2.兩親性碳點的潤滑機理分析

2.1接觸角

通過測試接觸角評價兩親性碳點的吸附性能，接觸角測定依據(jù)標準SY/T 5153—2017《油藏巖石潤濕性測定方法》。具體實驗步驟如下：將玻璃板浸泡在現(xiàn)配的食人魚溶液（濃硫酸∶雙氧水=3∶1）中1 min，進行表面羥基化的親水處理，再洗凈烘干；將玻璃板下半部浸泡在表面活性劑溶液中，上半部懸空，讓溶液保持攪拌狀態(tài)，浸泡12 h后取出，自然晾干。利用光學接觸角測量儀（DSA100，Krüss，德國）測定表面活性劑溶液浸泡前后水滴在玻璃板上的靜態(tài)接觸角。玻璃的主要成分為硅酸鹽，因此可用玻璃板模擬硅酸鹽顆粒表面。通過測定玻璃板水滴靜態(tài)接觸角研究C12-CDS潤滑劑在玻璃表面的吸附性能，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 C12-CDS在玻璃板表面吸附后的水滴接觸角

由圖3可知，C12-CDS對玻璃板具有良好的吸附性能，其水滴接觸角隨濃度增大而減小。當濃度較低時，C12-CDS分子的親水頭基吸附在親水玻璃板表面，疏水尾鏈朝外，單層吸附使玻璃板的水滴接觸角從20°左右變?yōu)?2°左右。當濃度繼續(xù)增大，膠束形成并生長，越來越多的分子在單層吸附的基礎(chǔ)上產(chǎn)生多層或膠束吸附，故表面隨之轉(zhuǎn)變?yōu)閺娪H水性，接觸角降低到5°左右，表明C12-CDS對硅酸顆粒存在強烈吸附，大量C12-CDS碳點可吸附在硅酸聚集體表面，經(jīng)過表面改性的硅酸聚集體對鉆具的摩阻降低，最終促進體系潤滑性能的提高。

2.2兩親性碳點在石英砂上的吸附性能

選取粒徑為0.180 mm的石英砂作為吸附劑，將石英砂在30℃下浸泡在表面活性劑溶液中，且溶液保持攪拌狀態(tài)，12 h后選取上清液，通過表面張力儀（K13，Krüss，德國）和總有機碳分析儀（XPERT-TOC/TNb，Trace Elemental Instruments，荷蘭）分別對吸附實驗前后的溶液進行表面張力值和總有機碳值測定。兩親性碳點的化學結(jié)構(gòu)中包含疏水長鏈和親水頭基（多羥基），因而具有表面活性。圖4為C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面張力數(shù)據(jù)。比較吸附前后的表面張力差值，當C12-CDS濃度遠低于其CMC（200 mg/L）時，進行吸附實驗后，溶液表面張力值明顯上升，濃度為100 mg/L的C12-CDS溶液在石英砂上吸附前后的表面張力從44.81 mN/m上升為64.03 mN/m；當C12-CDS濃度接近于CMC時，吸附前后的表面張力值變化很小，這是由于隨著濃度升高，溶液體相中具有大量的C12-CDS膠束聚集體吸附在石英砂表面，而溶液表面的C12-CDS數(shù)量幾乎不受影響，吸附后的表面張力值幾乎不變。

圖4 C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面張力值

圖5為不同兩親性碳點和聚氧乙烯型表面活性劑在吸附前后的總有機碳值（TOC），其中每種溶液的濃度均設(shè)置為200 mg/L。由圖5可知，C8-CDS和C12-CDS在吸附后TOC值明顯降低，其中C12-CDS的吸附量達到89.23 mg/L，而其他3種聚氧乙烯型表面活性劑吸附前后的TOC值略微下降，這是因為石英砂表面的羥基與兩親性碳點的多羥基結(jié)構(gòu)形成大量氫鍵，兩親性碳點牢牢吸附在石英砂表面，導(dǎo)致溶液TOC值大大降低。

圖5兩親性碳點和聚氧乙烯型表面活性劑在吸附前后的TOC值（c=200 mg/L）

2.3水動力學直徑

為進一步明確兩親性碳點對硅酸鹽溶液的潤滑機理，通過動態(tài)光散射儀（Malvern Zetasizcrnano ZS90，Malvern，英國）測定硅酸鈉溶液、硅酸鈉與兩親碳點和硅酸鈉與聚氧乙烯型表面活性劑的混合溶液水動力學直徑，其中散射角為173°，測試溫度為30℃。如圖6所示，質(zhì)量分數(shù)為5%的Na2SiO3粒徑分布在220～800 nm之間，平均粒徑約為514.0 nm；質(zhì)量分數(shù)為0.3%的C12-CDS溶液的粒徑主要分布在8～100 nm之間，平均粒徑為43.4 nm；而5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS的混合溶液粒徑為10～120 nm，平均粒徑為63.2 nm，C12-CDS的加入使得Na2SiO3聚集體的尺寸大大降低，這表明C12-CDS可以讓Na2SiO3聚集體解聚，這與表面活性劑對膠體溶液的分散作用相關(guān)。由于大量C12-CDS分子或膠束吸附在Na2SiO3聚集體表面形成具有機械阻礙作用的水化膜，可對Na2SiO3聚集體起到穩(wěn)定分散作用。

