用廢機(jī)油制備鉆井液用極壓潤滑劑DRH－1的研究

樊澤霞，王兆興，鄧志宇，徐文康，張 超

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

用廢機(jī)油制備鉆井液用極壓潤滑劑DRH－1的研究

樊澤霞，王兆興，鄧志宇，徐文康，張 超

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

針對目前廢機(jī)油再利用時(shí)易產(chǎn)生二次污染及鉆井液常規(guī)潤滑劑極壓膜強(qiáng)度低、抗溫性能差等問題，通過磺化廢機(jī)油并復(fù)配以一定比例的表面活性劑，制備出鉆井液用多功能潤滑劑DRH－1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)潤滑劑DRH－1加量大于1.0%時(shí)，潤滑系數(shù)降低率達(dá)到70%以上，潤滑極壓膜強(qiáng)度有大幅度增加。DRH－1的抗溫性可達(dá)180℃。DRH－1潤滑劑的加入能明顯降低基漿的濾失量，還具有較強(qiáng)的頁巖抑制作用，防止井壁坍塌。理論分析認(rèn)為，DRH－1潤滑劑的多功能性，主要是由于DRH－1能在固體表面通過物理化學(xué)方法成膜，且成膜較均勻、強(qiáng)度較高。

廢機(jī)油;磺化;潤滑;頁巖抑制作用;鉆井液

機(jī)油在使用過程中因?yàn)槭芡饨缥廴緯?huì)產(chǎn)生大量膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等雜物，因此其功效會(huì)降低而不得不被更換［1］。全球每年產(chǎn)生的廢機(jī)油量成千上萬噸，且數(shù)據(jù)不斷上升。關(guān)于廢機(jī)油的再生方法，早期廣泛采用硫酸/白土精制法，該方法雖簡單易行，但再生油收率低，生成的酸渣污染環(huán)境嚴(yán)重，已逐漸被淘汰。近年來采用的加氫精制法，油品質(zhì)量好，但設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用均比較高［2］。廢機(jī)油再生時(shí)，體系中的極壓添加劑、抗磨損添加劑及瀝青質(zhì)等成分都被作為清除對象被分離出去，不可避免地產(chǎn)生二次污染。廢機(jī)油與機(jī)油相比，其主要成分沒有很大變化，所以廢機(jī)油仍然具有較強(qiáng)的潤滑作用。鉆井液潤滑劑的主要作用是改善鉆井液潤滑性，降低井壁與鉆具(或套管)之間的摩擦，降低鉆柱旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆阻力，減少卡鉆事故的發(fā)生［3］。中國鉆井液常用潤滑劑普遍存在極壓膜強(qiáng)度低、抗溫性能差、價(jià)格高等問題。通過將廢機(jī)油磺化改性，其產(chǎn)品既能保持原有的極壓抗磨潤滑性，產(chǎn)生的磺化瀝青又具有頁巖抑制作用利于井壁穩(wěn)定，可以更好地滿足鉆井對鉆井液多項(xiàng)性能的要求。廢機(jī)油磺化改性制備鉆井液用多功能潤滑劑的研究目前尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。這一研究在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源及安全鉆井等方面都具有重要意義。

1 試驗(yàn)藥品及儀器

1.1 主要藥品

SP－85、TW－80、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、油酸鈉、潤滑劑B等均為工業(yè)品。廢機(jī)油取自青島東辰汽車修理廠。

1.2 主要儀器

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，ZNN－D6型，青島海通達(dá)專用儀器廠;滾子加熱爐，MODEL49型數(shù)顯干燥箱，101A－2型，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠;電動(dòng)攪拌器，JJ－Ⅰ型，江蘇省金壇市儀器有限公司;極壓潤滑儀，EF－2型，青島海通達(dá)專用儀器廠;電子天平，ARC120型，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠;接觸角測定儀，北京哈科試驗(yàn)儀器廠;A3鋼片，山東陽信輕工產(chǎn)品試驗(yàn)廠。

2 潤滑劑DRH－1的制備

稱取一定量的廢機(jī)油置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器放到電熱恒溫水浴鍋中并固定好。然后按照配料比，稱取一定量的液體SO3于滴液漏斗中。為了使從滴液漏斗中滴出的液體SO3變成氣體SO3，與滴液漏斗相連的氣體發(fā)生器通過夾套水浴熱循環(huán)作用保持50℃(液體SO3的氣化溫度)，使氣體SO3不斷地進(jìn)入磺化反應(yīng)器中與廢機(jī)油均勻反應(yīng)。為了控制磺化反應(yīng)速度，用N2作為載氣和稀釋氣［4］。自制的磺化反應(yīng)裝置見圖1。

圖1 廢機(jī)油磺化反應(yīng)裝置

將已經(jīng)磺化好的廢機(jī)油用一定濃度的NaOH溶液中和至體系pH為8，然后再加入一定比例的表面活性劑混合均勻即成鉆井液用多功能潤滑劑DRH－1。

3 潤滑劑DRH－1性能評價(jià)

