環保型連續油管金屬減摩劑的研制與性能

鄒鵬，王文山，楊艷昌，劉林，劉春龍，劉松，解同川

（中國石油渤海鉆探井下技術服務分公司，天津 300283）

0 引言

對于大斜度井或具有長水平段的水平井，連續油管受水平段長度、井眼軌跡、井斜角等影響，經常出現連續油管下入“鎖定”現象。即在連續油管入井過程中，由于連續油管自身的屈曲使其在水平段推進過程中與套管內壁摩擦產生阻力，阻力達到一定程度就發生自鎖，無論給連續油管施加多大推力都無法推進。針對這一問題，使用連續油管金屬減摩劑降低連續油管外壁與套管內壁間的摩擦系數是可行的方法。目前應用于鉆井領域的減摩潤滑劑主要包括固體潤滑劑[1-4]、醇類潤滑劑[5-6]、酯類潤滑劑[7-8]、油類潤滑劑[9-11]及乳液類潤滑劑5 類[12-13]，但考慮鉆井液用潤滑劑使用的液體環境與井下作業環境存在較大差異，特別是酸堿環境及配伍性，鉆井液用潤滑劑能否直接應用于井下作業連續油管領域需要進一步驗證。

在井下作業領域與連續油管配套使用的金屬減摩劑相關的文獻報道較少，貝克休斯報道了一種金屬減摩劑EasyReach[14]，在實驗溫度20～70 ℃下，其可將金屬間的摩擦系數降低40%～60%，緩解連續油管與井筒間的“自鎖”問題，增加下入深度，但未見該產品具有無毒環保性的研究介紹。為了提高金屬減摩劑的耐溫性、摩擦系數降低率及環保性，研制了一種環保型連續油管金屬減摩劑，同時開展了系統的減摩及環保性能評價，為該金屬減摩劑后期推廣應用提供了技術支撐和理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1）主要材料。改性植物油（磺酸化改性和酯化改性），自制；TO-8 表面活性劑，乙二醇，氯化鈉，氫氧化鈉；MTT 試劑，胰蛋白酶；PBS 緩沖液，SD 大鼠等實驗動物。

2）主要儀器。UMT 型多功能摩擦磨損試驗機，MCO-15AC 型CO2恒溫培養箱，SW-CJ-1FD 型潔凈工作臺，XDS-18 型生物倒置顯微鏡，TE2000 型倒置熒光顯微鏡，Neofuge 15R 型離心機，Rt2100c型酶標檢測儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 連續油管金屬減摩劑微乳液的制備方法

室溫下，量取一定量的清水，高速攪拌（攪拌速度10 000 r/min）條件下，加入一定量的TO-8表面活性劑，高速攪拌5 min，加入一定量的改性植物油，攪拌15 min，加入一定量的乙二醇，繼續高速攪拌5 min，得到水包油型連續油管金屬減摩劑微乳液。

1.2.2 摩擦磨損實驗方法

1）鋼塊預處理。選用P110 鋼塊、N80 鋼塊和Cr-13 鋼塊3 種基底，分別用400 目、800 目、1000 目的砂紙對實驗鋼塊表面進行打磨，再進行拋光處理，使基底表面光滑無劃痕。隨后依次在去離子水、無水乙醇中超聲清洗10 min，干燥備用。

2）摩擦磨損測試。多功能摩擦磨損試驗機能夠在不同速度和載荷下測量摩擦系數隨時間變化的情況。實驗采用旋轉式運動單元，點接觸形式。實驗時，上試樣采用直徑 6.35 mm 的氮化硅陶瓷球，將預處理的鋼塊作為下試樣通過定位螺釘固定在旋轉式工作臺上，上端的力傳感器控制加載力的大小，底部的驅動器帶動工作臺做旋轉式運動。測試結果通過頂部的雙通道力傳感器實時傳輸到計算機中，并計算其比值得到摩擦系數，由計算機自帶的軟件進行處理記錄。每種減摩劑分別在不同的表面上測試5 次，以保證實驗的重復性。加載力50 N，試驗時間10 min。圓盤狀鋼塊試樣尺寸為：直徑70 mm，厚度 6.5 mm。

CoF 降低率計算公式為：CoF 降低率（清水作為潤滑介質測得的摩擦系數-金屬減摩劑作為潤滑介質測得的摩擦系數）/清水作為潤滑介質測得的摩擦系數×100%

1.2.3 毒性評價

1）細胞毒性評價方法。采用MTT 實驗進行細胞毒性評價，實驗步驟為：①細胞種板。將對數生長期細胞用胰蛋白酶消化，配制成細胞懸液，按3000～5000 細胞每孔接種于96 孔板，每孔加100 μL，置于CO2（5%）培養箱中37 ℃下培養過夜貼壁，邊緣孔用無菌PBS 填充。②按實驗方案設定金屬減阻劑濃度進行加藥處理，每個樣本濃度設3～5 個重復。③MTT 反應：所有孔中分別加入20 μL MTT 溶液（5 mg/mL），培養箱中孵育4 h。④DMSO 溶解甲臜：小心地吸除上清液，每孔加150 μL DMSO，在搖床低速（120～140 r/min）振蕩10 min 使結晶物充分溶解。（5）測吸光度值：使用酶標儀測定490 nm 吸光度值，按下列公式計算藥物對細胞的增殖率。