圖6不同混合溶液的粒徑分布曲線

硅酸鹽水溶液因其聚集體的存在造成高摩阻缺陷，CDS能顯著降低摩阻，其潤滑機理主要表現(xiàn)在兩個方面，一是CDS的碳核表面具有多羥基結(jié)構(gòu)，能夠牢固吸附在金屬鉆具與井壁表面，同時由于CDS與硅酸鈉的競爭吸附和膠束的存在，吸附能力進一步增強，兩個摩擦接觸面因膠束的吸附作用形成憎水層隔絕兩摩擦面；二是CDS的多羥基結(jié)構(gòu)與硅酸聚集體的硅醇結(jié)構(gòu)以氫鍵結(jié)合，包裹在聚集體表面形成球形顆粒，并將大的聚集體進行分散和解聚，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦進一步降低摩阻。雖然其他三種聚氧乙烯型表面活性劑的親水頭基也具有羥基結(jié)構(gòu)，存在一定的吸附能力，但羥基數(shù)量較少，吸附能力較弱，此外在極壓摩擦情況下，潤滑劑不僅需要較強的吸附能力，同時也需要具備優(yōu)異的耐磨耐壓性能，形成的吸附膜強度足夠高才能在極壓環(huán)境保持潤滑效果。

2.4摩擦性能測試

為研究兩親性碳點在硅酸鈉溶液中的摩擦學性能，利用SGW-10G型杠桿四球摩擦試驗機測試，測試方法參照行業(yè)標準SH/T 0189—92《潤滑油抗摩損性能測定法（四球機法）》，實驗參數(shù)設(shè)置如下，用掃描電鏡（SEM）拍攝摩擦表面形態(tài)圖片并分析如圖7所示。

圖7鋼球磨痕形貌的SEM照片

從圖7可以得知，5%Na2SiO3溶液的磨痕有較大片的剝落，磨痕深，說明Na2SiO3聚集體在鋼球表面成膜，其磨損方式為黏著磨損；相比于前者，5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS溶液的磨痕為細長的淺犁溝，表明添加碳點后的磨損方式為磨粒磨損，且磨痕體積小。這是由于C12-CDS對硅酸鈉溶液的潤滑機理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長烷基鏈使其膠束強烈吸附在金屬、井壁上形成憎水層隔絕兩摩擦面，通過氫鍵作用吸附包裹在硅酸聚集體表面形成球形顆粒造成滾動摩擦。

3.硅酸鹽鉆井液的性能評價

室內(nèi)選取現(xiàn)場用的無固相硅酸鹽鉆井液體系與兩親性碳點進行配伍性實驗，現(xiàn)場用鉆井液體系配方為：淡水+5%硅酸鈉+6%KCl+0.3%XC+2.5%磺甲基酚醛樹脂+3%乳化瀝青+C12-CDS。實驗條件為110℃老化16 h，鉆井液的流變性能是在50℃測定，實驗結(jié)果如表3所示。實驗結(jié)果表明，加入不同含量的C12-CDS潤滑劑后，硅酸鹽鉆井液體系的密度變化值均小于0.01 g·cm?3，且鉆井液的流變性和pH隨著C12-CDS含量的增加基本保持不變，API失水量和沙盤封堵濾失量基本不受C12-CDS含量的影響，表明兩親性碳點與硅酸鹽鉆井液體系具有良好的配伍性能。另外，鉆井液體系的潤滑系數(shù)降低率隨著C12-CDS含量的增加而降低，當其含量為0.3%時，潤滑系數(shù)降低率達到86.34%。

表3兩親性碳點與硅酸鹽鉆井液的配伍性能評價

4.結(jié)論

1.兩親性碳點對硅酸鈉溶液具有良好的潤滑效果，而聚氧乙烯型并無效果。長鏈C12-CDS在110℃熱滾16 h前后的極壓潤滑系數(shù)分別為0.065和0.063，潤滑系數(shù)降低率高達87%，體現(xiàn)了C12-CDS良好的耐溫性和潤滑性能。

2.探究兩親性CDS濃度和膠束對硅酸鹽溶液潤滑性能的影響，結(jié)果表明兩親性CDS的潤滑性能具有較強的濃度依賴性，且CDS碳鏈越長，潤滑效果越好，大量的膠束吸附可顯著提高其潤滑性能。

3.C12-CDS對硅酸鈉溶液的潤滑機理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長烷基鏈使其膠束強烈吸附在金屬、井壁上形成憎水層隔絕兩摩擦面，通過氫鍵作用吸附包裹在硅酸聚集體表面形成球形顆粒造成滾動摩擦，進而改善潤滑性能。

4.C12-CDS與現(xiàn)場用無固相硅酸鹽鉆井液具有良好的配伍性能，可提高其潤滑性能。