李文波

（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）

隨著海上石油鉆井由淺水向深水、超深水發(fā)展，在海上鉆探高溫高壓大位移井和水平井日益增多，海上鉆井工程面臨著高溫高壓高鹽、高摩阻引起的托壓、起下鉆遇阻、下套管困難等井下復(fù)雜情況，大大增加了作業(yè)難度和鉆井成本[1-2]。在鉆井液體系中加入潤滑劑于金屬和巖石表面形成油膜，可以有效降低鉆柱和井壁間的摩擦阻力，減少卡鉆和鉆具磨損，實(shí)現(xiàn)安全、快速鉆井[3]。常規(guī)潤滑劑通過極性基團(tuán)吸附作用形成物理油膜。一方面，在鉆進(jìn)大位移井和水平井時(shí)的高負(fù)荷條件下，通過物理吸附形成的油膜極易被破壞，以致失去潤滑效果；另一方面，在高溫、高壓、高鹽的鉆井條件下，常規(guī)潤滑劑易降解失效，增大了材料消耗和鉆井成本[4]。在鉆井液體系中引入極壓潤滑劑是有效解決上述問題的方法之一[5]。通常極壓潤滑劑分子結(jié)構(gòu)中含有硫、氯、磷、硼等元素，在高溫高壓等極端條件下可在金屬表面通過化學(xué)反應(yīng)形成致密穩(wěn)定的保護(hù)膜，從而發(fā)揮抗磨減摩作用[6-8]。本文在硫化脂肪酸類衍生物極壓潤滑劑的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）,并采用極壓潤滑儀和四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)了其潤滑性能和抗磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與使用方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 硫化脂肪酸鹽（SFA）、硫化豬油（SL-1/SL-2）、硫化脂肪酸酯（SFAE）為商品潤滑劑；多羥基脂肪酸酰胺、多羥基脂肪酸酯；甲酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉以及單質(zhì)硫等材料為分析純；抗高溫聚合物Polytemp180 和Polytemp200 等鉆井液材料由藍(lán)海博達(dá)科技有限公司提供。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和極壓潤滑儀（OFITE 公司）；四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MRS-10A 型，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司）；傅里葉紅外光譜儀（BRUKER 公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SFAA 的合成 SFAA 由實(shí)驗(yàn)室合成。將多羥基脂肪酸酰胺36.96 g、多羥基脂肪酸酯63.04 g 和10 mL乙二胺加入到250 mL 三口燒瓶中攪拌均勻后，升溫至195 ℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下分三次加入9 g 單質(zhì)硫后繼續(xù)攪拌反應(yīng)6 h；反應(yīng)結(jié)束后用少量石油醚洗滌，減壓蒸餾除去低沸點(diǎn)雜質(zhì)和溶劑得到的黏稠液體即為產(chǎn)物。采用傅里葉紅外光譜儀表征SFAA 的分子結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 SFAA 的紅外譜圖

由圖1 可知，3 300～3 500 cm-1處的寬峰為-OH和酰胺基-CONH 的伸縮振動(dòng)吸收峰；2 922.46 cm-1和2 853.16 cm-1處為甲基-CH3和亞甲基-CH2-的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 741.57 cm-1處為酯基中C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰；1 628.79 cm-1處為酰胺基中C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰；1 460.70 cm-1和1 378.48 cm-1處為-CH3的彎曲振動(dòng)吸收峰；622.87 cm-1處出現(xiàn)了C-S 鍵的特征振動(dòng)吸收峰；酯基和碳硫鍵的出現(xiàn)說明得到了預(yù)定產(chǎn)物。

1.2.2 鉆井液性能測(cè)試 按照如下配方配制水基鉆井液基漿：海水+1.0%預(yù)水化膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+1.5%聚合物Polytemp180+2.0%聚合物Polytemp200+30.0%甲酸鉀。

將不同潤滑劑樣品分別加入不同鉆井液基漿中，高速攪拌30 min，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)4 h 后用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定其流變參數(shù)，用極壓潤滑儀測(cè)量潤滑系數(shù)；將上述鉆井液在相應(yīng)溫度下熱滾16 h 后，冷卻至室溫，高速攪拌10 min 后分別測(cè)定流變性能、高溫高壓濾失量以及潤滑系數(shù)。

