一種乳液型鉆井液潤滑劑的制備及性能評價

張 文　杜昱熹　孔凡波

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

?

一種乳液型鉆井液潤滑劑的制備及性能評價

張 文杜昱熹孔凡波

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

以多胺、棉籽油、低碳酸為原料合成植物油酰胺，最佳合成條件為：多胺、棉籽油和低碳酸的摩爾比為1∶4∶1，反應(yīng)溫度168 ℃，反應(yīng)2.5 h；以合成產(chǎn)物植物油酰胺為主要原料，NaOH中和油酸生成油酸鈉做乳化劑，硅膏、煤油和CMC-HV做添加劑，實驗制備出O/W乳液型鉆井液潤滑劑，其配比為：8%(w)植物油酰胺+10%(w)油酸+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。性能評價表明，該潤滑劑具有優(yōu)越的潤滑性能，用量在0.5%(w)時，鉆井液潤滑系數(shù)降低率≥80%，且不影響鉆井液的流變性和密度。經(jīng)170 ℃高溫老化，在15%(w)鹽水鉆井液中，鉆井液潤滑系數(shù)低于0.10，表明該潤滑劑具有良好的耐溫抗鹽性能。

植物油酰胺乳液鉆井液潤滑劑潤滑系數(shù)

在石油鉆探過程中，鉆柱與套管之間、鉆具與井壁之間會產(chǎn)生摩擦，長時間的摩擦?xí)铀巽@桿、鉆具等器械的損耗，不僅影響了鉆井速度，而且大大增加了鉆井成本，甚至造成井下復(fù)雜情況[1-2]。向鉆井液中加入適當(dāng)?shù)臐櫥瑒捎行У亟档豌@井過程中的摩擦阻力，減少能耗及鉆具的磨損，提高鉆井效率。

目前，國內(nèi)外對油溶性潤滑劑的研究比較深入，但存在環(huán)境安全問題。油基鉆井液存在難以反復(fù)使用等問題[3-4]；水基潤滑劑因環(huán)保性好等優(yōu)點受到人們的重視[5-10]，但存在著需要隨時補充，用量大，成本較高等問題；乳液潤滑劑是近幾年來發(fā)展起來的一種潤滑劑[11]，因其潤滑性好、環(huán)保性也好而受到重視。本實驗選用植物油[12]、多胺和低碳酸作原料合成出植物油酰胺，以植物油酰胺做原料制備乳液型鉆井液潤滑劑，并對其性能進行了評價。

1　實驗部分

1.1主要試劑和儀器

無水碳酸鈉、氫氧化鈉均為分析純；棉籽油、煤油為市售；膨潤土，工業(yè)級。

EP-2型極限壓力潤滑儀，ZNS-2型中壓泥漿失水量測定儀，GJD-B12K型高速變頻無極調(diào)速攪拌器，DJ1C型增力電動攪拌器，F(xiàn)A1004型電子天平，ZDHW型調(diào)溫電熱套， ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，F(xiàn)A-25型高剪切乳化機，DT-102A型全自動界面張力儀，WQF-520型傅里葉紅外光譜儀。

1.2植物油酰胺的合成

1.2.1合成機理

(1) 酯的胺解。以植物油為基礎(chǔ)原料，與多胺在一定溫度下加熱，利用含活性元素N的多胺對其進行改性(活性元素N與金屬形成化學(xué)膜)，使多胺與脂肪酸甘油三酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要的化學(xué)反應(yīng)見式(Ⅰ)。

(2) 酰胺的生成。 其主要反應(yīng)見式(Ⅱ)。

式中：R代表R1、R2、R3，R′代表C1～C4的低碳酸。

合成的目標(biāo)產(chǎn)物具有良好的表面活性，而活性元素N能在金屬鉆桿表面形成膜，從而降低鉆具與井壁的摩擦，是制備鉆井液潤滑劑的優(yōu)良原料。

1.2.2植物油酰胺的合成

在裝有溫度計、攪拌器和冷凝管的三口燒瓶中，按一定比例加入多胺和棉籽油，攪拌并加熱，當(dāng)反應(yīng)溫度達到155 ℃時，向三口燒瓶中緩慢加入低碳酸，控制反應(yīng)溫度為155～175 ℃，時間1.5～3 h。得到棕色軟蠟狀的植物油酰胺產(chǎn)物。正交試驗設(shè)計及結(jié)果見表1和表2。

