基于机制引导的协同设计方法：用于水基钻井液的抗磨损及减摩擦复合添加剂

《Results in Engineering》：Mechanism-guided synergistic design of anti-wear and friction-reducing compound additives for water-based drilling fluids

　　云海白|洪伟东|张晓平|周一鸣|齐素涛
中国石油天然气集团公司川庆钻井工程有限公司钻井与生产技术研究所，西安710018

**摘要**
水基钻井液具有成本效益高且环保的优点，但在深井钻井中面临润滑性能不足和热稳定性差的问题，这些问题影响了钻井效率和安全性。因此，提升这些性能至关重要。为了提高水基钻井液的耐磨性和热稳定性，研究人员对两种具有不同作用机制的单个添加剂进行了系列表征，并基于这两种单添加剂的协同效应开发了几种复合添加剂。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）技术全面分析了这些添加剂的化学组成。通过四球摩擦试验（负载范围98.1-981 N）和销盘摩擦试验系统评估了它们的摩擦学性能。结果表明，与单一添加剂和三种常用的商业产品相比，三种复合添加剂显著增强了抗磨性和减摩性能。热重分析（TGA）进一步证实了其优异的热稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对磨损痕迹形态和表面化学成分的详细分析，阐明了其润滑机制。这些研究揭示了各组分独特的减摩途径及其在复合添加剂中的协同作用，为提高高温性能提供了基础见解。

**1. 引言**
水基钻井液是石油和天然气开采过程中关键的循环介质，其润滑功能（如降低摩擦和扭矩）对于确保钻井安全至关重要[[1], [2], [3]]。然而，与传统油基钻井液相比，传统水基润滑剂的性能往往不够理想[[4], [5], [6], [7]]。为克服这些挑战，研究人员致力于开发新型高效减摩添加剂[[8], [9], [10]]。一种方法是通过乳化将高性能的油溶性成分引入水基体系，在金属表面形成高效的润滑膜，从而显著提升减摩效果[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。杨[18]等人开发了一种基于儿茶酚的仿生添加剂来提高水基钻井液的减摩性能，但该添加剂在高负载条件下的效果有限。Gosvami[19]等人选择锌二烷基二硫磷酸酯（ZDDPs）作为添加剂，用于监测单一凸点纳米接触中的摩擦膜形成过程，揭示了表面成核、生长和摩擦膜厚度饱和的详细机制。然而，这种添加剂在高浓度下可能对钻井工具产生腐蚀作用，从而影响操作安全和设备完整性[[20], [21], [22]]。因此，迫切需要开发一种改进的合成策略。该策略应包括对现有成分的仔细筛选和重新配制，重点是在高温高压条件下实现优异的抗磨性能和热稳定性。

目前，能够通过在金属表面形成保护膜来降低摩擦系数的润滑添加剂主要分为两种机制：吸附膜形成和反应膜形成。蔡等人开发了MSH/PTFE复合添加剂，发现羟基硅酸盐镁（MSH）中的Si-O、Mg-O和-OH等活性官能团促进了基材的吸附并随后形成了保护膜[[12]]。刘等人设计了聚合诱导自组装（PISA）胶束添加剂，发现这些胶束添加剂在摩擦作用下会解缠，形成耐用的聚合物摩擦膜，有效防止表面磨损[[4]]。这些发现表明，结合这两种不同的润滑机制可能会产生协同效应，从而显著提升整体润滑性能。

**2. 实验方法**
2.1. 减摩复合添加剂的材料与制备
表1系统分类了所有添加剂：
(i) 六种代表两种不同润滑机制的单个润滑剂（甘油单油酸酯、油酰胺和二烷基二硫代氨基钼酸盐用于吸附膜形成机制；锌二烷基二硫磷酸酯和硫化异丁烯用于反应膜形成机制）；
(ii) 四种代表双重机制策略的抗氧化剂（烷基硫酯和烷基二苯胺用于自由基清除机制；邻甲酚酯和对甲基苯酚用于过氧化物分解机制）；
(iii) 三种常用的商业添加剂作为性能基准（聚合物醇（P1）作为行业标准合成润滑剂，而植物油基产品（P2, P3）代表环保替代品）。

