2.两亲性碳点的润滑机理分析

2.1接触角

通过测试接触角评价两亲性碳点的吸附性能，接触角测定依据标准SY/T 5153—2017《油藏岩石润湿性测定方法》。具体实验步骤如下：将玻璃板浸泡在现配的食人鱼溶液（浓硫酸∶双氧水=3∶1）中1 min，进行表面羟基化的亲水处理，再洗净烘干；将玻璃板下半部浸泡在表面活性剂溶液中，上半部悬空，让溶液保持搅拌状态，浸泡12 h后取出，自然晾干。利用光学接触角测量仪（DSA100，Krüss，德国）测定表面活性剂溶液浸泡前后水滴在玻璃板上的静态接触角。玻璃的主要成分为硅酸盐，因此可用玻璃板模拟硅酸盐颗粒表面。通过测定玻璃板水滴静态接触角研究C12-CDS润滑剂在玻璃表面的吸附性能，实验结果见图3。

图3 C12-CDS在玻璃板表面吸附后的水滴接触角

由图3可知，C12-CDS对玻璃板具有良好的吸附性能，其水滴接触角随浓度增大而减小。当浓度较低时，C12-CDS分子的亲水头基吸附在亲水玻璃板表面，疏水尾链朝外，单层吸附使玻璃板的水滴接触角从20°左右变为52°左右。当浓度继续增大，胶束形成并生长，越来越多的分子在单层吸附的基础上产生多层或胶束吸附，故表面随之转变为强亲水性，接触角降低到5°左右，表明C12-CDS对硅酸颗粒存在强烈吸附，大量C12-CDS碳点可吸附在硅酸聚集体表面，经过表面改性的硅酸聚集体对钻具的摩阻降低，最终促进体系润滑性能的提高。

2.2两亲性碳点在石英砂上的吸附性能

选取粒径为0.180 mm的石英砂作为吸附剂，将石英砂在30℃下浸泡在表面活性剂溶液中，且溶液保持搅拌状态，12 h后选取上清液，通过表面张力仪（K13，Krüss，德国）和总有机碳分析仪（XPERT-TOC/TNb，Trace Elemental Instruments，荷兰）分别对吸附实验前后的溶液进行表面张力值和总有机碳值测定。两亲性碳点的化学结构中包含疏水长链和亲水头基（多羟基），因而具有表面活性。图4为C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面张力数据。比较吸附前后的表面张力差值，当C12-CDS浓度远低于其CMC（200 mg/L）时，进行吸附实验后，溶液表面张力值明显上升，浓度为100 mg/L的C12-CDS溶液在石英砂上吸附前后的表面张力从44.81 mN/m上升为64.03 mN/m；当C12-CDS浓度接近于CMC时，吸附前后的表面张力值变化很小，这是由于随着浓度升高，溶液体相中具有大量的C12-CDS胶束聚集体吸附在石英砂表面，而溶液表面的C12-CDS数量几乎不受影响，吸附后的表面张力值几乎不变。

图4 C12-CDS在石英砂表面吸附前后的表面张力值

图5为不同两亲性碳点和聚氧乙烯型表面活性剂在吸附前后的总有机碳值（TOC），其中每种溶液的浓度均设置为200 mg/L。由图5可知，C8-CDS和C12-CDS在吸附后TOC值明显降低，其中C12-CDS的吸附量达到89.23 mg/L，而其他3种聚氧乙烯型表面活性剂吸附前后的TOC值略微下降，这是因为石英砂表面的羟基与两亲性碳点的多羟基结构形成大量氢键，两亲性碳点牢牢吸附在石英砂表面，导致溶液TOC值大大降低。

图5两亲性碳点和聚氧乙烯型表面活性剂在吸附前后的TOC值（c=200 mg/L）

2.3水动力学直径

为进一步明确两亲性碳点对硅酸盐溶液的润滑机理，通过动态光散射仪（Malvern Zetasizcrnano ZS90，Malvern，英国）测定硅酸钠溶液、硅酸钠与两亲碳点和硅酸钠与聚氧乙烯型表面活性剂的混合溶液水动力学直径，其中散射角为173°，测试温度为30℃。如图6所示，质量分数为5%的Na2SiO3粒径分布在220～800 nm之间，平均粒径约为514.0 nm；质量分数为0.3%的C12-CDS溶液的粒径主要分布在8～100 nm之间，平均粒径为43.4 nm；而5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS的混合溶液粒径为10～120 nm，平均粒径为63.2 nm，C12-CDS的加入使得Na2SiO3聚集体的尺寸大大降低，这表明C12-CDS可以让Na2SiO3聚集体解聚，这与表面活性剂对胶体溶液的分散作用相关。由于大量C12-CDS分子或胶束吸附在Na2SiO3聚集体表面形成具有机械阻碍作用的水化膜，可对Na2SiO3聚集体起到稳定分散作用。