1.2.3 四球摩擦實(shí)驗(yàn) 最大無卡咬負(fù)荷（Pb值）：依據(jù)《GB/T 12583 潤滑劑極壓性能測(cè)定法》測(cè)定，設(shè)定轉(zhuǎn)速1 760 r/min，施加不同載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10 s。

四球摩擦性能測(cè)試：設(shè)定轉(zhuǎn)速60 r/min，施加載荷150 N，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間30 min，測(cè)定鋼球磨斑直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 含硫極壓潤滑劑性能評(píng)價(jià)

硫化產(chǎn)品由于具有優(yōu)異的抗氧化性、極壓性、抗磨性、潤滑性、耐腐蝕性等性能特點(diǎn)，作為主劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬加工業(yè)，調(diào)和高端沖壓油、拉伸油、冷鐓成型油、切削油、調(diào)和導(dǎo)軌油以及應(yīng)用于膠黏、皮革助劑等其他行業(yè)[9]。為了研究硫化產(chǎn)品在鉆井液中的潤滑性能，選取了不同分子結(jié)構(gòu)的硫劑，其基本參數(shù)信息見表1?？梢钥闯?，SL-1 和SL-2 均為硫化豬油，盡管硫含量不同，分別為11%和19%，但其具有相同的Pb 值，說明二者在極端壓力下在金屬等摩擦面形成穩(wěn)定抗極壓膜的能力接近。其他產(chǎn)品的硫含量和Pb 值范圍都與SL-1 相近，便于不同分子結(jié)構(gòu)的硫劑在鉆井液中的潤滑性能考察和比較。

表1 不同硫劑的參數(shù)信息

考察了溫度在50～210 ℃內(nèi)加入1%硫化材料后水基鉆井液的滾后潤滑性能，見圖2。從圖2 可以得知，水基鉆井液基漿滾后潤滑系數(shù)隨著溫度變化不大，保持在0.26～0.30。加入SL-1/SL-2 和SFAE 后的鉆井液在低溫區(qū)潤滑性很差；滾后潤滑系數(shù)隨著溫度的升高而降低，溫度在升至150 ℃后的高溫區(qū)間滾后潤滑系數(shù)下降更加明顯，210 ℃滾后三者的潤滑系數(shù)為0.09～0.10，表現(xiàn)出良好的潤滑性能；三者表現(xiàn)出相近的潤滑性能和變化趨勢(shì)。SFA 并未表現(xiàn)出潤滑性，相反，加入SFA 的鉆井液滾后潤滑系數(shù)甚至高于鉆井液基漿。實(shí)驗(yàn)室合成的SFAA 也表現(xiàn)出隨著溫度上升潤滑性能提升的現(xiàn)象，但在整個(gè)溫度區(qū)間的潤滑性能明顯優(yōu)于上述四種材料，50 ℃下的滾后潤滑系數(shù)為0.10，120 ℃降至0.08，210 ℃降至0.05。

圖2 不同硫劑在不同溫度下的潤滑性能

加入不同硫化材料熱滾后水基鉆井液的潤滑系數(shù)降低率隨著溫度的變化曲線更加直觀的展現(xiàn)了這種趨勢(shì)規(guī)律（圖3）。含有SL-1/SL-2 水基鉆井液在低于120 ℃的低溫區(qū)潤滑系數(shù)降低率只有不足15.0%，含有SFAE的水基鉆井液潤滑系數(shù)降低率也只有33.0%；當(dāng)溫度升至150 ℃后三種潤滑劑的潤滑系數(shù)降低率數(shù)據(jù)接近且有顯著的提升，在150～210 ℃達(dá)到60.0%左右。相比三種潤滑劑，SFAA 在所有溫度區(qū)間都具有更好的潤滑性能，潤滑系數(shù)降低率提升至60.0%～80.0%以上。

