環(huán)保無熒光生物質(zhì)潤滑劑ZYRH的性能與應(yīng)用*

張曉剛，單海霞，李 彬，張 弌，周亞賢，王中華

（中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

隨著石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，鉆探地層不斷加深，鉆探方式不斷翻新，鉆探難度也在逐年增加，深井、超深井、定向井、水平井、大位移井、高密度長裸眼井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井日益增多，鉆井作業(yè)對鉆井液的潤滑性能要求越來越高［1-6］。現(xiàn)有的混原油鉆井液，存在原油加量大（5%數(shù)10%）、難生物降解、熒光級別高等缺陷，后續(xù)鉆屑易成為危險廢物（油含量＞3%），環(huán)保風(fēng)險和治理成本高［7-12］；改性油酸酯類潤滑劑由于含有酯鍵等不飽和鍵，存在抗溫差、易氧化、易分解等缺陷。為解決上述問題，性能良好的潤滑劑必須具備兩個條件：一個是分子的烴鏈要足夠長（一般碳鏈在C12數(shù)C18 之間），不帶支鏈，以利于形成致密的油膜；二是吸附劑要牢固地吸附在黏土和金屬表面，以防止油膜脫落。筆者以植物油為原料，利用生物水解、酰胺化、加成反應(yīng)等在潤滑劑分子結(jié)構(gòu)中合理引入非極性長碳鏈油性脂肪烴基（C12數(shù)C18 植物烷烴基）、親水基（羥基、胺基等）以及具有極壓抗磨性基（硫、磷、噻唑等），合成了一種生物質(zhì)潤滑劑ZYRH。本文報道了ZYRH的熒光級別、乳化穩(wěn)定性、潤滑性和抗溫耐鹽性能，并考察了ZYRH對鉆井液流變及失水造壁性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

無水碳酸鈉，分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；氯化鉀、氫氧化鉀、氫氧化鈉，分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；鈉膨潤土，工業(yè)品，勝利油田勝大纖維素廠；磺化褐煤SMC，工業(yè)品，蘭考縣德盛泥漿處理劑廠；羧甲基纖維素鈉鹽LV-CMC、合成聚合物降濾失劑COP-LFL，均為工業(yè)品，濮陽市金泰化工有限公司；磺甲基酚醛樹脂SMP-II，工業(yè)品，濮陽市綠洲實業(yè)有限公司；磺酸鹽共聚物降濾失劑AMPS-150，工業(yè)品，民權(quán)東興泥漿材料有限公司；銨鹽，工業(yè)品，勝利油田勝華實業(yè)有限責(zé)任公司復(fù)合材料廠；重晶石，工業(yè)品，貴州天弘礦業(yè)股份有限公司；聚胺抑制劑，工業(yè)品，河南赫銳達(dá)石油工程技術(shù)有限公司；殺菌劑，工業(yè)品，勝利油田勝利化工有限責(zé)任公司；原油，0號柴油，工業(yè)品；兩性離子磺酸鹽聚合物處理劑CPS2000、穩(wěn)泡劑HXC、發(fā)泡劑、膠束促進(jìn)劑、液膜強(qiáng)化劑、泡沫控制劑、改性纖維封堵劑、微裂縫隨鉆封堵劑、原油乳化劑（聚酰胺類），均為工業(yè)品，鉆井工程技術(shù)研究院。

GJS-B12K 型變頻高速攪拌機(jī)、JBW 型加熱強(qiáng)力攪拌裝置、QN 型精密數(shù)顯密度計、ZNS-4 型鉆井液濾失量測定儀、ZNN-D6B 型數(shù)控六速黏度計、GW300-PLC 型變頻高溫滾子加熱爐，青島得順電子機(jī)械有限公司；OFI 112-00-1 型數(shù)顯式極壓潤滑儀，環(huán)球（香港）科技有限公司；GGS42-2 型高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆井液配制

在400 mL 蒸餾水中加入20.0 g 鈉膨潤土和0.8 g 無水碳酸鈉，高速（11000 r/min）攪拌20 min，在25±3℃密閉養(yǎng)護(hù)24 h，得到基漿。

聚合物鉆井液配方：基漿+1%LV-CMC+1%COP-LFL+4%SMP-II+6%KCl+1%AMPS-150+ 重晶石；

聚磺鉆井液配方：基漿+0.3%CPS2000+1%LV-CMC+3%SMP-II +3%SMC+0.6%銨鹽+0.05%NaOH+重晶石；

微泡鉆井液配方：基漿+0.5%LV-CMC+0.4%COP-LFL+0.3%穩(wěn)泡劑HXC+1%發(fā)泡劑+1.5%膠束促進(jìn)劑+3%液膜強(qiáng)化劑+0.2%泡沫控制劑+0.2%聚胺+2%改性纖維封堵劑+3%微裂縫隨鉆封堵劑+0.15%殺菌劑+重晶石。

