淺談鉆井液潤滑劑基礎理論及應用

白財遠 毛馨悅 李建輝 楊定橋

摘 要：在石油鉆井作業中，不同工況作業下鉆頭、鉆具與井壁產生各種摩擦，造成設備磨損、摩阻增大，進一步增加井下風險。為了減少、井下風險、機械零部件在運行中因摩擦而產生的能量損失及設備損壞，世界各國積極研制各種用以降低摩擦阻力、減緩其磨損的潤滑介質，即鉆井液潤滑劑，以達到潤滑減阻的目的。

關鍵詞：鉆井液；減阻；潤滑劑；鉆井工藝

1 摩擦的概述

當物體與另一物體沿接觸面的切線方向運動或有相對運動的摩擦趨勢時，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運動的作用力，這種力叫摩擦力。接觸面之間的這種現象或特性叫“摩擦”。摩擦有利也有害，但在多數情況下是不利的，例如，機器運轉時的摩擦，造成能量的無益損耗和機器壽命的縮短，并降低了機械效率。因此常用各種方法減少摩擦。

2 造成摩阻的因素

在鉆井作業中摩擦現象較為復雜，影響因素涉及到：

（1）鉆柱、套管、地區、井壁泥餅表面的粗糙度；

（2）表面的塑性；

（3）施加的負荷；

（4）流體的粘度；

（5）流體內固相顆粒的大小；

（6）不同流體滲透過壓力表面所承受的負荷；

（7）井壁泥餅的潤滑性；

（8）井斜角；

（9）鉆柱部分重量；

（10）靜態與動態濾失效應等。

可以認為，鉆井工程中的摩擦是混合摩擦，即部分接觸面為邊界摩擦，另一部分為流體摩擦。在高負荷表面上，塑性表面的邊界摩擦更為突出。影響阻力的因素有10多種，但其大小主要取決于鉆具和井壁的接觸面積。

3 鉆井液用潤滑劑

3.1鉆井液潤滑劑概述

鉆井液潤滑劑（Lubricant for drilling fluid）主要用來降低鉆井液的流動阻力和濾餅摩阻系數，減少鉆頭扭矩井提高其水馬力，以防粘卡的處理劑。

根據美國石油協會（API）2006年鉆井液處理劑分類方法，可知鉆井液處理劑分為：降濾失劑、增黏劑、乳化劑、頁巖抑制劑、堵漏材料、降黏劑、腐蝕抑制劑、表面活性劑、潤滑劑/解卡劑、加重劑、殺菌劑、消泡劑、泡沫劑、絮凝劑、除鈣劑、pH控制劑、高溫穩定劑、水合物控制劑。鉆井液潤滑劑在所有的鉆井液處理劑中，就其性質及所起作用而言，屬于獨立性相對較強的一類添加劑。它能有效地提高泥漿的潤滑性能和防卡能力，減少巖屑摩阻及縮徑卡鉆等引起的鉆進阻力，減輕鉆機負荷，延長鉆機壽命，機械鉆速快，起下鉆暢通和完井作業正常等作用。

常用的鉆井液潤滑劑有原油、高分子脂肪酸類、氧化乙烯和脂肪酞胺、硫化植物油、硫化脂肪酸、脂肪醇混合物、磺化物等。

3.2 鉆井液潤滑劑的作用

鉆井液潤滑劑的主要功用是降低泥餅的摩擦、減少粘附卡鉆和扭矩傳遞損失。改善鉆井液的潤滑性能可降低水力摩阻、泥餅粘滯系數、鉆柱轉矩、軸向阻力、能耗，縮短起下鉆時間，以及減小鉆頭工作阻力，延長鉆頭壽命，從而提高鉆井技術經濟指標，有深遠的意義。

關于防止粘卡鉆。對其是否有防止粘卡的作用有兩種觀點：第一種觀點認為，鉆井液潤滑劑降低了鉆柱與泥餅、地層、之間的摩擦阻力和鉆柱旋轉時的扭矩，從而能有效地減少粘附卡鉆發生的幾率；第二種觀點認為，由于與摩擦系數是在物體有相對運動特征的條件下所測定的，所以粘附卡鉆一旦發生，粘卡力的大小即與摩擦系數值無關。當井眼偏斜時，這種情形更嚴重。

此外，大多數含油脂、脂肪酸成分的鉆井液潤滑劑均能起到消泡、抗泡的作用。

3.3潤滑劑的優選

為保證鉆井液的潤滑及抗磨性能適應各種不同的鉆井條件和工藝技術，潤滑劑的選擇十分重要。綜合考慮諸多因素，添加到鉆井液的潤滑劑應滿足以下基本要求：

（1）潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜和次生結構。

（2）應與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產生不良影響。

（3）不降低巖石破碎的效率。

（4）具有良好的熱穩定性和耐寒穩定性。

（5）不腐蝕金屬，不損壞密封材料。

（6）不污染環境，易于生物降解，價格合理，且來源充足。鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標外，還應不影響對地層資料的分析和評價，即潤滑劑應具有低熒光或無熒光性質。因此，潤滑劑基礎材料的選擇應注意盡量不用含苯環，特別是多芳香烴的有機物質，而原油，尤其是重餾分、釜殘物、瀝青等因含熒光物質較多，也應盡量少用。

基于以上要求，一般植物油類，既無熒光和毒性，又易于生物降解，且來源較廣，較適合作潤滑材料。可選用的植物油有蓖麻油、亞麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸，而脂肪酸則是潤滑劑所需要的表面活性物質。經化學改性后，其表面活性可進一步提高。如磺化棉子油就可以作為抗溫抗擠壓的極壓潤滑劑使用。磺化棉子油還可增加礦物油的活性，使其潤滑效果得以提高。

3.4應用實例

常用的液體潤滑劑分為油基和水基潤滑劑。水基潤滑劑環保性好，因其具有很強的吸附基團，易被鉆屑和井壁黏土顆粒吸附，但需要隨時補充，用量大，成本較高；油基潤滑劑短時間內作用效果明顯，但持效性差，需隨時補加，用量大，而且環保性、安全性差，綜合成本也較高。

納米乳液潤滑劑是近兩年來發展起來的一種潤滑劑，不僅潤滑性好，而且環保性也好，只是成本較高，現場只用于水平井鉆井。因此，有必要研制一種成本適中，能廣泛推廣應用的納米乳液潤滑劑。納米乳液不僅具有很強的井壁穩定能力，而且還具有較高潤滑和油氣層保護性能。納米乳液潤滑劑與普通乳液潤滑劑相比，顆粒尺寸較小，比表面積較大，這樣就大大增加了與井壁吸附反應的機會和程度。由于納米處理劑呈正電性，它在井壁上的吸附能降低井壁的負電性，能部分阻止水化極強的金屬陽離子靠近井壁，這樣乳液滴更易在井壁上吸附，使井壁翻轉為親油表面。同理，由于鉆柱表面也是親水性的（因有氧化膜），它也可以吸附表面活性劑后翻轉為親油表面。這樣就使油相在鉆柱和井壁表面形成油膜，強化了油滴的潤滑作用。

4 結束語

隨著石油勘探開發技術的不斷發展，特別是深井、超深井及特殊工藝井鉆探越來越多，對鉆井液提出了更高的要求。通過對鉆井液潤滑劑基礎知識的學習，掌握潤滑劑的作用以及選用的標準，從而達到降低阻力、減緩其摩擦力的作用。

參考文獻

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（作者單位：中國石油西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司）