钻井液用植物油润滑剂的制备及摩擦学性能研究

2010年1月 第35卷第1期 润滑与密封 LUBRICATIONENGINEERING Jan．2010 V01．35No．1 DOI：10．3969／j．issm0254—0150．2010．01．008 钻井液用植物油润滑剂的制备及摩擦学性能研究+ 王万杰1 李长生2曹可生2冯桂双2王国明1 (1．江苏大学机械工程学院江苏镇江212013；2．江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013) 摘要：为了使钻井液用植物油润滑剂在高压和高温氧化后仍具有良好的抗磨减摩性能，将层状固体润滑剂石墨、 蛇纹石加入植物油中，合成了儿种含同体润滑剂的钻J}液用植物油润滑剂；利用UMT-2球盘式摩擦试验机考察了各润 滑剂的摩擦性能；在摇臂钻床上模拟钻探的摩擦工况，考察了合成的润滑剂的抗磨性能，利用扫描电子显微镜观察了钻 头的磨损形貌。结果表明，在植物油中添加石墨、蛇纹石可以降低植物油的摩擦因数和摩擦副的磨损，同时可使植物油 在高温氧化后仍能保持良好的减摩抗磨性能。 关键词：钻井液用润滑剂；植物油；石墨；蛇纹石；摩擦学性能 中图分类号：THll7．1文献标识码：A文章编号：0254—0150(2010)1—029—4 StudyonthePreparationandTribologicalPropertiesof DrillingFluidVegetableOilLubricant WangWanjielLiChangshen92CaoKeshen92FengGuishuan92WangGuomin91 (1．SchoolofMechanicaiEngineering，JiangsuUniversity，ZhenjiangJiangsu212013，China； 2．SchoolofMaterialScienceandEngineering，JiangsuUniversity，ZhenjiangJiangsu212013，China) Abstract：Inordertomaintaintheantiwearandfrictionreducingcapacityofdrillingfluidvegetableoillubricantafter highpressureandhightemperatureoxidation．anewtypeoflubricantcontainingsomesolidlubricantwaspreparedby addingtheflakegraphiteandserpentineintothevegetableoil，itstribologicalpropertieswasevaluatedusingaball—disc frictiontestingmachineUMT-2．Thefrictionandwearconditionsweresimulatedintheradialdrillingmachine．Thedrill wearmorphologyWasinvestigatedwithscanningelectronmicroscopy．Theresultsindicatethattheflakegraphiteandser- pentinecanreducefrictioncoefficientandimprovetheantiwearpropefli(，soflubricatingoil．VegetableoilCankeepgood frictionreducingpropertiesafterhightemperatureoxidation． Keywords：drillingfluidlubricant；vegetableoil；graphite；serpentine；frictionandwearproperties 目前，对油气田进行勘测主要通过对地层的荧光 进行，而常用钻井液润滑剂多为矿物油润滑剂， 荧光级别高，影响了对地质的分析评价，植物油 低荧光，且油性好，不污染环境，是一种优良的低荧 光润滑剂‘“，但是植物油的氧化稳定性和热稳定性能 差旧1，本文作者研究了将层状固体润滑剂石墨和蛇纹 石加入植物油中，并加入少量的分散剂，来改善植物 油减摩抗磨性能，以及高温氧化后的减摩抗磨性能。 }基金项目：国家自然科学基金项目(50471051)；科技部863 项目(2007AA032385)． 收稿日期：2009—08—10 作者简介：王万杰(198l一)，男，硕士研究生．E—mail：wang— wanjie@163．CORK l 试验部分 1．1 试验材料 试验所用的基础油为植物油(下脚料植物油)， 所用的添加剂为固体添加剂片层状石墨、蛇纹石 (粒径lO一20tLm)以及分散剂等。 石墨和蛇纹石的晶体结构为层状结构如图1所 示。层与层(如图2所示)之间以范德华力结合。 因为与基础面平行的面间结合力弱，所以这些晶体在 其面问都很容易剪切，亦即摩擦力小，同时能够支持 垂直于基础面的负荷，所以承载能力强，并且石墨和 蛇纹石具有耐高温性能。层状固体润滑剂分散在润滑 油中使用时∞1，要加入适当的分散剂和改性材料，使 其和润滑油产生协同作用，增加植物油的承载能力、 抗磨性能和耐热性能。 万方数据 润滑与密封 第35卷 (a)石墨 《b)蛇纹石 图1石墨和蛇纹石的TEM图 Fig1 TEMimagesofgraphite(a)andserpentine(b) (a'石墨 (b)蛇纹石 图2石墨和蛇纹石的HRTEM图 Fig2 HRTEMimagesofgraphite(a)andserpentine(b) 1．2钻井液用植物油润滑剂的制备 以十六烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮为表面活性 剂对固体润滑剂石墨和蛇纹石进行改性，降低石墨的 表面能，提高石墨和蛇纹石与植物油的相容性。不同 质量分数的经表面改性的固体润滑剂和乳化剂加入到 植物油中，经超声波分散后，储存备用。 1．3试验 (1)利用UMT-2摩擦试验机考察不同试样在不 同载荷、不同转速下的摩擦特性。试验条件：载荷为 lO一90N，转速为50～200r／min，旋转半径为30 mm，试验时间为10—90min，摩擦形式为球盘式， 钢球为440C不锈钢，盘为1Crl8Ni9Ti。 (2)考虑到钻井液润滑剂常在100℃左右的温 度下使用，在干燥箱中将含固体润滑剂石墨和蛇纹石 的植物润滑剂和纯植物油润滑剂在150℃下加热12 h，然后在UMT-2球盘式摩擦试验机上考察其摩擦因 数随载荷变化的情况。试验条件：载荷为10～90N， 转速为200r／min，旋转半径为30rain，试验时间为 50min，摩擦形式为球盘式，钢球为440C不锈钢， 盘为lCrl8Ni9Ti。 (3)利用摇臂钻床模拟钻探的摩擦工况。试验 条件：摇臂钻床转速设定为1120r／min(在实际钻井 中，钻头直径是216mlIl，钻井的转速为70～90r／rain， 实验室模拟中，钻头直径是12mm，换算转速为1 260—1620r／min，与实际情况一致)，钻头为锥柄麻 花钻，材料为W18Cr4V高速钢，钻削材料为经调制 处理的45。钢，厚度为28mm，硬度为HRC30，在凋 质后的钢块上分别钻通孑L，以钻头发出尖叫声，不能 继续钻孔为止。 2结果与讨论 2．1植物油润滑剂的减摩性能 图3示出了单独添加不同配比固体润滑剂石墨 和蛇纹石的植物油润滑剂润滑下，在球盘式摩擦磨 损试验机上(440C不锈钢球，1Crl8Ni9Ti盘，转 速50r／min)摩擦因数随工作载荷变化关系曲线。从 图3(a)可以看出，固体添加剂石墨添加到植物油 万方数据 2010年第1期 王万杰等：钻井液用植物油润滑剂的制备及摩擦学性能研究 3l 中存在一个最佳配比，当添加剂含量比较小(质量分 数2％一5％)时，随着添加剂含量的增加摩擦因数明 显减小，当添加剂质量分数超过5％(质量分数5％一 10％)，此时摩擦因数随着添加剂含量的增加而增 大，这可能因为随着添加剂含量的增加，石墨粒子相 互吸引而团聚。同样蛇纹石也存在着最佳配比，当质 量分数为2％时，摩擦因数最小，如图3(b)所示。 