硅酸鹽鉆井液用多功能潤滑劑

劉智勤，管申，許明標，吳嬌

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.長江大學石油工程學院，武漢 430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

北部灣盆地未開發的邊際油田群地質儲量高達1.05 億m3，整個邊際油田呈“整體分散、局部富集”的特點，具有客觀的開采價值。北部灣盆地存在上部易垮塌地層與下部儲層同井段、泥頁巖斷層發育、地層強度高可鉆性差等地層特性，儲層段黏土礦物含量為36%～62.7%，主要以伊蒙間層與伊利石為主，具有一定的水化膨脹性，分散性強，剝落掉塊為主要井壁失穩方式。目前北部灣盆地W 區塊已作業的40 多口井中，60%的井采用水基鉆井液，40%采用油基或合成基鉆井液，水基鉆井液在鉆進儲層段時，由于泥巖含量高、摩阻大、井下事故頻發，經常出現井壁不穩定問題，起下鉆遇到阻卡、縮徑等復雜情況，嚴重影響了該區域的勘探開發速度；而采用油基或合成基鉆井液作業時，雖然上述難題明顯得到緩解，但是不能滿足當前環境保護的需求。因此，需要開發高性能的水基鉆井液和水基外加劑來保證井壁穩定、降低摩阻，保障該區塊油氣井穩定高效的開發。

分析國內外井壁的失穩機理，約90%的井壁失穩問題與頁巖有關[1-2]，W 區塊儲層段黏土礦物含量高，井壁失穩風險大，常規的水基鉆井液不能滿足其開發的需求。考慮到硅酸鹽鉆井液具有優秀的“封固”特性，能夠通過堵塞頁巖孔隙和微裂縫，抑制頁巖中黏土礦物水化膨脹和分散的性能較好，具有類似油基鉆井液的強防塌性能和強抑制性能[3-7]，后期開發中希望引入硅酸鹽鉆井液進行鉆進。該鉆井液目前在塔里木油田、大慶油田、大港油田和海上油井等進行了廣泛應用，防塌效果明顯。但硅酸鹽鉆井液的強堿性使得鉆井液添加劑的配伍性差，如常規潤滑劑極易失效，同時常規潤滑劑主要功能體現在降低摩阻方面，抑制能力較弱，不能有效地抑制黏土的水化膨脹。盡管國內外學者在優化硅酸鹽鉆井液的潤滑性能方面做了大量的研究和測試[8-11]，但其在潤滑性方面仍存在較多的難題[12-13]。

為了解決北部灣盆地井壁不穩定性和使用硅酸鹽鉆井液與潤滑劑不配伍的難題，室內研發了一種具有潤滑性能好、抑制性強的ALM 多功能潤滑劑。與常規潤滑劑主要依靠乳化劑吸附（即在鉆具與井壁之間形成油膜降低鉆具與井壁之間的摩擦）不同，ALM 多功能潤滑劑主要是依靠大量分子化學吸附，使得鉆具與井壁呈現出一種完全隔離的狀態從而降低摩阻。ALM 多功能潤滑劑與硅酸鹽鉆井液配伍性良好，高堿性環境下不會水解失效，不易起泡。同時，該潤滑劑抑制性強，能抑制W 區塊儲層段巖石的水化膨脹，降低了鉆井過程中出現井壁失穩的風險。

1 多功能潤滑劑合成及機理分析

1.1 ALM多功能潤滑劑的制備

在室溫下將環狀酸酐化合物、三乙醇胺和催化劑按照40∶20∶5 的質量比依次加入到反應釜中，攪拌升溫至80～90 ℃反應3 h，此過程中環狀酸酐化合物水解反應的產物與三乙醇胺發生酯化反應，生成含雙酯鍵的有機物。在氮氣保護下升溫至160 ℃，加入一定量的太古油和乙二醇，繼續升溫至170～180 ℃反應2 h，降溫至90 ℃后，轉入調和釜，加入納米聚四氟乙烯微粉，繼續反應2 h，循環過濾冷卻至室溫[14]，得到的棕黃色液體即為ALM 多功能潤滑劑。

