一種水基鉆井液用抗溫潤滑劑的研制與評價

姚磊

(中海油服油田化學(xué)事業(yè)部 深圳作業(yè)公司,廣東 深圳 518054)

近年來,隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入,地下淺層的油氣儲量不斷減少并逐漸轉(zhuǎn)向深層,因此定向井、大位移井、超長水平井及深井超深井等復(fù)雜井型的鉆探比重不斷增大。大位移井井段鉆具與井壁和套管間的高摩阻高扭矩、深井及超深井井下高溫等復(fù)雜情況以及國家對于鉆井液施工過程中環(huán)保力度的推行,這些都對鉆井液的潤滑性提出了更苛刻的要求[1-2]。據(jù)現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗表明,常規(guī)潤滑劑多采用礦物油、植物油等,雖然潤滑效果良好,但多存在生物毒性大、抗磨持久性差、抗溫性不足等問題,嚴(yán)重制約了其推廣應(yīng)用[3-10]。合成酯類潤滑劑具有較好的水解穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性,且生物毒性低,抗高溫能力強(qiáng),在航空、軍事等高端領(lǐng)域均廣泛應(yīng)用,很好的滿足和解決了井下高溫高摩阻的要求[11]。本文以長鏈脂肪酸和低分子多元醇為原料,通過酯化反應(yīng)合成了一種酯類化合物,再引入有機(jī)硼極壓材料,制備出了一種高效耐溫耐磨的復(fù)合潤滑劑GWLUB-1。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

主要原料:氫氧化鈉、無水碳酸鈉,分析純,天津市冀北精細(xì)化工有限公司;合成酯類潤滑劑GWLUB-1,自制;鈉膨潤土、PF-FLOTROL、PF-DFL-180、PF-XC、PF-PAC-HV、PF-LSF、PF-SMP、SPNH-HT、抑制劑、潤滑劑、重晶石,中海油田服務(wù)股份有限公司。

實驗儀器:XGRL-4A高溫滾子加熱爐、6聯(lián)中壓濾失儀、變頻高速攪拌器、六速旋轉(zhuǎn)粘度計,青島海通達(dá)專用儀器廠;Fann極壓潤滑儀,北京探礦工程研究所;抗磨試驗機(jī),青島奧龍星迪檢測設(shè)備有限公司;光照培養(yǎng)箱,上海合恒儀器設(shè)備有限公司;DXY-2 型生物毒性測定儀,北京中慧天誠科技有限公司。

1.2 抗溫合成酯類潤滑劑的制備

將長鏈脂肪酸和低分子多元醇和水按照一定比例加入反應(yīng)釜中,加入少量有機(jī)催化劑后攪拌均勻,升溫到75 ℃反應(yīng)2 h,再繼續(xù)升溫至170 ℃條件下反應(yīng)4 h,反應(yīng)過程中不斷通入N2排出氧氣防止氧化,酯化反應(yīng)完成后得到酯類化合物;再將溫度降低到60 ℃下,在反應(yīng)產(chǎn)物中加入有機(jī)硼極壓抗磨劑和消泡材料按照一定比例復(fù)配,攪拌均勻,最終得到黃褐色透明的抗高溫合成酯類潤滑劑GWLUB-1。

1.3 鉆井液配制

1)淡水基漿:向400 mL清水中加入1.2 g純堿、16 g鈉膨潤土,使用變頻高速攪拌器攪拌30 min,高攪后在室溫(25±1) ℃密閉條件下靜置養(yǎng)護(hù)24 h備用。

2)鹽水基漿:向400 mL清水中加入1.2 g純堿、16 g鈉膨潤土,使用變頻高速攪拌器攪拌30 min,繼續(xù)加入4%NaCl并高攪30 min,然后在室溫(25±1) ℃密閉條件下靜置養(yǎng)護(hù)24 h備用。

