钻井液用新型纳米润滑剂SD-NR的制备及特性

王伟吉，邱正松，钟汉毅，黄维安，董兵强（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）



钻井液用新型纳米润滑剂SD-NR的制备及特性

王伟吉，邱正松，钟汉毅，黄维安，董兵强
（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

针对目前钻井液用常规润滑剂极压膜强度低、抗温性差、毒性大等突出问题，采用硅烷偶联剂KH570对纳米SiO2进行超声表面改性，然后将其与表面活性剂S1按一定比例添加到菜籽油中，80℃下搅拌并加入适量稳定剂制备出纳米润滑剂SD-NR，通过红外光谱（FT-IR）和透射电镜（TEM）对产物进行了表征。性能评价表明，SD-NR加量为1%时润滑系数降低率大于85%，对钻井液流变性无明显影响，具有一定的降滤失性和抑制性，极压膜强度高，抗温达180℃以上，荧光级别在1～2级。

润滑剂；纳米SiO2；菜籽油；硅烷偶联剂；钻井液

0　引言

随着石油天然气资源勘探开发领域的扩大和深入，钻探难度不断增加，钻遇的复杂情况更加突出，同时要求提高钻井速度；因此，需要添加大量的钻井液润滑剂，以降低钻井过程中的摩阻，减少井下复杂情况［1］。近年来，钻井液润滑剂研究取得了长足的进步，但多功能型高效润滑剂种类少、价格高，对钻井液性能易产生不利影响，研究技术性、经济性高的钻井液润滑剂成为必然的发展趋势。

纳米材料本身具有各种优异的性能，在很多领域的应用前景都非常广泛［2-3］。纳米SiO2作为纳米材料研究的热门之一，具有许多独特的性能，如热稳定性好、强度高、尺寸稳定性好、表面光滑等，这些新奇的特性为制备高效润滑剂提供了新的思路和方法［4-7］。本文对室内制备的新型纳米润滑剂SD-NR进行了性能评价，并探讨了其作用机理。

1　实验研究

1.1实验材料

纳米SiO2（粒径10～20 nm），泰弘晟达新材料有限公司提供；天然菜籽油（密度0.93 g/cm3，100℃运动黏度8.32 mm2/s，黏度指数 220，生物降解率大于95%），济南鹏兴化工有限公司提供；硅烷偶联剂KH570、表面活性剂S1、无水乙醇（分析纯），上海晶纯生化科技股份有限公司提供。

1.2SD-NR的制备

1.2.1纳米SiO2表面超声处理

SiO2是由氧原子和硅原子交替排列形成的三维空间网络结构，表面覆有大量的硅氧烷基和硅羟基，导致其亲水性强。同时，存在于SiO2表面的羟基之间存在氢键、范德华力等分子间作用力，导致纳米SiO2强烈团聚［8-11］。纳米SiO2表面改性方法很多，而硅烷偶联剂改性是一种最常用、最传统的改性方法［12-14］。

将纳米SiO2粉体放置在真空干燥箱内，120℃下烘干24 h，称取10 g纳米SiO2粉体分散于50 mL无水乙醇中，采用BILON-R1200型非接触式全自动超声破碎仪，900 W功率下超声分散30 min。另取1.2 g硅烷偶联剂KH570溶于10 mL无水乙醇中，将两者混合均匀，900 W功率下继续超声分散1 h后转入四口烧瓶中，在N2气氛、均匀搅拌及85℃条件超声振荡条件下反应6 h。反应完毕后将产物离心，用无水乙醇洗涤数次，置于60℃真空干燥箱中烘干，并标记为KH570-nano-SiO2备用。

1.2.2SD-NR制备

将表面改性的KH570-nano-SiO2与表面活性剂S1按一定比例添加到菜籽油中，加入适量稳定剂，80℃下搅拌4 h，制得淡黄色透明状纳米润滑剂SD-NR。

1.3SD-NR的表征

采用6700型傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力公司），通过KBr压片法测定样品的红外光谱（FTIR），表征其分子结构，分辨率4 cm-1，扫描范围400～4 000 cm-1；将2%SD-NR水溶液滴于铜网上，室温下晾干，采用 832.20B型透射电镜特殊成像系统（美国Gatan公司），测试样品的透射电镜（TEM）照片，1 100万像素。