1.2 ALM潤滑機理和抑制機理

1）ALM 多功能潤滑劑潤滑機理。①ALM 多功能潤滑劑具有層狀結構的雙酯鍵、醚鍵，其分子之間可相對滑動，能在黏土微粒表面產生吸附作用，進而降低黏土微粒在流動過程中產生的滑動摩擦阻力；②羥基、醇羥基等極性基團，能提高潤滑劑和納米聚四氟乙烯粉的親水性和吸附性，使潤滑劑在巖石和鉆具表面上形成定向的分子層，從而形成了高韌性的潤滑吸附膜，吸附膜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，減少摩擦阻力從而起到潤滑作用；且吸附基團位于分子鏈同端，吸附層致密不易脫附；③同時引入納米聚四氟乙烯微粉，可以填充鉆具摩擦表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，降低摩擦表面的磨損，能有效降低壓差卡鉆的風險。

2）ALM 多功能潤滑劑的抑制機理。ALM 多功能潤滑劑抑制機理見圖1。

圖1 ALM 多功能潤滑劑抑制機理

如圖1 所示，ALM 多功能潤滑劑中的少量納米聚四氟乙烯微粉填充微裂隙及微孔隙，醇羥基、醚基等多種基團使潤滑劑在掉塊巖石表面形成了高韌性的潤滑吸附膜，與微裂隙及微孔隙巖石的表面鍵合，起到對巖石弱面的膠結作用，宏觀增強巖石整體強度；同時形成的潤滑吸附膜隔絕了鹽水對巖樣的侵蝕，減緩了巖樣的水化膨脹。層狀結構的雙酯鍵形成類似錨鏈屬性的多點錨鏈，其能夠快速控制最活躍水化點并牢牢的固定在巖石表面及層間，防止黏土顆粒發生表面水化和滲透水化，雙重作用防止泥巖造漿，并提高井壁穩定性。

2 ALM 多功能潤滑劑性能評價

2.1 理化性能

潤滑劑ALM 外觀為棕黃色均勻液體，密度為0.90 g/cm3，熒光級別較低為3 級，參考Q/SY 1088—2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》，對潤滑劑ALM 的主要理化性能進行了評價，ALM的密度為0.9±0.1 g/cm3，密度差為0.05 g/cm3，凝點為-10～-9 ℃，表觀黏度為18 mPa·s，濾失量為13 mL，揮發分含量為5.2%，潤滑系數降低率為87.65%，黏附系數降低率為68.52%。結果表明，ALM 的理化性能均滿足現場潤滑劑使用基本要求。

2.2 環保性能

ALM 的主要原材料為環保可降解材料，可減輕或避免對環境的污染。室內對多功能潤滑劑的生物降解性和生物毒性進行了測試。

1）生物降解—BOD5/CODCr法：一般行業要求不低于10%；以重鉻酸鉀法測定潤滑劑的CODCr，稀釋與接種法測定潤滑劑的BOD5，以BOD5/CODCr值表示生物降解性（見表1），BM-1 生物降解性＞25%，屬于易降解物質[15]。

表1 ALM 多功能潤滑劑的生物降解能力

2）生物毒性—鹵蟲法。海洋一級海域要求EC50大于30 000 mg/L。依據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》，測定ALM 的生物毒性EC50值為61 500 mg/L，遠大于排放標準30 000 mg/L。

環境保護測試實驗結果表明，合成的ALM 多功能潤滑劑的生物毒性顯示其對環境友好，且具有良好的生物降解性，無生物毒性，屬于環境友好型潤滑劑。

2.3 潤滑性能

室內采用抗磨試驗機KMY201-1A 和 E-P 極壓潤滑儀，分別評價了白油、鉆井液中常用的植物油類潤滑劑LUBE-H、聚合醇類潤滑劑PF-LUBE 以及ALM 多功能潤滑劑在清水中不同加量時的抗磨性能和極壓潤滑性能，實驗結果如表2 所示，抗磨鋼塊上的磨損情況如圖2 所示。