与纯植物油相比，单独添加固体添加剂石墨和蛇纹石 都能有效地减小摩擦因数(如图4所示)，这是因为 当摩擦副表面接触时，固体颗粒随着摩擦的进行，在 摩擦表面形成膜，颗粒沉积到摩擦副表面低凹处，起 到填平作用，形成吸附膜，从而减少了相对表面的粗 糙度，减少滑动面的摩擦。 0．14 置 ；0．12 岂o．10 鼍0．08 80．06 ．2 0．04 崔o．02 ‘0．00 蕞0·14 茗0．12 ‘=O．10 写0．08 uO．06 曼o．04 ·：o．02 0 20 40 60 80 100 Load／N (a)石墨 0 ZO 4U 60 8¨ l¨O Load／N (b)蛇纹石 图3添加不同配比石墨和蛇纹石的植物 油润滑剂摩擦因数随载荷变化曲线 Fig3 Variationsoffrictioncoeflicientswithloadsforvarious vegetableoillubricant(B)graphite；(b)serpentine 0．10 0．05 0 100200300400500600 Time，s 图4不同试样摩擦因数随时间变化曲线(转速50r／rain) Fig4 Variationoffrictioncoegicientwithtestduration 由于石墨和蛇纹石都具有良好的减摩性能，在 研制的钻井液润滑剂中复合添加了石墨和蛇纹石。 图5示出了单独添加石墨和蛇纹石以及石墨、蛇纹 石复配的植物油润滑剂在载荷10～90N，转速50 r／min下，摩擦因数随载荷变化曲线。可以看出， 当载荷小于70N时，石墨和蛇纹石复配后，摩擦因 数明显小于单独使用一种添加剂的摩擦因数；当载 荷大于70N时，此时添加有石墨和蛇纹石的植物 油润滑剂减摩性能要好于单独添加有蛇纹石的植物 油润滑剂，和单独添加石墨的植物油润滑剂减摩性 能差不多，这是因为石墨和蛇纹石一起使用时，产 生协同作用，比单独一种添加剂具有更好的减摩效 果。所以摩擦因数最小。 O 20 40 60 80 100 Load／N 图5不同体系的植物油润滑剂摩擦因数随载荷变化曲线 Fig5 Variationsoffrictioncoefficientswith loadsforvariousvegetableoillubricant 图6示出了在50N载荷下，添加有石墨和蛇纹 石的植物油在不同转速(50，100，200r／min)时摩 擦因数随时间变化曲线。可以看出，随着转速的增 加，摩擦因数减小。所以，可以认为，添加了固体润 滑剂石墨和蛇纹石的植物油在高速下具有更好的减摩 能力，能提高钻井效率，缩短钻井周期。 0 100200300400500600 Time／s 图6不同转速下摩擦因数随时间变化曲线 Fig6 Variationsoffrictioncoefficientswith timesforvariousrotatespeeds ¨：：m惦％¨帔∞ O 0 0 0 O O O O t，-皇岩u!王-舢oo口oII岩k函 H n m惦％¨舵帅 O 0 O 0 O O 0 O 文-口。弓—毒ooo口o=u—k‰ 万方数据 32 润滑与密封 第35卷 如图7所示为植物油在150℃下被氧化后摩擦因 数随载荷变化曲线。可以看出，当载荷小于30N时， 植物油和添加石墨和蛇纹石的植物油的摩擦因数相差 不大，可能是因为当载荷较小时，植物油中的甘油三 酯分子中的极性官能团与金属表面发生物理化学反应， 在摩擦表面形成吸附膜|4’，而此时固体润滑剂石墨和 蛇纹石不起主要作用∞。，所以两者之间摩擦因数相差 不大；当载荷大于30N时，这时添加了固体润滑剂的 植物油的摩擦因数较小，这可能是因为，150℃下植 物油被氧化，其油性降低，此时植物油在摩擦副表面 的吸附能力降低，当载荷较大时，吸附膜被破坏，故 纯植物油润滑下的摩擦因数增大，而添加了固体润滑 剂的植物油，由于石墨和蛇纹石进入摩擦副表面，在 摩擦表面吸附，故能表现出良好的摩擦学性能∞1。 置0．14 苫0．12 ’5 0．10 专o．08 o0．06 ．宝0．04 皇o．02 ‘0．