水基鉆井液用綠色潤滑劑研究進展及發展趨勢

樊好福，司西強，王中華

(1.中石化中原石油工程公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001)

在油氣鉆探過程中，隨著深井、超深井、大斜度井、定向井及水平井等復雜井的增多，對井下摩阻控制提出了更高要求[1]。例如，大量加重材料的存在導致高密度鉆井液的潤滑性能較差，高摩阻已成為新形勢下制約水基鉆井液發展的核心難題之一[2]。而混油會對環境造成嚴重污染，隨著世界環保要求的日益嚴格，混油措施已被嚴格禁止。在這種形勢下，在鉆井液中添加綠色高性能潤滑劑來降摩阻、提鉆速、降成本，是實現綠色、安全、高效鉆井的最有效手段之一[3]。近年來，鉆井液用綠色高效潤滑劑得到快速發展[4-5]。本文對鉆井液用綠色潤滑劑的研究進展進行簡要綜述，并對其發展趨勢進行展望，以期對鉆井液研究人員具有一定啟發作用。

1 水基鉆井液用綠色潤滑劑研究進展

1.1 醇醚類潤滑劑

醇醚類潤滑劑由天然生物質與環氧化合物縮合得到，外觀為白色至棕褐色的粘稠液體，密度<1.00 g/cm3，與水的混溶性差，可在水面上迅速分散并形成一層分散膜，并具有明顯的濁點效應，使用溫度對其性能影響較大。當在低于醇醚類潤滑劑的濁點溫度使用時，潤滑效果較差，反之，其潤滑效果較好。

許明標等[6]研制了一種主要成分為天然物質的烷氧基化產物的新型多元醇醚，評價了其在各種鉆井液中的潤滑性能。加量2.0%的該醇醚潤滑劑對淡水、鹽水、海水鉆井液流變性的影響很小，可使3種鉆井液的潤滑系數降低率分別為97%，71%，71%。在海水鉆井液中加量為0.5%～3.0%時，在80～120 ℃高溫滾動后，潤滑系數降低率為53.5%～96.8%；加量為2.0%時，在140 ℃高溫滾動后，潤滑系數降低率仍達68.6%；pH值為7.0～11.0時，在120 ℃高溫滾動后，潤滑系數降低率為74.3%～83.3%。該多元醇醚潤滑劑無生物毒性，推薦使用溫度≤120 ℃，pH值<11。

呂開河等[7]研發了一種由環氧乙烷和環氧丙烷共聚得到的聚醚多元醇潤滑劑SYT-2，外觀為白色至淡黃色粘稠液體，密度(0.95±0.10)g/cm3，閃點>70 ℃，有效物含量約80%。該產品能有效吸附在鉆具、套管表面和井壁巖石上，形成穩定且強度高的潤滑膜，改善泥餅質量，大幅降低鉆具與井壁之間的摩阻，避免壓差卡鉆。評價結果表明，SYT-2產品抗溫達120 ℃；加量為0.5%～1.0%時，可使6%淡水漿的潤滑系數降低率達83.3%～86.5%，極壓膜強度由30.2 MPa升至153～203 MPa；加量為1.0%～3.0%時，可使4%鹽水漿的潤滑系數降低率達72.9%～82.5%；加量為1.0%～5.0%時，可使35%鹽水漿的潤滑系數降低率達18.2%～68.4%。該產品無熒光，EC50值>1.0×105mg/L，無生物毒性，易生物降解。在輪南3-6H井加入1.0%～3.0%的該潤滑劑，泥餅粘附系數從0.13降至 0.05，極壓潤滑系數從0.35降至0.11，起下鉆阻力從120 kN降至70 kN，實現了較低的扭矩和起下鉆阻力。

