新型環保潤滑劑的制備及其在頁巖氣水基鉆井液中的應用

耿 月，劉洪山，何振濤，李曉宏，高紅茜

1長江大學石油工程學院2中國石油青海油田井下作業公司3中國石油青海油田采氣三廠4中國石油青海油田采油二廠5中國石油青海油田采油三廠

0 引言

頁巖氣的開發大多以大位移井和水平井為主，由于頁巖儲層具有裂縫發育以及黏土礦物含量較高的特點，在水平段鉆井過程中，不僅容易出現井壁垮塌、漏失以及井眼清潔困難等井下復雜問題，而且由于頁巖氣水平井的水平段過長，還經常會出現摩阻較高、蹩鉆、卡鉆以及起下鉆遇阻等復雜事故。因此，在頁巖氣水平井鉆井過程中，不僅要求鉆井液體系具有良好的抑制性和封堵性，還要具有良好的潤滑性能，所以研究高性能潤滑劑成為頁巖氣水基鉆井液技術開發的一項重要工作［1-7］。

目前水基鉆井液中常用的潤滑劑大多使用礦物油或植物油為原料制備而來，雖然具有良好的潤滑效果，但其熒光級別通常較高，并且抗磨、耐溫性能稍差，影響其大規模推廣應用［8-10］。因此，研制開發潤滑性能優良、環保效果較好的新型潤滑劑成為未來研究的重點。本文使用工業廢棄植物油中的長鏈脂肪酸和有機多元醇進行反應，合成了脂肪酸酯類聚合物，并在此基礎上，引入了有機硼極壓抗磨劑和非離子表面活性劑，增強其耐磨和耐溫性能，研制了一種新型環保潤滑劑HBR-12，室內評價了其潤滑性能、與鉆井液的配伍性以及環保性能，分析了潤滑劑的作用機理，并成功在四川盆地某頁巖氣區塊進行了現場應用。

1 實驗部分

1.1 主要實驗藥品及儀器

長鏈脂肪酸（工業廢棄植物油中的長鏈脂肪酸）、有機多元醇、有機硼極壓抗磨劑、非離子表面活性劑等均為工業品；氫氧化鈉、碳酸鈉和氯化鉀等無機鹽均為分析純；醇醚類潤滑劑A、植物油脂類潤滑劑B、乳液類潤滑劑C，均為工業品；鈉膨潤土、重晶石，工業品。

美國OFI數顯式極壓潤滑儀；NF-2濾餅黏附系數測定儀；HTD-GL8型高溫滾子加熱爐；ZNN-D6S型數顯六速旋轉黏度計；SD3型多聯中壓濾失儀；GGS71型高溫高壓濾失儀。

1.2 新型環保潤滑劑的制備

將長鏈脂肪酸和有機多元醇按照一定的比例進行混合，攪拌均勻后在150～180℃下反應5～6 h，然后在反應產物中加入一定量的有機硼極壓抗磨劑和非離子表面活性劑，繼續在80～90℃下反應3～5 h即得到新型環保潤滑劑HBR-12產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 潤滑性能

（1）潤滑系數以及濾餅黏附系數的測定。參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 17088—2016《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》中的規定進行測定。

（2）極壓膜強度的測定。使用美國OFI數顯式極壓潤滑儀測定，采用極壓膜強度測試專用的滑塊組合進行實驗。

1.3.2 與鉆井液的配伍性

按現場頁巖氣水基鉆井液配方設計配制鉆井液體系，然后加入不同加量的新型環保潤滑劑HBR-12，測定鉆井液體系老化前后的流變性能、濾失量和潤滑系數，以此評價潤滑劑與鉆井液的配伍性。水基鉆井液配方為：3.0%膨潤土漿+0.15%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%LV-PAC+2.0%聚合物降濾失劑+1.5%聚胺抑制劑+5.0%超細碳酸鈣+3.0%納米封堵劑+5%KCl+重晶石粉加重至1.5 g/cm3。

1.3.3 環保性能

（1）參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 17088—2016《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》測定潤滑劑的熒光級別。