1.3.1红外光谱分析

图1为纳米SiO2表面改性前、后的红外光谱。由图1可知：3 100～3 450 cm-1处的宽峰为硅醇基与氢键的缔合振动峰，表明纳米SiO2表面存在大量OH—，1108，492 cm-1为Si—O—Si键的收缩振动和弯曲振动峰；KH570表面改性纳米SiO2后，3 100～3 450 cm-1处的宽峰明显变弱，而在2 920，2 851，1 220 cm-1处出现3个新峰，分别为KH570的甲基、亚甲基反对称伸缩振动峰和酯基振动峰，表明大部分纳米SiO2已和KH570发生缩合反应，KH570成功接枝到了纳米SiO2表面［15］。改性前纳米 SiO2表面富含羟基为亲水性表面，经KH570改性后变成了含有机官能团的亲油性表面。KH570有机包覆层的存在，显著改善了纳米SiO2与有机相的相容性，还能有效阻止纳米SiO2的团聚，改善其在油相中的分散性。

图1　样品的红外光谱

1.3.2透射电镜分析

图2为纳米SiO2表面改性前、后分散在菜籽油中的透射电镜照片。由图2可知：表面改性前，纳米SiO2在菜籽油中粘连团聚现象严重，基本呈块状存在；经KH570表面改性后，KH570-nano-SiO2在菜籽油中分散性较好，形状规则（基本为球形），粒度较均匀（15 nm左右），纳米粒子表面的高分子链KH570在粒子间形成一层薄膜将其隔开，粒子间不存在粘连团聚现象［15］。

图2　样品的透射电镜照片

2　SD-NR性能测试

2.1物理性质

肉眼观察纳米润滑剂SD-NR，外观呈淡黄色黏稠透明液体，表观黏度14.3 mPa·s，密度0.96 g/cm3，放置40 d不分层，稳定性好。向20 mL正己烷溶剂中加入0.02 g纳米润滑剂SD-NR，磁力搅拌条件下至完全溶解；然后，将混合溶液放入OFA-3DI型石油荧光分析仪中，测试其三维荧光图。测试结果与标准样品图谱的对照分析结果表明，SD-NR的荧光级别在1～2级，满足地质录井的要求。

2.2SD-NR对钻井液性能的影响

选取8%膨润土浆、1.2 g/cm3聚合物钻井液和1.2 g/cm3聚磺钻井液（以下同），评价SD-NR对钻井液润滑性及流变性的影响，结果如表1所示。

表1　SD-NR对钻井液性能的影响

由表1可知，1%SD-NR就能极大地改善钻井液的润滑性（润滑系数降低率大于85%），SD-NR对钻井液的流变性影响不大，略有降滤失作用［16］。这是由于KH570表面改性后的KH570-nano-SiO2粒径较小（15 nm左右），比表面积大，当在钻井液中有效分散时，在摩擦过程中易转移到摩擦表面，形成覆盖面大且厚的表面膜，减少其摩擦因数，从而提高减阻抗磨效果；而且纳米粒子表面活性高，可以直接吸附到摩擦表面的划痕和微坑处，在摩擦表面形成“滚珠轴承”效应，使滑动摩擦变为滚动摩擦，起到降低扭矩的作用；同时纳米粒子表面的KH570及表面活性剂S1能吸附在金属、井壁表面，形成一层隔离膜，将钻杆与井壁之间的摩擦转化为钻杆与无机、有机、聚合物多层复合膜之间的摩擦，极大地降低了润滑系数。

2.3热稳定性

在3种钻井液体系中分别加入1%SD-NR，不同温度下老化16 h，测试体系的润滑性及流变滤失性，考察SD-NR的热稳定性［16］，结果如表2所示。由表2可知，3种钻井液随温度升高黏切略有上升，滤失量略有增大，润滑系数基本不变，表明SD-NR热稳定性好，耐温达180℃以上。这是由于 KH570表面改性后的KH570-nano-SiO2粒径小且均匀，具有较大的比表面积，导致其熵对比热容的贡献比常规材料大得多，所以纳米材料的比热容比常规材料大得多，具有一定的温度自适应能力（相同热量传递下，温度改变较少）。

表2SD-NR热稳定性实验结果

2.4极压膜强度

极压膜强度表示润滑剂在金属表面形成润滑膜的抗压强度，用E-P极压润滑仪测定。测定条件为转速1 000 r/min，时间5 min，外加负荷350 N/cm，计算公式为［16-17］