表1 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table1 Orthogonalexperimentaldesignandresults實驗編號A(物料摩爾比l)B(溫度)/℃C(時間)/hV(泡沫體積)①/mLμ(摩阻系數(shù))②11∶2.5∶2.5157±21.51150.30921∶2.5∶2.5163±22.0700.31531∶2.5∶2.5168±22.5700.22541∶2.5∶2.5173±23.0350.22151∶3∶2157±22.0550.22061∶3∶2163±21.5600.19471∶3∶2168±23.0250.18681∶3∶2173±22.5250.18591∶3.5∶1.5157±22.5150.143101∶3.5∶1.5163±23.0120.144111∶3.5∶1.5168±22.0120.150121∶3.5∶1.5173±21.5110.145131∶4∶1157±23.080.112141∶4∶1163±22.540.113151∶4∶1168±22.050.114161∶4∶1173±21.550.117 注:①將合成的樣品分別配制成300mL質(zhì)量濃度為0.05%的水溶液,高速(11000r/min)攪拌5min,測定泡沫體積;②摩阻系數(shù)測定是利用EP-2型極壓潤滑儀在60r/min、扭力為16.95N·m的標(biāo)準(zhǔn)條件下,測定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的水溶液的摩阻系數(shù)。

表2 實驗結(jié)果分析Table2 AnalysisofexperimentalresultsT結(jié)果分析泡沫體積/mL摩阻系數(shù)ABCABCT12851931921.0700.7850.765T21651461410.7860.7660.799T3401111140.5920.6750.665T42277800.4470.6680.664t17148480.2680.1970.191t24137360.1970.1920.200t31028290.1480.1690.166t4519200.1120.1670.166極差R6658280.1560.0300.034較優(yōu)水平A4B4C4A4B3C3主次因素A>B>CA>C>B

由表2可知，以泡沫體積為指標(biāo)的平均值和極差的分析結(jié)果顯示，影響植物油酰胺合成的各因素主次關(guān)系的順序為A>B>C；以摩阻系數(shù)為指標(biāo)的平均值和極差的分析結(jié)果顯示影響植物油酰胺合成的各因素主次關(guān)系的順序為A>C>B。因此，合成反應(yīng)的物料比是主要的影響因素。從平均值和極差進行統(tǒng)計分析，得出最佳物料物質(zhì)的量比為多胺∶植物油∶低碳酸=1∶4∶1，溫度和時間對合成植物油酰胺的影響不大，本實驗選擇最佳合成溫度為(168±2) ℃，最佳合成時間為2.5 h。

1.3乳液型鉆井液潤滑劑的制備

本實驗以植物油酰胺為主要原料，NaOH中和部分油酸生成的油酸鈉做乳化劑，硅膏、煤油和CMC-HV做添加劑，將乳化劑加入植物油酰胺煤油溶液中，并加入水，在10 000 r/min下高速剪切5 min，制得水包油型乳狀液。該方法制備的乳狀液所得的油珠顆粒較細且較均勻，使得乳液微粒不容易聚集，增加了乳液的穩(wěn)定性，有利于乳液長時間保存。實驗制備乳狀液潤滑劑的配方為：10%(w)油酸+8%(w)合成酰胺樣品+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。

2　結(jié)果及討論

2.1植物油酰胺的表征

將室內(nèi)合成產(chǎn)物提純后，進行紅外光譜掃描分析，圖譜如圖1所示。

由圖1可知，1 657.34 cm-1為C=O酰胺I帶吸收峰，722.97 cm-1為(CH2)n骨架振動吸收峰，1 163.76 cm-1為飽和脂肪族中酯的C-O伸縮振動吸收峰，2 848.82 cm-1為-CH3與-CH2-的對稱伸縮振動吸收峰，2921.69 cm-1為-CH3與-CH2-的反對稱伸縮振動吸收峰，3 008.69 cm-1為C-H伸縮振動吸收峰。產(chǎn)物中存在酰胺I帶吸收峰，說明產(chǎn)物含有酰胺基，合成產(chǎn)物為植物油酰胺。

2.2鉆井液潤滑劑對鉆井液性能的影響

量取1 L水置于燒杯中，加入50 g鈉膨潤土和2 g無水碳酸鈉，高速攪拌20 min后，在常溫下密閉養(yǎng)護24 h，得到鉆井液，以下鉆井液均為此配方。

量取300 mL鉆井液，加入不同量的鉆井液潤滑劑，參照Q/SY 1088-2012《鉆井液用潤滑劑技術(shù)規(guī)范》測試潤滑劑在鉆井液中的性能，實驗結(jié)果見表3。