（2）參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 111—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》測定潤滑劑生物毒性。

（3）參照石油天然氣行業標準SY/T 6788—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術評價方法》評價潤滑劑的生物降解性。

2 結果與討論

2.1 潤滑性能

2.1.1 潤滑系數和濾餅黏附系數

參照1.3.1中的實驗方法，測定了基漿中加入不同濃度的新型環保潤滑劑HBR-12后的潤滑系數和濾餅黏附系數，并計算潤滑系數降低率和濾餅黏附系數降低率。基漿配方為：5%淡水膨潤土漿+0.2%Na2CO3，實驗結果見圖1和圖2。

由圖1和圖2結果可知，在基漿中加入不同濃度的新型環保潤滑劑HBR-12后，潤滑系數和濾餅黏附系數均出現明顯的下降現象，當HBR-12加量為1.0%時，基漿的潤滑系數和濾餅黏附系數分別為0.075和0.054，潤滑系數降低率達到85%以上，濾餅黏附系數降低率達到70%以上，說明研制的新型環保潤滑劑HBR-12具有良好的潤滑性能。

圖1 潤滑劑HBR-12加量對潤滑系數的影響

圖2 潤滑劑HBR-12加量對濾餅黏附系數的影響

2.1.2 極壓膜強度

參照1.3.1中的實驗方法，測定了基漿中加入不同濃度的新型環保潤滑劑HBR-12后的極壓膜強度，基漿配方同2.1.1，實驗結果見圖3。

由圖3結果可知，隨著新型環保潤滑劑HBR-12加量的增大，極壓膜強度逐漸增大，當HBR-12加量為1.0%時，極壓膜強度可以達到200 MPa以上。說明研制的新型環保潤滑劑HBR-12可以形成強度較大的極壓膜，在較高的壓力條件下仍能保持良好的潤滑性能。

圖3 潤滑劑HBR-12加量對極壓膜強度的影響

2.1.3 與其他常用潤滑劑的性能對比

參照1.3.1中的實驗方法，對比評價了醇醚類潤滑劑A、植物油脂類潤滑劑B、乳液類潤滑劑C和新型環保潤滑劑HBR-12的潤滑性能，在基漿中加入不同類型的潤滑劑（加量均為1.0%），分別測定潤滑系數降低率、濾餅黏附系數降低率和極壓膜強度，基漿配方同2.1.1，實驗結果見表1。

表1 不同潤滑劑的潤滑性能對比結果

由表1結果可知，在基漿中加入相同加量的潤滑劑后，新型環保潤滑劑HBR-12的潤滑效果最好，潤滑系數降低率、濾餅黏附系數降低率和極壓膜強度三項參數均明顯高于其他潤滑劑，說明研制的新型環保潤滑劑HBR-12綜合潤滑性能優良。此外，新型環保潤滑劑HBR-12的合成原料使用的是工業廢棄植物油中的長鏈脂肪酸，原料來源較廣，成本較低，與同類型潤滑劑相比，具有一定的價格優勢。

2.1.4 潤滑劑作用機理

新型環保潤滑劑HBR-12的作用機理主要包括以下兩點：①吸附膜潤滑機理。新型環保潤滑劑HBR-12含有較多的酯基、羧基、羰基以及酰胺基等極性吸附基團，可以通過其強大的吸附作用在金屬的摩擦表面形成一層吸附潤滑薄膜，且由于潤滑劑分子鏈較長，其所形成的吸附膜比較穩定，不易脫附，使其能夠保持良好的潤滑性能。此外，新型環保潤滑劑HBR-12中的非離子表面活性劑物質能夠提高其乳化性能，使潤滑劑穩定分散在鉆井液中，從而提高其潤滑效果；②化學反應極壓膜潤滑機理。新型環保潤滑劑HBR-12中含有的有機硼極壓抗磨劑成分，使其在一定的溫度和壓力條件下能夠緊緊吸附在金屬和地層巖石表面，并且在極壓條件下可以產生化學反應，生成一層化學反應極壓膜，其與吸附膜不同，化學反應極壓膜的熔點較低，能夠牢固的吸附在金屬表面，保護金屬表面不發生黏著磨損。并且在摩擦過程中當極壓膜被磨去后可以快速生成一層新膜，可以有效防止金屬摩擦面之間的直接接觸，達到降低磨損和摩阻的目的。