表1. 所有添加剂的信息
| 添加剂 | 制造商 | 基础油 |
|---------------|---------------------------------|-----------------|
| 甘油单油酸酯 | 江苏茂恒化工有限公司 | |
| 油酰胺 | 山东明成新材料有限公司 | |
| 二烷基二硫代氨基钼酸盐 | 江州嘉都润材料技术有限公司 | |
| 锌二烷基二硫磷酸酯 | T203, T202 | 江州嘉都润材料技术有限公司 |
| 硫化异丁烯 | 江州嘉都润材料技术有限公司 | |
| 烷基硫酯 | 山东金宇化工有限公司 | |
| 邻甲酚酯 | 连龙供应链管理有限公司 | |
| 烷基二苯胺 | 广州晨艺贸易有限公司 | |
| 对甲基苯酚 | 洪泽中鹏石油添加剂有限公司 | |
| 聚合物醇 | 江苏普莱西生物科技有限公司 | |

根据润滑和抗氧化性能的机制分析，从筛选出的甘油单油酸酯、T203、T135和PS802中设计了三种复合添加剂（分别命名为C1、C2和C3），以增强抗磨性和热稳定性。甘油单油酸酯和T203的含量根据实验结果设定为10%或15%，PS802和T135的含量根据实际经验设定为0.5%、1%和1.5%。三种复合添加剂的具体组成见表2。

表2. 三种复合添加剂的具体组成
| | 质量百分比 | |
|---------------|---------------------------------|-----------------|
| C1 | 1-11-2 | 1-3 | 1-4 |
| 甘油单油酸酯 | 15 | 15 | 10 | 5.75 | 10 | 12.5 | 15 |
| T203 | 15 | 15 | 10 | 5.75 | 10 | 12.5 | 15 |
| T135 | 11.5 | 1.5 | | |
| PS802 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | | |

所有配方均与基础油平衡。本研究中使用的基础油为II类基础油，其在40°C时的运动粘度为25.46 mm2·s?1，在100°C时的运动粘度为5.01 mm2·s?1。

2.2. 抗磨和减摩性能测试
实验测试采用了三种互补的评估方法：
- 四球摩擦试验通过摩擦系数和磨损痕迹分析来表征润滑机制（图1提供了四球摩擦试验的详细示意图）。使用UMT-2仪器进行四球摩擦试验，测试了不同单一添加剂和复合添加剂的抗磨和减摩性能及机制。测试程序遵循SH/T 0726-2005标准：四个轴承钢球在石油醚中超声脱脂5分钟，然后在室温下空气干燥，逐步加载至98.1 N至981 N（75°C）。当测试压力负载在490.5 N以上时视为高负载条件，低于490.5 N时视为低负载条件。连续记录摩擦系数（COF），并使用光学显微镜测量测试后的磨损痕迹直径（WSD）。获得的COF值准确反映了添加剂在模拟井下条件下的抗磨和减摩性能。每个样品进行两次四球摩擦试验，每次试验测量三次磨损痕迹直径。

- 为了评估单一添加剂在金属-岩石接触场景下的润滑性能，使用HT-500型摩擦磨损试验机在1.2 N负载下进行了销盘磨损试验。这些测量有效模拟了钻井作业中遇到的关键摩擦界面，包括钻杆与套管接触和钻柱与岩石的相互作用。

- 为了评估复合添加剂在模拟井下条件下的热稳定性，按照Q/SY 17088-2016标准进行了润滑性能测试。每种样品都经过严格的两阶段测试：（1）室温（25°C）下的初始基线测试；（2）热处理后的评估，样品在受控加热室中模拟井下条件（150°C）下放置16小时。所有实验在16.95 N·m的扭矩和60 rpm的转速下进行，通过公式（1）计算摩擦减除率（FRR）来定量表征减摩性能：
$(1)\eta = \frac{\omega_0 - \omega_1}{\omega_0} \times 100\%$
其中η为FRR；$\omega_0$和$\omega_1$分别为基础液体和测试样品的摩擦系数。基础液体的摩擦系数通过以下成分和比例制备的三种液体进行三次测试确定：400 mL去离子水、0.6 g碳酸钠和20 g膨润土，随后与相同测试条件下的添加剂改性液体进行比较。