表2 不同潤滑劑極壓潤滑及抗磨性能評價

圖2 抗磨鋼塊的磨損情況（從左至右依次為15%ALM多功能潤滑劑、PF-LUBE、LUBE-H 和白油）

由實驗結果可知，白油潤滑性能較好，潤滑系數為0.036，但抗磨性能較差，可以承載6.5 kg 的重量且鋼塊磨痕很大；多功能潤滑劑ALM 的抗磨和潤滑性能均好，加量15%多功能潤滑劑ALM 的潤滑系數為0.032，可承載12 kg 的重量，且鋼塊磨痕非常小，潤滑性能及抗磨性能均優于白油和其他類型的潤滑劑。

由于部分常規潤滑劑不抗鈣鎂，在海水膨潤土漿中易起泡，甚至潤滑劑失效，而W 區塊采用海水鉆進，故該實驗增加了潤滑劑在模擬海水膨潤土漿中的性能評價，結果見表3。從表3 可以看出，在淡水和海水膨潤土漿中，ALM 多功能潤滑劑的抗磨性能和潤滑性能均優于潤滑劑LUBE-H 和PFLUBE。

表3 在膨潤土漿中加入0.5%潤滑劑的性能評價

2.4 抗溫性能

潤滑劑的抗溫性能是其在鉆井液中持續發揮功效關鍵，室內采用5%的海水膨潤土漿中加入0.5%ALM，測試不同溫度下（100～180 ℃）潤滑劑老化16h 后摩阻系數變化規律，考察ALM 的抗溫性能，實驗結果如表4 所示。實驗結果表明，隨著老化溫度從 100 ℃升高至 160 ℃，海水膨潤土漿潤滑系數降低率變化幅度不大，始終保持在80%以上，溫度升高到180 ℃時，出現了明顯的下降，說明ALM 潤滑劑耐溫可達160 ℃，在高溫下具有較好的潤滑性能。

表4 ALM 多功能潤滑劑在基漿中的抗溫性能

2.5 抑制性能

ALM 多功能潤滑劑的抑制性評價，室內通過浸泡實驗，模擬鉆井過程中鉆井液對地層巖石的影響。取W 區塊儲層潿二段掉塊巖樣放入溶液中，觀察巖樣在恒溫箱中90 ℃恒溫浸泡1、2、24、48 h 的變化，結果見表5，48 h 巖樣狀態見圖3，從表5 可以看出，WZ11-1 井掉塊巖樣極易水化膨脹，在淡水中僅浸泡1h 即破碎；配方3 中加入了ALM多功能潤滑劑抑制效果較好，可媲美白油，能有效增強現場掉塊的強度，抑制掉塊水化分散，起到較好的預防井壁垮塌效果。采用5%ALM 多功能潤滑劑對潿二段現場掉塊巖樣浸泡1 周后的電鏡掃描結果如圖4 所示。從圖3 可以看出，浸泡1 周后，掉塊本身存在的裂縫未出現發展延伸、未出現新裂縫，說明ALM 多功能潤滑劑具有良好的抑制泥巖水化膨脹的能力。

表5 不同潤滑劑溶液對巖樣的水化抑制能力評價

圖3 浸泡48 h 時后不同溶液中巖樣狀態對比

圖4 ALM 多功能潤滑劑浸泡巖樣1 周后電鏡掃描結果

3 不同鉆井液體系的性能評價

對比評價了北部灣地區鉆井現場所用的海水聚合物鉆井液（PDF-PLUS/KCl）、PDF-MOM 兩種鉆井液和室內研究的硅酸鹽鉆井液的配伍性能、極壓潤滑性能、抗磨性能、四球抗磨性能和抑制性能。鉆井液基本配方如下。

PDF-PLUS/KCl 體系配方：海水+0.25%NaOH+0.2%Na2CO3+2%膨潤土（9%預水化膨潤土漿）+0.7%PF-PAC-LV+3%PF-LSF+3%PF-NRL+5%KCl+0.5%PF-PLUS+0.2%PF-XC+3%PF-LUBE+2%PF-UHIB+重晶石加重至1.4 g/cm3

