JZLu-1高效潤滑劑的制備及現(xiàn)場應(yīng)用

王在明，李　睿，朱寬亮，胡中志，馮京海

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063000)

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JZLu-1高效潤滑劑的制備及現(xiàn)場應(yīng)用

王在明，李睿，朱寬亮，胡中志，馮京海

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063000)

針對大斜度井和大位移井鉆井過程中摩阻扭矩高及常規(guī)潤滑劑用量大、潤滑效果差的問題，以合成基礎(chǔ)油為主要原料，添加球形納米SiO2和硫-磷-鉬等抗磨損極壓劑，并應(yīng)用陽離子乳化劑進(jìn)行乳化，制備了JZLu-1高效潤滑劑。應(yīng)用ζ電位測定儀、四球試驗(yàn)機(jī)和極壓潤滑儀測試了JZLu-1潤滑劑的電位、減磨性能和極壓潤滑性能，利用電子顯微鏡觀察了JZLu-1高效潤滑劑在金屬上的吸附過程，結(jié)果表明：JZLu-1高效潤滑劑帶微弱正電荷，可以主動吸附在金屬表面上，形成油膜；JZLu-1高效潤滑劑含有的納米SiO2起減磨作用；JZLu-1高效潤滑劑含有的硫-磷-鉬極壓劑提高了其極壓潤滑性能，其極壓潤滑系數(shù)為0.028 3。6口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明，JZLu-1高效潤滑劑能夠大幅降低大斜度井和大位移井鉆井過程中的摩阻扭矩，解決了常規(guī)潤滑劑潤滑效果差、用量大的問題。

潤滑劑；乳化劑；大位移井；摩阻；扭矩；南堡油田

大斜度井和大位移井鉆井過程中摩阻扭矩高，制約了井眼的有效延伸，降低了鉆井效率[1-4]。通過增大鉆井液中潤滑劑的加量，或者采取將液相潤滑劑和固體潤滑劑(石墨或塑料小球等)復(fù)合的方式來提高鉆井液的潤滑性能，降低摩阻扭矩，但總體效果一般，尤其是鉆井液中潤滑劑的加量達(dá)到一特定值后，潤滑效果不再隨著潤滑劑加量增大而增加[5]。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者通過在基礎(chǔ)油中添加黏度改進(jìn)劑、抗氧劑、硫磷型抗磨劑等技術(shù)手段改善潤滑劑的性能，并取得了很好的效果。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過在基礎(chǔ)油中添加球形納米材料和硫-磷-鉬添加劑，利用陽離子乳化劑的乳化作用對基礎(chǔ)油和添加材料進(jìn)行包裹，制備了一種高效潤滑劑JZLu-1。該潤滑劑中有許多帶正電荷的微球，能夠很好地吸附在帶微弱負(fù)電荷的鉆具和地層表面，從而提高潤滑劑的潤滑效果，降低大斜度井和大位移井鉆井過程中的摩阻扭矩。

1　JZLu-1高效潤滑劑的制備

制備JZLu-1潤滑劑時(shí)，要在合成基礎(chǔ)油中添加固體納米粉末和不同密度的各種添加劑，因此，對分散和乳化的要求相對較高。被加工物料通過膠體磨定、轉(zhuǎn)齒之間的間隙(間隙可調(diào))時(shí),受到強(qiáng)大的剪切力、摩擦力、高頻振動等物理作用，可以達(dá)到分散及乳化物料的效果。

以環(huán)烷烴基脂肪族胺為原材料，采用縮聚反應(yīng)形成主乳化劑；以長鏈脂肪醇為原材料，通過縮聚反應(yīng)得到脂肪醇聚氧乙烯醚作為輔乳化劑，將兩者按一定比例復(fù)配形成制備JZLu-1高效潤滑劑的陽離子乳化劑。

制備步驟：1)配制乳化液，即在水中加入2%～5%乳化劑，將其pH值調(diào)至2左右，并加熱至50 ℃；2)在基礎(chǔ)油中按要求添加油溶性球形納米SiO2和極壓劑硫-磷-鉬，并加溫至50 ℃；3)JMS-50型膠體磨預(yù)熱后泵入乳化液和步驟2中的合成油，按合成油80%、乳化液20%的比例進(jìn)行研磨乳化(為確保形成O/W型潤滑劑，乳化過程始終保持乳化液的量大于合成油的量)，同時(shí)加入穩(wěn)定劑，以保持乳狀液長時(shí)間穩(wěn)定，成品即為O/W型JZLu-1高效潤滑劑。

