一種鉆井液用環保潤滑劑的制備及性能評價

桑峰軍

（中石化中原石油工程有限公司工程服務管理中心，河南 濮陽 457001）

石油天然氣資源是目前國內外最常用也是最重要的能源之一，油氣鉆探的重要性不言而喻。隨著常規油氣資源的不斷勘探開發，人們逐漸將目光聚焦于非常規能源（頁巖氣、水合物等），特殊井（深井、超深井及水平井）的應用也隨之增多[1-3]。深井超深井通常具有高溫、高摩阻扭矩的特點；水平井中鉆桿與井壁的接觸面積及幾率大幅增加，也存在高摩阻扭矩的問題[4,5]。高摩阻扭矩問題如果不及時有效解決，容易引起卡鉆、托壓等復雜井下事故，進而導致作業成本增加，嚴重情況下會導致棄井。現場通常采用混入原油或柴油等手段，以期提高鉆井液的潤滑性能，進而降低摩阻扭矩。但該方法一方面作用效果有限，需要大量使用，另一方面其高熒光特點容易干擾熒光錄井，且最終加大了廢棄鉆井液處理難度。固體潤滑劑可吸附在井壁-鉆桿等摩擦界面改變井壁-鉆桿直接摩擦的狀態，進而起到潤滑減磨效果。但其吸附能力較弱，潤滑效果較差，且泥漿循環過程中已被振動篩篩除，此外還存在現場施工人員吸入的風險，因此其使用大大受限。由此可見，液體類潤滑劑是目前鉆井液潤滑劑的主要發展方向[6-8]。

近年來，國內外相關學者基于如何改善高摩阻扭矩條件下鉆井液潤滑性能的技術難題，開發了較多液體類鉆井液潤滑劑。這些潤滑劑主要包括早期的精制礦物油（白油、原油蒸餾中間產物等）、聚α-烯烴（PAO）及聚亞烷基二醇（PAG）等，到后來的酯類潤滑劑（天然脂肪酸酯、合成脂肪酸酯等）、醇類潤滑劑（聚乙二醇、多元醇等），到現在的環保油類、乳液類及納米類潤滑劑[9-13]。不同種類的潤滑劑針對的現場工況及技術難題都不同，作用效果也千差萬別。總體來說，基于目前高溫高壓、高密度等復雜工況下的高摩阻扭矩技術難題，優良的鉆井液潤滑劑應同時具備環保性好、抗高溫、潤滑性能優良等主要特點。

通過現場鉆井資料分析及文獻調研可知，動植物油下腳料油通過一系列改性（酯化、交聯等）可制備出流動性、環保性等均較好的基礎油，這些基礎油可直接用作鉆井液潤滑劑的基礎油；通過考察基礎油的環保性、流動性及自潤滑性等性能，優選出綜合性能較優的基礎油；在此基礎上，考察不同表面活性劑加入基礎油中的潤滑性能改善效果，優選出性能較優的復合表面活性劑，并在制備工藝條件優選基礎上，最終制得綜合性能較優的理想鉆井液潤滑劑。

1 環保潤滑劑QLH-1 的實驗制備

1.1 基礎油實驗優選

現在市場上通常選用柴油、白油、植物油或者下腳料油作為鉆井液潤滑劑用基礎油，但這些基礎油多少存在著低溫流動性不好、熒光級別高及潤滑效果不佳等問題。因此，性能優良的基礎油需要同時兼備低/無熒光、低溫流動性良好及自潤滑性強等特點。基于上述目的，室內調取了多類基礎油樣品進行了評價，實驗結果見表1。

表1 鉆井液用基礎油性能對比評價實驗結果

從表1結果可看出，采用下腳料油化學改性得到的環保型基礎油BBO-2 的低溫流動性較好（-10 ℃條件下仍能正常流動），熒光級別僅為1～2 級，且在4%膨潤土基漿中加入0.5% BBO-2 的潤滑系數降低率達到59.75%，自潤滑效果良好。因此，優選基礎油BBO-2 作為鉆井液潤滑劑制備用基礎油。

1.2 潤滑劑配方及制備條件優化

液體類潤滑劑通常由基礎油、表面活性劑及極壓添加劑等構成，單一基礎油無法有效滿足現場技術需求。因此，室內通過考察不同種類的潤滑添加劑（如表面活性劑、極壓劑等）與基礎油的配伍性及潤滑性能改善程度，最終優選出了復合表面活性劑EMA（由非離子表面活性劑EMA-1 和陰離子表面活性劑EMA-2 組成）。在此基礎上，基于正交試驗方法，考察了原材料配比、反應溫度、反應時間的影響，最終確定了環保型潤滑劑QLH-1 的較優配方和制備條件：96%～98% 基礎油+ 0.5%～1.0% EMA-1 + 1.5%～2.0% EMA-2，反應溫度為 55～ 60 ℃，反應時間為4～6 h。