2.2 與鉆井液的配伍性

參照1.3.2中的實驗方法，在水基鉆井液中加入不同加量的新型環保潤滑劑HBR-12，測定其對鉆井液體系老化的流變性能、濾失量以及潤滑性能的影響，鉆井液老化條件為100℃×16 h，高溫高壓濾失量實驗條件為100℃×3.5 MPa，實驗結果顯示，隨著新型環保潤滑劑HBR-12加量的增大，水基鉆井液體系的流變性能基本沒有變化，而API濾失量和HTHP濾失量均有所降低，潤滑系數降低率和濾餅黏附系數降低率均有所增大。當潤滑劑HBR-12加量為1.0%時，鉆井液體系的潤滑系數降低率可以達到80%以上，濾餅黏附系數降低率可以達到65%以上，起到了良好的潤滑效果。由此可以看出，研制的新型環保潤滑劑HBR-12與現場用水基鉆井液體系具有良好的配伍性，不會對鉆井液體系的流變性能造成影響，且可以有效降低鉆井液體系的潤滑系數和濾餅黏附系數。

2.3 環保性能

參照1.3.3中的實驗方法，對新型環保潤滑劑HBR-12的熒光級別、生物毒性以及生物降解性進行了測定，實驗結果看出，新型環保潤滑劑HBR-12的熒光級別為1～2級，可以達到標準要求，不會影響地質錄井作業質量；EC50值為125 300，屬于無毒油田化學處理劑；BOD/CODCr值為29.8%，屬于易降解油田化學處理劑。說明研制的新型環保潤滑劑HBR-12具有良好的環保性能，處理劑本身不會對生態環境和生物造成毒性傷害，符合環保要求。

3 現場應用

新型環保潤滑劑HBR-12在四川盆地某頁巖氣區塊的X-1井進行了現場應用試驗，X-1井的設計井深為4 355 m，水平段長度為1 150 m，地層溫度在95℃左右。該區塊前期水平段鉆進時主要采用復合潤滑劑（酰胺類潤滑劑和表面活性劑復配），現場施工過程中潤滑效果不理想，表現為摩阻和扭矩較高，經常出現鉆井托壓、起下鉆遇阻等復雜情況。因此，在X-1井水平段鉆井施工時加入了新型環保潤滑劑HBR-12，鉆井液潤滑性能得到了明顯改善，現場鉆井液潤滑系數和濾餅黏附系數下降明顯，與同區塊內使用復合潤滑劑的Y-1井和Y-2井相比，起下鉆摩阻大幅降低（見表2）。X-1井水平段鉆井施工過程中未出現鉆井托壓、卡鉆以及起下鉆遇阻等井下故障，取得了良好的施工效果。

表2 潤滑劑HBR-12現場應用效果

4 結論

（1）使用長鏈脂肪酸、有機多元醇、有機硼極壓抗磨劑和非離子表面活性劑為原料，制備了一種新型環保潤滑劑HBR-12。

（2）潤滑劑HBR-12綜合性能評價結果表明，HBR-12加量為1.0%時，可使基漿潤滑系數和濾餅黏附系數顯著下降，極壓膜強度較高，潤滑性能優于其他常用潤滑劑；HBR-12對鉆井液流變性能影響較小，可使濾失量稍微降低，并可以顯著降低鉆井液體系的潤滑系數和濾餅黏附系數，與鉆井液的配伍性較好；潤滑劑HBR-12還具有良好的環保性能。

（3）潤滑劑HBR-12在四川盆地某頁巖氣區塊X-1井水平段鉆井時成功進行了應用，與前期使用復合潤滑劑的Y-1井和Y-2井相比，表現出更好的潤滑性能，潤滑系數、濾餅黏附系數和起下鉆摩阻均顯著下降，鉆井施工過程順利。