增殖率＝（A2-A0）/（A1-A0）×100%式中，A2、A1、A0分別為：實驗組細、對照組和空白組DMSO 溶液的吸光度值。

2）急性毒性評價方法。配制0.1%和1%的金屬減阻劑溶液，對實驗鼠進行灌胃，觀察SD 大鼠生長存活情況，觀察期30 d。

2 結果與討論

2.1 金屬減摩劑減摩性能評價

2.1.1 金屬減摩劑加量對不同材質鋼塊減摩性能的影響。

為了貼近連續油管井下作業實際，選擇N80、P110 和Cr-13 鋼塊作為摩擦實驗基體材料，考察以不同加量的金屬減摩劑與清水混合后制備的連續油管減摩工作液作為潤滑介質的減摩效果，金屬減摩劑濃度依次為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%與1.0%，同時評價了清水（對應金屬減摩劑濃度為0）對3 種鋼塊的摩擦系數（CoF）以作為對比，并計算了摩擦系數降低率，如表1 所示。

表1 金屬減摩劑加量對3 種材質鋼塊摩擦系數（CoF）的影響

表1 表明，在50 N 載荷下，N80 鋼塊在清水作為潤滑介質下，CoF 為0.42，當金屬減摩劑作為潤滑介質且隨著加量從0.1%增加至1.0%時，N80、P110 和Cr-13 三種鋼塊的CoF 表現出先減小后趨于平緩的趨勢。金屬減摩劑的核心減摩成分為親水改性的植物油，其極性親水基團（磺酰基、羧基）與極性金屬表面通過范德華力發生吸附作用并形成有機分子潤滑膜以實現管壁間的減摩效果，隨著金屬減摩劑加量增加，金屬表面強極性吸附層逐漸形成且厚度增加，CoF 逐漸降低；而隨著加量進一步增加，表面吸附接近飽和，CoF 趨于平緩。在金屬減摩劑加量為0.5%時，減摩效果最優，3 種材質鋼塊的CoF 降低率分別達到了71.4%、66.3%及84.7%。

2.1.2 礦化度對金屬減摩劑減摩性能的影響

井下復雜液體環境具有一定礦化度，會對減摩工作液減摩性能產生影響，以0.5%金屬減摩劑的減摩工作液作為基礎液，分別配制不同鹽溶液作為潤滑介質，P110 鋼塊作為摩擦基體，考察礦化度對金屬減摩劑減摩性能的影響，結果見圖1 和表2。

圖1 不同礦化度（mg/L）的0.5%金屬減摩劑工作液作為潤滑介質時P110 鋼塊摩擦磨損試樣形態

表2 不同礦化度減摩工作液下P110 鋼塊摩擦系數

圖1 表明，高礦化度的減摩工作液對鋼塊磨痕產生腐蝕，銹斑明顯。表2 表明，隨著礦化度的增加，P110 鋼塊的摩擦系數先降低后增加。摩擦系數先降低的原因是隨著鹽離子濃度的增加，增強了改性植物油分子親水基團的親水性，提高了其在水性環境下的溶解分散性與極性，表現出鹽溶效應，改性植物油分子親水基團極性的提高增強了其與極性金屬表面間的范德華力作用，進而增加了在金屬表面的吸附作用；摩擦系數后增加的原因是隨著鹽離子濃度的進一步增加，兩親性改性植物油分子發生鹽析效應，高濃度鹽離子抑制了其分散性及在表面的吸附性。表2 還表明，加量為0.5%的金屬減摩劑耐礦化度可達30 000 mg/L。

2.1.3 pH值對金屬減摩劑減摩性能的影響

以金屬減摩劑加量為0.5%的減摩工作液作為基礎液，采用稀鹽酸或氫氧化鈉調節基礎液pH 值分別至1、2、4、6、7、8、10、12，以P110 鋼塊作為摩擦基體，且以清水作為潤滑介質做對比，考察pH 值對金屬減摩劑減摩性能的影響，實驗結果如表3 所示。表3 表明，減摩工作液在酸性和中性環境下，金屬減摩劑改性分子含有磺酰基、羧基等耐酸性基團，在酸性環境下分子穩定強，耐水解性強，因此其在 P110 鋼塊摩擦系數CoF 變化不大，減摩性能基本不受影響，但在堿性環境下，隨著pH 值的增加，CoF 逐漸增加，減摩性能逐漸降低。可能原因是植物油分子在堿性環境下發生了水解反應（即皂化反應）。當pH>10 時，摩擦系數降低率顯著減小至14.4%，說明強堿性環境嚴重影響金屬減摩劑的減摩性能，因此，建議該金屬減摩劑現場施工的液體環境pH 不超過10，且適應于絕大多數連續油管井下作業液體環境，如壓后鉆塞、沖砂、通洗井、拖動酸化、輸送橋塞與射孔槍等工序。

