一種鉆井液用環(huán)保潤(rùn)滑劑的制備及性能評(píng)價(jià)

桑峰軍

（中石化中原石油工程有限公司工程服務(wù)管理中心，河南 濮陽 457001）

石油天然氣資源是目前國(guó)內(nèi)外最常用也是最重要的能源之一，油氣鉆探的重要性不言而喻。隨著常規(guī)油氣資源的不斷勘探開發(fā)，人們逐漸將目光聚焦于非常規(guī)能源（頁巖氣、水合物等），特殊井（深井、超深井及水平井）的應(yīng)用也隨之增多[1-3]。深井超深井通常具有高溫、高摩阻扭矩的特點(diǎn)；水平井中鉆桿與井壁的接觸面積及幾率大幅增加，也存在高摩阻扭矩的問題[4,5]。高摩阻扭矩問題如果不及時(shí)有效解決，容易引起卡鉆、托壓等復(fù)雜井下事故，進(jìn)而導(dǎo)致作業(yè)成本增加，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致棄井?，F(xiàn)場(chǎng)通常采用混入原油或柴油等手段，以期提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，進(jìn)而降低摩阻扭矩。但該方法一方面作用效果有限，需要大量使用，另一方面其高熒光特點(diǎn)容易干擾熒光錄井，且最終加大了廢棄鉆井液處理難度。固體潤(rùn)滑劑可吸附在井壁-鉆桿等摩擦界面改變井壁-鉆桿直接摩擦的狀態(tài)，進(jìn)而起到潤(rùn)滑減磨效果。但其吸附能力較弱，潤(rùn)滑效果較差，且泥漿循環(huán)過程中已被振動(dòng)篩篩除，此外還存在現(xiàn)場(chǎng)施工人員吸入的風(fēng)險(xiǎn)，因此其使用大大受限。由此可見，液體類潤(rùn)滑劑是目前鉆井液潤(rùn)滑劑的主要發(fā)展方向[6-8]。

近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基于如何改善高摩阻扭矩條件下鉆井液潤(rùn)滑性能的技術(shù)難題，開發(fā)了較多液體類鉆井液潤(rùn)滑劑。這些潤(rùn)滑劑主要包括早期的精制礦物油（白油、原油蒸餾中間產(chǎn)物等）、聚α-烯烴（PAO）及聚亞烷基二醇（PAG）等，到后來的酯類潤(rùn)滑劑（天然脂肪酸酯、合成脂肪酸酯等）、醇類潤(rùn)滑劑（聚乙二醇、多元醇等），到現(xiàn)在的環(huán)保油類、乳液類及納米類潤(rùn)滑劑[9-13]。不同種類的潤(rùn)滑劑針對(duì)的現(xiàn)場(chǎng)工況及技術(shù)難題都不同，作用效果也千差萬別。總體來說，基于目前高溫高壓、高密度等復(fù)雜工況下的高摩阻扭矩技術(shù)難題，優(yōu)良的鉆井液潤(rùn)滑劑應(yīng)同時(shí)具備環(huán)保性好、抗高溫、潤(rùn)滑性能優(yōu)良等主要特點(diǎn)。

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料分析及文獻(xiàn)調(diào)研可知，動(dòng)植物油下腳料油通過一系列改性（酯化、交聯(lián)等）可制備出流動(dòng)性、環(huán)保性等均較好的基礎(chǔ)油，這些基礎(chǔ)油可直接用作鉆井液潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油；通過考察基礎(chǔ)油的環(huán)保性、流動(dòng)性及自潤(rùn)滑性等性能，優(yōu)選出綜合性能較優(yōu)的基礎(chǔ)油；在此基礎(chǔ)上，考察不同表面活性劑加入基礎(chǔ)油中的潤(rùn)滑性能改善效果，優(yōu)選出性能較優(yōu)的復(fù)合表面活性劑，并在制備工藝條件優(yōu)選基礎(chǔ)上，最終制得綜合性能較優(yōu)的理想鉆井液潤(rùn)滑劑。