00 0 20 40 60 80 100 Load／N 图7 150℃氧化后摩擦因数随载荷变化曲线 Fig7 Variationsoffrictioncoefficientswithload aftervegetableoilwasoxidizedunder150℃ 2．2植物油润滑剂的抗磨性能 图8为模拟钻探摩擦工况的钻头形貌图。表1给 出了钻探模拟试验时，不同润滑剂润滑下钻头所钻孔 数。可以看出，在纯植物油润滑下进行钻削，钻到4 个孔时，钻头咬死，钻头横刃磨损非常严重(见图8 (a))，这是因为切削时，产生大量的热能，植物油 被氧化，油性降低，在摩擦表面形成的吸附膜被破 坏，摩擦副直接接触，产生刮削挤压，切削呈粒状并 被压碎，横刃有明显的金属脱落，韧带磨损严重；加 入含层状固体润滑剂的植物油润滑时，当植物油在摩 擦表面形成的吸附膜被破坏后，石墨和蛇纹石具有良 好的抗氧化性能，填充在摩擦副表面，阻碍摩擦副直 接接触，提高了润滑剂的抗磨性能，钻头横刃和韧带 的磨损得到极大改善，横刃上只有少量金属脱落 (见图8(b))，尽管已经钻到6个孔，钻头还能继续 工作。 图8钻头磨损SEM形貌 Fig8 SEMmorphologyofthewornsurfaceoftwistdrill(a)lu· bricatedwithvegetableoil；(b)lubricatedwithvegeta- bleoilcontaining5％graphiteand2％serpentine 表1不同润滑剂润滑时钻头所钻孔数 TablelThenumbersof商mIlgthroughholeslubri· catedwithdifferentvegetableoillubricant 润滑剂 钻孑L孔数 纯植物油 植物油+5％石墨+2％蛇纹石 4 6 3 结论 为了使钻井液用植物油润滑剂在高压和高温氧化 后仍具有良好的抗磨减摩性能，将层状固体润滑剂石 墨、蛇纹石加入植物油中，合成了几种含固体润滑剂 的钻井液用植物油润滑剂。试验结果表明：在植物油 润滑剂中单独添加石墨和蛇纹石能提高钻井用植物油 润滑剂的减摩能力，石墨、蛇纹石按一定比例复配后 的减摩能力更佳；含固体润滑剂石墨、蛇纹石的钻井 液植物油润滑剂在高速、高温下仍具有良好的减摩和 抗磨能力。 参考文献 【I】霍胜军，郑力会．钻井液用润滑剂ET24的研制和应用[J]． 钻井液与完井液，2008，25(1)：24—26．(下转第4页) 万方数据 4 润滑与密封 第35卷 _—●一Mineraloi卜Pnanotubes ·--·一Mineraloil 图6矿物油及含碳纳米管矿物油在连续加温试验 时的摩擦因数随试验时间、温度的变化 Fig6 Variationoffrictioncoefficientofmineraloilwithcarbon nanombes雠．testingtimeatdifferenttemperature 5·0 冒 J 4．0 2 × 詈3．0 莹 ； ：2．0 毒 1．0 O．O MineraloilMineraloil+nanotubes 图7矿物油及含碳纳米管矿物油在 连续加温试验后的磨损体积 Fig7 Thewearvolumesofmineraloilwithcarbon nanotubesundercontinuoushottingtest 3 结论 (1)碳纳米管能比较明显地改善矿物油在中等 条件(如温度100～300℃，速度0．08—0．16m／s和 负荷100～300N)下的减摩性能，但对室温和比较 苛刻条件，如高温(如500oC)、高负荷(500N) 和高速(O．20m／s)等条件下的减摩性能没有明显 改善。 (2)碳纳米管对矿物油的抗磨性能的影响与试 验条件有关，碳纳米管能明显改善矿物油在较为苛刻 条件下的抗磨性能。 参考文献 【1】IijimaS．HehcMmicrotubesofgraphiticcarbon[J]．Nature， 1991，354：56—58． 【2】TreacyMMJ，EbbcsenTW，GibesonJM，eta1．Exccptionally 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