大位移井高溫水基鉆開液用抗高溫潤滑劑的研制與應用

＊彭三兵 何斌 段國慶 陳昆鵬

（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部塘沽作業公司 天津 300452）

鉆井液的潤滑性能對鉆井工作影響很大。特別是在鉆探定向井、水平井和叢式井時，鉆柱的旋轉阻力和提拉阻力會大幅提高，從而導致各種井下復雜情況發生并影響作業時效[1]。因此使用潤滑性能好的鉆井液對減少卡鉆等井下復雜情況，保證安全、快速鉆井起著至關重要的作用。

鉆井液中潤滑劑按照產品形態分為固體潤滑劑和液體潤滑劑。固體潤滑劑包括石墨潤滑劑和塑料小球潤滑劑，主要用于解決常規井高磨阻問題；液體潤滑劑產品類別較多，根據其適用井型，可分為適用于常規井的普通液體潤滑劑和大位移井的極壓潤滑劑。液體潤滑劑主要通過物理吸附作用或摩擦化學反應在鉆具金屬表面形成潤滑膜來降低摩擦系數，鉆井液中的鹽及其它材料均影響潤滑劑的物理吸附或化學反應，從而影響潤滑劑在不同鉆井液中功效的發揮。特別是鉆開液，為滿足儲層保護要求，一般用可溶鹽加重提高鉆井液密度，其鹽濃度較高，導致大多數液體潤滑劑在鉆開液中失去潤滑效果。同時對于深井鉆開液，井底溫度高，這對鉆開液潤滑劑的抗溫性也提出更高的要求。

針對上述問題，基于潤滑劑作用機理分析，通過油性劑組分和極壓抗磨組分的篩選，開發了一款耐高溫適用于大位移井高溫鉆開液的潤滑劑，在實驗室內通過采用符合API標準的極壓潤滑儀和潤滑模擬評價裝置（LEM）驗證了其潤滑性能，并在海上油田進行現場應用。

1.實驗部分

(1)材料與儀器

SO，大豆油，工業級；OA，油酸，工業級；MEOA，油酸甲酯，工業級；ETOA，油酸乙酯，工業級；EGOA，乙二醇油酸酯，工業級；JY-1，硫型擠壓抗磨劑，工業級；JY-2，磷型極壓抗磨劑，工業級；JY-3，氯型極壓抗磨劑，工業級；JY-4，硼型極壓抗磨劑，工業級；JY-5，硫-硼型極壓抗磨劑，工業級；其余材料均為市售品。

六速旋轉黏度計，OFITE公司（美國）；高速攪拌器，探礦工程技術研究所（北京）；極壓潤滑儀，OFITE公司（美國）；MS-10A型四球摩擦磨損試驗機，天機自動化有限公司（廈門）；LEM-4100潤滑模擬評價裝置，Core lab/Temco公司（美國）。

(2)實驗操作

①抗高溫潤滑劑LUBE HT的研制

通過前期實驗篩選幾款常用的油性劑和極壓抗磨劑，分別以在高溫水基鉆開液中的摩擦系數和極壓抗磨性為指標，研選出合適的油性劑和極壓抗磨劑組分，將研選的油性劑和極壓抗磨劑組分以一定配比添加復配，再加入2.5%司班80，2.5%吐溫20，1.0%EL-10及1.0%消泡劑，常溫下攪拌20min，制備出抗高溫潤滑劑LUBE HT。

②高溫水基鉆開液基漿的配制

高溫水基鉆開液基漿配方為：海水+0.3%燒堿+0.4%純堿+1.5%聚合物降濾失劑（PF-DFL180）+1.5%聚合物降濾失劑（PF-DFL200）+3%模擬鉆屑（REVDUST），甲酸鉀加重至1.15g/cm3，高攪下按配方順序加料，總共高攪60min。

③評價方法

A.鉆井液流變和極壓潤滑性能。使用六速旋轉黏度計測定流變數據；使用極壓潤滑儀測量扭矩讀數，計算摩擦系數，評價潤滑性能。

B.抗磨性能。參照《SH/T 2004潤滑脂抗磨性能測定法》，潤滑劑的抗磨性能。

C.潤滑性模擬評價（采用LEM4100裝置）。基于前期研究[2]，采用LEM-4100評價潤滑劑在高溫高壓條件下的潤滑效果。

2.結果與討論

(1)抗高溫潤滑劑LUBE HT的作用機理

鉆井液用潤滑劑用于降低鉆井液中鉆具-套管、鉆具-泥餅和鉆具-巖石間摩擦系數，其作用機理主要是在鉆具金屬表面形成潤滑膜，將摩擦副間邊界潤滑轉變為流體潤滑，從而降低摩擦系數。常用潤滑組分按照潤滑膜形成機理，可分為油性劑組分和極壓抗磨劑組分[3]。油性劑或稱為減摩劑，主要在低負荷下能通過吸附在金屬表面形成物理吸附膜來減少摩擦和磨損的添加劑，在中等負荷及速度下，摩擦面溫度升高，油性劑發生脫附從而會喪失吸附能力失去減摩功效；極壓抗磨劑，主要在中高負荷下，在摩擦面上能與金屬發生摩擦化學反應生產潤滑膜。對于大位移井鉆井，扭矩和磨阻是整個井段摩擦力的綜合體現，上部垂直井段，鉆具和套管間作用力低，屬于低載荷摩擦范疇，下部造斜甚至水平井段，鉆具和套管間作用力高，屬于中高載荷摩擦范疇。基于以上分析，大位移井鉆井液用抗高溫潤滑劑組分除具備抗溫性能外，還應該由油性劑和極壓抗磨劑組成。下面從油性劑和極壓抗磨劑組分兩方面選擇開發抗高溫潤滑劑LUBE HT。

