水基納米乳液潤滑劑AF-Lube的研制與應(yīng)用

丁 玉，易 勇，夏小春

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

在鉆井過程中，鉆柱與套管之間，鉆具與井壁之間會產(chǎn)生摩擦，從而大幅提高鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力，不僅使鉆桿、鉆具等器械損耗加快，甚至可能導(dǎo)致卡鉆等井下復(fù)雜情況[1]。向鉆井液中加入潤滑劑，可有效的降低鉆井過程中鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力，減少能耗及鉆具的磨損，避免卡鉆等井下復(fù)雜情況[2]。

近年來，水基納米乳液潤滑劑發(fā)展迅速。因其具有潤滑效果好，環(huán)保無毒，無熒光的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于海上油田[3，4]。但是，目前所生產(chǎn)的水基納米乳液潤滑劑粒度分布較寬、穩(wěn)定性較差，且凝固點(diǎn)較高，在氣溫較低時(shí)容易凝固。而海上氣溫偏低，在渤海等地區(qū)冬天海上氣溫甚至能低至-30℃，導(dǎo)致水基納米乳液潤滑劑凝固，無法流動。而再次升溫后凝固的乳液會破乳分層，失去潤滑能力。

為此，本文從降低凝固點(diǎn)和提高水基納米乳液潤滑劑穩(wěn)定性兩方面出發(fā)，研究水基納米乳液潤滑劑的制備，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1號植物油酯，主要成分為油酸甲酯，酸值0.65 mg KOH/g，工業(yè)品；2號植物油酯，主要成分為氯化油酸甲酯，酸值2.0 mgKOH/g，工業(yè)品；3號植物油酯，主要成分為油酸乙酯，酸值0.59 mgKOH/g，工業(yè)品；單油酸甘油酯，表面活性劑，分析純；十聚甘油單油酸酯，表面活性劑，工業(yè)品；膨潤土產(chǎn)自夏子街；商品PF-Lube潤滑劑，天津中海油服化學(xué)有限公司；其余材料均為市售品。

Zetasizer Nano ZS90納米粒度儀，英國馬爾文公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，極壓潤滑儀，美國FANN公司；高精度半導(dǎo)體凝固點(diǎn)測試儀NGB2-2，天津市精易工貿(mào)有限公司；ZNS型失水儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水基納米乳液潤滑劑AF-Lube的制備 制備納米乳液常見的方法分為高能乳化法和低能乳化法。高能乳化法主要是指利用高壓均質(zhì)器等設(shè)備輸入能量，使油水混合液乳化，此方法成本往往較高，并需要特定的設(shè)備。低能乳化法主要是改變?nèi)榛瘻囟然蚪M分來改變表面活性劑的自發(fā)曲率，從而利用儲存在表面活性劑體系中的化學(xué)能對油水混合液進(jìn)行乳化，進(jìn)而誘導(dǎo)體系發(fā)生相轉(zhuǎn)變，得到納米乳液[5-12]。本研究以低能相轉(zhuǎn)變法進(jìn)行納米乳液潤滑劑的研制，具體制備方法如下：按一定比例混勻一定量的植物油酯和表面活性劑，加熱到一定的溫度，一邊攪拌一邊將多元醇的水溶液逐步滴加到混合好的植物油酯和表面活性劑里，制得水基納米乳液潤滑劑AF-Lube。

1.2.2 基漿和鉆井液的配制

（1）預(yù)水化膨潤土漿：在1 L蒸餾水中加入120 g膨潤土，攪拌1 h后靜置室溫養(yǎng)護(hù)24 h以上，再次攪拌均勻得到預(yù)水化膨潤土漿。

（2）淡水基漿：在漿杯中加入159.75 g預(yù)水化膨潤土漿和150 mL蒸餾水，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min得到淡水基漿。

（3）模擬海水基漿：按美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1 141.98《Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water》配制模擬海水。在漿杯中加入159.75 g預(yù)水化膨潤土漿和150 mL模擬海水，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min得到模擬海水基漿。

（4）PEM鉆井液配方：3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2%純堿+0.15%黃原膠（PF-XC）+0.3%聚陰離子纖維素（PF-PAC-LV）+1.0%瀝青樹脂（PF-TEMP）+3.0%封堵劑（PF-GreenSeal）+3.0%KCl+2.0%聚合醇（PF-JLX-C），重晶石加重至1.2 g/cm3，高速攪拌下，按配方順序加料，之后高速攪拌60 min。

（5）PEC鉆井液配方：3.0%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2%純堿+0.15%黃原膠（PF-XC）+0.2%聚陰離子纖維素（PF-PAC-LV）+1.0%降濾失劑（RS-1）+0.5%部分水解聚丙烯酰胺類包被劑（PF-PLH）+0.5%有機(jī)正電膠（JMH-YJ），重晶石加重至 1.2 g/cm3，高速攪拌下，按配方順序加料，之后高速攪拌60 min。

