新型水基鉆井液用極壓抗磨潤滑劑的研制

屈沅治 ， 黃宏軍 ， 汪波 ，2， 馮小華 ， 孫四維

（1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；3.渤海鉆探工程技術研究院，天津300280）

隨著油氣勘探的發展，鉆井工程中采用水平井、大位移井、 定向井、 長裸眼深井、 復雜結構井逐漸增多， 作業時鉆柱與井壁接觸面積明顯增大， 摩阻增加， 從而現代鉆井對水基鉆井液的極壓抗磨潤滑性能提出了更高要求[1-2]。目前現場應用的常規潤滑劑普遍存在易起泡、 抗磨差、 極壓潤滑差、 高熒光等問題， 大多選用礦物油或白油作為水基鉆井液用潤滑劑的基礎油， 植物油和合成酯的生物降解性最好， 礦物油和白油的生物降解性最差， 在環境中長期積累和富集， 易對生態環境造成污染，產生一系列環境問題[3-7]。針對上述問題，以生物降解性好的改性植物油[3-4，8]為基礎油， 添加有機硫型極壓抗磨劑、表面活性劑等環境友好型組分，研制出一種高性能的水基鉆井液用極壓抗磨潤滑劑MPA。

1 潤滑劑MPA的制備

1.1 有機硫型極壓抗磨劑的合成及結構表征

在高速、高溫和高負荷等惡劣工況的井下鉆井環境中，極壓抗磨劑是水基鉆井液用極壓潤滑劑的重要組成部分[9-10]，其作用機理一般認為是極壓抗磨劑分子首先吸附于金屬或巖石表面，避免了金屬與金屬、金屬與巖石的直接摩擦，其次在高溫高負荷條件下，分子中的S、P、Cl等活性元素與金屬反應，形成具有低剪切強度的消耗保護層，從而達到減少損耗、降低磨阻的作用[11-12]。極壓抗磨劑品種繁多。其中，硫型極壓抗磨劑在實際應用中最為廣泛，主要歸因于其良好的抗燒結能力、耐負荷能力和優良的配伍性[11，13-14]。

1.1.1 合成

在適當條件下，烷基醇與硫化物反應后，再與NaOH水溶液反應，生成的反應物在攪拌下緩慢加入某種氯化物溶液中，靜置、分離、烘干，得到亮黃色透明液體[15]。

1.1.2 結構表征

1）核磁共振氫譜分析。極壓抗磨劑樣品用氘代氯仿CDCl3作溶劑，四甲基硅烷作內標，核磁共振1H譜有如下吸收峰（見圖1）。從圖1可以看出，溶劑的化學位移為7.26，極壓抗磨劑樣品的特征峰的化學位移分布在1～2的范圍內，處于高場區，證明極壓抗磨劑屬于飽和烷烴，不含不飽和烷烴和芳香族化合物等，因此極壓抗磨劑具有低熒光性或無熒光性。

圖1 極壓抗磨劑的核磁共振氫譜

2）有機元素分析。用VarioELcube型元素分析儀對極壓抗磨劑進行元素分析，得出：極壓抗磨劑的主要元素是C、 S、 H和N， 元素含量分別為2.59%、 51.6%、 8.99%和35.49%。可以看出， 極壓抗磨添加劑由于同時含有S和N等活性元素，能有效提高基礎油的極壓、抗磨、減摩等性能。

1.2 潤滑劑MPA的制備

1）改性植物油的制備[16-18]：為了滿足環境保護要求，制備水基鉆井液用極壓抗磨潤滑劑的基礎油，采用無環境毒副作用且易生物降解的植物油，同時為避免植物油在高溫堿性的鉆井作業環境中產生皂化或酯化反應，影響植物的穩定性，實驗中在200 ℃下對植物油通過催化反應形成改性植物油。

2）鉆井液用極壓抗磨潤滑劑MPA的制備：通過添加改性植物油、陰離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑、脂肪酸和自制的有機硫型極壓抗磨劑等組分優化配制，產品為黃色透明狀液體。

2 性能評價

2.1 有機硫型極壓抗磨性評價

采用MRS-10A型四球摩擦試驗機對所合成的有機硫樣品進行極壓性測定，改性植物油的燒結負荷為1 525 N，說明改性植物油中的分子可在金屬表面形成吸附膜，但只能承受1 525 N以下的負荷；改性植物油中分別加入0.5%、1.0%、2.0%、3.0%的有機硫樣品后，其燒結負荷隨添加劑加入量的增大而提高，分別增大為 2 510、3 182、4 015、4 956 N。實驗結果表明，有機硫樣品具有良好的極壓抗磨性，加量為2%，其燒結負荷高達4 015 N，建議在制備潤滑劑時，該硫型極壓抗磨劑的加量不少于2%。

