近年來，隨著(zhu)油(you)氣鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)探領(ling)域的(de)不斷開發拓(tuo)展，頁巖氣層(ceng)的(de)井(jing)(jing)(jing)壁穩定(ding)(ding)問題引起國內外廣泛關注，外來流(liu)體入(ru)侵導致黏(nian)土(tu)礦物(wu)的(de)水化膨脹和(he)分散(san)是(shi)頁巖儲層(ceng)井(jing)(jing)(jing)壁失穩的(de)重(zhong)要(yao)原因(yin)。油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液可極大程度地抑制頁巖水化，但成本(ben)(ben)高和(he)環境污染嚴重(zhong)，綜合考慮井(jing)(jing)(jing)壁穩定(ding)(ding)性能(neng)、成本(ben)(ben)和(he)環保(bao)3個方面，可引入(ru)與油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液防(fang)塌抑制性能(neng)相當的(de)硅酸鹽(yan)水基(ji)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液。其主處(chu)理劑硅酸鹽(yan)成本(ben)(ben)低(di)且(qie)對環境友好，對泥(ni)頁巖地層(ceng)具(ju)有(you)較強的(de)抑制和(he)封堵能(neng)力(li)。因(yin)此，硅酸鹽(yan)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液被認(ren)為(wei)是(shi)最(zui)有(you)希望替代油(you)基(ji)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液的(de)一種水基(ji)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液體系。

研究證(zheng)實，硅(gui)酸鹽具(ju)有優異的(de)(de)膜效(xiao)應(ying)，能(neng)夠在金屬鉆(zhan)(zhan)具(ju)和井(jing)壁表面吸附成(cheng)膜，但因硅(gui)酸聚集體的(de)(de)存在造成(cheng)硅(gui)酸鹽鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)的(de)(de)潤(run)(run)滑(hua)性(xing)能(neng)極差，甚(shen)至遠(yuan)低于其他常規(gui)水基鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)。此(ci)外，硅(gui)酸鹽水溶液(ye)呈強堿性(xing)，在地(di)層溫(wen)度(du)下，常規(gui)酯類和生(sheng)物可(ke)降解植物油(you)類潤(run)(run)滑(hua)劑在高溫(wen)強堿性(xing)環境(jing)容(rong)易發生(sheng)水解而失效(xiao)，嚴重影響了潤(run)(run)滑(hua)劑的(de)(de)使用效(xiao)果(guo)。盡管國(guo)內(nei)外學(xue)者在改善(shan)硅(gui)酸鹽鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)潤(run)(run)滑(hua)性(xing)能(neng)方面做(zuo)了大量嘗(chang)試，但能(neng)明顯改善(shan)該(gai)鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)體系潤(run)(run)滑(hua)性(xing)的(de)(de)潤(run)(run)滑(hua)劑在國(guo)內(nei)外仍較(jiao)少。

基(ji)(ji)于硅酸(suan)鹽鉆井液體系，通過對比結構相(xiang)似（同時具備(bei)長烷基(ji)(ji)鏈及帶羥(qian)基(ji)(ji)的親水頭基(ji)(ji)）的兩親性碳點（CDs）型(xing)表面活性劑(ji)(ji)和聚氧乙烯型(xing)表面活性劑(ji)(ji)的潤滑(hua)性能，致力于找到一種適用于硅酸(suan)鹽鉆井液體系的潤滑(hua)劑(ji)(ji)，同時探(tan)究(jiu)其潤滑(hua)機理(li)，為更好地解決(jue)硅酸(suan)鹽鉆井液在超深井、水平(ping)井鉆探(tan)中的高摩(mo)阻(zu)問題(ti)提供理(li)論指(zhi)導(dao)和建(jian)議。

1.潤滑性能評價

1.1潤(run)滑劑的理化性質(zhi)