肖穩發等[8]研發了綠色環保的聚合多元醇潤滑劑Silicon-1。將起始劑多元醇抽入聚合反應器中，升溫至100～120 ℃，抽真空脫除輕組成及水分；按多元醇總量的0.5%～3.0%加入催化劑，加熱至130～150 ℃，抽真空并通入高純氮氣保護，同時計量泵入氧乙烯化試劑，控制加料速度，溫度不超過150 ℃，壓力<0.35 MPa，加料完畢后，保溫降壓至0.2 MPa，認為剩余原料反應完全；再計量泵入氧丙烯化試劑，待氧丙烯化試劑加完后，保溫30 min；在反應完全的物料中，按聚合多元醇物料量的3.0%～15.0%加入有機硅改性劑，通氮氣，升溫到70 ℃加入一定量催化劑，控制反應溫度不超過100 ℃；當反應混合液澄清透明后，繼續在90～100 ℃保溫一定時間，降溫出料，即為改性聚合多元醇水基潤滑劑Silicon-1產品。Silicon-1產品外觀呈淡黃色液體，含水0.2%，密度1.054 7 g/cm3，1%水溶液pH值為8.6，濁點為48.5 ℃。1.0%～3.0%的Silicon-1產品可使6%膨潤土漿的潤滑系數降低率達71.51%～83.8%，潤滑性能優良，不起泡，無熒光，環境可接受性好。

1.2 酯類潤滑劑

單酯、雙酯、多元醇酯等合成酯可作為潤滑劑基礎油使用，其分子內含有羰基，在較高溫度和水相條件下易水解成有機酸和醇，導致其在高溫地層的應用受到限制。

陳馥等[9]以長鏈脂肪酸與多羥基醇為原料制得一種合成酯潤滑劑HCZ。將油酸與混合脂肪醇按一定比例混勻，70 ℃熔化完全，在酯化催化劑存在下，升溫至185 ℃，常壓反應7.0 h，得到產品。其加量為0.3%時，泥餅粘附系數降低率>50%；該產品在180 ℃高溫下仍具有較好潤滑性能。該產品對發光桿菌的抑制發光率<18%，為低毒產品，不會對環境和生物造成不利影響。該產品在四川磨溪008-8-XX井進行了現場應用，鉆井液為高密度聚磺鉆井液體系，現場井漿中HCZ產品加量<1.5%時，泥餅黏附系數降低率為47.6%，較好地滿足了現場綠色、安全、高效鉆井的技術要求。

孫金聲等[10]制備得到了一種高分子量的聚酯潤滑劑GXRH，是一種含高分子脂肪酸和脂化劑的聚酯化合物。以合成脂肪酸釜殘為原料，在脂化劑作用下，在115～130 ℃下反應1.0～3.0 h，合成得到。該產品在密度為2.04 g/cm3的高密度鉆井液中，潤滑系數降低率達79.0%，扭矩降低率為40.2%，降摩阻性能優良。該產品合成工藝簡單，成本低，產品無熒光，無毒性，可降解達到環保要求。

劉娜娜等[11]通過二乙二醇與地溝油發生酯交換反應生成直鏈酯，直鏈酯再與單質硫反應生成網狀酯，再與石墨復配得到一種代號為RH-B的潤滑劑。具體制備方法如下：①將二乙二醇、精制地溝油和乙醇胺攪拌均勻，130 ℃反應2 h，生成淡黃色液體；加入6%的硫磺，150 ℃反應5 h，生成深黃色粘稠狀液體；②復配加入總量為20%的石墨粉和油溶性樹脂，80 ℃溫度下攪拌均勻，即得RH-B潤滑劑。1%的該產品可使淡水鉆井液的潤滑系數降低率>86%；2%的該產品可使海水鉆井液的潤滑系數降低率>63%；該產品對鉆井液流變性和濾失量基本無影響；無毒無污染，熒光級別低。

