鉆井液用高溫極壓潤滑劑的性能研究

李文波

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊 065201）

隨著海上石油鉆井由淺水向深水、超深水發展，在海上鉆探高溫高壓大位移井和水平井日益增多，海上鉆井工程面臨著高溫高壓高鹽、高摩阻引起的托壓、起下鉆遇阻、下套管困難等井下復雜情況，大大增加了作業難度和鉆井成本[1-2]。在鉆井液體系中加入潤滑劑于金屬和巖石表面形成油膜，可以有效降低鉆柱和井壁間的摩擦阻力，減少卡鉆和鉆具磨損，實現安全、快速鉆井[3]。常規潤滑劑通過極性基團吸附作用形成物理油膜。一方面，在鉆進大位移井和水平井時的高負荷條件下，通過物理吸附形成的油膜極易被破壞，以致失去潤滑效果；另一方面，在高溫、高壓、高鹽的鉆井條件下，常規潤滑劑易降解失效，增大了材料消耗和鉆井成本[4]。在鉆井液體系中引入極壓潤滑劑是有效解決上述問題的方法之一[5]。通常極壓潤滑劑分子結構中含有硫、氯、磷、硼等元素，在高溫高壓等極端條件下可在金屬表面通過化學反應形成致密穩定的保護膜，從而發揮抗磨減摩作用[6-8]。本文在硫化脂肪酸類衍生物極壓潤滑劑的研究基礎上，開發了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）,并采用極壓潤滑儀和四球摩擦磨損試驗機評價了其潤滑性能和抗磨性能。

1 實驗材料與使用方法

1.1 實驗材料和儀器

1.1.1 實驗材料 硫化脂肪酸鹽（SFA）、硫化豬油（SL-1/SL-2）、硫化脂肪酸酯（SFAE）為商品潤滑劑；多羥基脂肪酸酰胺、多羥基脂肪酸酯；甲酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉以及單質硫等材料為分析純；抗高溫聚合物Polytemp180 和Polytemp200 等鉆井液材料由藍海博達科技有限公司提供。

1.1.2 實驗儀器 六速旋轉黏度計和極壓潤滑儀（OFITE 公司）；四球摩擦磨損試驗機（MRS-10A 型，濟南益華摩擦學測試技術有限公司）；傅里葉紅外光譜儀（BRUKER 公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 SFAA 的合成 SFAA 由實驗室合成。將多羥基脂肪酸酰胺36.96 g、多羥基脂肪酸酯63.04 g 和10 mL乙二胺加入到250 mL 三口燒瓶中攪拌均勻后，升溫至195 ℃，在氮氣保護下分三次加入9 g 單質硫后繼續攪拌反應6 h；反應結束后用少量石油醚洗滌，減壓蒸餾除去低沸點雜質和溶劑得到的黏稠液體即為產物。采用傅里葉紅外光譜儀表征SFAA 的分子結構，見圖1。

圖1 SFAA 的紅外譜圖

由圖1 可知，3 300～3 500 cm-1處的寬峰為-OH和酰胺基-CONH 的伸縮振動吸收峰；2 922.46 cm-1和2 853.16 cm-1處為甲基-CH3和亞甲基-CH2-的伸縮振動吸收峰；1 741.57 cm-1處為酯基中C=O 伸縮振動吸收峰；1 628.79 cm-1處為酰胺基中C=O 伸縮振動吸收峰；1 460.70 cm-1和1 378.48 cm-1處為-CH3的彎曲振動吸收峰；622.87 cm-1處出現了C-S 鍵的特征振動吸收峰；酯基和碳硫鍵的出現說明得到了預定產物。

1.2.2 鉆井液性能測試 按照如下配方配制水基鉆井液基漿：海水+1.0%預水化膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+1.5%聚合物Polytemp180+2.0%聚合物Polytemp200+30.0%甲酸鉀。

將不同潤滑劑樣品分別加入不同鉆井液基漿中，高速攪拌30 min，經室溫養護4 h 后用六速旋轉黏度計測定其流變參數，用極壓潤滑儀測量潤滑系數；將上述鉆井液在相應溫度下熱滾16 h 后，冷卻至室溫，高速攪拌10 min 后分別測定流變性能、高溫高壓濾失量以及潤滑系數。

1.2.3 四球摩擦實驗 最大無卡咬負荷（Pb值）：依據《GB/T 12583 潤滑劑極壓性能測定法》測定，設定轉速1 760 r/min，施加不同載荷，運轉時間10 s。

四球摩擦性能測試：設定轉速60 r/min，施加載荷150 N，運轉時間30 min，測定鋼球磨斑直徑。

2 結果與討論

2.1 含硫極壓潤滑劑性能評價

硫化產品由于具有優異的抗氧化性、極壓性、抗磨性、潤滑性、耐腐蝕性等性能特點，作為主劑已經廣泛應用于金屬加工業，調和高端沖壓油、拉伸油、冷鐓成型油、切削油、調和導軌油以及應用于膠黏、皮革助劑等其他行業[9]。為了研究硫化產品在鉆井液中的潤滑性能，選取了不同分子結構的硫劑，其基本參數信息見表1。可以看出，SL-1 和SL-2 均為硫化豬油，盡管硫含量不同，分別為11%和19%，但其具有相同的Pb 值，說明二者在極端壓力下在金屬等摩擦面形成穩定抗極壓膜的能力接近。其他產品的硫含量和Pb 值范圍都與SL-1 相近，便于不同分子結構的硫劑在鉆井液中的潤滑性能考察和比較。

