噻唑類緩蝕潤(rùn)滑劑研制及其對(duì)氯化鉀聚合物鉆井液性能的影響

曾 佳， 由福昌， 李 杰， 呂季隆， 周書勝

1荊州學(xué)院 2長(zhǎng)江大學(xué) 3荊州嘉華科技有限公司 4中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司頁(yè)巖油產(chǎn)能建設(shè)項(xiàng)目組 5中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠

0 引言

氯化鉀聚合物鉆井液(以下簡(jiǎn)稱：PF-PLUS/KCl鉆井液)具有強(qiáng)抑制性、良好的造壁性和剪切稀釋性，且滿足環(huán)境友好性的要求，因此廣泛運(yùn)用在各類鉆井平臺(tái)[1- 3]。該鉆井液中KCl含量高，可有效地抑制井壁巖石吸水膨脹以及鉆屑水化分散[4]，其中Cl-會(huì)增強(qiáng)金屬表面電子的運(yùn)輸，且穿透能力強(qiáng)[5]，使鉆具、套管等產(chǎn)生小蝕坑。另外，PF-PLUS/KCl鉆井液中KCl使其潤(rùn)滑性變差，增大了鉆具與井眼之間的摩阻，縮短金屬使用壽命[6]。為了延長(zhǎng)金屬設(shè)備的使用壽命，筆者合成一種噻唑類緩蝕潤(rùn)滑劑(以下簡(jiǎn)稱：ZJ),噻唑雜環(huán)化合物與Fe原子生成穩(wěn)定的配合物或螯合物[7]，可阻止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生，起到緩蝕作用；而分子中帶有的N、S等原子可在金屬表面形成致密的有機(jī)吸附膜(潤(rùn)滑膜)，降低金屬表面、鉆具與井壁的接觸面積，起到潤(rùn)滑作用[8- 9]。采用失重法、電化學(xué)方法、極壓潤(rùn)滑儀等研究了該緩蝕潤(rùn)滑劑在PF-PLUS/KCl鉆井液中對(duì)N80鋼的緩蝕性能以及PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑性能，并成功在南海珠江口盆地大位移井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 鉆井液體系

模擬現(xiàn)場(chǎng)PF-PLUS/KCl鉆井液配方：400 mL海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.2%PF-XC-H+0.3%PF-PLUS+10%NaCl+5%KCl+2%FLOTROL+0.4%PAC-LV+0.3%PF-VIS+重晶石加重至密度1.2 g/cm3。

1.2 ZJ的合成

在裝有溫度計(jì)、冷凝管、攪拌器的三口燒瓶中，以無水乙醇作溶劑，依次加入一定摩爾比的2-氨基噻唑、苯乙酮和苯甲醛，采用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至3～4，升溫至70～80 ℃下反應(yīng)6～8 h，完成曼尼希反應(yīng)，最后加入氯乙酸鈉對(duì)其進(jìn)行季銨化反應(yīng)，攪拌回流，反應(yīng)6～8 h后，除去溶劑得到初產(chǎn)品，采用苯溶劑進(jìn)行重結(jié)晶提純，真空干燥后得最終產(chǎn)物，即緩蝕潤(rùn)滑劑ZJ。

1.3 失重法測(cè)試鉆井液腐蝕性能

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5273—2000《油田采出水用緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》，采用失重法測(cè)定鋼片在PF-PLUS/KCl鉆井液中的腐蝕速率。試驗(yàn)步驟為：將鋼片放入裝有一定濃度ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的廣口瓶中密封，在指定溫度條件下浸泡168 h，計(jì)算腐蝕速率和緩蝕效率。

1.4 電化學(xué)法測(cè)試鉆井液腐蝕性能

電化學(xué)法測(cè)試采用CHI660電化學(xué)工作站的三電極體系測(cè)量PF-PLUS/KCl鉆井液的極化曲線[10]。自制N80鋼工作電極，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，試驗(yàn)溫度為40 ℃，極化曲線掃描范圍為-300～-600 mV(相對(duì)開路電位)，電位掃描速率為5 mV/s。

1.5 極壓潤(rùn)滑儀測(cè)試鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094—1994《鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序》中潤(rùn)滑系數(shù)降低率的評(píng)價(jià)方法，采用EP極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定PF-PLUS/KCl鉆井液和PF-PLUS/KCl鉆井液加ZJ后的潤(rùn)滑系數(shù)。試驗(yàn)步驟為：EP極壓潤(rùn)滑儀預(yù)熱20 min后測(cè)試1.03 MPa下蒸餾水的摩阻系數(shù)D水和鉆井液的摩阻系數(shù)D鉆井液。每測(cè)一個(gè)樣品時(shí)應(yīng)用蒸餾水校準(zhǔn)一次，蒸餾水的摩阻系數(shù)在28～38，否則應(yīng)繼續(xù)磨合[11]，計(jì)算潤(rùn)滑系數(shù)K和潤(rùn)滑系數(shù)降低率RK。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