2　性能評價(jià)

2.1乳化性能

用L2003-850HO型一體化電子顯微鏡觀察JZLu-1高效潤滑劑，其形狀如圖1所示。

從圖1可以看出，JZLu-1潤滑劑是一種水包油的乳白色乳狀液，在顯微鏡下呈現(xiàn)微球形狀。JZLu-1高效潤滑劑是在工廠進(jìn)行預(yù)乳化的一種潤滑劑，乳化率高達(dá)到98%以上，而傳統(tǒng)潤滑劑是在鉆井現(xiàn)場通過循環(huán)進(jìn)行乳化，乳化率只有40%～60%[6]。因此，大大提高了JZLu-1高效潤滑劑的利用效率。該潤滑劑中添加的納米材料、各種極壓添加劑均勻分散在由少量水膜包裹的油滴中。

圖1　JZLu-1高效潤滑劑的形狀(400倍)Fig.1　The shape of JZLu-1 lubricant under the electron microscope (400 times magnification)

表1為利用ζ電位粒度測定儀測定的JZLu-1潤滑劑的粒徑和ζ電位。

表1　JZLu-1高效潤滑劑的粒徑和ζ電位

從表1可以看出，JZLu-1高效潤滑劑的D50為10.9 μm，粒度分布范圍0.01～203.00 μm，其粒徑可以長時(shí)間穩(wěn)定，ζ電位在3 d后趨于穩(wěn)定，保持在15.5 mV。

2.2吸附性能

金屬表面一般帶有少量的負(fù)電荷[7]，與帶正電荷的JZLu-1高效潤滑劑形成吸附作用，正負(fù)電荷抵消后JZLu-1高效潤滑劑的液滴在金屬表面會發(fā)生破乳并在金屬表面形成油膜，從而完成在金屬表面的吸附過程。為考察JZLu-1高效潤滑劑在鉆具和套管壁上的吸附過程，采用N80套管制成的2 cm×10 cm金屬掛片，在110 ℃溫度下浸泡于3%JZLu-1高效潤滑劑的溶液中，并以60 r/min攪拌速度模擬流體流動，同時(shí)用L2003-850HO型一體化電子顯微鏡觀察JZLu-1高效潤滑劑在金屬表面的吸附過程，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，油膜在金屬表面的形成有一個(gè)從少到多的過程，浸泡120 min后金屬表面基本布滿了油膜，隨著浸泡時(shí)間延長，金屬表面油膜的狀況變化不大，表明JZLu-1高效潤滑劑能夠主動吸附在N80套管表面，并且能在一定程度上抗流體的沖刷。同時(shí)表明浸泡120 min后JZLu-1高效潤滑劑在N80套管上的吸附形成平衡，達(dá)到最佳潤滑效果。JZLu-1高效潤滑劑的主動吸附能極大地提高其潤滑效率和潤滑效果。

圖2　JZLu-1高效潤滑劑在金屬表面的吸附過程Fig.2　Adsorption process of JZLu-1 lubricant on metallic surface

2.3減磨性能

JZLu-1高效潤滑劑中添加的納米顆粒材料呈球形，直徑10 nm左右，比表面積大，具有較高的活性，主要成份為SiO2，表面經(jīng)修飾劑改性，具有優(yōu)良的憎水親油性，可很好地分散在合成基礎(chǔ)油中。為考察添加不同加量納米SiO2時(shí)JZLu-1高效潤滑劑的減磨效果，采用MRS-10A型四球機(jī)進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米SiO2加量為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%時(shí)，磨斑直徑分別為1.05，0.54，0.36，0.30，0.39和0.40 mm。由此可知，添加納米SiO2的JZLu-1高效潤滑劑具有減磨作用，其減磨作用隨納米SiO2加量增大先增強(qiáng)后減弱，納米SiO2加量為0.3%時(shí)減磨作用最強(qiáng)。JZLu-1高效潤滑劑的減磨原理為：分散的納米SiO2微粒表面含有大量羥基，可以在摩擦副間形成吸附薄膜[8]，薄膜可以隔離金屬接觸而起到減磨作用；SiO2微粒本身為球形顆粒，在摩擦過程中能夠像微軸承一樣滾動填補(bǔ)劃痕，起到保護(hù)摩擦副表面的作用[9]。

