高溫高密度鉆井液的潤滑劑研究與應用

蔣 卓，舒福昌，王 君，彭 磊，許桂莉

（1.長江大學化學與環境工程學院，湖北荊州 434000；2.川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，四川成都 610056；3.川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川成都 610052）

隨著石油勘探開發向更深地層的延伸，鉆井過程中面臨的工程問題日益突出。深層油氣開發為了取得更好的產能和經濟效益，開發井多設計為大斜度定向井或大位移水平井。大斜度大位移井在鉆井過程中，由于長裸眼井段與鉆井工具大面積的接觸[1-2]，其摩阻問題尤為突出。尤其是在鉆遇深層高溫高壓復雜地層時，高溫、高礦化度及鉆井液自身的高固相含量會對鉆井液的潤滑性產生巨大影響，從而降低鉆井液的潤滑性能，進一步增大了鉆井作業過程中的摩阻，從而導致起下困難，甚至發生黏附卡鉆等復雜情況，嚴重影響鉆井工程作業[3-4]。如何降低高溫高壓復雜地層的鉆井摩阻，提高鉆井液的潤滑性能是解決這些問題的關鍵技術。因此，研究一種適合高溫高密度水基鉆井液的潤滑劑具有重要的現實意義。

1 高密度鉆井液潤滑劑研究

鉆井液潤滑劑包括礦物油類、植物油酯類、聚合醇類以及乳化石蠟類等[5-6]。在高溫、高礦化度及高固相條件下，礦物油類潤滑劑在高固相含量體系中不宜分散，吸附能力差，并且在高溫條件下容易析出；植物油酯類潤滑劑在高溫條件下存在高溫穩定性及氧化穩定性問題；聚合醇類潤滑劑容易受高礦化度的影響，吸附能力差，高壓差條件下潤滑效果有限；乳化石蠟類潤滑劑在高溫和高礦化度條件下穩定性較差，容易產生破乳，影響鉆井液潤滑性能。因此，高密度鉆井液潤滑劑研究的重點表現在抗溫、抗鹽及高壓條件下的極壓潤滑效果。

1.1 高密度鉆井液潤滑劑的作用機理

基于高密度鉆井液高固相特點及使用的高壓地層條件，高密度鉆井液用潤滑劑具有強的吸附作用、分散作用和極壓抗磨能力。潤滑劑通過吸附在固相顆粒表面，使鉆井液的泥餅形成一層一層具備連續潤滑作用能力的薄層，大幅度提高井壁的潤滑能力；通過分散在鉆井液連續液相中，提高液相的潤滑能力。在鉆井過程中，分散在鉆井液中的潤滑劑吸附在鉆具和鉆屑上，可以形成一層強吸附的致密潤滑薄膜，降低鉆具與地層井壁間的摩擦阻力，降低鉆屑之間的黏附力，減少黏附卡鉆風險；同時，接入的抗磨化學元素進一步提高潤滑薄膜的耐磨能力[7-8]，保證高壓差條件下鉆井液的潤滑作用效果。

1.2 高密度鉆井液潤滑劑的合成

高密度鉆井液潤滑劑使用植物油或植物油酸為原材料，首先通過酯化反應得到含不飽和雙鍵的脂肪酸酯，其次引入氨基、羥基等基團和氯、硫、磷等具有極壓抗磨能力的化學元素來提高潤滑劑的吸附能力和抗磨能力；再次進行磺化反應來提高潤滑劑的抗溫及抗鹽能力；然后加入由油包水型和水包油型復合的表面活性劑來提高潤滑劑在水基鉆井液體系中的分散能力；最后形成適用于高溫高密度水基鉆井液的高效潤滑劑HLG。

2 高密度鉆井液潤滑劑的評價

2.1 單劑抗溫穩定性評價

基漿配制：量取350 mL 去離子水倒入高攪杯中、加入0.7 g 無水碳酸鈉、17.5 g 鉆井液實驗配漿用膨潤土，高速攪拌20 min，在25±1 ℃下密閉養護24 h，使其表觀黏度達到15±5 mPa·s，如果達不到則適當調節評價土加量。在基漿中按照質量體積比加入1%潤滑劑HLG 試樣，高速攪拌20 min，即為實驗漿；在不同溫度條件下熱滾16 h，測試不同熱滾溫度后泥漿的潤滑性，來評價高密度鉆井液潤滑劑的抗溫性能[9-10]，實驗結果見表1。

表1 高密度鉆井液潤滑劑抗溫性能評價

從表1 數據來看，在180 ℃熱滾老化后，實驗漿的潤滑系數降低率為85.83%，潤滑系數變化不大，說明研制的高密度鉆井液潤滑劑HLG 具備良好的抗溫穩定性，抗溫能力可以達到180 ℃。

2.2 單劑抗鹽穩定性評價

鹽水基漿配制：量取350 mL 去離子水倒入高攪杯中、加入70 g 的NaCl、0.7 g 無水碳酸鈉、17.5 g 鉆井液實驗配漿用膨潤土，高速攪拌20 min，在25±1 ℃下密閉養護24 h。

在鹽水基漿中按照質量體積比加入1%不同潤滑劑試樣，高速攪拌20 min，即為實驗漿；在150 ℃條件下熱滾16 h，測試不同熱滾溫度后泥漿的潤滑性，以此來評價高密度鉆井液潤滑劑的抗鹽性能，實驗結果見表2。

