(rùn)滑性能。


4.C12-CDS與現(xiàn)場(chǎng)用無(wú)固相硅酸鹽鉆井液具有良好的配伍性能,可提高其潤(rùn)滑性能。