表1 不同硫劑的參數信息

考察了溫度在50～210 ℃內加入1%硫化材料后水基鉆井液的滾后潤滑性能，見圖2。從圖2 可以得知，水基鉆井液基漿滾后潤滑系數隨著溫度變化不大，保持在0.26～0.30。加入SL-1/SL-2 和SFAE 后的鉆井液在低溫區潤滑性很差；滾后潤滑系數隨著溫度的升高而降低，溫度在升至150 ℃后的高溫區間滾后潤滑系數下降更加明顯，210 ℃滾后三者的潤滑系數為0.09～0.10，表現出良好的潤滑性能；三者表現出相近的潤滑性能和變化趨勢。SFA 并未表現出潤滑性，相反，加入SFA 的鉆井液滾后潤滑系數甚至高于鉆井液基漿。實驗室合成的SFAA 也表現出隨著溫度上升潤滑性能提升的現象，但在整個溫度區間的潤滑性能明顯優于上述四種材料，50 ℃下的滾后潤滑系數為0.10，120 ℃降至0.08，210 ℃降至0.05。

圖2 不同硫劑在不同溫度下的潤滑性能

加入不同硫化材料熱滾后水基鉆井液的潤滑系數降低率隨著溫度的變化曲線更加直觀的展現了這種趨勢規律（圖3）。含有SL-1/SL-2 水基鉆井液在低于120 ℃的低溫區潤滑系數降低率只有不足15.0%，含有SFAE的水基鉆井液潤滑系數降低率也只有33.0%；當溫度升至150 ℃后三種潤滑劑的潤滑系數降低率數據接近且有顯著的提升，在150～210 ℃達到60.0%左右。相比三種潤滑劑，SFAA 在所有溫度區間都具有更好的潤滑性能，潤滑系數降低率提升至60.0%～80.0%以上。

圖3 不同硫劑在不同溫度下的潤滑系數降低率

產生上述結果的主要原因在于硫化材料的分子結構存在差異，從而導致幾種材料的潤滑作用機理不同。首先，SL-1/SL-2 和SFAE 分子結構相似，主要通過硫化學反應在金屬表面產生化學膜而起到潤滑作用，這種化學反應需要在一定的溫度、壓力等情況下，因此，在150 ℃以上的溫度范圍潤滑效果更明顯；SFA 是一種具有表面活性的硫化脂肪酸鹽，加入SFA 的水基鉆井液體系在高速攪拌后產生大量穩定而細膩的泡沫，破壞了鉆井液體系的原有結構，導致在潤滑測試中效果不佳；而SFAA 中含有多羥基結構，一方面，改善了潤滑劑在鉆井液體系中的分散性和配伍性，另一方面，研究表明多羥基結構能夠與鐵元素形成鍵合吸附，吸附強度高于普通潤滑劑的物理吸附[10]，這也是SFAA 在低溫區間也表現出良好潤滑性能的原因。隨著溫度的升高，極壓元素硫開始發揮作用，形成了更加致密的潤滑膜，因此，在雙重作用機理疊加下，SFAA 在高溫區間的潤滑性能也更加優異。這為SFAA 提供了更廣泛的應用范圍。

2.2 四球摩擦實驗

與極壓潤滑儀測試摩擦副面接觸的方式不同，四球摩擦磨損試驗機測試的是摩擦副之間的點接觸。實際上鉆井工程中的摩擦副復雜多變，不僅存在著鉆桿-井壁之間的面接觸，也可能存在鉆桿-巖石或者井壁-固相物質之間的點接觸。不同含硫潤滑劑四球摩擦實驗結果見圖4。為模擬真實鉆井工程，設定壓力為150 N，轉速為60 r/min，測定時間為30 min，測試鉆井液經210 ℃、16 h 熱滾?？梢钥闯觯尤隨FAA 潤滑劑后，鋼球的磨斑直徑最小，這與極壓潤滑儀的潤滑性能測試結果一致。

圖4 不同潤滑劑的四球摩擦實驗結果

2.3 SFAA 對鉆井液性能的影響

在基漿中加入1% SFAA，研究其在210 ℃老化前后對基漿性能的影響。由表2 可見，基漿在經過210 ℃熱滾后，由于聚合物的降解表觀黏度下降明顯；而加入SFAA 熱滾前后流變數據參數變化很小，說明SFAA 具有良好的配伍性，可以改善基漿的抗溫性能；另一方面，高溫高壓濾失量變小，說明SFAA 能夠在鉆井液中良好的分散，并與其他鉆井液材料相互作用，參與改善泥餅質量，提升基漿的濾失造壁性。

表2 SFAA 對鉆井液性能的影響

3 結論

（1）硫化豬油和硫化脂肪酸酯等傳統含硫極壓潤滑劑的潤滑系數降低率范圍為0～60.0%，為使其產生最佳潤滑效果，應用溫度應高于150 ℃。

（2）通過分子設計，合成了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）極壓潤滑劑，該材料具有羥基吸附和硫化學反應雙重作用機理，可將潤滑系數降低率提升至60.0%～80.0%，相比傳統的含硫潤滑劑具有更優異的潤滑性能和更廣泛的應用溫度區間。

（3）該材料在水基鉆井液中具有良好的分散性和配伍性，能夠提升基漿的抗溫能力和濾失造壁性。