兩(liang)親性碳點C8-CDs，C12-CDs均(jun)為實驗室自(zi)制。以(yi)C8-CDs的合成為例，實驗步(bu)驟如下(xia)：將一(yi)定(ding)質(zhi)量的檸檬酸(suan)和正辛胺加入三頸燒瓶中(zhong)(zhong)，并在(zai)油浴中(zhong)(zhong)于180℃加熱(re)3 h，所得(de)產(chan)物(wu)(wu)溶(rong)解在(zai)無水(shui)乙(yi)醇(chun)(chun)中(zhong)(zhong)，將上述乙(yi)醇(chun)(chun)溶(rong)液(ye)在(zai)10 000 r/min下(xia)離心15 min，除去不溶(rong)解物(wu)(wu)質(zhi)。減壓蒸餾(liu)除去乙(yi)醇(chun)(chun)后(hou)，將產(chan)物(wu)(wu)溶(rong)解于超純(chun)水(shui)中(zhong)(zhong)并用1 kDa透析(xi)膜透析(xi)12 h。最后(hou)，冷(leng)凍干燥透析(xi)膜內產(chan)物(wu)(wu)，得(de)到C8-CDs；同樣，C12-CDs合成具體步(bu)驟可參照文獻。

硅酸鈉（模數2.51，50.1°Bé），聚氧乙烯型表(biao)面(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)劑OP-10、AEO-9、Tween 80（AR）。5種(zhong)不同表(biao)面(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)劑的理化性(xing)質和(he)化學(xue)結(jie)構式見(jian)表(biao)1。其中，CMC為表(biao)面(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)劑在水中的臨(lin)界(jie)膠束濃度，HLB為表(biao)面(mian)活(huo)(huo)(huo)性(xing)劑的親水親油平衡值。

表(biao)1 5種表(biao)面活性劑的理化性質

1.2不(bu)同類型表(biao)面活(huo)性劑的潤滑(hua)性能(neng)

將(jiang)15 g的(de)(de)硅(gui)酸(suan)鈉(na)加入到300 mL蒸餾水(shui)中充分(fen)溶解配制成5%硅(gui)酸(suan)鈉(na)水(shui)溶液，pH值為11.6，將(jiang)一定(ding)量的(de)(de)兩親性(xing)(xing)碳點和聚(ju)(ju)氧乙烯型表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)溶解于該水(shui)溶液中，使(shi)用美國(guo)Fann公司EP極(ji)壓潤(run)滑(hua)(hua)儀在室溫下測定(ding)不同溶液的(de)(de)潤(run)滑(hua)(hua)系數(shu)(shu)。測試步驟參照(zhao)中國(guo)石油化工集團公司企業標(biao)準Q/SHCG 4-2011《水(shui)基鉆井液用潤(run)滑(hua)(hua)劑(ji)技術要(yao)求》，計算潤(run)滑(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)極(ji)壓潤(run)滑(hua)(hua)系數(shu)(shu)K和潤(run)滑(hua)(hua)系數(shu)(shu)降低率RK。對(dui)(dui)兩親性(xing)(xing)碳點型和聚(ju)(ju)氧乙烯型表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)的(de)(de)硅(gui)酸(suan)鈉(na)水(shui)溶液在110℃，16 h熱滾前后的(de)(de)潤(run)滑(hua)(hua)性(xing)(xing)能進行對(dui)(dui)比分(fen)析(xi)見表2，表面(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)質量濃(nong)度均為0.3%。

表2不(bu)同潤滑(hua)劑的(de)硅酸鈉(na)水(shui)溶液在110℃熱(re)滾16 h前后的(de)潤滑(hua)系(xi)數(shu)

由表2可知(zhi)，C12-CDs具有優異(yi)的潤(run)滑(hua)效(xiao)果，可顯(xian)著改善(shan)硅酸(suan)鹽(yan)水溶(rong)液的潤(run)滑(hua)性能(neng)，將潤(run)滑(hua)系數從0.521降(jiang)(jiang)低(di)(di)至0.065，潤(run)滑(hua)系數降(jiang)(jiang)低(di)(di)率高達87.52%，經高溫老化后其潤(run)滑(hua)系數進(jin)一步降(jiang)(jiang)低(di)(di)，表明C12-CDs能(neng)夠耐(nai)高溫耐(nai)強堿，與硅酸(suan)鹽(yan)配伍性良好，而碳鏈相對較(jiao)短的C8-CDs對硅酸(suan)鹽(yan)水溶(rong)液并(bing)沒有表現出明顯(xian)的潤(run)滑(hua)效(xiao)果。

