强吸附极压润滑剂的合成及性能评价

郭海峰

（中海油服采办共享中心，河北三河 065201）

页岩油气、致密油气、凝析油气等非常规油气资源已成为国内油气开发的主战场，为了获得更大的油气渗流面积，常以水平井、分支井和大位移井等开发模式提质增效[1-2]。然而长水平段井易增大井壁与钻具的摩阻，降低了机械钻速，严重时影响钻井安全[3]。油基钻井液具有良好的润滑性能，但生物毒性、生物降解性和高成本限制了油基钻井液在钻井中的应用[4]。现场水基钻井液常以膨润土浆为基础，起到增黏提切的效果，同时满足抗高温要求和降滤失效果。膨润土恶化了水基钻井液的润滑性能[5]。高性能润滑剂对水基钻井液的润滑性能影响甚大，要求润滑剂分子在钻具和井壁上形成一层致密的油膜，分子可通过范德华作用力、氢键以及配位键作用力等稳定地吸附于金属表面，起到抗温、耐磨和润滑作用[6-7]。水基钻井液中常用的润滑剂包括植物油、矿物油和乳液等，但此类润滑剂在水溶液中的分散性能差，极压抗磨性能差[8]。润滑剂分子要求具备长直链，其碳原子个数在12～18 个，可提高油膜的致密性；另外，还要求润滑剂分子含有极性较强的吸附基团（如胺基、酰胺基、多羟基、羧基、酯基和醚基等）和极压润滑基团（含硫、氯、磷等元素）[9]。基于以上分析，根据亲核取代反应和酯化反应原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇为原料制备一种强吸附极压润滑剂RHJ-1，并在水基钻井液中评价其性能。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

主要材料：2-氨基苯并噻唑、氯乙醇、正十八酸、石油醚、对甲苯磺酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；NaOH、Na2CO3、二甲基亚砜（DMSO）（分析纯，上海麦克林生化有限公司）；润滑剂（PF-BLUE）（工业级，中海油服化学有限公司）；流型调节剂（XC-HT）、降滤失剂（BI-FLO）、封堵剂（BI-SEAL）、胶体稳定剂（STAGEL）（工业级，汉科新技术股份有限公司）；重晶石（工业级，贵州天柱钡盐有限公司）；钠基膨润土（工业级，山东潍坊信诚膨润土有限公司）。

主要仪器：DHG-9140 微波化学合成仪（青岛迈可威创新科技有限公司）；Nicolet iS5 型傅里叶红外光谱仪（美国Thermo Fisher 有限公司）；Fann21200 极压润滑仪（美国Fann 公司）；DSA100 型接触角测量仪（德国克鲁斯公司）；MR-S10A 型四球摩擦试验机（济南辰达试验机制造有限公司）；NF-2 型黏附系数测定仪（山东美科仪器有限公司）；XGRL 高温滚子加热炉（青岛森欣机电设备有限公司）；ZNN-D6 六速旋转黏度计（青岛恒泰达机电设备有限公司）；SD3 型中压失水仪（青岛同春石油仪器有限公司）。

1.2 RHJ-1 的制备与表征

亲核取代反应：在装有搅拌器和球形回流冷凝管的250 mL 烧瓶中，依次加入100 mL 水、1.5 g NaOH、15.0 g 2-氨基苯并噻唑和20.0 g 氯乙醇，搅拌均匀后，置于微波反应器中，反应温度为75 ℃，搅拌条件下反应1.5 h。通过减压蒸馏除水和未反应的原料，得到黏稠黄色液体产物。

酯化反应：在上述含有黏稠黄色液体的250 mL 烧瓶中加入50.0 g 正十八酸混合，然后加入60 mL 石油醚和60 mL 二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂，搅拌均匀后加入0.5 g 对甲苯磺酸作为催化剂，将上述烧瓶置于恒温油浴锅中，反应温度为120 ℃，搅拌条件下反应24.0 h，并在反应过程中充N2来防止副反应发生。通过减压蒸馏除水和未反应的原料，得到黏稠深棕色液体产物，并通过Nicolet iS5 型傅里叶红外光谱仪反射法分析RHJ-1 的结构。

1.3 RHJ-1 的性能评价

1.3.1 极压润滑系数测试 按照标准SY/T 6094—1994《钻井液用润滑剂评价程序》中润滑系数测试方法来评价RHJ-1 的润滑性能，采用Fann21200 极压润滑仪在1 034 kPa 的压力下测定含有RHJ-1 的膨润土基浆极压润滑系数[10]。实验步骤：Fann21200 极压润滑仪预热30 min 后测试1 034 kPa 下蒸馏水的摩阻系数D水和钻井液的摩阻系数D钻井液，按照式（1）计算含有RHJ-1 的膨润土基浆极压润滑系数K。

式中：K-含有RHJ-1 的膨润土基浆极压润滑系数，无量纲；D水-蒸馏水的摩阻系数，无量纲；D钻井液-含有RHJ-1 的膨润土基浆摩阻系数，无量纲。

1.3.2 滤饼黏附系数测定 将一定量的RHJ-1 加入到4% 膨润土基浆中，高速搅拌均匀后，通过SD3 型中压失水仪获得API 滤饼，采用NF-2 型黏附系数测定仪测量不锈钢圆盘转动时所需最小扭矩，并按照式（2）计算滤饼黏附系数。