3.1 潤滑性評價(jià)

3.1.1 基漿配制

按水:膨潤土:無水碳酸鈉=100∶8∶0.25的比例加料，高速攪拌20 min后，再密閉養(yǎng)護(hù)24 h備用。

3.1.2 潤滑系數(shù)的測定

向基漿中分別加入制備的潤滑劑DRH－1及市購潤滑劑B，用高攪機(jī)攪拌40 min。測定基漿加藥品前后及高溫處理前后各體系的潤滑系數(shù)、流變性及濾失性［5］。測定潤滑系數(shù)的方法依據(jù)SY/T6094－94鉆井液用潤滑劑評價(jià)程序。按式(1)計(jì)算潤滑系數(shù)降低率:

式中，η為潤滑系數(shù)降低率，%;W為基漿潤滑系數(shù); W1為基漿加入潤滑劑后的潤滑系數(shù)。

潤滑系數(shù)降低率越大，潤滑劑的潤滑效果越好。基漿中加入不同含量的兩種潤滑劑后其潤滑性及流變性等見表1。

表1 潤滑劑DRH－1與B性能比較

從表1可以看出:基漿中加入兩種不同含量的潤滑劑后，潤滑系數(shù)降低率隨其加量的增加逐漸增大，潤滑性逐漸增強(qiáng)，但潤滑劑DRH－1的增強(qiáng)效果比市購潤滑劑B的增強(qiáng)效果更明顯。當(dāng)潤滑劑DRH－1加量大于1.0%時(shí)，潤滑系數(shù)降低率超過70%，超過SY/T6094－94標(biāo)準(zhǔn)潤滑系數(shù)降低率65%的要求。隨潤滑劑DRH－1加量的增加，體系表觀黏度、稍有上升，但變化不大，遠(yuǎn)低于SY/T6094－94標(biāo)準(zhǔn)表觀黏度升高值小于5.0 mPa·s的要求。隨潤滑劑DRH－1加量的增加，體系的濾失量明顯下降，當(dāng)加量超過1.0%時(shí)，濾失量下降到低于基漿濾失量的一半，下降幅度比潤滑劑B明顯。從表1還可以看出:基漿中加入潤滑劑DRH－1在180℃老化16 h后體系潤滑性及其它性能的評價(jià)結(jié)果與室溫條件下的評價(jià)結(jié)果差別不是很大，說明其抗溫性較強(qiáng)。

潤滑劑DRH－1與潤滑劑B相比，DRH－1的潤滑系數(shù)降低率更高，流變性更穩(wěn)定，并且能明顯降低濾失量，這對改善鉆井液性能非常有利。

3.2 吸附性評價(jià)

廢機(jī)油改性而成的潤滑劑中加入了表面活性劑。表面活性劑可在摩擦面上形成吸附層。由于金屬表面或粘土表面的親水性，按極性相近規(guī)則吸附的表面活性劑可使這些表面反轉(zhuǎn)為親油表面，從而使油能在金屬表面或粘土表面形成均勻的油膜，強(qiáng)化了油的潤滑作用。表面活性劑在鋼鐵表面的吸附性越強(qiáng)，其強(qiáng)化潤滑劑的潤滑效果越好。

通過測定接觸角的方法來評價(jià)表面活性劑在鋼鐵表面的吸附性。測定時(shí)先向基漿中加入潤滑劑攪拌均勻，然后放入干凈的鋼片浸泡16 h，再將蒸餾水滴到處理過的鋼片表面上并用接觸角測定儀測其接觸角。接觸角越大，說明處理過的鋼片表面親油性越強(qiáng)，亦即表面活性劑在親水鋼鐵表面上的吸附性越強(qiáng)，潤濕反轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。接觸角隨潤滑劑加量的變化見圖2。

圖2 接觸角隨潤滑劑加量的變化曲線

由圖2可以看出:用加入潤滑劑DRH－1的基漿處理過的鋼片，其水滴的接觸角都大于90°，且隨著潤滑劑加量的增加，接觸角越來越大，說明吸附性能越來越強(qiáng)。用加入潤滑劑B的基漿處理過的鋼片，其水滴的接觸角隨著潤滑劑加量的增加，接觸角先增大后減小，這可能是形成了雙層吸附膜的緣故。

3.3 極壓性能評價(jià)

隨著載荷的增加，固體表面之間的油膜厚度逐漸減薄，當(dāng)載荷增至一定程度，連續(xù)的油膜被固體表面的峰頂破壞，局部會(huì)產(chǎn)生金屬表面之間的直接接觸，引起表面擦傷。良好的鉆井液要求潤滑劑在高壓下能在金屬表面形成一層堅(jiān)固的化學(xué)膜起潤滑作用，以降低金屬接觸界面的摩阻。

可以用極壓膜強(qiáng)度表示體系的極壓性能。極壓膜強(qiáng)度值越大，廢機(jī)油改性潤滑劑的極壓性能越強(qiáng)。向基漿中分別加入所制備的潤滑劑DRH－1及市購潤滑劑B，在極壓潤滑儀上分別測定基漿及加入潤滑劑后各體系的極壓膜強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 極壓膜強(qiáng)度隨潤滑劑加量的變化曲線