2.4極壓潤滑性能

極壓是鉆井過程中鉆具與套管之間的摩擦發(fā)生熔焊作用而產(chǎn)生的摩阻，為降低摩阻，需要在鉆井液中加入潤滑劑。表征潤滑劑抗極壓性能的指標(biāo)為最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷，最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷越大，潤滑劑的抗極壓性能越好。采用MRS-10A型四球機(jī)測定了基礎(chǔ)油加入不同量硫-磷-鉬極壓劑后的最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷，結(jié)果見表2。

表2　硫-磷-鉬擠壓劑抗極壓作用試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Experimental results for performances of sulfur-phosphorus-molybdenum additives under extreme pressure

由表2可知，基礎(chǔ)油中加入硫-磷-鉬極壓劑后，其最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷得到提高，當(dāng)硫-磷-鉬極壓劑加量達(dá)到0.5%時(shí)，最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷達(dá)到最大。因此，制備JZLu-1潤滑劑時(shí)，加入0.5%硫-磷-鉬極壓劑。

采用ZN17-EP型極壓潤滑儀測定了JZLu-1高效潤滑劑、白油、國內(nèi)某品牌潤滑劑及國外某品牌潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3幾種潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)測試結(jié)果

Table 3Lubrication coefficient test results with several lubricants under extreme pressures

配方極壓潤滑系數(shù)JZLu-1高效潤滑劑白油國內(nèi)潤滑劑國外潤滑劑水+2%潤滑劑0.02830.0680.0480.068水+3%潤滑劑0.02830.0620.0430.038水+4%潤滑劑0.02830.0680.0480.048水+5%潤滑劑0.00940.0560.0290.029水+6%潤滑劑0.00470.0340.0430.014

從表2可以看出：JZLu-1高效潤滑劑的極壓潤滑性能最好；當(dāng)其加量為2%時(shí)，極壓潤滑系數(shù)為0.028 3；其加量為6%時(shí)，極壓潤滑系數(shù)僅為0.004 7。JZLu-1高效潤滑劑的極壓潤滑機(jī)理是：在摩擦過程中硫-磷-鉬極壓劑分解，硫和磷與裸露的金屬反應(yīng)，形成一層熔點(diǎn)較低、剪切強(qiáng)度較小的硫化鐵和磷化鐵膜，起到減小摩擦、磨損和防止擦傷及熔焊的作用[10]；在高速、高溫和高壓等苛刻工況下，油溶性鉬在摩擦副表面分解成為納米級的二硫化鉬膜，以層狀微晶結(jié)構(gòu)疊置于金屬表面，每層二硫化鉬膜的厚度為0.625 nm，層間距離為1.32 nm[11]。硫化鐵、磷化鐵和二硫化鉬膜將金屬表面的摩擦方式由滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，極大地降低了摩擦系數(shù)，提高了極壓潤滑性能。

2.5與鉆井液的配伍性

與鉆井液的配伍性是評價(jià)潤滑劑的一個(gè)重要指標(biāo)。采用冀東南堡油田常用的氯化鉀成膜封堵鉆井液與JZLu-1高效潤滑劑進(jìn)行配伍性試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4　JZLu-1高效潤滑劑與鉆井液的配伍性試驗(yàn)結(jié)果

注：老化條件為在150 ℃下滾動36 h。

由表4可知，JZLu-1潤滑劑對氯化鉀成膜封堵鉆井液的流變性、API濾失量和高溫高壓濾失量的影響都很小，說明JZLu-1高效潤滑劑與鉆井液的配伍性很好。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