式中：f-滤饼黏附系数，无量纲；M-发生转动的最小扭矩，N·m。

1.3.3 润湿性能评价 RHJ-1 分子吸附在金属表面形成油膜，能改变金属表面的润湿性能。因此，采用DSA100 型接触角测量仪评价RHJ-1 的疏水性能，疏水性能越强，则表明RHJ-1 形成的油膜越致密。实验步骤：将钢片置于未含或含有2.0%RHJ-1 的水溶液中浸泡2.0 h，75 ℃烘干，测试蒸馏水与被处理钢片的接触角。

1.4 RHJ-1 对钻井液性能的影响

1.4.1 RHJ-1 与钻井液配伍性评价 水基钻井液配方：3.0%钠基膨润土基浆+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.4% XC-HT+2.0%BI-FLO+2.0%BI-SEAL+0.5%STAGEL+重晶石（密度为1.4 g/cm3）。参考GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1 部分：水基钻井液》规定的测试程序进行钻井液流变性和滤失量的测定。

1.4.2 润滑抗磨性能评价 将未加和加入2.0%RHJ-1的水基钻井液的润滑抗磨效果通过MR-S10A 型四球摩擦试验机进行评价，分析RHJ-1 对水基钻井液润滑抗磨性能的影响。测试时间为60 min，测试速度为1 200 r/min，负荷为147 N。

2 结果与讨论

2.1 RHJ-1 红外光谱分析

RHJ-1 的结构表征见图1。从图1 可知，噻唑五元环上含有C=N，1 485 cm-1附近出现噻唑五元环上C=N 伸缩振动峰，在1 257 cm-1、695 cm-1附近出现噻唑五元环中的C-S 伸缩、弯曲振动峰；在1 525 cm-1附近出现苯环的骨架伸缩振动峰，在810 cm-1附近出现苯环弯曲振动峰；在1 700 cm-1附近出现中酯基的C=O 特征峰；2 915 cm-1、2 850 cm-1附近出现-CH2-中C-H 的不对称伸缩与对称伸缩振动吸收峰；综上分析，合成产物即为目标产物。

图1 RHJ-1 的红外光谱图

2.2 极压润滑系数测试

在4%膨润土基浆中分别加入不同浓度的RHJ-1，并以润滑剂（PF-BLUE）作为比对样，实验数据见图2。从图2 可知，随着RHJ-1 的加入，使膨润土基浆的极压润滑系数显著降低。当RHJ-1、PF-BLUE 加量均为2.0%时，膨润土基浆的极压润滑系数分别为0.09 和0.14，表明RHJ-1 的极压润滑性能优于PF-BLUE，由于RHJ-1 分子中含有多个强吸附基团，且含有噻唑杂环这样的极压润滑基团，能使RHJ-1 分子稳定地吸附在金属表面，可提高油膜的致密性，起到极压润滑的效果。

图2 极压润滑系数分析

2.3 滤饼黏附系数测定

滤饼黏附系数数据见图3。从图3 可知，随着RHJ-1 的加量逐渐增大，滤饼黏附系数随之降低，当RHJ-1 的加量为2.0%时，其滤饼黏附系数降低率为50%。钻井过程中，由于大位移井的水平段较长，滤饼黏附系数较大时会增大钻具泥包的风险以及影响钻具与井壁的摩阻。RHJ-1 加入可以降低滤饼黏附系数，提高钻井效果和降低钻具泥包的风险。

图3 滤饼黏附系数分析

2.4 润湿性能评价

测试蒸馏水与被处理钢片的接触角见图4。从图4可知，随着2.0%RHJ-1 的加入，使蒸馏水与被处理钢片的接触角显著增大，表明RHJ-1 分子吸附在钢片表面，改变了钢片的润湿性能，形成一层疏水油膜，有利于降低金属与井壁的摩阻。

图4 水滴钢片的接触角图（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

2.5 RHJ-1 与钻井液配伍性评价

将RHJ-1 加入上述水基钻井液中，经过120 ℃老化16.0 h，老化后流变性能、滤失量和极压润滑系数被测试，实验数据见表1。从表1 可知，RHJ-1 的加入对水基钻井液流变性能和滤失性能影响较小，且降低水基钻井液的润滑系数，表明RHJ-1 与水基钻井液具有良好的配伍性能。

表1 RHJ-1 对钻井液性能的影响

（2）RHJ-1 对水基钻井液流变性能和滤失性能影响较小，降低水基钻井液的极压润滑系数，与水基钻井液具有良好的配伍性能，且RHJ-1 具有良好的润滑抗磨性能。

备注：流变性能测试温度为50 ℃。

2.6 润滑抗磨性能评价

将未加和加入2.0%RHJ-1 的水基钻井液通过MR-S10A 型四球摩擦试验机分析RHJ-1 对水基钻井液润滑抗磨性能的影响，实验结果见图5。从图5 可知，水基钻井液中未加RHJ-1 时，钢球的磨损直径为1.014 mm；水基钻井液中加入2.0%RHJ-1 时，钢球的磨损直径仅为0.482 mm，表明RHJ-1 具有良好的润滑抗磨性能。

图5 钢球磨损形貌图（A-空白；B-2.0%RHJ-1）

3 结论

（1）基于亲核取代反应和酯化反应原理，以正十八酸、2-氨基苯并噻唑和氯乙醇为原料制备一种强吸附极压润滑剂RHJ-1，能吸附在钢片表面，改变了钢片的润湿性能，形成一层疏水油膜，起到极压润滑的效果。