2.3. 不同添加剂的化学组成表征
使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、1H核磁共振（1H NMR）和13C核磁共振（13C NMR）等互补光谱技术分析了不同添加剂的化学官能团类型和化学结构。FT-IR通过特征振动吸收频率识别添加剂的官能团，1H NMR用于表征不同化学环境中的氢原子，13C NMR用于确定添加剂的碳骨架结构。FT-IR光谱在Nicolet iS50光谱仪上获取，NMR分析在JEOL/JNM-ECZ400S/L1 400 MHz核磁共振光谱仪上进行。

热重分析（TGA）在Netzsch German的STA 449 F5同步热分析仪上进行，以测试不同添加剂的热稳定性。TGA的目的是研究添加剂的分解温度，分析温度从30°C升至850°C，升温速率为10°C·min?1（空气）。

磨损痕迹形态和表面元素分布通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）在Gemini SEM 500上进行。磨损痕迹表面的微观结构通过Talos-F200X（ThermoFisher, American）高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）在200 kV的加速电压下分析。同时，使用ESCALAB Xi+上的X射线光电子能谱（XPS）在Al Kα能量下（1.0 eV，650 μm）研究了磨损痕迹表面的化学状态。

**3. 结果与讨论**
3.1. 单一添加剂的抗磨和减摩性能及表面分析
图2展示了几种单一添加剂的摩擦学性能评估。除硫化异丁烯和T202外，所有单一添加剂的摩擦系数均低于基础油，反映了它们的润滑效果。单一添加剂的润滑行为随负载变化显著不同。硫化异丁烯的摩擦系数曲线即使在低负载（< 98.1 N）下也表现出最大值。由于摩擦系数（COF）曲线的波动过大，测试在此点终止，因此仅获得了该样品的前10分钟数据。这可能是因为硫化异丁烯是一种极压添加剂，只有在高压下才会激活并表现出润滑效果。在最初的10分钟内，压力相对较低，阻碍了这种单一添加剂的润滑功能。相比之下，甘油单油酸酯的摩擦曲线在高负载下逐渐下降且波动适中。当负载超过882.9 N时，其COF曲线出现显著变化。这种转变反映了在过大的剪切应力下钢球表面的摩擦膜破裂，导致直接凸点接触，产生不可逆的表面损伤，从而使COF曲线显著增加。与甘油单油酸酯相比，油酰胺的COF曲线相对稳定。需要注意的是，该测试在80°C下进行，因为油酰胺在75°C时仍处于固态。二烷基二硫代氨基钼酸盐在整个负载过程中表现出最低的摩擦系数，但其COF曲线在负载超过490.5 N时开始波动。此外，T203和T202由于都属于锌二烷基二硫磷酸酯（ZDDPs）这一化学分类，因此表现出相似的摩擦系数（COF）趋势，即使在高负载下也依然有效。T203在所有测试的压力负载下都能保持较低的摩擦值。这一性能优势与其增强的摩擦膜耐久性相关，这一点通过磨损疤痕形态分析得到了证实。下载：下载高分辨率图像（482KB）下载：下载全尺寸图像

图2. 几种单一添加剂的摩擦系数（COF）曲线。

图3展示了单一添加剂的磨损疤痕（WSD）分析。所有磨损疤痕都沿着滑动方向呈现出平行的沟槽，这是磨料磨损机制的特征，但不同添加剂之间的表面粗糙度有显著差异。T203的疤痕直径最小，证实了其出色的膜形成能力，而单油酸甘油酯产生的疤痕较大且沟槽更深，表明其摩擦膜存在间歇性失效。这些微观结构差异直接与摩擦膜的耐久性和摩擦稳定性相关[23,24]。相比之下，单油酸甘油酯的WSD明显大于T203，表明其在高负载下的性能有限。相关研究表明，单油酸甘油酯在摩擦界面形成有效的吸附膜以降低摩擦[[25], [26], [27]]。单油酸甘油酯形成的吸附膜远不如T203形成的反应性膜稳定。这种性能下降可能是由于在高负载（≥490.5 N）下摩擦膜失效所致，这一点从COF曲线的波动和较大的WSD中可以看出来。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像