1.3 評價(jià)方法

1.3.1 凝固點(diǎn) 用NGB2-2凝固點(diǎn)測試儀測定樣品凝固點(diǎn)，每個樣品測定三次取平均值。

1.3.2 粒徑 對制備的潤滑劑進(jìn)行稀釋后，在25℃下用Zetasizer Nano ZS90測試其粒徑，激光波長為633 nm，散射角度為90°，每個樣品分別測量三次取平均值為粒徑。

1.3.3 鉆井液性能 將測試樣品分別加入淡水基漿、模擬海水基漿和兩個體系的鉆井液中，高速攪拌20 min后，在一定溫度下滾動老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌5 min后在49℃下測定流變數(shù)據(jù)，用極壓潤滑儀測量扭矩。

2 結(jié)果與討論

2.1 水基納米乳液潤滑劑AF-Lube的配方

2.1.1 水相的選擇 綜合考慮成本、環(huán)保和安全等因素，選用多元醇水溶液作為水基納米乳液潤滑劑的外相。不同含量多元醇水溶液的凝固點(diǎn)（見圖1）。由圖1可知，多元醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～80%時(shí)凝固點(diǎn)較低，低于-10℃。但同時(shí)考慮到潤滑劑里增加油相有利于潤滑性能的提高，因此適宜的多元醇溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～60%。

圖1 不同含量多元醇水溶液的凝固點(diǎn)

2.1.2 油相的選擇 按一定實(shí)驗(yàn)條件分別用1～3號植物油酯制備水基納米乳液潤滑劑AF-Lube，測定所制得AF-Lube的凝固點(diǎn)，測定結(jié)果（見表1）。在淡水膨潤土基漿和海水膨潤土基漿中按1.0%加量分別加入上述三種AF-Lube，測試其潤滑系數(shù)并和空白基漿對比，結(jié)果（見表2）。由表可知3號植物油酯制備的AFLube凝固點(diǎn)和潤滑能力均優(yōu)于1號和2號植物油酯制備的AF-Lube，因此選擇3號植物油酯作為水基納米乳液潤滑劑的油相。

表1 不同類型植物油酯制得AF-Lube的凝固點(diǎn)

表2 植物油酯類型對AF-lube在淡水基漿和海水基漿中潤滑性能的影響

2.1.3 HLB值的選擇 HLB值反映了表面活性劑親水親油的能力。在合適的HLB值范圍內(nèi)，表面活性劑在油水界面上排列將更緊密，降低界面張力的能力將更強(qiáng)，制得的水基納米乳液潤滑劑粒徑和穩(wěn)定性才更好。單一表面活性劑在油-水界面形成的界面膜往往不夠致密，形成的乳液穩(wěn)定性較差。而研究發(fā)現(xiàn)，使用兩種具有不同HLB值的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，通常能夠在油-水界面上形成致密的復(fù)合膜，使得乳液穩(wěn)定性較高。本研究選用單油酸甘油酯和十聚甘油單油酸酯復(fù)合表面活性劑作為乳化劑。為研究復(fù)合表面活性劑的HLB值對乳液穩(wěn)定性的影響，分別配制HLB值為7～12的水基納米乳液潤滑劑樣品，所得樣品粒徑（見圖2）。由圖2可知，只有在HLB值為11～12的范圍內(nèi)時(shí)，得到的水基納米乳化潤滑劑的粒徑最小，當(dāng)混合表面活性劑的HLB值在7～9時(shí)，體系的粒徑急劇增大，乳液穩(wěn)定性很差，靜置后很快出現(xiàn)分層效果。因此優(yōu)選了體系的HLB值為11，此條件下制備的水基納米乳液潤滑劑AF-Lube樣品穩(wěn)定時(shí)間超過30 d。

圖2 AF-Lube的粒徑隨混合表面活性劑HLB值的變化

2.1.4 乳化溫度對水基納米乳液潤滑劑的影響 乳化溫度會影響體系的表面張力。當(dāng)乳化溫度升高時(shí)，表面活性劑中的親水基團(tuán)會趨于卷曲，導(dǎo)致疏水性增強(qiáng)，整個體系的界面張力會逐漸降低，因而制得的乳液粒徑更小。不同乳化溫度下制備的水基納米乳液潤滑劑粒徑（見圖3）。由圖3可知，80℃～90℃反應(yīng)條件下形成的乳液粒徑更小。綜合考慮能耗因素，確定乳化溫度為80℃。

圖3 AF-Lube的粒徑隨體系乳化溫度的變化

2.1.5 油相含量對水基納米乳液潤滑劑的影響 提高油相含量往往可以提高潤滑劑的潤滑性，但卻可能導(dǎo)致乳液的不穩(wěn)定。在表面活性劑加量不變的前提下，提高油相比例，制備一系列水基納米乳液潤滑劑樣品，并測試其粒徑，所得結(jié)果（見圖4）。由圖4可知，當(dāng)體系的油相含量不高于60%時(shí)，體系的油相含量對制成的水基納米乳液潤滑劑粒徑影響不大。證明制得的水基納米乳液潤滑劑有很好的稀釋穩(wěn)定性。當(dāng)體系的油相含量高于60%時(shí)，乳液的粒徑急劇變大且穩(wěn)定性很差，靜置后即出現(xiàn)分層效果。因此，選擇油相含量在35%～60%。