從圖3可以看出:基漿中加入不同含量的潤滑劑后，其極壓膜強(qiáng)度隨潤滑劑加量的增加，基漿潤滑極壓膜強(qiáng)度逐漸增大。與市購潤滑劑B相比較，用廢機(jī)油改性而成的潤滑劑DRH－1有更強(qiáng)的極壓性能，更適合水平井對鉆井液強(qiáng)極壓潤滑性的要求。

3.4 抑制巖屑分散性評價(jià)

通過巖屑回收率實(shí)驗(yàn)來評價(jià)樣品抑制巖屑分散的性能。測量巖屑回收率時(shí)，先稱取50.0 g小于6目、大于10目的巖屑，裝入盛有350 mL蒸餾水和待測液(含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的廢機(jī)油改性潤滑劑DRH－1及市購潤滑劑B)的密封杯中。再將裝好樣品的密封杯放入77℃的滾子加熱爐中，滾動(dòng)16 h。最后再將巖屑連同試液一起倒入40目準(zhǔn)篩中，用自來水沖洗，將篩余巖樣放入105±3℃的鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干4 h后稱量［6］。

按式(2)計(jì)算巖屑回收率:

式中，R為40目巖屑回收率，%;m為40目篩余，g。

回收率R越大，巖屑分散少，樣品抑制巖屑分散的性能就越強(qiáng)，在鉆井液中的防塌性能也就越強(qiáng)。潤滑劑DRH－1及市購潤滑劑B抑制巖屑分散的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

通過圖4可以看出，加入兩種不同量的潤滑劑后，其抑制巖屑分散性能都隨潤滑劑加量的增加而逐漸增大。從圖4看出:與市購潤滑劑B相比較，用廢機(jī)油改性而成的潤滑劑DRH－1有更高的巖屑回收率，在鉆井液中使用應(yīng)該有更強(qiáng)的防塌性能。

圖4 巖屑回收率隨潤滑劑加量的變化曲線

4 作用機(jī)制分析

潤滑劑DRH－1中加入了吸附性較強(qiáng)的復(fù)合表面活性劑。活性劑分子吸附在金屬和黏土表面上，在金屬和粘土表面上形成牢固的吸附膜。由于金屬表面或粘土表面的親水性，按極性相近規(guī)則吸附的表面活性劑可使這些表面反轉(zhuǎn)為親油表面，從而使油能在金屬表面或粘土表面形成均勻的油膜，這種定向吸附使親油基朝外，所以金屬表面與粘土顆粒表面之間的固－固摩擦變成油膜之間的摩擦，從而減少金屬部件的磨損。另外，廢機(jī)油改性后的瀝青成分通過在頁巖表面黏附，封堵頁巖的孔隙，形成了一層憎水油膜，也具有一定的潤滑作用和抑制頁巖水化分散的作用。

廢機(jī)油中含有一定比例的氯類、硫類及磷類的極壓添加劑和抗磨損添加劑［6］。在高溫高壓狀態(tài)下這些含硫、氯和磷元素的高活性物質(zhì)能在金屬表面生成一層堅(jiān)硬的化學(xué)膜，牢固地吸附在潤滑界面上，具有良好的潤滑性能。另外廢機(jī)油中的有機(jī)金屬鹽類也具有較高的抗磨能力，可防止或減少金屬表面的磨損。因此，用廢機(jī)油改性制備的潤滑劑DRH－1可通過物理化學(xué)多種成膜作用，在固體表面形成無機(jī)－有機(jī)復(fù)合膜，將鉆桿與井壁之間的摩擦轉(zhuǎn)化為鉆桿與復(fù)合膜之間的摩擦，降低鉆具的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，提高鉆速，保證安全鉆井。

5 結(jié)論

(1)廢機(jī)油進(jìn)行磺化并復(fù)配以一定比例的表面活性劑，可以制備出鉆井液用多功能潤滑劑DRH－1。潤滑劑DRH－1能明顯提高鉆井液極壓潤滑性。

(2)潤滑劑DRH－1能穩(wěn)定鉆井液流變性，降低鉆井液濾失量，具有較強(qiáng)的頁巖抑制作用，是一種多功能潤滑劑。

(3)潤滑劑DRH－1具有較高的抗溫性，抗溫可達(dá)180℃。

［1］張春光，趙淵杰，鄧永生，等．廢潤滑油再生技術(shù)現(xiàn)狀及行業(yè)發(fā)展思路［J］．潤滑油，2008(2):9-12．

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［責(zé)任編輯］印樹明

TE09

A

1673-5935(2015)02-0015-04

10．3969/j．issn．1673-5935．2015．02．006

2015－03－05

樊澤霞(1966—)，女，山東青島人，中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院教授，博士，主要從事油田化學(xué)教學(xué)與研究。