一種高性能環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑的研究與應(yīng)用

李小瑞 ， 張宇 ，2， 景曉琴 ， 馬健 ， 費(fèi)貴強(qiáng) ， 楊南

（1.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710021；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716009）

隨著水平井、深井和超深井等特殊工藝井的開(kāi)采，長(zhǎng)水平段高摩阻扭矩、深井高溫等復(fù)雜情況對(duì)鉆井液用潤(rùn)滑劑提出了較高的技術(shù)要求[1-4]。現(xiàn)有鉆井液潤(rùn)滑劑大多難以同時(shí)兼顧良好的潤(rùn)滑性、抗高溫能力及環(huán)保性能，無(wú)法滿足特殊井鉆井需求[5-7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鉆井液潤(rùn)滑劑研究取得了較大的進(jìn)展，但多功能型鉆井液潤(rùn)滑劑研究總體上仍存在價(jià)格高、種類少、環(huán)保不達(dá)標(biāo)等不足。調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有鉆井液潤(rùn)滑劑大多適用于較低溫（≤120 ℃）、較低密度（≤1.3 g/cm3）環(huán)境下，存在高溫、高密度下潤(rùn)滑劑的作用效能顯著降低且容易引起氣泡等問(wèn)題；同時(shí)，用于制備潤(rùn)滑劑的原材料大多采用礦物油、植物油等，存在熒光級(jí)別高或抗溫效果不理想等問(wèn)題；此外，現(xiàn)有極壓潤(rùn)滑劑大多含硫磷等元素，對(duì)環(huán)境影響較大，限制了其推廣使用[8-11]。因此，迫切需要研制一種適用于高摩阻扭矩、高溫環(huán)境的高性能環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑。室內(nèi)優(yōu)選了改性植物油BO-3、潤(rùn)滑改性劑（包括非硫磷有機(jī)硼酸酯YJP-1、油溶性熒光屏蔽劑YP-1及表面活性劑XP-1），實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了制備工藝條件，最終研制出了綜合性能較優(yōu)的鉆井液潤(rùn)滑劑HPRH，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 潤(rùn)滑劑研制

1.1 基礎(chǔ)油優(yōu)選

常規(guī)植物油雖然具有可保護(hù)環(huán)境、低熒光特性，但其抗溫能力普遍較差；礦物油雖然抗溫效果好，但熒光級(jí)別較高，無(wú)法滿足環(huán)境保護(hù)要求；而基礎(chǔ)油的黏度、閃點(diǎn)、芳烴含量等參數(shù)直接關(guān)系到潤(rùn)滑劑成品的性能[12-15]。室內(nèi)選取了多類廢棄植物油脂，經(jīng)過(guò)高溫改性處理，測(cè)試了不同基礎(chǔ)油的基本參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同基礎(chǔ)油主要參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，BO-3具有良好的自潤(rùn)滑性，流動(dòng)性好，熒光級(jí)別低，閃點(diǎn)較高，綜合性能較優(yōu)。因此選取改性植物油BO-3作為基礎(chǔ)油。

1.2 潤(rùn)滑劑改性劑優(yōu)選及配方的確定

為改善基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性能、抗磨減磨性能及抗泡抑泡性能，分別優(yōu)選了非硫磷有機(jī)硼酸酯YJP-1、油溶性熒光屏蔽劑YP-1及非離子表面活性劑XP-1。基于單因素正交實(shí)驗(yàn)，確定了較優(yōu)的組分及加量，反應(yīng)溫度為75～80 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4～6 h，制備出潤(rùn)滑劑HPRH，配方如下。

97.5 %BO-3+0.8%YJP-1+1.2%XP-1+0.5%YP-1

2 潤(rùn)滑劑HPRH綜合性能評(píng)價(jià)

2.1 物理性能

潤(rùn)滑劑HPRH的物理性能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，HPRH的穩(wěn)定性好，起泡率低，無(wú)熒光，滿足現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑劑使用基本要求，且制備HPRH的原材料均為環(huán)保、可降解材料，能夠滿足環(huán)保要求。