圖3 不同硫劑在不同溫度下的潤滑系數(shù)降低率

產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于硫化材料的分子結(jié)構(gòu)存在差異，從而導(dǎo)致幾種材料的潤滑作用機(jī)理不同。首先，SL-1/SL-2 和SFAE 分子結(jié)構(gòu)相似，主要通過硫化學(xué)反應(yīng)在金屬表面產(chǎn)生化學(xué)膜而起到潤滑作用，這種化學(xué)反應(yīng)需要在一定的溫度、壓力等情況下，因此，在150 ℃以上的溫度范圍潤滑效果更明顯；SFA 是一種具有表面活性的硫化脂肪酸鹽，加入SFA 的水基鉆井液體系在高速攪拌后產(chǎn)生大量穩(wěn)定而細(xì)膩的泡沫，破壞了鉆井液體系的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在潤滑測(cè)試中效果不佳；而SFAA 中含有多羥基結(jié)構(gòu)，一方面，改善了潤滑劑在鉆井液體系中的分散性和配伍性，另一方面，研究表明多羥基結(jié)構(gòu)能夠與鐵元素形成鍵合吸附，吸附強(qiáng)度高于普通潤滑劑的物理吸附[10]，這也是SFAA 在低溫區(qū)間也表現(xiàn)出良好潤滑性能的原因。隨著溫度的升高，極壓元素硫開始發(fā)揮作用，形成了更加致密的潤滑膜，因此，在雙重作用機(jī)理疊加下，SFAA 在高溫區(qū)間的潤滑性能也更加優(yōu)異。這為SFAA 提供了更廣泛的應(yīng)用范圍。

2.2 四球摩擦實(shí)驗(yàn)

與極壓潤滑儀測(cè)試摩擦副面接觸的方式不同，四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試的是摩擦副之間的點(diǎn)接觸。實(shí)際上鉆井工程中的摩擦副復(fù)雜多變，不僅存在著鉆桿-井壁之間的面接觸，也可能存在鉆桿-巖石或者井壁-固相物質(zhì)之間的點(diǎn)接觸。不同含硫潤滑劑四球摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。為模擬真實(shí)鉆井工程，設(shè)定壓力為150 N，轉(zhuǎn)速為60 r/min，測(cè)定時(shí)間為30 min，測(cè)試鉆井液經(jīng)210 ℃、16 h 熱滾?？梢钥闯?，加入SFAA 潤滑劑后，鋼球的磨斑直徑最小，這與極壓潤滑儀的潤滑性能測(cè)試結(jié)果一致。

圖4 不同潤滑劑的四球摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 SFAA 對(duì)鉆井液性能的影響

在基漿中加入1% SFAA，研究其在210 ℃老化前后對(duì)基漿性能的影響。由表2 可見，基漿在經(jīng)過210 ℃熱滾后，由于聚合物的降解表觀黏度下降明顯；而加入SFAA 熱滾前后流變數(shù)據(jù)參數(shù)變化很小，說明SFAA 具有良好的配伍性，可以改善基漿的抗溫性能；另一方面，高溫高壓濾失量變小，說明SFAA 能夠在鉆井液中良好的分散，并與其他鉆井液材料相互作用，參與改善泥餅質(zhì)量，提升基漿的濾失造壁性。

表2 SFAA 對(duì)鉆井液性能的影響

3 結(jié)論

（1）硫化豬油和硫化脂肪酸酯等傳統(tǒng)含硫極壓潤滑劑的潤滑系數(shù)降低率范圍為0～60.0%，為使其產(chǎn)生最佳潤滑效果，應(yīng)用溫度應(yīng)高于150 ℃。

（2）通過分子設(shè)計(jì)，合成了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）極壓潤滑劑，該材料具有羥基吸附和硫化學(xué)反應(yīng)雙重作用機(jī)理，可將潤滑系數(shù)降低率提升至60.0%～80.0%，相比傳統(tǒng)的含硫潤滑劑具有更優(yōu)異的潤滑性能和更廣泛的應(yīng)用溫度區(qū)間。

（3）該材料在水基鉆井液中具有良好的分散性和配伍性，能夠提升基漿的抗溫能力和濾失造壁性。