图3. 几种单一添加剂的磨损疤痕（WSD）。

图4中的销盘磨损测试结果与四球摩擦测试观察到的趋势一致。基础油本身的摩擦系数最高。单油酸甘油酯的摩擦系数低于T203，表明这两种单一添加剂在金属-岩石接触场景中都提供了显著的润滑性能。它们的摩擦系数高于四球摩擦测试记录的值。这种差异可能归因于仅在金属表面形成的抗摩擦膜，这在销盘条件下降低了润滑效率。下载：下载高分辨率图像（317KB）下载：下载全尺寸图像

图4. 销盘磨损测试结果。

图5展示了几种单一添加剂在热处理前后的润滑性能测试结果。热处理前，单油酸甘油酯和T203都表现出优异的润滑性能。然而，热处理后它们的表现却相反。单油酸甘油酯的性能得到了提升，证实了其出色的热稳定性，而T203的性能则大幅下降。结合四球测试结果，这表明这两种添加剂通过不同的润滑机制发挥作用。它们性能特性的互补性表明通过组合使用可能产生协同效应。下载：下载高分辨率图像（242KB）下载：下载全尺寸图像

图5. 几种单一添加剂在热处理前后的润滑性能测试结果。

为了阐明不同的润滑机制，对使用单油酸甘油酯和T203添加剂产生的磨损疤痕进行了全面的表面表征。图6a-f展示了磨损疤痕的SEM图像及其相应的元素组成分析。两种添加剂都产生了特征性的平行沟槽图案。能量色散光谱（EDS）分析揭示了两种添加剂表面化学成分的显著差异。对于单油酸甘油酯，磨损疤痕表面仅含有C、O和Fe三种常见元素，与测试用的球体表面一致。相比之下，T203处理后的表面含有额外的P元素，这来源于T203的分子结构。这证实了添加剂与金属球表面之间的化学相互作用以及在摩擦界面形成了化学键合的摩擦膜。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像

图6. 不同添加剂产生的磨损疤痕的全面表面表征：单油酸甘油酯（a-c）和T203（d-f）的SEM图像；单油酸甘油酯（g）和T203（h）的TEM分析片段；以及单油酸甘油酯（i）和T203（j-l）的Fe 2p XPS结果。

图6显示了测试钢球表面磨损疤痕片段的TEM分析。用单油酸甘油酯润滑的样品显示出0.280 nm的晶格间距，与CFe2.5 (4 0 0)平面（JCPDS 36-1248）相匹配，再次证实了片段的金属起源，并表明钢表面的化学修饰最小。相比之下，T203样品的晶格间距显著不同，为0.237 nm，偏离了典型的钢基材CFe2.5 (4 0 0)平面，表明表面发生了显著修饰。XPS分析进一步研究了这些化学差异（图6i-l）。虽然所有样品仍显示出来自钢基材的特征性C、O和Fe信号，但T203润滑的表面独特地显示出了P和S的特征，直接证明了摩擦化学界面的形成。结合四球摩擦测试结果和SEM-EDS结果，这揭示了根本不同的润滑机制：单油酸甘油酯通过物理吸附在低负载（<490.5 N）下提供有效润滑，但在高负载下失效；而T203形成了化学键合的保护层，在整个负载范围内保持润滑效果。T203形成的摩擦化学界面似乎起到了承载保护层的作用，解释了其在高压下的优异性能。

在通过吸附膜机制发挥作用的单一添加剂中，单油酸甘油酯表现出最佳性能，而在通过反应性膜机制发挥作用的添加剂中，T203显示出最高的润滑效率。因此，单油酸甘油酯和T203被选为复合添加剂的单一成分。通过系统改变添加剂的含量（同时保持单油酸甘油酯和T203之间1:1的质量比），开发了一系列复合添加剂（样品1-1至1-5）。如图7所示，预处理润滑性能测试显示添加剂含量与摩擦次数（FRR）之间存在正相关，表明润滑性能依赖于成分组成。然而，当含量从10%增加到15%时，性能提升效果变得微弱。因此，最终选择10%和15%作为每种复合添加剂中的单一成分含量。然而，热处理后的测试显示所有样品的摩擦降低效率普遍下降，与预处理值相比降低了15-22%。这种性能下降表明关键功能成分在热处理过程中部分发生了热氧化。为了解决这一限制，必须加入适当的抗氧化剂，以增强热稳定性，同时保持常温条件下的协同润滑效果。下载：下载高分辨率图像（203KB）下载：下载全尺寸图像