1 環(huán)保潤(rùn)滑劑QLH-1 的實(shí)驗(yàn)制備

1.1 基礎(chǔ)油實(shí)驗(yàn)優(yōu)選

現(xiàn)在市場(chǎng)上通常選用柴油、白油、植物油或者下腳料油作為鉆井液潤(rùn)滑劑用基礎(chǔ)油，但這些基礎(chǔ)油多少存在著低溫流動(dòng)性不好、熒光級(jí)別高及潤(rùn)滑效果不佳等問題。因此，性能優(yōu)良的基礎(chǔ)油需要同時(shí)兼?zhèn)涞?無熒光、低溫流動(dòng)性良好及自潤(rùn)滑性強(qiáng)等特點(diǎn)?；谏鲜瞿康模覂?nèi)調(diào)取了多類基礎(chǔ)油樣品進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 鉆井液用基礎(chǔ)油性能對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1結(jié)果可看出，采用下腳料油化學(xué)改性得到的環(huán)保型基礎(chǔ)油BBO-2 的低溫流動(dòng)性較好（-10 ℃條件下仍能正常流動(dòng)），熒光級(jí)別僅為1～2 級(jí)，且在4%膨潤(rùn)土基漿中加入0.5% BBO-2 的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到59.75%，自潤(rùn)滑效果良好。因此，優(yōu)選基礎(chǔ)油BBO-2 作為鉆井液潤(rùn)滑劑制備用基礎(chǔ)油。

1.2 潤(rùn)滑劑配方及制備條件優(yōu)化

液體類潤(rùn)滑劑通常由基礎(chǔ)油、表面活性劑及極壓添加劑等構(gòu)成，單一基礎(chǔ)油無法有效滿足現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)需求。因此，室內(nèi)通過考察不同種類的潤(rùn)滑添加劑（如表面活性劑、極壓劑等）與基礎(chǔ)油的配伍性及潤(rùn)滑性能改善程度，最終優(yōu)選出了復(fù)合表面活性劑EMA（由非離子表面活性劑EMA-1 和陰離子表面活性劑EMA-2 組成）。在此基礎(chǔ)上，基于正交試驗(yàn)方法，考察了原材料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的影響，最終確定了環(huán)保型潤(rùn)滑劑QLH-1 的較優(yōu)配方和制備條件：96%～98% 基礎(chǔ)油+ 0.5%～1.0% EMA-1 + 1.5%～2.0% EMA-2，反應(yīng)溫度為 55～ 60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4～6 h。

2 環(huán)保潤(rùn)滑劑QLH-1 特性評(píng)價(jià)

2.1 主要基礎(chǔ)性能

基于Q/SY1088-2016《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》、Q/SY111-2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級(jí)及檢測(cè)方法 發(fā)光細(xì)菌法》及國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)HJ505-2009《水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定 稀釋與接種法》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)潤(rùn)滑劑QLH-1的主要常規(guī)性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)（包括密度、凝點(diǎn)、黏度、熒光級(jí)別、靜置沉降穩(wěn)定性、生物毒性及生物降解性等），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新研制的潤(rùn)滑劑QLH-1 潤(rùn)滑劑外觀為淡黃色均勻液體，無刺激性氣味，熒光級(jí)別僅為1～2 級(jí)，無生物毒性，且生物可降解性較好；按照標(biāo)準(zhǔn)加量加入膨潤(rùn)土漿后的密度變化值僅為0.04～0.06 g/cm3，靜置180 天后無明顯分層。上述結(jié)果說明新研制的潤(rùn)滑劑QLH-1 的主要基礎(chǔ)性能均滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑劑使用的基本要求。

表2 潤(rùn)滑劑QLH-1 主要基礎(chǔ)性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 加量?jī)?yōu)選