硅酸鹽鉆井液基本配方：65%淡水+1.0%NaOH+0.3%PAV-HV+0.3%XC+3%pH 值穩定劑+10%液體流型調節劑+1.5%降濾失劑+2%FT-2+5%硅酸鈉+1%KCl+重晶石加重至1.4 g/cm3

現場PDF-MOM 體系配方：3#湛江白油+2%1699+1%1767+3%PF-MOALK+2%有機土+30%CaCl2鹽水+2%PF-MORLF+5%PF-MOLSF+重晶石加重至1.4 g/cm3，油水比為85∶15

3.1 與鉆井液的配伍性能

室內分別選取北部灣地區鉆井現場所用的海水聚合物鉆井液（PDF-PLUS/KCl）和硅酸鹽鉆井液進行測試，結果如表6 所示。

表6 ALM 多功能潤滑劑與鉆井液配伍性能評價

實驗結果表明，加入潤滑劑后，2 種體系的密度變化值均小于0.02 g/cm3，隨著潤滑劑加量的增大，兩種體系的流變性基本保持穩定，API 失水和高溫高壓失水均出現下降趨勢，pH 值基本無變化，尤其是對要求較為嚴格的硅酸鹽鉆井液體系基本無影響。潤滑劑加量增加，體系的潤滑系數降低明顯，體現了良好的潤滑性能，說明ALM 潤滑劑與聚合物鉆井液和硅酸鹽鉆井液配伍性良好。ALM 潤滑劑推薦加量為5%，后續的3種體系對比實驗中，硅酸鹽鉆井液中均加入了5%ALM 潤滑劑。

3.2 四球抗磨性能評價

采用微控全自動四球摩擦試驗機對比評價了硅酸鹽、PDF-PLUS/KCl、PDF-MOM 三種鉆井液體系的抗磨性能。實驗結果表明，PDF-PLUS/KCL體系的四球抗磨磨斑為1.072 mm，PDF-MOM 體系的四球抗磨磨斑為0.780 mm，硅酸鹽體系四球抗磨磨斑為0.662 mm，磨斑最小，為0.662 mm，硅酸鹽體系抗磨效果比PDF-MOM 和PDF-PLUS/KCl 體系強，ALM 多功能潤滑劑中加入的納米聚四氟乙烯微粉，可以填充鉆具摩擦表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，有效降低摩擦表面的磨損。

3.3 抑制性能評價

分別取儲層段1630～1645 m 和2982～2992 m 鉆屑，對3 種鉆井液體系進行抑制性能評價。根據圖5 結果顯示，塑性黏度表征鉆井液內摩擦力，3 種鉆井液在儲層段1630～1645 m 和流二段2982～2992 m 鉆屑的抑制實驗中，從塑性黏度增長率看，老化后PLUS/KCl 鉆井液較MOM 油基鉆井液的塑性黏度值增加小，硅酸鹽鉆井液和PLUS/KCl 鉆井液的塑性黏度值增長率相當，硅酸鹽具有較好的抗鉆屑污染能力。

圖5 3 種鉆井液的抑制性能

4 結論

1.含有雙酯鍵、醚鍵和醇羥基等多種基團與納米聚四氟乙烯微粉的ALM 多功能潤滑劑，無論是ALM 多功能潤滑劑單劑，還是在淡水或海水膨潤土漿中均具有優秀的抗磨性能和極壓潤滑性能。

2.研究合成的ALM 多功能潤滑劑具有較強的抑制能力，能抑制W 區塊儲層段掉塊巖樣的水化分散。

3.ALM 多功能潤滑劑與硅酸鹽潤滑劑配伍性良好，對體系流變性能無影響，能降低硅酸鹽鉆井液的摩阻、提高封堵性能和四球抗磨性能。

4.ALM 多功能潤滑劑能提高現場PDF-PLUS/KCl 鉆井液的潤滑性能和抗磨性能。