3)鉆井液體系:3%海水膨潤土漿+0.4%燒堿+0.25%純堿+0.3%PF-FLO TROL+0.5%PF-DFL-180+0.2%PF-XC+0.2%PF-PAC-HV+6%PF-LSF+3%PF-SMP+3%SPNH-HT+3%抑制劑+2%潤滑劑+重晶石,室內(nèi)按照上述鉆井液配方的順序依次加入處理劑并高速攪拌,配制完成后得到密度為1.40 g/cm3的鉆井液體系。

1.4 性能測試

1)鉆井液性能測試:向基漿以及鉆井液中加入一定量的GWLUB-1,以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速高攪15 min,再低速攪拌5 min后,測試鉆井液的各項流變參數(shù)、濾失量,考察潤滑劑對鉆井液性能的影響。

2)潤滑性能測試:使用Fann極壓潤滑儀,按照儀器操作說明書的步驟操作儀器,測試潤滑劑在淡水基漿、鹽水基漿以及鉆井液中老化前后的潤滑系數(shù),并計算出其潤滑系數(shù)降低率。

3)抗磨性能測試:使用KMY2011A抗磨試驗機(jī),按照說明書步驟,接通電源后在油盒中加入適量鉆井液(浸沒磨輪),使鉆井液與金屬鋼柱充分接觸,啟動電機(jī),按要求在砝碼托盤中逐步添加砝碼,直至10塊砝碼添加完或者儀器卡停,關(guān)閉電機(jī),記錄砝碼總數(shù)并觀察金屬鋼柱磨痕大小,以此評價其抗磨能力。

4)生物毒性測試:參照Q/SY 111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發(fā)光細(xì)菌法》以及GB /T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第二部分:檢測方法》測試潤滑劑樣品的生物毒性。

2 性能評價

2.1 基漿性能評價

向基漿中加入一定量的GWLUB-1,高攪后評價其潤滑性能,結(jié)果見表1。由表1數(shù)據(jù)可知,隨著GWLUB-1加量的增加,淡水基漿和鹽水基漿的潤滑性能不斷提高;當(dāng)加量為1%時,淡水基漿及鹽水基漿的潤滑系數(shù)降低率即可達(dá)到92.18%和81.21%,體現(xiàn)了該劑具有用量低、潤滑效果強(qiáng)的優(yōu)勢。這是由于GWLUB-1中的胺基、羥基、酯基等強(qiáng)極性基團(tuán)能與金屬表面形成化學(xué)吸附,吸附能力強(qiáng);且其長疏水烴鏈向外分布在金屬表面又形成物理吸附,使得鉆具與井壁之間的摩擦轉(zhuǎn)變成了潤滑膜之間的摩擦,從而大幅降低了潤滑系數(shù)。

表1 潤滑劑在基漿中的性能評價

2.2 抗溫性評價

潤滑劑的抗溫能力是保證其在井底高溫條件下是否持續(xù)有效潤滑的關(guān)鍵,目前市場上的常規(guī)潤滑劑多受到溫度影響,當(dāng)遇到井下高溫時容易發(fā)生降解而失去潤滑效果。室內(nèi)為了考察GWLUB-1的抗溫能力,將2%的潤滑劑加入淡水基漿中,測試其在各老化溫度下的潤滑性能,實驗結(jié)果見表2。隨著泥漿熱滾溫度的不斷升高,GWLUB-1的潤滑效果保持穩(wěn)定,當(dāng)老化溫度達(dá)到180 ℃時,基漿的潤滑系數(shù)降低率仍達(dá)到了82%,證明GWLUB-1具有較好的抗溫效果,抗溫達(dá)180 ℃,可滿足井下抗高溫要求。這是由于GWLUB-1分子中的酯基通過化學(xué)吸附在鉆具表面形成了一道強(qiáng)力吸附膜,當(dāng)溫度升高時,有機(jī)硼極壓劑又與鉆具金屬表面反應(yīng)形成了一層極壓膜,起到協(xié)同增效的作用,從而保證了其高溫下的潤滑效果。