此(ci)外，其他3種(zhong)聚氧乙烯型(xing)表面活(huo)性(xing)劑熱滾前(qian)后(hou)在硅(gui)(gui)酸(suan)鈉溶液中的潤(run)滑(hua)系數均在0.500左右(you)，無潤(run)滑(hua)效(xiao)果。5種(zhong)表面活(huo)性(xing)劑HLB相近，結構相似(si)，均具有長疏水(shui)鏈和帶羥基(ji)的親水(shui)頭基(ji)，但對硅(gui)(gui)酸(suan)鈉的潤(run)滑(hua)效(xiao)果存在明顯差異(yi)，兩(liang)親性(xing)碳點(dian)的碳核及其表面的多(duo)羥基(ji)結構是發揮潤(run)滑(hua)效(xiao)果的關鍵。

1.3表面活性劑濃度對潤滑性能的影響(xiang)

表(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)濃(nong)度(du)是影(ying)響(xiang)體系(xi)潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)性能(neng)的重要(yao)原因之一(yi)。單一(yi)濃(nong)度(du)無法(fa)全面(mian)系(xi)統地(di)評價(jia)表(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)的潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)性能(neng)，因此，進一(yi)步探究表(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)濃(nong)度(du)對潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)性能(neng)的影(ying)響(xiang)，測定了不(bu)同濃(nong)度(du)的5種表(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)在硅(gui)酸鈉(na)水(shui)溶液中的潤(run)(run)滑(hua)(hua)(hua)系(xi)數，如圖(tu)1所示。

圖1表(biao)面(mian)活性(xing)劑濃度對潤滑(hua)性(xing)能(neng)的影響

由(you)圖(tu)1可知，在(zai)較(jiao)寬的(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)范圍下，3種聚氧乙(yi)烯型表(biao)(biao)面活性劑對硅酸(suan)鈉(na)均無潤(run)(run)(run)滑作用(yong)。而兩親(qin)性碳點(dian)(dian)的(de)潤(run)(run)(run)滑性能表(biao)(biao)現出強(qiang)烈的(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)依賴性，潤(run)(run)(run)滑系數隨濃(nong)(nong)度(du)(du)增大而顯著降(jiang)低，潤(run)(run)(run)滑系數曲線(xian)先降(jiang)低后基本(ben)保持不變，直線(xian)拐點(dian)(dian)處為(wei)臨界潤(run)(run)(run)滑濃(nong)(nong)度(du)(du)。

雖然C12-CDS與C8-CDs潤(run)(run)滑(hua)(hua)系數隨(sui)濃(nong)(nong)度(du)(du)變(bian)化的(de)(de)(de)(de)趨勢一致，但后者臨界潤(run)(run)滑(hua)(hua)濃(nong)(nong)度(du)(du)是前者的(de)(de)(de)(de)十倍(bei)左右，碳(tan)鏈更長的(de)(de)(de)(de)C12-CDS濃(nong)(nong)度(du)(du)為(wei)0.2%時(shi)，潤(run)(run)滑(hua)(hua)系數即達(da)到(dao)0.100以下，而C8-CDs在該濃(nong)(nong)度(du)(du)下潤(run)(run)滑(hua)(hua)系數仍為(wei)0.500，直到(dao)濃(nong)(nong)度(du)(du)增(zeng)加為(wei)2%時(shi)，潤(run)(run)滑(hua)(hua)系數才(cai)顯(xian)著降(jiang)低，但總體(ti)(ti)上其(qi)最佳(jia)潤(run)(run)滑(hua)(hua)效(xiao)果仍不及C12-CDS。因此，兩(liang)親(qin)性(xing)碳(tan)點的(de)(de)(de)(de)烷(wan)基鏈長度(du)(du)對潤(run)(run)滑(hua)(hua)性(xing)能具有顯(xian)著影響，即烷(wan)基鏈越長，潤(run)(run)滑(hua)(hua)效(xiao)果越好。同(tong)時(shi)C12-CDS的(de)(de)(de)(de)濃(nong)(nong)度(du)(du)僅為(wei)0.2%時(shi)即達(da)到(dao)良好的(de)(de)(de)(de)潤(run)(run)滑(hua)(hua)效(xiao)果，體(ti)(ti)現了(le)C12-CDS作為(wei)硅酸鹽(yan)體(ti)(ti)系潤(run)(run)滑(hua)(hua)劑的(de)(de)(de)(de)高效(xiao)性(xing)。