2 環保潤滑劑QLH-1 特性評價

2.1 主要基礎性能

基于Q/SY1088-2016《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》、Q/SY111-2007《油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法 發光細菌法》及國家環保標準HJ505-2009《水質五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》等技術標準，對潤滑劑QLH-1的主要常規性能進行了系統評價（包括密度、凝點、黏度、熒光級別、靜置沉降穩定性、生物毒性及生物降解性等），實驗結果見表2。實驗結果表明，新研制的潤滑劑QLH-1 潤滑劑外觀為淡黃色均勻液體，無刺激性氣味，熒光級別僅為1～2 級，無生物毒性，且生物可降解性較好；按照標準加量加入膨潤土漿后的密度變化值僅為0.04～0.06 g/cm3，靜置180 天后無明顯分層。上述結果說明新研制的潤滑劑QLH-1 的主要基礎性能均滿足現場鉆井液潤滑劑使用的基本要求。

表2 潤滑劑QLH-1 主要基礎性能實驗評價結果

2.2 加量優選

基于Q/SY1088-2016《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》，首先考察了潤滑劑QLH-1 的較優加量和抗溫效果，然后選取市售的同類應用效果較好的潤滑劑產品進行對比。

基礎實驗漿：4%淡水膨潤土漿 + 潤滑劑QLH-1。分別向基礎實驗漿中加入0.3%～3.0%的潤滑劑QLH-1，考察實驗漿的密度、流變性、濾失性能及潤滑性能，實驗結果見圖1。

圖1 潤滑劑QHL-1 較優加量實驗優選

從圖1中結果可看出，隨著潤滑劑QLH-1 加量的不斷增加，實驗漿的潤滑系數降低率顯著升高；當潤滑劑QLH-1 加量達到1.5%時，實驗漿的潤滑系數降低率達到88.64%。同時，此時實驗漿的密度變化值為0.066 g/cm3，濾失量為19.6 mL，均滿足現場鉆井液潤滑劑使用要求。因此，推薦潤滑劑QLH-1 的較優加量為1.5～2.0%，且可根據現場鉆井工況適時調整。

2.3 抗溫效果評價

選取潤滑劑QLH-1 的加量為1.5%，采用上述基礎實驗漿，分別考察加入潤滑劑實驗漿在100℃/16h、120℃/16h、140℃/16h 及160℃/16h 熱滾條件下的主要性能，實驗結果見表3。表3結果表明，隨著熱滾溫度的升高，實驗漿的密度逐漸降低，表觀黏度逐漸升高，API 濾失量總體呈下降趨勢，潤滑系數先增加后降低；當熱滾溫度達到140 ℃時，實驗漿的密度變化值為0.043g/cm3，表觀黏度變化值為2.5，潤滑系數降低率達到89.45%，均滿足使用要求，熱滾溫度繼續增加至160 ℃后，實驗漿的密度變化值顯著增大，潤滑系數降低率明顯降低，說明潤滑劑此時已經造成了實驗漿起泡，潤滑失效。因此，可認為潤滑劑QHL-1 可抗溫140 ℃。

表3 潤滑劑QLH-1 的抗溫效果評價結果

2.4 潤滑性能對比

為考察自制潤滑劑QHL-1 與現有常用效果較好潤滑劑產品的優劣，分別選取了市售應用效果較好的多種潤滑劑產品，對比考察了潤滑劑的潤滑效果，實驗評價結果見圖2。

圖2 不同潤滑劑的潤滑性能對比評價結果

基礎實驗漿：4%淡水膨潤土漿 + 1.5% 潤滑劑。從圖2結果可看出，相同加量條件下，加入QHL-1 實驗漿的潤滑系數降低率達到88.64%，均高于其他幾種潤滑劑，結果說明自制環保潤滑劑QHL-1 的潤滑性能優良。

3 結 論

（1）針對現場鉆進過程中存在的高扭矩摩阻技術難題，室內通過優選環保型基礎油、復合表面活性劑，制備出了環保型鉆井液潤滑劑QHL-1，該潤滑劑低溫流動性較好，熒光級別低，起泡率低，無生物毒性，且可生物降解，靜置沉降180 天后無明顯分層，滿足現場鉆井液使用基本需求。

（2）潤滑劑QHL-1 的較優加量為1.5%～2.0%，可抗溫140 ℃，且其潤滑性能較大多數現有市售潤滑劑要好，該潤滑劑具有深入研究及推廣應用前景。