①油性劑的選擇。油性劑通常是油脂類或者烴鏈末端有極性基團的化合物，其作用機理是通過油性劑自身的極性基團吸附在金屬表面，形成分子定向吸附膜，從而降低金屬與金屬，金屬與巖層之間的摩擦。常用的油性劑有動植物油脂、脂肪酸和脂肪酸酯等。使用極壓潤滑儀分別評價了大豆油SO、油酸OA、油酸甲酯MEOA、油酸乙酯ETOA、乙二醇油酸酯EGOA在高溫水基鉆開液中的潤滑性能，實驗結果見圖1。

圖1 不同油性劑在高溫鉆開液中摩擦系數

由圖1可知，在高溫鉆開液中，同基漿相比，SO和OA幾乎沒有減摩效果；MEOA、ETOA和EGOA均有減摩效果，其中EGOA減摩效果最佳，可將基漿摩擦系數由0.22降至0.11，降低了50%。這是由于植物油和油酸甲酯/乙酯分子結構中酯基與金屬親和力弱，形成弱吸附膜，而EGOA分子結構中除含酯基外，含有羥基，與金屬間親和力強，能形成強吸附膜。因此選擇EGOA為高溫潤滑劑的油性劑組分。

②極壓抗磨劑的選擇。采用MS-10A型四球摩擦磨損試驗機測試了硫型極壓抗磨劑JY-1、磷型極壓抗磨劑JY-2、氯型極壓抗磨劑JY-3、硼型極壓抗磨劑JY-4、硫-硼型極壓抗磨劑JY-5在高溫水基鉆開液中抗磨性能，實驗結果見圖2。

圖2 不同類型極壓抗磨劑在高溫鉆開液中抗磨性

由圖2可知，在高溫鉆開液中，同基漿相比，抗磨劑JY-2、JY-3四球長磨磨斑直徑未減小，無抗磨效果；抗磨劑JY-2金和JY-4四球長磨磨斑直徑略有降低，有一定的抗磨效果；抗磨劑JY-5四球長磨磨斑直徑最低，為0.619mm，同基漿相比，磨斑直徑降低了51%。因此選擇硫-硼型極壓抗磨劑JY-5為高溫潤滑劑的極壓抗磨劑組分。

(2)抗高溫潤滑劑LUBE HT的性能

在高溫水基鉆開液基漿中分別加入1% LUBE HT和2種對比商品油基潤滑劑，測試它們的流變性和潤滑性能，實驗結果見表1。

表1 LUBE HT和商品油基潤滑劑在高溫水基鉆開液中性能

由表1可知，高溫鉆開液基漿熱滾前和熱滾后的摩擦系數分別為0.19和0.17；鉆開液基漿中加入1% LUBE HT，熱滾前和熱滾后的摩擦系數分別為0.05和0.03，較基漿比潤滑系數分別降低73.68%和82.35%；LUBE HT加入高溫鉆開液中，對鉆開液的流變性和濾失性能沒有影響，體現出良好的配伍性。

受限于常規極壓潤滑儀僅具備常溫下測試的功能，無法模擬井下高溫條件。因此引入LEM4100裝置，模擬不同的井下溫度和側向力，以150℃井下溫度和0.7MPa側向力的試驗條件驗證LUBE HT的抗溫抗壓潤滑性，實驗結果見圖3。

圖3 150℃高溫條件下潤滑劑在高溫水基鉆開液中摩擦系數（LEM法）

由圖3可知，在150℃高溫條件下，高溫鉆開液的摩擦系數約為0.3，加入1% LUBE HT，鉆開液的摩擦系數降為0.1左右，降低了67%；加入1%的商品潤滑劑，鉆開液的摩擦系數降為0.13左右。同商品潤滑劑相比，LUBE HT高溫條件下潤滑效果更佳。

3.現場應用

渤海油田渤中區塊某井五開6"井段使用高溫鉆開液鉆開太古界潛山儲層，鉆開液沒加LUBE HT前鉆進至4810m時，鉆進扭矩高達23～25kN·m，空轉扭矩高達17～19kN·m，影響作業安全和作業時效，現場加入15kg/m3LUBE HT，鉆進扭矩由加入前23～25kN·m降至19～21kN·m，空轉扭矩由加入前17～19kN·m降至12～14kN·m，保障了后續作業順利高效完成，這說明LUBE HT具有優良的降摩減阻性能。

4.結論

（1）基于潤滑劑作用機理分析，通過油性劑組分和極壓抗磨組分的篩選，開發了適用于大位移井高溫鉆開液的高溫潤滑劑LUBE HT。

（2）采用極壓潤滑儀評價了潤滑劑在高溫鉆開液中潤滑性能。結果表明，加入1% LUBE HT高溫鉆開液熱滾前和熱滾后的摩擦系數分別降低了95%和82%，體現出良好的潤滑性能。

（3）采用LEM法評價了潤滑劑在高溫鉆開液中150℃高溫下的潤滑性能。結果表明，加入1% LUBE HT高溫鉆開液摩擦系數降低了67%，體現出良好的潤滑性能。

（4）渤海油田渤中區塊某井五開6"井段高溫鉆開液中加入15kg/m3LUBE HT，鉆進扭矩由加入前23～25kN·m降至19～21kN·m，空轉扭矩由加入前17～19kN·m降至12～14kN·m，保障了后續作業順利高效完成。