冀東南堡油田為灘海油田，采用海油陸采的開采方式。因此，該油田的油井多為大位移井，鉆井過程中的摩阻和扭矩較高。在鉆大位移井時(shí)，該油田以往多使用原油、石墨、塑料小球和極壓潤滑劑等來改善鉆井液的潤滑性，但存在用量大、污染環(huán)境等問題。為此，該油田在位移超過2 000 m的6口大位移井鉆井中應(yīng)用了JZLu-1高效潤滑劑，實(shí)鉆結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這6口大位移井三開井段鉆進(jìn)過程中的扭矩為23～32 kN·m，鉆具上提摩阻為22～29 kN，與應(yīng)用常規(guī)潤滑劑的大位移井相比，摩阻扭矩降低率大于10%，且JZLu-1用量只有常規(guī)潤滑劑的50%左右。另外，鉆井液在加入JZLu-1高效潤滑劑后性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。表5為應(yīng)用JZLu-1高效潤滑劑的NP13-1336井與應(yīng)用常規(guī)潤滑劑的鄰井NP13-1976井潤滑效果的對比結(jié)果。

表5　NP13-1336井與鄰井的潤滑效果對比

由表5可知，NP13-1336井與鄰井NP13-1976井在井深、最大井斜角、位移等方面大體相當(dāng)，與應(yīng)用常規(guī)潤滑劑的NP13-1976井相比，應(yīng)用JZLu-1高效潤滑劑的NP13-1336井的最大摩阻降低了21.8%，最大扭矩較降低了14.0%，潤滑劑用量只是NP13-1976井的43.7%，且NP13-1336井在鉆井過程中未出現(xiàn)因加入JZLu-1高效潤滑劑而引起的鉆井液黏度升高和起泡現(xiàn)象。

4　結(jié)　論

1) JZLu-1高效潤滑劑是一種工廠預(yù)乳化的潤滑劑，與常規(guī)乳化劑相比，其利用率較高。

2) JZLu-1高效潤滑劑帶微弱正電荷，能吸附于鉆具和套管壁上形成油膜，提高其潤滑性能。

3) JZLu-1高效潤滑劑中的油溶性球形納米SiO2含有大量的羥基，可以在摩擦副間形成吸附薄膜，隔離金屬接觸而起到減磨作用。

4) JZLu-1高效潤滑劑中的硫-磷-鉬極壓劑在摩擦過程中生成硫化鐵、磷化鐵和二硫化鉬膜，并將金屬間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，從而提高極壓潤滑性能。

5) 現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，JZLu-1高效潤滑劑與常規(guī)潤滑劑相比，潤滑性能好，用量少，可以大幅降低大位移井鉆井的摩阻扭矩。

[1]蔣世全，姜偉，付建紅，等.大位移井鉆井技術(shù)研究及在渤海油田的應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)，2003,24(2)：84-88,93.

JIANG Shiquan,JIANG Wei,FU Jianhong,et al.Research on extended reach drilling technology and its application in Bohai Oilfield[J].Acta Petrolei Sinica,2003,24(2):84-88,93.

[2]談心，賀婷婷，王富群，等.日光油田Cardium組致密油大位移水平井鉆井實(shí)踐[J].石油機(jī)械，2014，42(11)：10-15.

TAN Xin,HE Tingting,WANG Fuqun,et al.Drilling practices of extended reach horizontal wells for tight oil in Cardium Formation,Daylight Oilfield[J].China Petroleum Machinery,2014,42(11):10-15.

[3]張志財(cái)，趙懷珍，慈國良，等.樁129-1HF大位移井鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(6)：34-39.

ZHANG Zhicai,ZHAO Huaizhen,CI Guoliang,et al.Drilling fluid in Zhuang 129-1HF extended reach well drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(6):34-39.

[4]趙金洲，韓來聚，唐志軍.高平1井大位移水平井鉆井設(shè)計(jì)與施工[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(6)：29-32.

ZHAO Jinzhou,HAN Laiju,TANG Zhijun.Design and drilling of Gaoping 1 ERD horizontal well[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(6):29-32.

[5]馮光彬，唐世忠，藺玉水，等.ZH8 Es-H5大位移水平井鉆井技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2009,31(3)：14-17.

FENG Guangbin,TANG Shizhong,LIN Yushui,et al.Drilling technology for Zhuanghai 8 Es-H5 extended-reach horizontal well[J].Oil Drilling & Production Technology,2009,31(3):14-17.

[6]高銳，毛平.新型乳化潤滑劑在肇57-平24井的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2012，24(8)：53-55.