表2 高密度鉆井液潤滑劑抗鹽性能評價

從表2 數據來看，在20% NaCl 鹽水基漿中，研制高密度鉆井液潤滑劑HLG 潤滑系數降低率為86.67%，表觀黏度變化小于2.0 mPa·s，表現出良好的抗鹽能力，潤滑性能明顯優于現階段常用的聚合醇類、乳化石蠟類及礦物油類潤滑劑。

2.3 單劑極壓膜強度評價

潤滑系數評價在一定程度上可以表征潤滑劑的作用效果，針對在高壓差條件下影響較大的潤滑膜強度問題，為了進一步體現潤滑劑HLG 的潤滑作用效果，室內研究開展了極壓膜強度相關研究。實驗儀器使用FANN 極壓潤滑儀進行極壓測試，評價了極壓膜破裂時的壓力扭矩變化情況及表面磨損情況來評價潤滑劑HLG 吸附形成的潤滑膜強度。分別對研究的高效潤滑劑HLG 與國內潤滑劑HLB、LUBE 和國外的E.P.Lube進行對比評價。潤滑劑加量為1%，基漿為2.1 配制的淡水土漿，在180 ℃條件下熱滾16 h，測試極壓膜強度，實驗結果見表3。

表3 潤滑劑極壓膜強度測試

從表3 數據來看，相同條件下，潤滑劑HLG 極壓膜強度基本是常規潤滑劑極壓膜強度的一倍左右，同等條件下優于國內外同類潤滑劑，可以降低高壓條件下摩阻，提高鉆井效率。

2.4 高密度鉆井液體系中的潤滑性能評價

室內在現場應用的有機鹽聚磺鉆井液體系中評價了潤滑劑HLG 對鉆井液體系流變性和潤滑性影響。在有機鹽聚磺鉆井液體系中分別加入不同比例的潤滑劑HLG，在180 ℃條件下熱滾16 h，測試滾后流變性和潤滑系數，實驗結果見表4。

表4 潤滑劑在高密度鉆井液體系中的潤滑性能評價

鉆井液體系配方：2.0%原礦土漿+0.5%NaOH+0.5%KPAM+0.5%護膠劑+0.8%降濾失劑+4.0%磺化酚醛樹脂+3.0%瀝青類封堵劑+10.0%KCl+15.0%有機鹽+重晶石（2.2 g/cm3）。

從表4 數據來看，高密度鉆井液體系中加入潤滑劑HLG 后，對體系的各項性能沒有影響，當加量提高到2%以上時，泥餅的黏滯系數和鉆井液潤滑系數有明顯降低，說明研制的潤滑劑HLG 適用于有機鹽聚磺鉆井液這類高鹽含量的鉆井液體系，可以保證鉆井液體系在高溫環境下具備良好的潤滑能力，有效降低鉆井過程中的摩阻，減少阻卡和卡鉆等復雜情況發生。

2.5 高密度鉆井液體系中的抗污染性能評價

室內在高密度鉆井液體系中模擬現場污染物侵入，進一步評價潤滑劑HLG 的作用效果對鉆井液體系流變性和潤滑性影響。根據現場不同的地層環境，模擬氧化鈣、鈣離子或劣質固相污染條件，在高密度鉆井液體系中加入2%CaO、1%CaCl2（Ca2+溶度3 600 mg/L）或10%～20%鉆屑粉，在180 ℃條件下熱滾16 h，評價滾后流變性和潤滑性變化情況，實驗結果見表5。

表5 潤滑劑抗污染性能評價

鉆井液體系配方：2.0%原礦土漿+0.5%NaOH+0.5%KPAM+0.5%護膠劑+0.8%降濾失劑+4.0%磺化酚醛樹脂+3.0%瀝青類封堵劑+2.0%潤滑劑HLG+10.0%KCl+15.0%有機鹽+重晶石（2.2 g/cm3）。

從表5 數據來看，高密度鉆井液體系中加入不同污染物后，體系的潤滑系數降低率還是能夠保持在50.00%以上，說明研制的潤滑劑HLG 具備良好的抗污染能力，適合深層復雜地層的勘探開發。

3 現場應用

高密度鉆井液潤滑劑研究成功后，在川渝地區進行了現場應用，高效潤滑劑HLG 應用井段從三開須家河組至燈影組，應用密度在1.47～2.25 g/cm3，使用井段為1 825～5 046 m，主要應用于高壓差井段和造斜段。應用過程中高效潤滑劑HLG 表現出良好的降摩減阻能力，在高壓井段，鉆具扭矩維持在20 kN·m 以下；鉆遇雷口坡組的大段石膏層時，鉆井液潤滑系數控制在0.120 0 左右，沒有出現大幅度下降現象，表現出良好的抗污染能力；整井段作業順利，起下鉆遇阻情況明顯優于鄰井，未出現黏附卡鉆和壓差卡鉆等復雜情況。

4 結論

（1）基于高密度鉆井液高固相特點，通過提高潤滑劑在固相顆粒表面吸附，強化了泥餅的潤滑能力，進一步提高高密度鉆井液體系潤滑作用效果。

（2）研制的潤滑劑與高密度鉆井液配伍性好，具有良好的抗溫、抗鹽及抗鈣效果，能有效的改善鉆井液的潤滑性，降低摩阻和扭矩，滿足高溫深井復雜地層的定向井和水平施工需求，具備良好的市場開發前景。