近年來，隨著油氣鉆探領(lǐng)域的不斷開發(fā)拓展，頁巖氣層的井壁穩(wěn)定問題引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，外來流體入侵導(dǎo)致黏土礦物的水化膨脹和分散是頁巖儲層井壁失穩(wěn)的重要原因。油基鉆井液可極大程度地抑制頁巖水化，但成本高和環(huán)境污染嚴重，綜合考慮井壁穩(wěn)定性能、成本和環(huán)保3個方面，可引入與油基鉆井液防塌抑制性能相當?shù)墓杷猁}水基鉆井液。其主處理劑硅酸鹽成本低且對環(huán)境友好，對泥頁巖地層具有較強的抑制和封堵能力。因此，硅酸鹽鉆井液被認為是最有希望替代油基鉆井液的一種水基鉆井液體系。

研究證實，硅酸鹽具有優(yōu)異的膜效應(yīng)，能夠在金屬鉆具和井壁表面吸附成膜，但因硅酸聚集體的存在造成硅酸鹽鉆井液的潤滑性能極差，甚至遠低于其他常規(guī)水基鉆井液。此外，硅酸鹽水溶液呈強堿性，在地層溫度下，常規(guī)酯類和生物可降解植物油類潤滑劑在高溫強堿性環(huán)境容易發(fā)生水解而失效，嚴重影響了潤滑劑的使用效果。盡管國內(nèi)外學者在改善硅酸鹽鉆井液潤滑性能方面做了大量嘗試，但能明顯改善該鉆井液體系潤滑性的潤滑劑在國內(nèi)外仍較少。

基于硅酸鹽鉆井液體系，通過對比結(jié)構(gòu)相似（同時具備長烷基鏈及帶羥基的親水頭基）的兩親性碳點（CDs）型表面活性劑和聚氧乙烯型表面活性劑的潤滑性能，致力于找到一種適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤滑劑，同時探究其潤滑機理，為更好地解決硅酸鹽鉆井液在超深井、水平井鉆探中的高摩阻問題提供理論指導(dǎo)和建議。

1.潤滑性能評價

1.1潤滑劑的理化性質(zhì)

兩親性碳點C8-CDs，C12-CDs均為實驗室自制。以C8-CDs的合成為例，實驗步驟如下：將一定質(zhì)量的檸檬酸和正辛胺加入三頸燒瓶中，并在油浴中于180℃加熱3 h，所得產(chǎn)物溶解在無水乙醇中，將上述乙醇溶液在10 000 r/min下離心15 min，除去不溶解物質(zhì)。減壓蒸餾除去乙醇后，將產(chǎn)物溶解于超純水中并用1 kDa透析膜透析12 h。最后，冷凍干燥透析膜內(nèi)產(chǎn)物，得到C8-CDs；同樣，C12-CDs合成具體步驟可參照文獻。

硅酸鈉（模數(shù)2.51，50.1°Bé），聚氧乙烯型表面活性劑OP-10、AEO-9、Tween 80（AR）。5種不同表面活性劑的理化性質(zhì)和化學結(jié)構(gòu)式見表1。其中，CMC為表面活性劑在水中的臨界膠束濃度，HLB為表面活性劑的親水親油平衡值。

表1 5種表面活性劑的理化性質(zhì)

1.2不同類型表面活性劑的潤滑性能

將15 g的硅酸鈉加入到300 mL蒸餾水中充分溶解配制成5%硅酸鈉水溶液，pH值為11.6，將一定量的兩親性碳點和聚氧乙烯型表面活性劑溶解于該水溶液中，使用美國Fann公司EP極壓潤滑儀在室溫下測定不同溶液的潤滑系數(shù)。測試步驟參照中國石油化工集團公司企業(yè)標準Q/SHCG 4-2011《水基鉆井液用潤滑劑技術(shù)要求》，計算潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)K和潤滑系數(shù)降低率RK。對兩親性碳點型和聚氧乙烯型表面活性劑的硅酸鈉水溶液在110℃，16 h熱滾前后的潤滑性能進行對比分析見表2，表面活性劑質(zhì)量濃度均為0.3%。

表2不同潤滑劑的硅酸鈉水溶液在110℃熱滾16 h前后的潤滑系數(shù)