GAO Rui,MAO Ping.Application of a new type of emulsion lubricant in Well Zhao 57-P24[J].West-China Exploration Engineering,2012，24(8):53-55.

[7]阮宜平，湯兵，黃樹煥.有機(jī)物質(zhì)在金屬表面的吸附研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2009,38(2)：70-72,90.

RUAN Yiping,TANG Bing,HUANG Shuhuan.Progress in research on adsorption properties of organic substances on metal surface[J].Surface Technology,2009,38(2):70-72,90.

[8]陳文君，文慶珍，謝治民.納米二氧化硅在潤滑劑中的應(yīng)用[J].安徽化工，2007,33(2)：23-25.

CHEN Wenjun,WEN Qingzhen,XIE Zhimin.The application of nano-SiO2in lubricating grease[J].Anhui Chemical Industry,2007,33(2):23-25.

[9]王偉吉，邱正松，鐘漢毅，等.鉆井液用新型納米潤滑劑SD-NR的制備及特性[J].斷塊油氣田，2016，23(1)：113-116.

WANG Weiji，QIU Zhengsong，ZHONG Hanyi，et al.Preparation and properties of nanoparticle-based lubricant SD-NR for drilling fluids[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2016,23(1):113-116.

[10]李慶忠，丁津原，馬先貴，等.可聚合添加劑和極壓添加劑對礦物油極壓抗磨和抗疲勞性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2002,22(1)：54-57.

LI Qingzhong,DING Jinyuan,MA Xiangui,et al.Effect of polymerizable andextreme pressure additives on tribological behavior of a mineral oil[J].Tribology,2002,22(1):54-57.

[11]劉冰，李峻青，劉海燕，等.金屬表面二硫化鉬處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2006,35(3)：8-10.

LIU Bing,LI Junqing,LIU Haiyan,et al.Recent progress on metal surface treatment technologies by Molybdenum disulphide[J].Surface Technology,2006,35(3):8-10.

[編輯劉文臣]

The Development and Field Application of JZLu-1 High-Efficiency Lubricants

WANG Zaiming,LI Rui,ZHU Kuanliang,HU Zhongzhi,FENG Jinghai

(DrillingandProductionResearchInstituteofPetroChinaJidongOilfieldCompany,Tangsan,Hebei,063000,China)

Since highly deviated wells and extended reach wells often involve high friction resistance in during drilling,large amounts of conventional lubricants are required,and the lubrication performances are often unsatisfactory.In order to solve the problems,the high-efficiency JZLu-1 lubricants were developed by using a synthetic base oil,together with spherical nano SiO2and sulfur-phosphorus-molybdenum anti-abrasion extreme pressures agents,where it was then emulsified by a cationic emulsifier.Potentials,wear-resistance and lubrication performances under extreme pressures were determined by using a ζ potential analyzer,a four-ball tester and an extreme-pressure lubrication performance tester.In addition,electronic microscopes were also used to observe absorption of JZLu-1 on metal surfaces.Research results showed that the lubricant JZLu-1 had a weak positive charge,and may positively attach themselves to metallic surfaces to generate oil films; nano SiO2contained in JZLu-1 may provide satisfactory wear-resistance performances,whereas sulfur-phosphorus-molybdenum extreme pressures agents may significantly enhance lubrication performances,with lubrication coefficient of 0.028 3 under extreme pressures.Application results of six wells indicated that the JZLu-1 high-efficiency lubricant could dramatically lower drag and torques in highly deviated wells or extended-reach wells,so as to eliminate problems of poor performances and large volume of conventional lubricants required in such wells.

lubricant; emulsifier; extended reach well; friction resistance; torque; Nanpu Oilfield

2016-01-02；改回日期：2016-08-15。

王在明(1968—)，男，江蘇高郵人，1991年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)鉆井工程專業(yè)，2008年獲中國石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師，長期從事油氣鉆井技術(shù)研究。E-mail：ming8082002@126.com。

國家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地黃驊坳陷灘海開發(fā)技術(shù)示范工程”(編號：2011ZX05050)資助。

?鉆井完井?doi:10.11911/syztjs.201605013

TE254+.4

A

1001-0890(2016)05-0079-05