图7. 不同单一添加剂质量含量变化的复合添加剂的润滑性能测试结果。

为了评估潜在的抗氧化添加剂，四种常用的候选添加剂（T501、T135、PS802和T534）及其两种不同的抗氧化机制进行了热重分析（图8）。TGA结果显示了两种不同的热稳定性曲线：PS802和T534表现出更强的热稳定性，初始质量损失温度显著更高，而T501和T135的质量损失模式相似。具体来说，热稳定性顺序为：PS802（314°C）> T534（301°C）> T135（275°C）> T501（194°C）。PS802在过氧化物分解机制上明显优于T534，而T135在自由基清除机制上优于T501[[28], [29], [30]]。因此，基于它们的抗氧化性能，PS802和T135被选为最佳抗氧化剂组合。下载：下载高分辨率图像（535KB）下载：下载全尺寸图像

图8. 四种不同抗氧化剂的TGA结果。

3.2. 不同减摩添加剂的化学成分分析

图9展示了单一添加剂和三种复合添加剂的FT-IR光谱。FT-IR光谱基于分子振动引起偶极矩波动的原理，这些波动与红外电磁辐射相互作用产生特征吸收带。这些特定于振动的吸收模式（4000-400 cm-1）通过光谱解释可以识别官能团和分子结构。单油酸甘油酯的光谱（图7a）在3600-3100 cm-1（O-H伸缩）和3008 cm?1（=C-H伸缩）处显示出特征吸收带。T203（图7b）在1001 cm-1和970 cm-1处显示出磷酸基团的振动峰，以及在849 cm-1和805 cm-1处显示出烯烃C-H弯曲振动。PS802（图7c）在1734 cm-1（C=O伸缩）、1346 cm-1（C-O伸缩）和1236 cm-1（C-O-C伸缩）处显示出吸收带，而T135（图7d）在1753 cm-1处显示出羰基伸缩。相比之下，三种复合减摩添加剂的光谱（图7e-g）显示了几个关键观察结果：所有单一减摩添加剂的特征峰都得到了保留，且光谱中没有新的吸收带，表明单一添加剂的分子完整性得以保持，没有发生化学相互作用。这些结果表明复合添加剂是通过物理混合成功制备的，没有发生化学修饰，保留了每个组分负责润滑性能的官能团。下载：下载高分辨率图像（666KB）下载：下载全尺寸图像

图9. 不同减摩添加剂的FT-IR光谱。

图10展示了几种单一添加剂和三种复合添加剂的1H NMR光谱。核磁共振（NMR）光谱常用于检测不同化学环境中的原子种类。它基于具有自旋的原子核在强磁场中吸收射频能量的原理，产生特征性的化学位移，从而揭示分子结构和原子环境。对于单一添加剂，单油酸甘油酯（图8a）在0.81 ppm（末端甲基质子）、1.56 ppm（羟基质子）和2.27 ppm（羰基附近的亚甲基质子）处显示出特征性共振峰。T203（图8b）在4.0 ppm（磷酸基团附近的亚甲基质子）、1.55 ppm（羟基质子）处显示出明显信号。PS802（图8c）在1.20 ppm（甲基质子）、1.56 ppm（羟基质子）和4.03 ppm（酯基中的亚甲基质子）处显示出显著峰。T135（图8d）在1.23 ppm处显示出乙基基团的特征信号。对于复合添加剂（图8e-g），所有单个组分的特征峰都得到保留，没有化学位移变化，表明没有分子间相互作用。这也证实了复合添加剂是通过非反应性物理组合成功制备的，确保了每个组分的官能性质得到保留。下载：下载高分辨率图像（526KB）下载：下载全尺寸图像

