2.兩親性碳點(diǎn)的潤(rùn)滑機(jī)理分析

2.1接觸角

通過測(cè)試接觸角評(píng)價(jià)兩親性碳點(diǎn)的吸附性能，接觸角測(cè)定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5153—2017《油藏巖石潤(rùn)濕性測(cè)定方法》。具體實(shí)驗(yàn)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(jìn)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?jǐn)嚢锠顟B(tài)，浸泡12 h后取出，自然晾干。利用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x（DSA100，Krüss，德國）測(cè)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(cè)定玻璃板水滴靜態(tài)接觸角研究C12-CDS潤(rùn)滑劑在玻璃表面的吸附性能，實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dāng)濃度較低時(shí)，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(dāng)濃度繼續(xù)增大，膠束形成并生長(zhǎng)，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?qiáng)親水性，接觸角降低到5°左右，表明C12-CDS對(duì)硅酸顆粒存在強(qiáng)烈吸附，大量C12-CDS碳點(diǎn)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(duì)鉆具的摩阻降低，最終促進(jìn)體系潤(rùn)滑性能的提高。

2.2兩親性碳點(diǎn)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?jǐn)嚢锠顟B(tài)，12 h后選取上清液，通過表面張力儀（K13，Krüss，德國）和總有機(jī)碳分析儀（XPERT-TOC/TNb，Trace Elemental Instruments，荷蘭）分別對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)前后的溶液進(jìn)行表面張力值和總有機(jī)碳值測(cè)定。兩親性碳點(diǎn)的化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含疏水長(zhǎng)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(dāng)C12-CDS濃度遠(yuǎn)低于其CMC（200 mg/L）時(shí)，進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)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(dāng)C12-CDS濃度接近于CMC時(shí)，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(diǎn)和聚氧乙烯型表面活性劑在吸附前后的總有機(jī)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(dá)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?yàn)槭⑸氨砻娴牧u基與兩親性碳點(diǎn)的多羥基結(jié)構(gòu)形成大量氫鍵，兩親性碳點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)力學(xué)直徑

為進(jìn)一步明確兩親性碳點(diǎn)對(duì)硅酸鹽溶液的潤(rùn)滑機(jī)理，通過動(dòng)態(tài)光散射儀（Malvern Zetasizcrnano ZS90，Malvern，英國）測(cè)定硅酸鈉溶液、硅酸鈉與兩親碳點(diǎn)和硅酸鈉與聚氧乙烯型表面活性劑的混合溶液水動(dòng)力學(xué)直徑，其中散射角為173°，測(cè)試溫度為30℃。如圖6所示，質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(duì)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(jī)械阻礙作用的水化膜，可對(duì)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(rùn)滑機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(shí)由于CDS與硅酸鈉的競(jìng)爭(zhēng)吸附和膠束的存在，吸附能力進(jìn)一步增強(qiáng)，兩個(gè)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(jìn)行分散和解聚，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦進(jìn)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(rùn)滑劑不僅需要較強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)也需要具備優(yōu)異的耐磨耐壓性能，形成的吸附膜強(qiáng)度足夠高才能在極壓環(huán)境保持潤(rùn)滑效果。

2.4摩擦性能測(cè)試

為研究?jī)捎H性碳點(diǎn)在硅酸鈉溶液中的摩擦學(xué)性能，利用SGW-10G型杠桿四球摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，測(cè)試方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0189—92《潤(rùn)滑油抗摩損性能測(cè)定法（四球機(jī)法）》，實(shí)驗(yàn)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(xì)長(zhǎng)的淺犁溝，表明添加碳點(diǎn)后的磨損方式為磨粒磨損，且磨痕體積小。這是由于C12-CDS對(duì)硅酸鈉溶液的潤(rùn)滑機(jī)理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)蛊淠z束強(qiáng)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(dòng)摩擦。

3.硅酸鹽鉆井液的性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)選取現(xiàn)場(chǎng)用的無固相硅酸鹽鉆井液體系與兩親性碳點(diǎn)進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)條件為110℃老化16 h，鉆井液的流變性能是在50℃測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入不同含量的C12-CDS潤(rùn)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(diǎn)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(rùn)滑系數(shù)降低率隨著C12-CDS含量的增加而降低，當(dāng)其含量為0.3%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到86.34%。

表3兩親性碳點(diǎn)與硅酸鹽鉆井液的配伍性能評(píng)價(jià)

4.結(jié)論

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

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

3.C12-CDS對(duì)硅酸鈉溶液的潤(rùn)滑機(jī)理是碳核表面的多羥基結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)烷基鏈?zhǔn)蛊淠z束強(qiáng)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(dòng)摩擦，進(jìn)而改善潤(rùn)滑性能。

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