1.2.2 性能測定

將一定量的潤滑劑ZYRH 加入基漿中，高速攪拌20 min，室溫養(yǎng)護(hù)4 h。在室溫下，將待測漿體高速攪拌5 min，用數(shù)控六速黏度計分別測定空白基漿和加入ZYRH 的基漿的流變性能，用極壓潤滑儀分別測定空白基漿和加入ZYRH 的基漿的極壓潤滑系數(shù)，并計算潤滑系數(shù)降低率；將測試后的漿體分別裝入高溫老化罐，在設(shè)定溫度下滾動老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌5 min后，用鉆井液濾失量測定儀分別測定老化后鉆井液的API 濾失量，并測定老化后鉆井液的流變性能和極壓潤滑系數(shù)，并計算潤滑系數(shù)降低率。

1.2.3 生物毒性評價

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6787—2010/5《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求》，用蒸餾水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%（按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大使用量）的ZYRH溶液，按體積比取1份實驗液加入9份質(zhì)量濃度為30 g/L的氯化鈉溶液，在1100 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，靜置60 min，稀釋至濃度為106mg/L的樣品液，然后進(jìn)行發(fā)光細(xì)菌急性毒性測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZYRH的理化性能

采用發(fā)光細(xì)菌法對潤滑劑ZYRH 進(jìn)行生物毒性檢測，同時對比分析了ZYRH與原油的基本理化性能，結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，潤滑劑ZYRH的半數(shù)效應(yīng)濃度EC50值＞1.0×106mg/L，說明潤滑劑ZYRH無毒，綠色環(huán)保；閃點高，運輸包裝使用安全；與原油比，潤滑劑ZYRH 為低熒光級別，不會對測錄井作業(yè)產(chǎn)生不良影響；此外，ZYRH 不含芳香烴，易生物降解，環(huán)境安全性好。

表1 潤滑劑ZYRH與原油的理化性能對比

2.2 ZYRH的潤滑性

在基漿中加入不同量的ZYRH，180℃老化16 h，測試加入ZYRH的基漿的極壓潤滑系數(shù)，并與空白基漿在相同處理條件下的潤滑系數(shù)（0.4110）對比計算潤滑系數(shù)降低率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，ZYRH 加量大于1%時，潤滑系數(shù)低于0.0351，潤滑系數(shù)降低率大于90%，可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

圖1 ZYRH加量對潤滑性能的影響

2.3 ZYRH的抗溫性

在基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的潤滑劑ZYRH，測定在不同溫度下老化16 h后的極壓潤滑系數(shù)，與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數(shù)對比計算潤滑系數(shù)降低率，結(jié)果見圖2。由圖2可知，ZYRH在高溫下對基漿的潤滑效果非常明顯；100℃時，潤滑系數(shù)降低率高達(dá)92.5%；潤滑系數(shù)降低率隨溫度升高而降低，但溫度為200℃時，潤滑效果仍然良好，能夠滿足鉆井作業(yè)抗高溫需求。

圖2 反應(yīng)溫度對ZYRH潤滑性能的影響

2.4 ZYRH的持效性

在基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的潤滑劑ZYRH，在180℃下連續(xù)老化10 d，測定老化后的極壓潤滑系數(shù)，并與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數(shù)對比計算潤滑系數(shù)降低率，結(jié)果見圖3。由圖3可知，經(jīng)長期老化后，潤滑系數(shù)降低率沒有明顯下降，經(jīng)10 d老化后，潤滑系數(shù)降低率仍可達(dá)88.2%，可以滿足鉆井作業(yè)對潤滑劑的持效性需求。

圖3 長期老化對ZYRH潤滑性能的影響

2.5 ZYRH的抗污染性能

在基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的潤滑劑ZYRH，同時加入不同量的巖屑或NaCl鹽，測定其老化后的極壓潤滑系數(shù)，并與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數(shù)對比計算潤滑系數(shù)降低率，結(jié)果見圖4、圖5。結(jié)果顯示，潤滑劑ZYRH 抗巖屑污染能力可達(dá)20%，抗鹽能力可達(dá)飽和，潤滑系數(shù)降低率均大于85.0%。