图6不同混合溶液的粒径分布曲线

硅酸盐水溶液因其聚集体的存在造成高摩阻缺陷，CDS能显著降低摩阻，其润滑机理主要表现在两个方面，一是CDS的碳核表面具有多羟基结构，能够牢固吸附在金属钻具与井壁表面，同时由于CDS与硅酸钠的竞争吸附和胶束的存在，吸附能力进一步增强，两个摩擦接触面因胶束的吸附作用形成憎水层隔绝两摩擦面；二是CDS的多羟基结构与硅酸聚集体的硅醇结构以氢键结合，包裹在聚集体表面形成球形颗粒，并将大的聚集体进行分散和解聚，将滑动摩擦变为滚动摩擦进一步降低摩阻。虽然其他三种聚氧乙烯型表面活性剂的亲水头基也具有羟基结构，存在一定的吸附能力，但羟基数量较少，吸附能力较弱，此外在极压摩擦情况下，润滑剂不仅需要较强的吸附能力，同时也需要具备优异的耐磨耐压性能，形成的吸附膜强度足够高才能在极压环境保持润滑效果。

2.4摩擦性能测试

为研究两亲性碳点在硅酸钠溶液中的摩擦学性能，利用SGW-10G型杠杆四球摩擦试验机测试，测试方法参照行业标准SH/T 0189—92《润滑油抗摩损性能测定法（四球机法）》，实验参数设置如下，用扫描电镜（SEM）拍摄摩擦表面形态图片并分析如图7所示。

图7钢球磨痕形貌的SEM照片

从图7可以得知，5%Na2SiO3溶液的磨痕有较大片的剥落，磨痕深，说明Na2SiO3聚集体在钢球表面成膜，其磨损方式为黏着磨损；相比于前者，5%Na2SiO3+0.3%C12-CDS溶液的磨痕为细长的浅犁沟，表明添加碳点后的磨损方式为磨粒磨损，且磨痕体积小。这是由于C12-CDS对硅酸钠溶液的润滑机理是碳核表面的多羟基结构和长烷基链使其胶束强烈吸附在金属、井壁上形成憎水层隔绝两摩擦面，通过氢键作用吸附包裹在硅酸聚集体表面形成球形颗粒造成滚动摩擦。

3.硅酸盐钻井液的性能评价

室内选取现场用的无固相硅酸盐钻井液体系与两亲性碳点进行配伍性实验，现场用钻井液体系配方为：淡水+5%硅酸钠+6%KCl+0.3%XC+2.5%磺甲基酚醛树脂+3%乳化沥青+C12-CDS。实验条件为110℃老化16 h，钻井液的流变性能是在50℃测定，实验结果如表3所示。实验结果表明，加入不同含量的C12-CDS润滑剂后，硅酸盐钻井液体系的密度变化值均小于0.01 g·cm−3，且钻井液的流变性和pH随着C12-CDS含量的增加基本保持不变，API失水量和沙盘封堵滤失量基本不受C12-CDS含量的影响，表明两亲性碳点与硅酸盐钻井液体系具有良好的配伍性能。另外，钻井液体系的润滑系数降低率随着C12-CDS含量的增加而降低，当其含量为0.3%时，润滑系数降低率达到86.34%。

表3两亲性碳点与硅酸盐钻井液的配伍性能评价

4.结论

1.两亲性碳点对硅酸钠溶液具有良好的润滑效果，而聚氧乙烯型并无效果。长链C12-CDS在110℃热滚16 h前后的极压润滑系数分别为0.065和0.063，润滑系数降低率高达87%，体现了C12-CDS良好的耐温性和润滑性能。

2.探究两亲性CDS浓度和胶束对硅酸盐溶液润滑性能的影响，结果表明两亲性CDS的润滑性能具有较强的浓度依赖性，且CDS碳链越长，润滑效果越好，大量的胶束吸附可显著提高其润滑性能。

3.C12-CDS对硅酸钠溶液的润滑机理是碳核表面的多羟基结构和长烷基链使其胶束强烈吸附在金属、井壁上形成憎水层隔绝两摩擦面，通过氢键作用吸附包裹在硅酸聚集体表面形成球形颗粒造成滚动摩擦，进而改善润滑性能。

4.C12-CDS与现场用无固相硅酸盐钻井液具有良好的配伍性能，可提高其润滑性能。