祁亞男等[12]以廢棄植物油脂與小分子醇進行酯化或者酯交換反應，生成長鏈的脂肪酸酯，并經過表面活性劑和抗高溫處理，制得一種新型植物油鉆井液潤滑劑。在常溫下，6%膨潤土漿中加入1%該潤滑劑后，極壓潤滑系數降低率達88.0%，黏附系數降低率達86.0%；該潤滑劑抗溫達140 ℃，抗鹽達10%，EC50值>50 000 mg/L，與聚合物、聚磺鉆井液配伍性好。在勝利油田樁23區塊使用該潤滑劑后，避免了混入原油，井深3 900 m的試驗井平均建井周期從33.55 d縮短為29.11 d，縮短了10%以上；在勝利油田萊87區塊井深為3 100 m的試驗井，平均建井周期縮短了22.10%，鉆井液成本降低了9.8%。

1.3 酰胺類潤滑劑

植物油雖然自身潤滑性能好，但易皂化氧化，影響鉆井液性能，不能直接作為潤滑劑使用。通過對植物油進行酰胺化反應，得到植物油酰胺類潤滑劑，具有較好的潤滑性能和環保性能。

逯貴廣等[13]針對目前鉆井液常用植物油潤滑劑潤滑長效性差以及抗溫性能有待提高的問題，以油酸和聚醚胺作為原料，經酰胺化反應，制得鉆井液潤滑劑NH-HPL。具體制備方法如下：在反應釜中加入一定量油酸，用氮氣置換釜內空氣，在氮氣保護下升溫至120 ℃，緩慢加入適量聚醚胺，加完后升溫至140～200 ℃，反應2.0～5.0 h，即得NH-HPL潤滑劑。常溫下，在5%膨潤土漿中加入1.0%的NH-HPL，潤滑系數降低率達92.2%；抗溫達160 ℃；EC50值為9.57×104mg/L，無生物毒性，對鉆井液流變性和濾失性無明顯影響。

孔凡波等[14]對植物油進行胺解，使合成產物中含有酰胺基團，然后用低碳酸與其反應，從而合成得到改性植物油酰胺。具體制備方法如下：將植物油和多胺按照一定比例混合均勻，在100～110 ℃下反應1.0 h；然后緩慢加入定量低碳酸，繼續加熱反應一定時間，待反應完全后，停止反應，便得到具有一定黏度、棕色蠟狀的植物油酰胺產品；通過對植物油酰胺進行乳化，得到乳液型潤滑劑。該潤滑劑在鉆井液中加量為0.5%時，潤滑系數降低率達87.9%；并且該潤滑劑抗溫抗鹽能力強，配伍性好。

1.4 乳液類潤滑劑

乳液類潤滑劑在鉆井液、金屬軋制和切削等領域應用較多。乳液類潤滑劑是將基礎油經過充分乳化，形成的一種性質穩定、成分均一的乳狀液，主要成分包括基礎油、水、乳化劑。按照內外相的不同可分為油包水乳液和水包油乳液；按照乳液液滴的粒徑可分為粗乳液、細小乳液以及微乳液。其中，粗乳液是一種不穩定分散體系，細小乳液和微乳液分別是動力學和熱力學穩定的乳化體系。

張文等[15]以棉籽油、多乙烯多胺、低碳酸為原料合成得到植物油酰胺，以植物油酰胺為主要原料，油酸鈉作乳化劑，添加一定量的硅膏、煤油和高粘度羧甲基纖維素鈉CMC-HV，制備得到水包油(O/W)型乳液潤滑劑。該產品用量在0.5%時，鉆井液潤滑系數降低率超過80%，且不影響鉆井液的流變性和密度。經170 ℃高溫老化，在15%鹽水鉆井液中，鉆井液潤滑系數<0.10，表明該潤滑劑具有良好的耐溫抗鹽性能。

夏曄等[16]制備得到了一種微乳型潤滑劑，由礦物油或精煉地溝油、表面活性劑、無機鹽、正丁醇和水組成。制備方法是：首先將水倒入反應釜中，在2 000～3 000 r/min的攪拌速度下將表面活性劑緩慢加入反應釜中，待混合均勻后，緩慢加入無機鹽，完全溶解后，加入正丁醇和精煉地溝油，靜置5～10 h，反應制得微乳型潤滑劑。該產品能有效降低鉆井液摩阻系數和泥餅粘附系數，粘附系數降低率達52.3%，配伍性好，綠色環保。