图10. 不同添加剂的1H NMR光谱。

图11展示了几种单一添加剂和三种复合添加剂的13C NMR光谱，提供了详细的结构表征。对于单一添加剂，单油酸甘油酯（图9a）的烷基碳在14.36 ppm（末端甲基）、22.46 ppm和27.39 ppm（亚甲基）处存在，烯烃碳在1.5 ppm（烯丙基甲基）和65.25 ppm（双键碳）处存在。T203（图9b）在29.03 ppm和30.12 ppm（亚甲基基团）、23.10-23.54 ppm（甲基基团）以及70.77 ppm（羰基基团）处显示出特征峰。PS802（图9c）在29.76 ppm、29.8 ppm和34.89 ppm（亚甲基中的碳）、22.79-27.11 ppm（甲基中的碳）以及172.02 ppm（羰基中的碳）处显示出特征峰。T135（图9d）在38.81 ppm处显示出氮原子附近的甲基碳峰。对于复合添加剂（图8e-g），所有单个组分的特征峰都得到保留，没有化学位移变化，也没有检测到新的质子共振，表明没有分子间相互作用。这也证实了复合添加剂是通过非反应性物理组合成功制备的，确保了每个组分的官能性质得到保留。下载：下载高分辨率图像

图11. 不同添加剂的13C NMR光谱。

图12展示了几种单一添加剂和三种复合添加剂的TGA结果，揭示了不同的热稳定性特征。所有样品都表现出单阶段分解曲线。具体来说，TA值顺序为C3（263°C）> C2（254°C）> C1（250°C）> 单油酸甘油酯（246°C）> T203（243°C）。复合添加剂表现出增强的热稳定性，这与逐渐增加的抗氧化剂含量相对应。值得注意的是，含有最低抗氧化剂浓度的C1表现出最低的热稳定性提升（TA = 250°C），而含有最高抗氧化剂浓度的C3表现出最显著的提升（TA = 263°C）。这种浓度依赖性行为清楚地表明了抗氧化剂在稳定复合添加剂方面的保护作用。考虑到本研究中的所有样本都是水基钻井液添加剂，这些结果也为水基钻井液中添加剂的热稳定机制提供了关键的见解，并为通过控制抗氧化剂的添加来提高高温润滑性能奠定了基础。下载：下载高分辨率图片（486KB）下载：下载全尺寸图片图12. 不同添加剂的TGA结果。还进行了Zeta电位测量，以评估不同添加剂的热稳定性（表3）。C1和C2在热处理后表现出更负的电位。这种变化可能是由于热处理促进了添加剂表面的离子交换。表3. 两个样品的Zeta电位结果。空单元Zeta电位/ mV空单元热处理前热处理后C1-23.6-33.2C2-38.7-52.83.4. 复合添加剂的减摩性能测试图13比较了三种化合物（C1-C3）和三种商业添加剂（P1-P3）的摩擦学性能。COF曲线揭示了几个关键发现：C1和C2的摩擦曲线几乎完全重合，这归因于它们相同的初级添加剂组成。C3虽然使用的添加剂浓度较低，但其COF略有升高但非常稳定，反映了其优化的边界润滑状态。尽管初始COF较低，但三种商业添加剂都出现了COF波动。P1在低于294.3 N的低负载下COF波动明显。P3在588.6 N时发生润滑失效，而P2在负载转换（490.5N和686.7N）期间表现出显著变化，表明它们的剪切稳定性较差。最值得注意的是，所有复合添加剂（C1-C3）的摩擦行为都比商业产品（P1-P3）稳定得多，在整个负载范围内保持一致的性能，没有突然波动或膜失效（表4）。这些结果突显了在测试实验室条件下开发的复合添加剂的卓越压力适应性润滑特性，这归因于它们在不同压力条件下仍然有效的坚固界面膜，从而验证了本工作中提出的互补设计策略的有效性。下载：下载高分辨率图片（867KB）下载：下载全尺寸图片图13. 复合添加剂（C1-C3）和商业添加剂（P1-P3）的COF。表4. COF曲线分散分析。空单元平均摩擦系数标准差P10.07870.0038P20.09640.0046P30.07700.0039C10.09990.0042C20.09900.0039C30.10450.0066图14展示了三种复合添加剂（C1-C3）和三种商业添加剂（P1-P3）的磨损痕迹直径的定量比较。三种复合添加剂的磨损痕迹尺寸与三种商业添加剂相当或显著更小。