圖4 AF-Lube粒徑隨油相含量的變化

2.2 水基納米乳液潤滑劑的穩(wěn)定性

水基納米乳液潤滑劑外觀呈乳白色液體，平均粒徑在350 nm左右，凝固點(diǎn)低于-30℃。將樣品放置一個月后，再次測定其粒徑。剛制備的樣品和放置一個月后樣品的粒徑對比結(jié)果（見表3）。由表3可知水基納米乳液潤滑劑的穩(wěn)定性很好，放置1個月后粒徑有所增加，但是變化不大，這主要是由于潤滑劑的粒徑較小，因此小液滴的布朗運(yùn)動可以有效地抑制重力的作用，提高了潤滑劑的沉降，絮凝，聚結(jié)及上浮穩(wěn)定性。因此水基納米乳液潤滑劑與常規(guī)乳液潤滑劑相比，具有突出的防凍能力和穩(wěn)定性，添加到鉆井液中，可滿足較低溫度環(huán)境下的油田鉆井施工要求。

表3 水基納米乳液潤滑劑的放置穩(wěn)定性

2.3 潤滑劑的性能評價(jià)

分別在淡水基漿和模擬海水基漿中加入10 kg/m3～50kg/m3水基納米乳液潤滑劑AF-Lube，高速攪拌20min后用極壓潤滑儀測試扭矩，同時(shí)測試空白基漿的扭矩。以空白基漿扭矩為基數(shù)，計(jì)算AF-Lube在不同加量下基漿的扭矩降低率，結(jié)果（見圖5）。由圖5可知，加量大于10 kg/m3時(shí)在淡水基漿和模擬海水基漿中均可將扭矩降低50%以上。當(dāng)加量在30 kg/m3～50 kg/m3時(shí)，隨著潤滑劑加量的提高，潤滑劑在淡水和模擬海水基漿中扭矩降低率都不再明顯提高，這可能是因?yàn)樵诂F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，簡單基漿中摩阻已經(jīng)減小到接近極限，提高潤滑劑加量也無法進(jìn)一步降低摩阻。

圖5 AF-Lube加量對淡水基漿和海水基漿扭矩降低率的影響

分別在海上油田使用的PEM鉆井液和PEC鉆井液中加入30 kg/m3水基納米乳液潤滑劑AF-Lube，對比樣品PF-Lube，在120℃下熱滾16 h后，測量流變，API濾失和潤滑系數(shù)，結(jié)果（見表4）。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

AF-Lube于2016年應(yīng)用于渤海某區(qū)域鉆井作業(yè)，降低摩阻效果良好。以CFD某井為例，簡要介紹水基納米乳液潤滑劑AF-Lube的應(yīng)用效果。該井采用PEM鉆井液體系，鉆井液密度為1.2 g/cm3，在鉆進(jìn)過程中扭矩為6 kN·m～25 kN·m，摩阻較大且扭矩波動幅度較大。加入 AF-Lube并維持加量在 10 kg/m3～30 kg/m3，三開完鉆井深2 420 m。該井在鉆井過程中未發(fā)生卡鉆事故，鉆井液潤滑性能較好。加入AF-Lube前后鉆井液的典型性能（見表5）。由表5可知，AF-Lube對PEM鉆井液的流變性能影響很小，能顯著降低扭矩，減小扭矩波動幅度。

4 結(jié)論

以多元醇和水的混合溶液為外相，以植物油酯為內(nèi)相，在復(fù)合乳化劑作用下通過簡單的相轉(zhuǎn)變組分法制備了一種水基納米乳液潤滑劑AF-Lube。AF-Lube凝固點(diǎn)低于-30℃，解決了冬季海上作業(yè)時(shí)潤滑劑可能凝固失效的問題。同時(shí)AF-Lube的穩(wěn)定性良好，可較長時(shí)間存放不會破乳失效。實(shí)驗(yàn)所得最佳配方為：多元醇溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～60%，主要含有油酸乙酯的3號植物油酯含量為35%～60%，復(fù)合乳化劑HLB值為11～12，乳化溫度80℃～90℃。

表4 AF-Lube和商品潤滑劑PF-Lube對PEM和PEC鉆井液性能的影響

表5 加入AF-Lube前后PEM體系性能變化

在淡水基漿和模擬海水基漿中加入30 kg/m3水基納米乳液潤滑劑AF-Lube后，淡水基漿和模擬海水基漿扭矩均降低80%以上。在PEC和PEM鉆井液中加入30 kg/m3AF-Lube后，鉆井液的潤滑系數(shù)由0.24～0.26降至0.13～0.16且流變性變化較小，能有效提高鉆井質(zhì)量。

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