1.5 納米材料潤滑劑

近年來，納米材料在鉆井液中開始得到初步應用，如納米封堵劑、納米潤滑劑等。鉆井液用納米材料已成為鉆井液處理劑研發的熱點之一。

王偉吉等[17]針對目前鉆井液用常規潤滑劑存在的極壓膜強度低、抗溫性差、毒性大等突出問題，采用硅烷偶聯劑KH570對納米SiO2進行超聲表面改性，然后將其與表面活性劑S1、菜籽油、穩定劑復配混勻，制備得到納米潤滑劑SD-NR。1%的SD-NR產品極壓膜強度高，可使鉆井液潤滑系數降低率>85%，抗溫>180 ℃，不影響鉆井液流變性，降濾失和抑制效果較好，熒光級別低。

羅春芝等[18-19]針對油基潤滑劑環保性差和常規的水基潤滑劑持效性差、起泡嚴重、不抗溫等問題，室內研制出一種低熒光抗高溫水包油型納米乳液潤滑劑NMR。NMR是一種含有納米級高分子材料和S、P活性元素的潤滑劑，密度為0.94 g/cm3，表觀黏度為15.5 mPa·s，放置40 d不分層。2%產品可使膨潤土漿的極壓潤滑系數降低率達80%以上。產品可使現場聚合物井漿的極壓潤滑系數降低60%，且潤滑持久性好，抗溫達180 ℃，不影響鉆井液流變性，略有降濾失作用，不起泡，與現場常用的正電膠鉆井液、聚合物鉆井液、磺化鉆井液的配伍性好。

球形碳材料表面光滑，耐高溫性能好，尺寸小且強度高，在鉆井液體系中不易被清除或拍打破碎，可作為潤滑劑用于鉆井液中。楊芳等[20]制備得到了兩種納米碳球潤滑劑。一種是以間苯二酚-甲醛聚合而成的納米碳球，粒徑在500 nm左右，抗溫400 ℃；另一種是以葡萄糖為原料制成的納米碳球，粒徑在700～900 nm范圍內分布，抗溫250 ℃。這兩種納米碳球均能滿足高溫地層的潤滑要求。間苯二酚-甲醛聚合成的納米碳球加量為0.4%時，180 ℃高溫滾動16 h，鉆井液潤滑系數降低率達22.8%，濾餅粘附系數降低率達20.1%，但經高溫老化后，鉆井液的黏切增大，對鉆井液流變性產生影響。基于葡萄糖的納米碳球對鉆井液具有很好的剪切稀釋作用，高溫老化前后，鉆井液的黏切下降，當加量為0.5%時，180 ℃高溫滾動16 h，鉆井液潤滑系數降低率達25.2%，但此時其濾餅粘附系數跟鉆井液基漿相比，卻反而升高了6.9%。總的來說，合成的兩種納米碳球潤滑劑可作為固體潤滑劑用于鉆井液中，降低鉆井液潤滑系數。

1.6 其他潤滑劑

1.6.1 DFL潤滑劑 美國倚科能源有限公司研發了一種代號為DFL的新型鉆井液潤滑劑[21]。該產品可大幅提高鉆井效率，在鉆探井深和鉆井成本等方面帶來革命性變化。3%DFL產品可使鉆井扭矩和阻力降低75%，滑動機械鉆速增加100%。該產品通過改變鉆井液的界面渦流來降低摩阻，且不影響鉆井液流變性。該產品用量僅為其他潤滑劑的1/2～2/3，成本優勢明顯。該產品已在世界范圍內500余口井應用，摩擦阻力降低率高達80%，減少了鉆機動力能耗及鉆頭磨損，利于提高鉆井速度，配伍性好，無毒環保。