從圖1中可以看出，噻唑五元環(huán)上含有C=N，在1 520.38 cm-1處為C=N的伸縮振動(dòng)峰；694.26 cm-1處出現(xiàn)的峰為C-S鍵的伸縮振動(dòng)峰；3 010.2 cm-1處為=C-H結(jié)構(gòu)中的C-H伸縮振動(dòng)峰；在3 342.12 cm-1和1 493.66 cm-1處出現(xiàn)的中等強(qiáng)度吸收峰分別為仲胺伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)吸收峰；1 615.61 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)的骨架振動(dòng)吸收峰; 在778.39 cm-1、721.74 cm-1處有苯環(huán)彎曲振動(dòng)雙峰；1 747.15 cm-1處左右出現(xiàn)季銨鹽上—CH2COO—中C=O的特征峰。以上分析表明，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖1 ZJ的紅外光譜圖

2.2 加量對(duì)腐蝕速率的影響

將盛裝加有不同濃度梯度(0、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%)ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的容器全部放置于溫度設(shè)置為40 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，掛片168 h后取出試片N80鋼，處理后得出腐蝕速率見表1。

表1 不同濃度的ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的緩蝕能力

從表1可知，隨著ZJ濃度的增加使得N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液中的腐蝕速率逐漸降低，當(dāng)ZJ的加量達(dá)到了整個(gè)體系的2.0%時(shí)，這時(shí)N80鋼的腐蝕速率約為0.01 mm/a，其緩蝕效率為70.11%。當(dāng)ZJ的加量達(dá)到了整個(gè)腐蝕體系的3.0%時(shí)，此時(shí)N80腐蝕速率約為0.009 5 mm/a,這時(shí)的腐蝕速率下降并不明顯，原因?yàn)楫?dāng)ZJ加量超過2.0%后，N80鋼表面吸附ZJ分子達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.3 溫度對(duì)腐蝕速率的影響

考察不同溫度條件下PF-PLUS/KCl鉆井液對(duì)N80鋼腐蝕速率的影響，試驗(yàn)時(shí)間為168 h，見表2。

從表2可知，隨溫度的升高，N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液體系中的腐蝕速率逐漸增大，腐蝕程度加劇，體系溫度為150 ℃時(shí)，其腐蝕速率為 0.103 5 mm/a(大于 0.076 mm/a)，難以滿足工程要求[12]，加入2% ZJ后，其腐蝕速率僅為 0.051 mm/a，ZJ對(duì)N80鋼的緩蝕效率超過50%，表明ZJ在溫度較高的情況下仍能發(fā)揮出優(yōu)異的緩蝕性能。

表2 不同溫度下ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的緩蝕性能

2.4 緩蝕性能機(jī)理分析

緩蝕性能機(jī)理可通過量子化學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬、交流阻抗法和極化曲線法進(jìn)行研究，本文采用極化曲線測(cè)試不同濃度下ZJ的緩蝕效果。對(duì)N80鋼在PF-PLUS/KCl鉆井液體系中腐蝕過程的電化學(xué)行為進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試溫度為40 ℃，ZJ濃度分別為0、0.5 %、1.0%、2.0%、3.0%，以極化電位E為橫坐標(biāo)、極化電流密度的對(duì)數(shù)lg|I|為縱坐標(biāo)進(jìn)行作圖，其極化曲線見圖2，相關(guān)電化學(xué)參數(shù)見表3。

圖2 PF-PLUS/KCl鉆井液中緩蝕潤(rùn)滑劑ZJ不同加量下N80的極化曲線

從圖2、表3可知，隨著ZJ濃度的增大，使陰、陽極極化曲線均向低電流方向移動(dòng)，腐蝕電流密度顯著降低，表明ZJ對(duì)金屬的陽極溶解和陰極析氫均具有阻礙作用[13]。對(duì)照空白組，加入ZJ后，N80鋼自腐蝕電位負(fù)向移動(dòng)，表明ZJ屬于陰極抑制型緩蝕劑。隨著ZJ加量增大，N80鋼腐蝕速率逐漸降低，與失重法得出的結(jié)論一致。

表3 PF-PLUS/KCl鉆井液中ZJ不同加量下N80鋼的極化曲線電化學(xué)參數(shù)