由表2可知，C12-CDs具有優(yōu)異的潤滑效果，可顯著改善硅酸鹽水溶液的潤滑性能，將潤滑系數(shù)從0.521降低至0.065，潤滑系數(shù)降低率高達87.52%，經(jīng)高溫老化后其潤滑系數(shù)進一步降低，表明C12-CDs能夠耐高溫耐強堿，與硅酸鹽配伍性良好，而碳鏈相對較短的C8-CDs對硅酸鹽水溶液并沒有表現(xiàn)出明顯的潤滑效果。

此外，其他3種聚氧乙烯型表面活性劑熱滾前后在硅酸鈉溶液中的潤滑系數(shù)均在0.500左右，無潤滑效果。5種表面活性劑HLB相近，結(jié)構(gòu)相似，均具有長疏水鏈和帶羥基的親水頭基，但對硅酸鈉的潤滑效果存在明顯差異，兩親性碳點的碳核及其表面的多羥基結(jié)構(gòu)是發(fā)揮潤滑效果的關(guān)鍵。

1.3表面活性劑濃度對潤滑性能的影響

表面活性劑濃度是影響體系潤滑性能的重要原因之一。單一濃度無法全面系統(tǒng)地評價表面活性劑的潤滑性能，因此，進一步探究表面活性劑濃度對潤滑性能的影響，測定了不同濃度的5種表面活性劑在硅酸鈉水溶液中的潤滑系數(shù)，如圖1所示。

圖1表面活性劑濃度對潤滑性能的影響

由圖1可知，在較寬的濃度范圍下，3種聚氧乙烯型表面活性劑對硅酸鈉均無潤滑作用。而兩親性碳點的潤滑性能表現(xiàn)出強烈的濃度依賴性，潤滑系數(shù)隨濃度增大而顯著降低，潤滑系數(shù)曲線先降低后基本保持不變，直線拐點處為臨界潤滑濃度。

雖然C12-CDS與C8-CDs潤滑系數(shù)隨濃度變化的趨勢一致，但后者臨界潤滑濃度是前者的十倍左右，碳鏈更長的C12-CDS濃度為0.2%時，潤滑系數(shù)即達到0.100以下，而C8-CDs在該濃度下潤滑系數(shù)仍為0.500，直到濃度增加為2%時，潤滑系數(shù)才顯著降低，但總體上其最佳潤滑效果仍不及C12-CDS。因此，兩親性碳點的烷基鏈長度對潤滑性能具有顯著影響，即烷基鏈越長，潤滑效果越好。同時C12-CDS的濃度僅為0.2%時即達到良好的潤滑效果，體現(xiàn)了C12-CDS作為硅酸鹽體系潤滑劑的高效性。

1.4兩親性碳點膠束對潤滑性能的影響

C12-CDS和C8-CDs的潤滑效果存在明顯差異，兩者疏水烷基鏈長度不同，而烷基鏈長度可影響表面活性劑的表界面活性以及膠束的形成，推測是CDs形成的膠束在潤滑過程中發(fā)揮作用，由此進一步探究CDs的膠束對潤滑性能的影響，圖2是CDs的硅酸鈉溶液潤滑系數(shù)與2種CDS各自的CMC倍數(shù)的關(guān)系曲線。

圖2 CDs膠束對潤滑性能的影響

由圖2可知，在10倍CMC濃度下，C12-CDS可將硅酸鈉水溶液的潤滑系數(shù)顯著降低到0.1以下，達到曲線的平臺值，而短鏈的C8-CDs在其20倍的CMC濃度下僅降低至0.15左右。由表1可知，C8-CDs的疏水尾鏈比C12-CDS少4個烷基鏈長度，其CMC是C12-CDS的5倍，因此，C12-CDS比C8-CDs具有更高的表面活性，形成膠束的能力更強，且烷基鏈越長濃度越高，對應(yīng)形成的膠束尺寸也更大，更大更多的膠束牢固地吸附在兩摩擦面，因此形成的中間潤滑膜越厚，證實是CDs膠束的存在促進吸附從而隔絕兩摩擦面，發(fā)揮了潤滑作用。這與文獻中的表面活性劑膠束可吸附在固體表面形成憎水層的結(jié)果一致，但需要達到一定的濃度才能形成膠束及其潤滑膜。分析表明，CDs烷基鏈長度的不同導(dǎo)致2種表面活性劑膠束化行為的差異，膠束的大小和數(shù)量影響其潤滑效果。