1.6.2 蓖麻油硼酸酯潤滑劑 蓖麻油是一種天然生物質材料，儲量豐富，價格低廉。通過對蓖麻油進行化學改性可制備得到高效環保的改性蓖麻油潤滑劑。吳超等[22]制備得到了一種蓖麻油硼酸酯水基潤滑劑。將適量蓖麻油加熱攪拌到一定溫度，滴加25%的NaOH溶液皂化一定時間，向上述反應物中加入適量有機醇胺，繼續反應至完全皂化，降溫，加入適量硼酸，繼續反應一定時間，得到淡黃色透明粘稠的蓖麻油硼酸酯產品。該產品分子結構中含有硼和蓖麻油長碳鏈，其中，硼元素充分發揮極壓性，蓖麻油長碳鏈在金屬表面強吸附，從而發揮出優良潤滑性能。

1.6.3 砜醛樹脂潤滑劑 蔣德強等[23-24]根據目前鉆井液用潤滑劑存在的不足，采用苯酚、甲醛、硫酸等常見原材料，制備得到一種新型的二苯酚砜甲醛樹脂潤滑劑，簡稱砜醛樹脂潤滑劑。該產品是一種新型水溶性高分子材料，其分子結構中含有硫酰基(砜)，使分子結構具有較好的柔韌性，潤濕性、附著性、抗腐蝕性能優良，比水溶性酚醛樹脂性能更優。0.1%砜醛樹脂可使鉆井液潤滑系數由基漿的0.489降至0.205，潤滑系數降低率>58%；高溫條件可促進該產品潤滑性能的充分發揮，故該潤滑劑可用于高溫地層；砜醛樹脂可使鹽水鉆井液潤滑系數降低率達50%，可用于高礦化度地層。

2 水基鉆井液用綠色潤滑劑發展趨勢

目前，水基鉆井液用綠色潤滑劑主要集中在醇醚類、酯類、酰胺類、乳液類、納米材料類等多個研究方向，對現場的高摩阻問題提供了很好的解決辦法，但對高溫高密度鉆井液的潤滑性能控制問題一直未能有效解決。另外，綠色潤滑劑的成本問題也是制約其在現場大規模推廣應用的瓶頸。據前期本研究團隊室內研究表明，自主研發的一種烷基糖苷衍生物產品——聚醚胺基烷基糖苷NAPG具有較好的潤滑效果[25]，當其在鉆井液中的加量提高至20%以上時，可使高溫高密度水基鉆井液的潤滑系數降至0.062，潤滑系數降低率達81.76%。如果對該產品的生產工藝進行調整優化，制備得到低成本的烷基糖苷衍生物產品，減小其作為高溫高密度鉆井液潤滑劑使用時的加量，同時保證高潤滑性能，將會是目前高溫高密度水基鉆井液潤滑劑研究的一個突破口。

除此之外，2017年以來，中石化中原石油工程公司針對目前高溫高密度水基鉆井液對潤滑劑的抗高溫、高密度下潤滑效果好、綠色環保等技術要求，開展了磺化胺基烷基糖苷潤滑劑的研制。具體研究思路如下：①為更好地實現潤滑劑的潤滑、環保性能，選用長鏈烷基糖苷為原料；②為解決烷基糖苷吸附能力弱，引入胺基，提高分子吸附量，胺基同時具有抑菌殺菌作用，基團位阻大，可提高分子抗溫性；③為進一步提升烷基糖苷潤滑和配伍性能，引入長鏈磺酸基，分子由非離子型轉變為陰離子型，提高分子配伍性，同時具有較好的抗鹽和潤滑性能。目前磺化胺基烷基糖苷潤滑劑產品的研制已經取得了較大進展，正在進一步開展深入研究。

總的來說，未來水基鉆井液用綠色潤滑劑的研究方向聚焦在如何解決高溫高密度鉆井液的高摩阻控制上，而且必須保證產品的低成本、綠色環保性能，實現高溫高壓地層的綠色、安全、高效鉆井，提高機械鉆速，降低鉆井綜合成本。