2.5 加量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

研究不同加量的ZJ對(duì)PF-PLUS/KCl鉆井液潤(rùn)滑性的影響，測(cè)試溫度為40 ℃，在極壓潤(rùn)滑儀加壓1.03 MPa穩(wěn)定5 min后讀數(shù)，其結(jié)果見表4。對(duì)比性能較優(yōu)的常用鉆井液潤(rùn)滑劑PF-LUBE、LUB167、RT101，并測(cè)試了三種鉆井液潤(rùn)滑劑對(duì)PF-PLUS/KCl鉆井液的影響。其結(jié)果見表5。

表4 ZJ加量對(duì)PF-PLUS/KCl鉆井液潤(rùn)滑性能的影響

表5 不同潤(rùn)滑劑對(duì)PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑性能與腐蝕性能的影響

從表4可知，隨著ZJ用量增加，PF-PLUS/KCl鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)逐漸下降，加入2%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)僅為0.07，其潤(rùn)滑性能方面與油基鉆井液(潤(rùn)滑系數(shù)0.05～0.1)相當(dāng)，表明ZJ具有較好的潤(rùn)滑能力，其原因?yàn)閆J可穩(wěn)定地吸附鋼珠在磨輪上，降低金屬之間的接觸面積，達(dá)到極壓潤(rùn)滑的作用[14]。從表5可知，2%ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中表現(xiàn)出的潤(rùn)滑性均優(yōu)于相同加量條件下的其他三種潤(rùn)滑劑，PF-LUBE、RT101對(duì)N80腐蝕反應(yīng)的抑制作用并不明顯，LUB167潤(rùn)滑劑反而促進(jìn)了N80腐蝕反應(yīng)。試驗(yàn)表明，ZJ能有效地解決腐蝕和潤(rùn)滑問題。

2.6 溫度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

在不同溫度條件下熱滾16 h，研究不同熱滾溫度對(duì)加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液性能的影響，數(shù)據(jù)見表6。

表6 ZJ在PF-PLUS/KCl鉆井液中的抗溫性能

從表6可知，加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液在不同溫度下熱滾后，鉆井液的各性能(塑性黏度、動(dòng)切力、Φ6/Φ3等)變化很小，ZJ與PF-PLUS/KCl鉆井液有良好的配伍性。隨著熱滾溫度的升高，PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)呈上升趨勢(shì)，但150 ℃、16 h熱滾后PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)仍小于0.1，表明ZJ具有良好的抗溫性能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年3月17日， PF-PLUS/KCl鉆井液應(yīng)用于南海珠江口盆地大位移井X-1、X-2井?311.15 mm、?234.95 mm井段，其中X-2井鉆進(jìn)過程中，PF-PLUS/KCl鉆井液加入1.0%～1.5%ZJ，對(duì)比X-1井、X-2井相同井段的扭矩、機(jī)械鉆速、鉆具腐蝕速率(采用腐蝕環(huán)法，參照SY/T5390—1991標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液腐蝕性能檢測(cè)方法鉆桿腐蝕環(huán)法》)，數(shù)據(jù)見表7。

表7 緩蝕潤(rùn)滑劑ZJ應(yīng)用效果

從表7可知，PF-PLUS/KCl鉆井液中加入ZJ后，可有效地降低鉆具的腐蝕速率，且使鉆進(jìn)中的平均扭矩明顯降低，提高了鉆井時(shí)效，有利于井壁穩(wěn)定。X-2井鉆進(jìn)過程中，未出現(xiàn)憋扭矩、起下鉆困難、倒劃眼困難等復(fù)雜情況，ZJ現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的效果。

4 結(jié)論

(1)含2%ZJ的PF-PLUS/KCl鉆井液對(duì)N80腐蝕速率僅為0.0107 mm/a，其緩蝕率高于70%，緩蝕機(jī)理為：ZJ可自發(fā)吸附在N80鋼表面，有效降低腐蝕介質(zhì)與金屬表面的接觸面積，降低N80鋼的腐蝕速率，且ZJ屬于陰極抑制型緩蝕劑。

(2)2%ZJ的加入使PF-PLUS/KCl鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)降低率超過50%，由于ZJ在金屬表面所形成致密的有機(jī)吸附膜(潤(rùn)滑膜)，可有效降低金屬之間的接觸面積，起到抗腐蝕和磨損的作用。

(3)ZJ與PF-PLUS/KCl鉆井液有良好的配伍性，并成功在南海珠江口盆地大位移井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。PF-PLUS/KCl鉆井液中加入ZJ后，可有效地降低鉆具的腐蝕速率，且使鉆進(jìn)中的平均扭矩明顯降低，提高了鉆井時(shí)效，有利于井壁穩(wěn)定。