表2 潤滑劑的抗溫性評價

2.3 潤滑性能對比評價

室內(nèi)選取了目前潤滑性能較好的三種市售潤滑劑LUB-A、LUB-B、LUB-C,在淡水基漿和鹽水基漿中加入2%的潤滑劑樣品,老化溫度為180 ℃,采用Fann21200極壓潤滑儀評價了各種潤滑劑在基漿中的潤滑效果,實驗數(shù)據(jù)見圖1。由圖1數(shù)據(jù)可知,180 ℃老化后,GWLUB-1在淡水和鹽水基漿中的潤滑系數(shù)降低率分別為82.48%和75.45%,老化前后潤滑效果穩(wěn)定,且均優(yōu)于另外三種市售潤滑劑,體現(xiàn)了其優(yōu)異的潤滑效果和抗溫能力。

圖1 不同潤滑劑的性能對比

2.4 抗磨性能評價

為了考察潤滑劑的抗磨能力,室內(nèi)將2%的GWLUB-1與另外三種市售潤滑劑分別加入清水、淡水基漿和鹽水基漿中,攪拌均勻后倒入油盒中,對摩擦環(huán)與金屬鋼柱加壓進(jìn)行磨損測試,實驗結(jié)果見表3。由表3數(shù)據(jù)可知:GWLUB-1的能承受的砝碼塊數(shù)最多,在淡水和鹽水基漿中均達(dá)10塊以上,且磨痕低于4 mm,僅有輕微磨損,表明其具有較好的抗磨減阻效果。

表3 潤滑劑抗磨能力評價

2.5 與鉆井液配伍性評價

為了考察潤滑劑與鉆井液體系的配伍性,室內(nèi)在配制的鉆井液中加入GWLUB-1,在160 ℃條件下老化16 h后,測定鉆井液流變、濾失、密度和潤滑性能,實驗結(jié)果見表4。隨著GWLUB-1加量的增加,鉆井液的黏切以及濾失量變化幅度非常小,而且潤滑劑加入后鉆井液未發(fā)生起泡情況,密度無變化。結(jié)果表明GWLUB-1不起泡,與該鉆井液體系配伍性良好,很好地滿足了現(xiàn)場作業(yè)要求。當(dāng)潤滑劑3%加量時,體系的潤滑系數(shù)降低率為65%,潤滑已趨于穩(wěn)定,效果顯著。

表4 潤滑劑對鉆井液的性能影響

2.6 環(huán)保性能

室內(nèi)依據(jù)1.4中的生物毒性評價方法,對GWLUB-1進(jìn)行了生物毒性評價,測得該劑的EC50(半數(shù)效應(yīng)濃度)值為118 640 mg·L-1,高于標(biāo)準(zhǔn)值25 000 mg·L-1;測得該劑的LC50值(半數(shù)致死濃度)為45 269 mg·L-1,大于我國一級海域生物毒性標(biāo)準(zhǔn)值30 000 mg·L-1,結(jié)果表明GWLUB-1無生物毒性,滿足環(huán)保要求。

3 結(jié)論

1)室內(nèi)以長鏈脂肪酸和低分子多元醇為原料,通過酯化反應(yīng)合成了一種酯類化合物,同時引入有機(jī)硼極壓材料,制備了一種高效耐溫耐磨的復(fù)合潤滑劑GWLUB-1。

2)GWLUB-1具有良好的潤滑性能,1%加量時在淡水基漿和鹽水基漿中的潤滑系數(shù)降低率即可達(dá)到90%和80%以上。2%加量時基漿中抗磨均達(dá)10塊以上,且磨痕低于4 mm,僅有輕微磨損,抗磨效果顯著。

3)GWLUB-1的抗溫性達(dá)180 ℃,EC50值>25 000 mg/L,LC50值>30 000 mg/L,無生物毒性,滿足我國對一級海域油田的鉆井液生物毒性要求。

4)GWLUB-1不起泡,與鉆井液體系配伍性良好,較好的滿足了現(xiàn)場作業(yè)要求。