较小的WSD直接对应于稳定的COF。然而，添加剂P3的最小WSD反映了在588.6N时由于润滑膜失效而终止测试。这些发现直接证明了三种复合添加剂的性能提升。下载：下载高分辨率图片（590KB）下载：下载全尺寸图片图14. 复合添加剂（C1-C3）和购买的（P1-P3）减摩添加剂的WSDs。3.5. 表面成分分析为了阐明复合添加剂的润滑机制，选择了C1进行全面的表面表征。如图15a-c所示，SEM-EDS分析显示磨损表面存在六种关键元素（C、O、Fe、Zn、S和P），表明其具有结合物理吸附和化学膜保护的双重润滑机制。同时，TEM分析（图15d）显示两种不同的晶格间距（0.283 nm和0.194 nm），表明未改性的钢表面和新形成的摩擦化学界面的共存。XPS结果（图15e-g）通过检测P和S物种进一步确认了化学改性的界面形成。这些发现表明，C1的润滑作用包括类似于甘油单油酸酯的吸附型润滑机制，以及类似于T203的反应型膜形成润滑机制。这种组合强烈支持图16中提出的协同润滑机制。在低负载（<490 N）下，甘油单油酸酯分子物理吸附在摩擦界面上，提供有效的磨损保护；T203在低压下未被激活，未能提供预期的润滑效果。在高负载（>490 N）下，甘油单油酸酯的吸附型润滑效果也停止了作用，T203与金属表面发生摩擦化学反应，形成含有磷和硫化合物的坚固保护界面[23,24,31]。这种双重作用机制解释了复合添加剂在整个负载范围（98.1-981 N）内的卓越性能，在低负载下物理吸附占主导地位，而在高负载下化学界面形成占主导地位。这两种不同润滑模式的互补作用确保了无论施加何种负载都能持续保护。下载：下载高分辨率图片（2MB）下载：下载全尺寸图片图15. 复合添加剂C1的全面表面表征：SEM结果（a-c）；TEM结果（d）；以及XPS结果（e-g）。下载：下载高分辨率图片（349KB）下载：下载全尺寸图片图16. 复合添加剂提出的协同润滑机制图。3.6. 假设和局限性在本研究中，四球摩擦和极压测试严格遵循相关标准进行，这些标准假设了一个典型的井筒温度-压力模型（温度随深度线性上升，压力根据静水或常规异常压力梯度变化）。这为复合添加剂提供了一个稳定、可预测的物理框架，简化了设计和评估过程中的复杂实际条件，从而便于添加剂性能测试和配方优化。对于水基钻井液，假设基础流体具有标准的化学组成，添加剂独立作用，没有协同或拮抗效应，为配方设计提供了一个简单的起点。然而，现有标准主要关注金属与金属接触中的润滑。实际的井筒环境比这些标准假设的条件要复杂得多；一些因素如井下多相流和不规则的井筒几何形状在实验室测试中难以模拟。此外，标准测试假设中往往没有充分考虑潜在的微生物对钻井液性能的影响。4. 结论通过精确控制比例的单一添加剂物理混合，制备了三种复合添加剂。对其化学成分进行了表征，并系统评估了它们的抗磨和减摩性能。主要结论是，在测试的实验室条件下，与商业添加剂相比，三种复合添加剂表现出更稳定的COF曲线（约0.1）和更小的WSDs（约800 nm），覆盖了较宽的负载范围（98.1-981 N）。这是由于添加剂的协同作用、坚固的摩擦膜形成和增强的热稳定性。双抗氧化系统的集成有效提高了分解温度17-23°C，同时保持了添加剂在高温下的功能完整性。使用SEM、TEM、XPS和摩擦学测试的多技术方法揭示了双重润滑机制：在低负载（<490 N）下，物理吸附膜形成占主导地位，提供即时的表面保护；在高负载（>490 N）下，反应性膜形成占主导地位，形成耐用的保护界面。这种机制转换确保了连续的、负载适应性的润滑。物理和化学润滑途径的协同组合代表了一种开发高性能润滑剂的创新方法，克服了单一添加剂的局限性。尽管这些发现来自实验室条件，但它们为推进润滑技术提供了宝贵的见解，特别是对于未来的高温和极压应用。所展示的复合策略和机制理解可以指导先进润滑系统的设计。未引用参考文献[32]CRedI作者贡献声明白云海：写作 – 审稿与编辑。董宏伟：写作 – 审稿与编辑。张晓平：写作 – 审稿与编辑。周一鸣：写作 – 原始草稿。齐遂涛：写作 – 审稿与编辑。