1.4兩(liang)親性碳點膠束(shu)對潤滑(hua)性能(neng)的影響

C12-CDS和C8-CDs的(de)(de)潤(run)(run)滑效果存(cun)在明顯差異，兩者疏水烷(wan)(wan)基(ji)鏈(lian)長度不同(tong)，而(er)烷(wan)(wan)基(ji)鏈(lian)長度可(ke)影響表面活性劑(ji)的(de)(de)表界(jie)面活性以及膠束(shu)的(de)(de)形成(cheng)，推(tui)測是CDs形成(cheng)的(de)(de)膠束(shu)在潤(run)(run)滑過程中發揮作用，由此進一步探(tan)究(jiu)CDs的(de)(de)膠束(shu)對潤(run)(run)滑性能(neng)的(de)(de)影響，圖2是CDs的(de)(de)硅酸鈉溶液潤(run)(run)滑系數(shu)與2種CDS各自的(de)(de)CMC倍數(shu)的(de)(de)關系曲(qu)線。

圖2 CDs膠束對潤滑性能(neng)的影響

由圖2可(ke)(ke)知(zhi)，在10倍(bei)CMC濃(nong)度下，C12-CDS可(ke)(ke)將硅酸鈉(na)水溶液的(de)潤滑系數顯著降低到(dao)0.1以下，達到(dao)曲線的(de)平臺值，而短鏈的(de)C8-CDs在其20倍(bei)的(de)CMC濃(nong)度下僅降低至0.15左右。由表(biao)1可(ke)(ke)知(zhi)，C8-CDs的(de)疏(shu)水尾(wei)鏈比C12-CDS少4個烷基(ji)鏈長(chang)度，其CMC是C12-CDS的(de)5倍(bei)，因此，C12-CDS比C8-CDs具有(you)更(geng)(geng)(geng)高的(de)表(biao)面活性(xing)，形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)膠(jiao)束(shu)(shu)的(de)能力更(geng)(geng)(geng)強，且烷基(ji)鏈越(yue)長(chang)濃(nong)度越(yue)高，對應形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)膠(jiao)束(shu)(shu)尺(chi)寸也(ye)更(geng)(geng)(geng)大(da)，更(geng)(geng)(geng)大(da)更(geng)(geng)(geng)多的(de)膠(jiao)束(shu)(shu)牢(lao)固地吸附在兩摩(mo)擦面，因此形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)中(zhong)間(jian)潤滑膜越(yue)厚，證(zheng)實是CDs膠(jiao)束(shu)(shu)的(de)存在促(cu)進吸附從而隔(ge)絕兩摩(mo)擦面，發揮了潤滑作用。這(zhe)與文(wen)獻中(zhong)的(de)表(biao)面活性(xing)劑膠(jiao)束(shu)(shu)可(ke)(ke)吸附在固體(ti)表(biao)面形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)憎水層的(de)結果一致，但(dan)需要達到(dao)一定的(de)濃(nong)度才(cai)能形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)膠(jiao)束(shu)(shu)及其潤滑膜。分析(xi)表(biao)明，CDs烷基(ji)鏈長(chang)度的(de)不(bu)同(tong)導致2種表(biao)面活性(xing)劑膠(jiao)束(shu)(shu)化行(xing)為的(de)差異，膠(jiao)束(shu)(shu)的(de)大(da)小(xiao)和數量影響(xiang)其潤滑效果。