近年来，随着油气钻探领域的不断开发拓展，页岩气层的井壁稳定问题引起国内外广泛关注，外来流体入侵导致黏土矿物的水化膨胀和分散是页岩储层井壁失稳的重要原因。油基钻井液可极大程度地抑制页岩水化，但成本高和环境污染严重，综合考虑井壁稳定性能、成本和环保3个方面，可引入与油基钻井液防塌抑制性能相当的硅酸盐水基钻井液。其主处理剂硅酸盐成本低且对环境友好，对泥页岩地层具有较强的抑制和封堵能力。因此，硅酸盐钻井液被认为是最有希望替代油基钻井液的一种水基钻井液体系。

研究证实，硅酸盐具有优异的膜效应，能够在金属钻具和井壁表面吸附成膜，但因硅酸聚集体的存在造成硅酸盐钻井液的润滑性能极差，甚至远低于其他常规水基钻井液。此外，硅酸盐水溶液呈强碱性，在地层温度下，常规酯类和生物可降解植物油类润滑剂在高温强碱性环境容易发生水解而失效，严重影响了润滑剂的使用效果。尽管国内外学者在改善硅酸盐钻井液润滑性能方面做了大量尝试，但能明显改善该钻井液体系润滑性的润滑剂在国内外仍较少。

基于硅酸盐钻井液体系，通过对比结构相似（同时具备长烷基链及带羟基的亲水头基）的两亲性碳点（CDs）型表面活性剂和聚氧乙烯型表面活性剂的润滑性能，致力于找到一种适用于硅酸盐钻井液体系的润滑剂，同时探究其润滑机理，为更好地解决硅酸盐钻井液在超深井、水平井钻探中的高摩阻问题提供理论指导和建议。

1.润滑性能评价

1.1润滑剂的理化性质

两亲性碳点C8-CDs，C12-CDs均为实验室自制。以C8-CDs的合成为例，实验步骤如下：将一定质量的柠檬酸和正辛胺加入三颈烧瓶中，并在油浴中于180℃加热3 h，所得产物溶解在无水乙醇中，将上述乙醇溶液在10 000 r/min下离心15 min，除去不溶解物质。减压蒸馏除去乙醇后，将产物溶解于超纯水中并用1 kDa透析膜透析12 h。最后，冷冻干燥透析膜内产物，得到C8-CDs；同样，C12-CDs合成具体步骤可参照文献。

硅酸钠（模数2.51，50.1°Bé），聚氧乙烯型表面活性剂OP-10、AEO-9、Tween 80（AR）。5种不同表面活性剂的理化性质和化学结构式见表1。其中，CMC为表面活性剂在水中的临界胶束浓度，HLB为表面活性剂的亲水亲油平衡值。

表1 5种表面活性剂的理化性质

1.2不同类型表面活性剂的润滑性能

将15 g的硅酸钠加入到300 mL蒸馏水中充分溶解配制成5%硅酸钠水溶液，pH值为11.6，将一定量的两亲性碳点和聚氧乙烯型表面活性剂溶解于该水溶液中，使用美国Fann公司EP极压润滑仪在室温下测定不同溶液的润滑系数。测试步骤参照中国石油化工集团公司企业标准Q/SHCG 4-2011《水基钻井液用润滑剂技术要求》，计算润滑剂的极压润滑系数K和润滑系数降低率RK。对两亲性碳点型和聚氧乙烯型表面活性剂的硅酸钠水溶液在110℃，16 h热滚前后的润滑性能进行对比分析见表2，表面活性剂质量浓度均为0.3%。

表2不同润滑剂的硅酸钠水溶液在110℃热滚16 h前后的润滑系数

由表2可知，C12-CDs具有优异的润滑效果，可显著改善硅酸盐水溶液的润滑性能，将润滑系数从0.521降低至0.065，润滑系数降低率高达87.52%，经高温老化后其润滑系数进一步降低，表明C12-CDs能够耐高温耐强碱，与硅酸盐配伍性良好，而碳链相对较短的C8-CDs对硅酸盐水溶液并没有表现出明显的润滑效果。

此外，其他3种聚氧乙烯型表面活性剂热滚前后在硅酸钠溶液中的润滑系数均在0.500左右，无润滑效果。5种表面活性剂HLB相近，结构相似，均具有长疏水链和带羟基的亲水头基，但对硅酸钠的润滑效果存在明显差异，两亲性碳点的碳核及其表面的多羟基结构是发挥润滑效果的关键。

1.3表面活性剂浓度对润滑性能的影响

表面活性剂浓度是影响体系润滑性能的重要原因之一。单一浓度无法全面系统地评价表面活性剂的润滑性能，因此，进一步探究表面活性剂浓度对润滑性能的影响，测定了不同浓度的5种表面活性剂在硅酸钠水溶液中的润滑系数，如图1所示。

图1表面活性剂浓度对润滑性能的影响

由图1可知，在较宽的浓度范围下，3种聚氧乙烯型表面活性剂对硅酸钠均无润滑作用。而两亲性碳点的润滑性能表现出强烈的浓度依赖性，润滑系数随浓度增大而显著降低，润滑系数曲线先降低后基本保持不变，直线拐点处为临界润滑浓度。

虽然C12-CDS与C8-CDs润滑系数随浓度变化的趋势一致，但后者临界润滑浓度是前者的十倍左右，碳链更长的C12-CDS浓度为0.2%时，润滑系数即达到0.100以下，而C8-CDs在该浓度下润滑系数仍为0.500，直到浓度增加为2%时，润滑系数才显著降低，但总体上其最佳润滑效果仍不及C12-CDS。因此，两亲性碳点的烷基链长度对润滑性能具有显著影响，即烷基链越长，润滑效果越好。同时C12-CDS的浓度仅为0.2%时即达到良好的润滑效果，体现了C12-CDS作为硅酸盐体系润滑剂的高效性。

1.4两亲性碳点胶束对润滑性能的影响

C12-CDS和C8-CDs的润滑效果存在明显差异，两者疏水烷基链长度不同，而烷基链长度可影响表面活性剂的表界面活性以及胶束的形成，推测是CDs形成的胶束在润滑过程中发挥作用，由此进一步探究CDs的胶束对润滑性能的影响，图2是CDs的硅酸钠溶液润滑系数与2种CDS各自的CMC倍数的关系曲线。

图2 CDs胶束对润滑性能的影响

由图2可知，在10倍CMC浓度下，C12-CDS可将硅酸钠水溶液的润滑系数显著降低到0.1以下，达到曲线的平台值，而短链的C8-CDs在其20倍的CMC浓度下仅降低至0.15左右。由表1可知，C8-CDs的疏水尾链比C12-CDS少4个烷基链长度，其CMC是C12-CDS的5倍，因此，C12-CDS比C8-CDs具有更高的表面活性，形成胶束的能力更强，且烷基链越长浓度越高，对应形成的胶束尺寸也更大，更大更多的胶束牢固地吸附在两摩擦面，因此形成的中间润滑膜越厚，证实是CDs胶束的存在促进吸附从而隔绝两摩擦面，发挥了润滑作用。这与文献中的表面活性剂胶束可吸附在固体表面形成憎水层的结果一致，但需要达到一定的浓度才能形成胶束及其润滑膜。分析表明，CDs烷基链长度的不同导致2种表面活性剂胶束化行为的差异，胶束的大小和数量影响其润滑效果。