表3 不同pH 值減摩工作液下P110 鋼塊摩擦系數

2.1.4 溫度對金屬減摩劑減摩性能的影響

以Cr-13 鋼塊作為摩擦基體，同時以清水作為潤滑介質做對比，考察了溫度對加量0.5%減摩工作液減摩效果的影響，見表4。表4 表明，隨溫度從室溫增加至140 ℃，Cr-13 鋼塊摩擦系數從0.115增加至0.185，仍然顯著高于以清水作為潤滑介質時Cr-13 鋼塊CoF 值0.75，計算的摩擦系數降低率從84.7%減小至73.4%。可見，加量0.5%減摩工作液在室溫至140 ℃溫度下減摩效果較好。通過酯交換反應在植物油分子鏈上引入酯基，形成的基礎油具有較低的傾點、較高的熱穩定性，保證了金屬減摩劑在較高溫度下的減摩潤滑性。

表4 減摩工作液在不同溫度下的Cr-13 鋼塊摩擦系數CoF

2.2 金屬減摩劑環保性能評價

2.2.1 細胞毒性

毒性評價能夠反映藥劑的環保性能優劣。圖2研究了連續油管金屬減摩劑濃度與細胞共培養時間對細胞增殖率的影響規律見圖2 和圖3。可知，在金屬減摩劑同一濃度下，隨著培養時間的增加，細胞增殖率增加，細胞生長狀態良好；所有樣品的細胞增殖率在95%～150%之間，參照國家標準GB/T 16175—1996 推薦評價細胞毒性分級的方法，增殖率≥100%時為0 級，75%～99%時為1 級，0 級與1 級毒性反應均為合格。說明金屬減摩劑在使用濃度為0.1%～1%范圍內沒有表現出細胞毒性。

圖2 連續油管金屬減摩劑濃度與共培養時間對細胞增殖率的影響規律

圖3 1%濃度金屬減摩劑溶液的細胞生長顯微圖

2.2.2 急性毒性與病理學評價

將受試動物分成3 組，進行不同劑量的金屬減摩劑灌胃實驗，并觀察和記錄生長狀態、癥狀與存活情況，以確定半致死濃度LC50。急性毒性實驗測試表明LC50約為55 000 mg/L，說明金屬減摩劑具有無毒環保的特性。

3 長寧頁巖氣井壓后鉆塞現場試驗

寧216HX-X 井原始人工井底5058.20 m，水平段全長2300 m，該井前期對水平井段2748～5058 m 分40 段進行密切割體積壓裂改造，壓后需進行連續油管鉆塞作業。鉆塞作業所用連續油管入井工具串為：鉚釘連接器+馬達總成+水力振蕩器+震擊器+馬達+磨鞋。

鉆塞施工經過：連續油管鉆完第4 至40 段橋塞后，連續油管下至井深4930.3 m 遇阻，無憋泵顯示。連續油管多次上提下放，無法通過，無憋泵顯示，判斷連續油管發生自鎖。連續油管下至井深4920 m 洗井，配制0.5%金屬減摩劑40 m3；連續油管鉆磨通過4942 m 第3 段底界橋塞，純鉆時間8 min，井口壓力19.2 MPa，泵注排量420 L/min，循環壓力49.1 MPa，返排使用φ7 mm 油嘴控制，出口排量430 L/min（泵入金屬減摩劑）。連續油管鉆磨通過5013 m 第2 段底界橋塞，純鉆時間3 min，井口壓力19.4 MPa，泵注排量420 L/min，循環壓力49.2 MPa，返排使用7 mm 油嘴控制，出口排量430 L/min（泵入金屬減摩劑）。連續油管下至人工井底5058.2 m 遇阻，復探3 次位置無變化。

效果分析：在不使用金屬減摩劑的條件下，采用馬達+水力振蕩器的機械工具組合，連續油管下至井深4930.3 m 遇阻，發生自鎖現象，使用金屬減摩劑后，解除連續油管自鎖，順利鉆完第2 段和第3 段底界橋塞并下至實際人工井底，現場連續油管鉆塞試驗體現了金屬減摩劑明顯的減摩效果。

4 結論

1.研制的連續油管金屬減摩劑，在加量0.5%時，使N80 鋼塊摩擦系數降低至0.12，與清水比較，CoF 降低率達到71.4%；使P110 鋼塊摩擦系數降低至0.16，與清水比較，CoF 降低率達到66.3%；使Cr-13 鋼塊摩擦系數降低至0.115，與清水比較，CoF 降低率達到84.7%。

2.連續油管金屬減摩劑耐溫達到140 ℃，適用pH 值范圍1～10，耐礦化度30 000 mg/L。

3.連續油管金屬減摩劑細胞增殖率在95%～150%之間，半致死濃度LC50約為55 000 mg/L，無細胞毒性和動物毒性，表現出環保性。

4.連續油管金屬減摩劑在長寧頁巖氣成功開展壓后鉆塞施工，解決了長水平段水平井采用機械振蕩工具仍無法解除自鎖的技術難題，安全環保，應用前景廣闊。