式中：P为极压膜强度，MPa；T为转矩表读数，N·m；w为伤痕宽度，cm。

以8%膨润土浆为基浆，对比SD-NR和市售性能较优的极压润滑剂A在相同加量下的极压润滑系数和极压膜强度（见图3）。由图3可知，与市售润滑剂A相比，SD-NR性能更加优异，1%SD-NR就能大幅降低钻井液极压润滑系数，显著提高极压膜强度。

图3　不同润滑剂条件下体系的润滑系数和极压膜强度

2.5SD-NR水溶液稳定性

采用Nanotrac Wave型纳米粒度仪测试2%SDNR水溶液不同时间的粒度中值，结果如图4所示。由图4可知，30 d内该水溶液的粒度中值维持在80～90 nm，粒径变化较小，表明SD-NR与水有较好的相容性。这是由于表面活性剂S1与KH570-nano-SiO2纳米粒子能吸附在油水界面，显著降低界面张力，维持乳状液的稳定性。

图4　SD-NR水溶液粒度中值随时间的变化曲线

2.6抑制性

采用页岩滚动分散实验和膨胀性实验，评价SDNR的抑制性能［16］。结果表明：1%SD-NR能使岩屑回收率提高9.7百分点以上（见表3）；1 h后，岩样在1% SD-NR水溶液中的膨胀量趋于稳定，与清水相比膨胀量较低，表明SD-NR具有一定的抑制性（见图5）。这是由于KH570-nano-SiO2纳米粒子比表面积大，具有较高的表面活性，极易进入岩屑孔隙进行封堵，KH570分子链则覆盖在岩屑表面呈疏水性，阻隔水的侵入。

表3　钻井液滚动分散实验

图5　页岩膨胀性实验

3　结论

1）采用硅烷偶联剂KH570，对纳米SiO2进行超声表面改性。将改性后的KH570-nano-SiO2和表面活性剂S1按一定比例加入菜籽油中，制备出纳米润滑剂SD-NR。

2）纳米润滑剂SD-NR加量为1%时，润滑系数降低率大于85%，对钻井液流变性无明显影响，具有一定的降滤失性和抑制性，极压膜强度高，抗温达180℃以上，荧光级别在1～2级。

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（编辑赵卫红）

Preparation and properties of nanoparticle-based lubricant SD-NR for drilling fluids

Wang Weiji，Qiu Zhengsong，Zhong Hanyi，Huang Wei′an，Dong Bingqiang
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In allusion to the drawbacks of conventional lubricant for drilling fluids such as low extreme pressure film intensity，inferior lubrication persistence，high-fluorescence and poor temperature resistance performance，in this article，firstly，we carry out ultrasonic surface modification on the nano-silica with silane coupling agent K570，then，we get SD-NR by putting surface modified nano-silica and surfactant into colleseed oil in a certain proportion.the product was characterized by FT-IR and TEM.Indoor experiment evaluation shows that the reducing rate of the friction coefficient is over 85%when the dosage of SD-NR is 1%，SD-NR has no adverse effects on the behavior of drilling fluid and can enhance fluid loss control and suppression performance to some extent.With higher extreme pressure film intensity and lubrication persistence，SD-NR can be used at temperature as high as 180℃，the fluorescence level is 1 to 2.

lubricant；nano-silica；colleseed oil；silane coupling agent；drilling fluid

国家自然科学基金面上项目“海洋深水浅层井壁稳定与水合物抑制的机理和新方法研究”（51474236）；国家科技重大专项课题“大位移井强抑制高润滑水基钻井液技术研究与复杂地层井壁稳定技术研究”（2011ZX05021-004）；中央高校基本科研业务费专项资金项目“页岩地层温敏型聚N-异丙基丙烯酰胺/纳米SiO2智能纳米粒子研究”（15CX06021A）；中国石油大学（华东）研究生创新工程资助项目“页岩地层温敏型纳米聚合物微球智能封堵剂研究”（YCX2015011）

TE254+.4

A

10.6056/dkyqt201601025

2015-07-28；改回日期：2015-10-27。

王伟吉，男，1987年生，油气井工程专业在读博士研究生，2011年本科毕业于中国石油大学（华东），主要从事钻井液技术研究工作。E-mail：wangweiji2007@126.com。

引用格式：王伟吉，邱正松，钟汉毅，等.钻井液用新型纳米润滑剂SD-NR的制备及特性［J］.断块油气田，2016，23（1）：113-116.

Wang Weiji，Qiu Zhengsong，Zhong Hanyi，et al.Preparation and properties of nanoparticle-based lubricant SD-NR for drilling fluids［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：113-116.