圖4 巖屑加量對ZYRH潤滑性能的影響

圖5 鹽含量對ZYRH潤滑性能的影響

2.6 ZYRH與鉆井液的配伍性

分別在聚合物鉆井液（1#，密度1.6 g/cm3）、聚磺鉆井液（2#，密度1.6 g/cm3）、微泡鉆井液（3#，密度0.96 g/cm3）中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的潤滑劑ZYRH，在一定溫度老化16 h 后，測定ZYRH加入前后的流變性能、中壓濾失量及極壓潤滑系數(shù)，并與加入原油和原油乳化劑的進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。由表2可知，潤滑劑ZYRH 與不同類型鉆井液的配伍性好，ZYRH 的加入對不同類型鉆井液的流變性能基本無影響；ZYRH 的潤滑性能與原油的相當(dāng)，但潤滑劑的加量比原油的大幅降低，潤滑系數(shù)降低率均在50%以上，可以滿足鉆井作業(yè)對鉆井液潤滑性的要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 衛(wèi)455井

衛(wèi)455井是中原油田分公司部署在東濮凹陷西部斜坡的一口評價井，完鉆井深3825 m，三開次井身結(jié)構(gòu)，采用聚磺飽和鹽水鉆井液，巖性為棕紅色/深灰色泥巖、棕紅色/淺棕色粉砂巖與泥巖互層、灰白色膏鹽巖、頁巖和油頁巖層，為降低施工摩阻，解決定向脫壓問題，該井三開井段（1433.19數(shù)3825 m）應(yīng)用了潤滑劑ZYRH，加量為0.6%數(shù)1%，ZYRH與衛(wèi)455井現(xiàn)場井漿配伍性評價見表3。表3顯示，ZYRH 的加入保障了鉆井液極強(qiáng)的潤滑性，極壓潤滑系數(shù)由0.2890 下降至0.1240 以下，潤滑系數(shù)降低率在57.1%以上，同時，ZYRH的低熒光特性保證了三開起下鉆暢通，電測及下套管作業(yè)順利進(jìn)行。

表2 ZYRH與不同類型鉆井液的配伍性*

3.2 文23儲5-1井

文23儲5-1井是天然氣分公司部署在東濮凹陷中央隆起帶北部文留構(gòu)造文23塊的一口水平井，三開次井身結(jié)構(gòu)，完鉆斜深3074 m/垂深3059.32 m（井斜13.85°、方位350.03°），使用低密度微泡鉆井液，巖性為白云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖夾泥巖、泥巖。針對該井造斜段2830 m 附近摩阻偏大，定向困難的問題，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%數(shù)1.5%的ZYRH 潤滑劑，ZYRH 與文23 儲5-1 井現(xiàn)場井漿配伍性評價見表4。表4顯示，在微泡鉆井液中添加ZYRH 后，隨加入量增加，流變性能明顯呈現(xiàn)降黏切、降低濾失特征，潤滑性能有所提高，潤滑系數(shù)降低率達(dá)到60%以上。ZYRH 的加入有效解決了定向問題，一次定向成功，完鉆通井上提摩阻30數(shù)40 t、下放摩阻20數(shù)30 t，循環(huán)提拉幾次后上提摩阻降為10數(shù)20 t，鉆具與井壁之間的摩擦大大降低，有效預(yù)防井下復(fù)雜事故出現(xiàn)。

從潤滑劑ZYRH 在現(xiàn)場25 口井的應(yīng)用效果推測，ZYRH 在巖石和鉆具表面上形成高韌性的潤滑膜［13-14］，潤滑膜由于分子間的內(nèi)聚力作用，具有一定的承壓能力，可有效地阻止井壁和鉆具表面的直接接觸，從而起到潤滑降摩阻作用。此外，經(jīng)錄井隊檢測ZYRH 無熒光，達(dá)到了鉆井液助劑入井要求，加入ZYRH 后錄井作業(yè)一切正常，未受干擾，滿足儲層施工對添加劑熒光值的要求。

表3 ZYRH與衛(wèi)455井現(xiàn)場井漿配伍性評價

表4 ZYRH與文23儲5-1井現(xiàn)場井漿配伍性評價

4 結(jié)論

潤滑劑ZYRH 無熒光、EC50值＞1.0×106mg/L，生物毒性低，環(huán)境保護(hù)效果好。該潤滑劑的抗溫達(dá)200℃、抗鹽達(dá)飽和，在基漿中加量1%數(shù)2%時，極壓潤滑系數(shù)小于0.1。

潤滑劑ZYRH 與聚合物、聚磺、微泡鉆井液等配伍性良好，對鉆井液的流變性能沒有影響，有一定的的降濾失效果，加量≤2%的情況下，極壓潤滑系數(shù)降低率大于55%。

該新型潤滑劑ZYRH 能夠有效增強(qiáng)鉆井液的潤滑性，降低鉆柱扭矩，減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，有利于提高鉆井速度，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本。