基于Q/SY1088-2016《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》，首先考察了潤(rùn)滑劑QLH-1 的較優(yōu)加量和抗溫效果，然后選取市售的同類應(yīng)用效果較好的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿：4%淡水膨潤(rùn)土漿 + 潤(rùn)滑劑QLH-1。分別向基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿中加入0.3%～3.0%的潤(rùn)滑劑QLH-1，考察實(shí)驗(yàn)漿的密度、流變性、濾失性能及潤(rùn)滑性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 潤(rùn)滑劑QHL-1 較優(yōu)加量實(shí)驗(yàn)優(yōu)選

從圖1中結(jié)果可看出，隨著潤(rùn)滑劑QLH-1 加量的不斷增加，實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率顯著升高；當(dāng)潤(rùn)滑劑QLH-1 加量達(dá)到1.5%時(shí)，實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到88.64%。同時(shí)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)漿的密度變化值為0.066 g/cm3，濾失量為19.6 mL，均滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑劑使用要求。因此，推薦潤(rùn)滑劑QLH-1 的較優(yōu)加量為1.5～2.0%，且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井工況適時(shí)調(diào)整。

2.3 抗溫效果評(píng)價(jià)

選取潤(rùn)滑劑QLH-1 的加量為1.5%，采用上述基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿，分別考察加入潤(rùn)滑劑實(shí)驗(yàn)漿在100℃/16h、120℃/16h、140℃/16h 及160℃/16h 熱滾條件下的主要性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。表3結(jié)果表明，隨著熱滾溫度的升高，實(shí)驗(yàn)漿的密度逐漸降低，表觀黏度逐漸升高，API 濾失量總體呈下降趨勢(shì)，潤(rùn)滑系數(shù)先增加后降低；當(dāng)熱滾溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)漿的密度變化值為0.043g/cm3，表觀黏度變化值為2.5，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到89.45%，均滿足使用要求，熱滾溫度繼續(xù)增加至160 ℃后，實(shí)驗(yàn)漿的密度變化值顯著增大，潤(rùn)滑系數(shù)降低率明顯降低，說明潤(rùn)滑劑此時(shí)已經(jīng)造成了實(shí)驗(yàn)漿起泡，潤(rùn)滑失效。因此，可認(rèn)為潤(rùn)滑劑QHL-1 可抗溫140 ℃。

表3 潤(rùn)滑劑QLH-1 的抗溫效果評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 潤(rùn)滑性能對(duì)比

為考察自制潤(rùn)滑劑QHL-1 與現(xiàn)有常用效果較好潤(rùn)滑劑產(chǎn)品的優(yōu)劣，分別選取了市售應(yīng)用效果較好的多種潤(rùn)滑劑產(chǎn)品，對(duì)比考察了潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果見圖2。

圖2 不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)漿：4%淡水膨潤(rùn)土漿 + 1.5% 潤(rùn)滑劑。從圖2結(jié)果可看出，相同加量條件下，加入QHL-1 實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到88.64%，均高于其他幾種潤(rùn)滑劑，結(jié)果說明自制環(huán)保潤(rùn)滑劑QHL-1 的潤(rùn)滑性能優(yōu)良。

3 結(jié) 論

（1）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過程中存在的高扭矩摩阻技術(shù)難題，室內(nèi)通過優(yōu)選環(huán)保型基礎(chǔ)油、復(fù)合表面活性劑，制備出了環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑QHL-1，該潤(rùn)滑劑低溫流動(dòng)性較好，熒光級(jí)別低，起泡率低，無生物毒性，且可生物降解，靜置沉降180 天后無明顯分層，滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液使用基本需求。

（2）潤(rùn)滑劑QHL-1 的較優(yōu)加量為1.5%～2.0%，可抗溫140 ℃，且其潤(rùn)滑性能較大多數(shù)現(xiàn)有市售潤(rùn)滑劑要好，該潤(rùn)滑劑具有深入研究及推廣應(yīng)用前景。