表3 潤滑劑對鉆井液性能的影響Table3 Effectoflubricantonpropertiesofdrillingfluidsw(潤滑劑)/%ρ/(g·cm-3)Δρ/(g·cm-3)AV/(mPa·s)ΔAV/(mPa·s)μμ'/%01.04001000.555-0.50.9950.045910.06787.91.00.9900.050910.06688.11.50.9860.054910.06588.32.00.9800.060910.06089.2

表3中ρ為鉆井液密度,Δρ為密度變化值，AV為鉆井液的表觀黏度，ΔAV為表觀黏度升高值，μ為鉆井液的潤滑系數(shù)；μ′為潤滑系數(shù)降低率。

由表3可知，該潤滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，能大大改善鉆井液的潤滑性能(μ′≥80.0%)，且對鉆井液的密度影響小(Δρ≤0.08 g/cm3)，對表觀黏度升高值的影響也十分微小(ΔAV≤5 mPa·s)，能滿足Q/SY 1088-2012對鉆井液用潤滑劑的技術(shù)要求。較低濃度的植物油酰胺水溶液具有很低的表面張力，是一種良好的表面活性劑。含此類物質(zhì)的潤滑劑可以在相互摩擦界面上形成一層吸附膜，從而改變界面之間的能量。如果在鋼鐵表面上吸附一層非極性物質(zhì)，此時鋼鐵表面由原來的高能表面變成了低能表面，就不容易被泥餅黏附。在鉆井液中加入該潤滑劑，極性基團將吸附在鉆具表面上，非極性基朝外，形成一個親油的表面，此時鉆具表面可形成很厚的油膜，同樣在井壁的泥餅表面上也會形成這樣的一層膜，這樣就可大大減小鉆具與井壁的摩擦力，提高鉆井液的潤滑性能。

2.3鉆井液潤滑劑的耐溫性能評價

取5份300 mL的鉆井液，加入0.5%(w)鉆井液潤滑劑，分別在140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃溫度下滾動16 h，測試鉆井液性能，結(jié)果見表4。

表4 潤滑劑耐溫性實驗Table4 Temperatureresistanceexperimentoflubricant溫度/℃PV/(mPa·s)AV/(mPa·s)YP/Paρ/(g·cm-3)μ室溫410.06.00.9950.06714057.02.00.9900.08915067.01.00.9900.08716066.50.50.9850.08817066.50.50.9800.096

由表4可知，該鉆井液潤滑劑在經(jīng)過高溫老化后，鉆井液的流變性有所變差，密度隨著溫度的升高也有所減小，但變化不大。170 ℃時，鉆井液潤滑系數(shù)降低率保持在80%以上，充分顯示了該潤滑劑良好的抗高溫性能。原因是植物油酰胺的碳碳鍵、酰胺基熱穩(wěn)定性較好，經(jīng)高溫老化后潤滑劑結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生熱分解，依然保持良好的潤滑性能。

2.4鉆井液潤滑劑的抗鹽性能評價

取5組300 mL的鉆井液，加入45 g NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%)、3 g CaSO4，高速攪拌10 min，分別加入0.5%(w)、1%(w)、1.5%(w)和2%(w)的鉆井液潤滑劑，測試鉆井液性能，結(jié)果見表5。

表5 潤滑劑抗鹽性實驗Table5 Saltresistanceexperimentoflubricantw(潤滑劑)/%AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/Paρ/(g·cm-3)μ未加潤滑劑(老化前)7.752.51.1850.337未加潤滑劑(老化后)7.043.01.1800.3100.5(老化前)6.042.01.1600.1050.5(老化后)6.042.01.1500.0851.0(老化前)5.532.51.1550.0971.0(老化后)5.032.01.1450.0761.5(老化前)6.042.01.1400.0951.5(老化后)5.032.01.1350.0662.0(老化前)6.051.01.1200.1092.0(老化后)5.03.51.51.1100.072

由表5可知，在15%(w)鹽水鉆井液中加入潤滑劑后，鉆井液流變性降低。可見，鉆井液潤滑劑在鹽水基漿中對流變性能有一定的改善。隨著潤滑劑加量的增加，鉆井液的密度小幅減小。表5表明，該潤滑劑具有良好的抗鹽能力。其原因可能是鹽水在一定程度上抑制了潤滑劑在鉆井液中的分散，促進潤滑劑在金屬表面的吸附成膜，表現(xiàn)出良好的潤滑性能，因而具有較強的抗鹽性。

3　結(jié) 論

(1) 以多胺、植物油和低碳酸為主要原料合成植物油酰胺，其最佳反應(yīng)條件為：n(多胺)∶n(植物油)∶n(低碳酸)=1∶4∶1，反應(yīng)溫度為166～168 ℃，反應(yīng)時間為2.5 h。