表2 潤(rùn)滑劑HPRH物理性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 HPRH加量的優(yōu)選

由圖1可知，隨著HPRH加量的升高，實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率逐漸增大；當(dāng)HPRH加量為0.5%時(shí)，實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為93.75%，潤(rùn)滑效果顯著，且繼續(xù)增加潤(rùn)滑劑加量，潤(rùn)滑系數(shù)降低率變化不大。因此，推薦HPRH的較優(yōu)使用濃度為0.5%。

圖1 潤(rùn)滑劑HPRH加量?jī)?yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 潤(rùn)滑性能

選取國(guó)內(nèi)外應(yīng)用效果較好的聚合醇類RH-1、礦物油類RH-2、植物油類RH-3及復(fù)合表面活性劑類RH-4鉆井液潤(rùn)滑劑，采用EP極壓潤(rùn)滑儀和GNF高溫高壓黏附系數(shù)測(cè)定儀，依據(jù)SY/T 1088—2012《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》，對(duì)比評(píng)價(jià)不同潤(rùn)滑劑在淡水基漿和4%鹽水基漿中的潤(rùn)滑性能，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，HPRH在淡水基漿及4%鹽水基漿中的潤(rùn)滑性能均高于其他潤(rùn)滑劑。而且，制備HPRH的主要原材料為改性廢棄植物油，來(lái)源廣泛，成本低廉。

表3 不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能對(duì)比評(píng)價(jià)（加量為0.5%）

2.4 抗溫性能

由表4可知，加入0.5%HPRH后，實(shí)驗(yàn)漿熱滾前的流變參數(shù)較基漿無(wú)明顯變化，說(shuō)明潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液流變性影響較小；實(shí)驗(yàn)漿在不同溫度熱滾前后的API濾失量較基漿有所降低，且小于25 mL，說(shuō)明HPRH兼顧一定的降濾失作用；隨著熱滾溫度的升高，實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑性能雖然有所降低，但160 ℃熱滾16 h后，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率仍不小于80%，說(shuō)明HPRH具有優(yōu)良的抗溫性能。

表4 潤(rùn)滑劑HPRH抗溫性能評(píng)價(jià)

2.5 與鉆井液配伍性

選取現(xiàn)場(chǎng)常用的不同類型密度均為1.6 g/cm3的鉆井液，考察HPRH加量對(duì)其性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，加入0.5%HPRH即能顯著改善加重鉆井液的潤(rùn)滑性能，且加樣漿的泥餅黏附系數(shù)降低率均大于60%，說(shuō)明HPRH在高密度鉆井液中仍具有較好的潤(rùn)滑性能；同時(shí)HPRH對(duì)鉆井液流變性影響較小。由此可見(jiàn)，HPRH適用于高密度鉆井液，配伍性較好。

表5 HPRH與鉆井液配伍性評(píng)價(jià)（ρ=1.6 g/cm3）

2.6 抗摩減磨性能

采用MMW萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，基于銷-盤(pán)摩擦副結(jié)構(gòu)，模擬鉆井液浸泡條件，測(cè)試不同摩擦磨損時(shí)間下實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)，考察了HPRH的抗摩減磨性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)條件為：銷-盤(pán)均為N80鋼，模擬載荷為120 N，溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速為500 r/min。由圖2可知，隨著摩擦磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，加入0.5%HPRH實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)變化幅度較小，長(zhǎng)磨60 min后，實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定為0.078～0.086；而膨潤(rùn)土基漿的摩擦系數(shù)隨著磨損時(shí)間的增加而大幅增大，長(zhǎng)磨60 min后的摩擦系數(shù)達(dá)到0.199。由此可看出，HPRH的潤(rùn)滑效果顯著，持效性優(yōu)良。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算60 min長(zhǎng)磨后盤(pán)的體積磨損率，體積磨損率計(jì)算式如下[16-17]。

圖2 不同磨損時(shí)間下實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

式中：I為磨損率，mm3/（N×m）；Δm為盤(pán)的質(zhì)量變化值，g；ρ為盤(pán)的密度，g/cm3；F為載荷，N；D為滑動(dòng)摩擦距離，m。