測試過程中，當改性植物油中的分子開始形成的油膜破裂后，出現金屬與金屬直接接觸產生大量的熱，導致有機硫添加劑分解，產生活性較高的硫，與金屬表面發生化學反應，生成硫化鐵等低熔點、易剪切的化學反應膜，阻止了金屬與金屬的直接接觸[11-12]。當改性植物油中有機硫添加劑的濃度較低時，生成化學反應膜的速度慢，且數量較小，因而承受負荷較輕。而改性植物油中有機硫樣品的加量增大，燒結負荷提高，表明形成的反應膜承載能力強。

2.2 MPA的性能評價

2.2.1 實驗材料

降濾失劑SP-8、PMHA-2，包被劑FA367，乳液大分子EMP，PAC-LV，抗鹽降濾失劑DR-1，胺基抑制劑SIAT，新疆夏子街膨潤土。

2.2.2 潤滑性能評價

配制4%膨潤土基漿，添加1%不同潤滑劑，180 ℃熱滾16 h后，測試不同體系的極壓潤滑系數，結果見表1。從表1可知，研制的極壓潤滑劑MPA添加到基漿中后，其極壓潤滑系數小于0.1，其降低潤滑系數的百分數與國外UltraFree產品相近。

表1 4%膨潤土基漿中添加1%不同潤滑劑的潤滑效果

為進一步評價MPA的潤滑性能，在下面的水基鉆井液體系中添加1%的不同潤滑劑進行對比評價，結果見表2。由表2可以看出，MPA的潤滑效果最好，與鉆井液體系中的處理劑配伍性好，在體系中能完全分散；國外的UltraFree產品在該體系中配伍性較差，其降低體系的潤滑效果不太明顯；在起泡性方面，潤滑劑MPA和UltraFree加入基漿或鉆井液體系中，無論在常溫和熱滾后都沒有起泡的情況，其他3種潤滑劑都有不同程度的起泡。

表2 鉆井液體系中添加1%不同潤滑劑的潤滑效果

2.2.3 MPA的添加對鉆井液性能的影響

對比了2組不同密度鉆井液在添加MPA前后的性能，結果見表3。表中鉆井液配方如下。

1#2%膨潤土+0.4%NaOH+0.8%DR-1+0.3%PAC-LV+3%HCOOK+0.3%EMP+1%SIAT+Barite

2#1#+2%MPA

3#2%膨潤土+0.4%NaOH+0.8%DR-1+0.3%PAC-LV+3%KCl+0.3%FA367+Barite

4#3#+2%MPA

表3 不同配方鉆井液體系性能測試

從表3可以看出，2組密度不同的鉆井液體系添加MPA后，中壓和高溫高壓濾失量均降低，且其初始濾液流出時間明顯延后，MPA的添加改善了原鉆井液體系的降濾失性能。分析其原因在于，MPA在水基體系中能分散成納微米乳液，能對泥餅的納/微米孔縫進行有效封堵，改善了泥餅質量，形成的泥餅更加致密、細膩，因而體系中添加MPA能明顯降低體系的濾失量。

同樣，2組密度不同的鉆井液體系添加MPA后，其極壓潤滑系數都顯著降低，說明MPA具有強潤滑性，能明顯增強水基鉆井液體系的潤滑效果，起到良好的潤滑減阻的作用。

3 結論

1.合成了一種有機硫型極壓抗磨劑，含硫量高達35.49%，核磁共振1H譜分析合成的有機硫化物屬于飽和烷烴。

2.改性植物油中加入不同加量的有機硫型極壓抗磨劑后，隨著其加量增大，燒結負荷提高，形成的反應膜承載能力強，表明合成的有機硫具有良好的極壓抗磨性，建議在制備鉆井液用潤滑劑時，該有機硫型極壓抗磨劑的加量不少于2%。

3.以改性植物油為基礎油，添加有機硫型極壓抗磨劑、表面活性劑等環境友好型組分，研制出一種水基鉆井液用極壓抗磨潤滑劑MPA，評價表明，研制的MPA配伍性好，在清水或水基鉆井液體系中能完全分散，能優化水基鉆井液性能，具有優良的潤滑性能。

參 考 文 獻

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