(2) 以合成產(chǎn)物植物油酰胺做主要原料制成乳液型鉆井液潤滑劑，其配方為：8%(w)植物油酰胺+10%(w)油酸+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。

(3) 室內(nèi)評價表明，潤滑劑加量為0.5%(w)時，淡水鉆井液潤滑系數(shù)降低率達到87.9%。經(jīng)170 ℃高溫老化后，在15%(w)鹽水鉆井液中，鉆井液潤滑系數(shù)降低率在80.0%以上，且對鉆井液其他性能沒有不良影響。說明該乳液潤滑劑具有良好的潤滑性及耐溫抗鹽性能。

[1] 張世杰. 石油鉆井的鉆頭選擇及鉆井液確定[M]. 北京： 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2012.

[2] 羅春芝， 劉霞. XCR水基極壓潤滑劑的研制及應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2006， 6(1)： 39-54.

[3] 陳永紅， 劉光全， 許毓， 等． 化學(xué)破乳法處理廢棄油基泥漿室內(nèi)實驗研究[J]. 石油與天然氣化工， 2012， 41(5)： 522-525.

[4] 劉振東． 油基鉆井液應(yīng)用中存在的問題分析及對策[J]. 石油與天然氣化工， 2015， 44(3)： 84-88.

[5] Rebeccal L G, Roger E M, Peter A W. Biodegradable lubricants[J]. Lubr. Eng., 1998 , 54, 10-17.

[6] SAURABH L, PAUL C N, VIRGINIA A C. Environmental friendly food grade lubricants from edibletriglycerides containing FDA approved additives[J]. Journal of Cleaner Production, 1996, 4, 261-265.

[7] SILKOLENE. Environmentally Acceptable Lubricants [J]. Ind. Lubr. Trib., 1993, 45 (3), 8-22.

[8] KAB H. Proceedings of the Final Conferenceon CTVO-NET-Chemical-Technical Utilisation of Vegetable Oils[J]. Bonn, 2000, 50, 20-21.

[9] LAWATE S S, VIRGINIA P C, CARRICK V A. Environmental friendly food gradelubricants from edible triglycerides containing FDA approved additives： US 5538654[P]. 1996.

[10] LAMBERT J W, JOHNSON D L. Vegetable oil lubricants for internal combustionengines and total loss lubrication: US 5888947[P]. 1999.

[11] 崔迎春， 郭保雨， 蘇長明. NMR鉆井液體系現(xiàn)場應(yīng)用研究[J]. 鉆井液與完井液， 2006， 23(2)： 40-43．

[12] 奧爾芬 著， 許冀泉 等澤. 黏土膠體化學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京： 農(nóng)業(yè)出版社， 1984．

Preparation and evaluation of an emulsion-type drilling lubricant

Zhang Wen, Du Yuxi, Kong Fanbo

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Polyamine, cottonseed oil and low carbonate are taken as raw material to synthesize the vegetable oil amide. The optimum synthesis conditions are: the molar ratio of the polyamine, cottonseed oil and low carbonate is 1∶4∶1, the reaction temperature is 168 ℃, the reaction time is 2.5 hours; Using amide synthesis products as the main raw material, NaOH and oleic acid generated sodium oleate as emulsifier, using silicone paste, kerosene and CMC-HV as additive, O/W emulsion drilling fluid lubricant was prepared by the agent-in-oil method, and the optimal proportions are as follows: vegetable oil amide sample 8 wt% +oleic acid 10 wt%+kerosene 18 wt%+silicon cream 2.5 wt%+ NaOH 7.14 wt% (NaOH solution concentration is 20 wt%) + CMC-HV 0.1 wt%+water. The performance evaluation shows that the lubricant has superior lubricating properties and the decreasing rate of drilling fluid lubrication coefficient is not lower than 80% when the amount of lubricants is 0.5 wt%, and drilling fluid rheological behavior and density are not affected. The drilling fluid lubrication coefficient is lower than 0.10 after being high temperature aging at 170 ℃ and put in 15 wt% saline mud. The lubricant shows a good performance of temperature and salt resistance.

vegetable oil amide, emulsion, drilling fluid lubricant, lubrication coefficient

張文(1965-)，高級工程師，現(xiàn)就職于西南石油大學(xué)，主要從事鉆井液方面的研究。E-mail：792633167@qq.com

TE254+.3

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.016

2016-03-04；編輯：馮學(xué)軍