結(jié)果表明，加入0.5%HPRH實(shí)驗(yàn)漿浸泡條件下，長(zhǎng)磨60 min后盤(pán)的體積磨損率僅為6.92×10-13mm3/（N×m）；而膨潤(rùn)土基漿浸泡條件下，盤(pán)的體積磨損率達(dá)到7.54×10-11mm3/（N×m）。由此可見(jiàn)，HPRH能大幅降低鉆柱摩擦磨損，抗摩減磨效果顯著。這主要是由于經(jīng)過(guò)高溫改性后的植物油抗溫效果較好，在高溫下仍能在金屬表面形成較強(qiáng)的吸附油膜，油膜之間摩擦大大減輕了金屬磨損；而且，有機(jī)硼酸酯極壓劑在井底動(dòng)態(tài)極壓條件下，能夠及時(shí)在金屬和井壁表面有效吸附，并形成物理、有機(jī)、聚合物等多層復(fù)合膜，對(duì)摩擦磨損粗糙面及時(shí)起到修復(fù)作用，從而達(dá)到優(yōu)良的降摩減阻效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

HPRH在塔里木油田L(fēng)N區(qū)塊2口評(píng)價(jià)井水平段中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)井水平段主要以泥頁(yè)巖為主，試驗(yàn)水平段井深約5 960 m，井下溫度為160～180 ℃。現(xiàn)場(chǎng)水平段前期主要采用聚合物鉆井液體系，鉆進(jìn)過(guò)程中高摩阻扭矩問(wèn)題較為突出，常出現(xiàn)托壓、卡鉆等復(fù)雜事故，因此在水平段應(yīng)用了HPRH，應(yīng)用水平段長(zhǎng)約500 m，潤(rùn)滑劑加量為0.5%～1.0%。試驗(yàn)井段鉆井液泥餅黏附系數(shù)和鄰井相同井段泥餅黏附系數(shù)變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，在試驗(yàn)水平井段，評(píng)價(jià)井A和評(píng)價(jià)井B的鉆井液泥餅黏附系數(shù)保持在0.05～0.08，潤(rùn)滑性能較好，且較鄰井有較大幅度改善。結(jié)果表明，HPRH能改善鉆井液潤(rùn)滑性能，在水平段鉆井中起到良好的降摩減阻效果。由表6可以看出，試驗(yàn)水平井段鉆井液潤(rùn)滑劑用量較鄰井同井段減少了50%以上，同時(shí)鉆井扭矩降低率達(dá)到30%以上，摩阻降低率大于25%，表明HPRH具有優(yōu)異的降摩減阻效果。此外，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯托壓、卡鉆等復(fù)雜情況，應(yīng)用效果良好。

圖3 試驗(yàn)井與鄰井泥餅黏附系數(shù)變化趨勢(shì)對(duì)比圖

表6 潤(rùn)滑劑HPRH與現(xiàn)場(chǎng)常用潤(rùn)滑劑應(yīng)用效果對(duì)比

4 結(jié)論

1.以改性植物油為基礎(chǔ)原料，優(yōu)選環(huán)保型潤(rùn)滑改性組分，研制出高效環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑HPRH；HPRH無(wú)熒光，穩(wěn)定性好，起泡率低，潤(rùn)滑性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類潤(rùn)滑劑產(chǎn)品，且滿足環(huán)境保護(hù)需求。

2.HPRH與鉆井液配伍性良好，適用于高密度鉆井液，抗溫可達(dá)160 ℃；而且HPRH具有好的抗摩減磨作用，能有效減輕鉆柱磨損，持效性較好。

3.潤(rùn)滑劑HPRH在試驗(yàn)井水平井段成功地進(jìn)行了應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的高效潤(rùn)滑特性，降摩減阻效果突出，潤(rùn)滑劑使用量節(jié)省了50%以上，尤其適用于水平井高摩阻扭矩及深井鉆井作業(yè)。