環(huán)保型水基鉆井液潤滑劑的研究進(jìn)展

魏佳怡，李月紅，于文婧，高 艷，吳 雪，劉雄雄,2，張 潔

（1.西安石油大學(xué)，陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710065；2.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 102206）

1 鉆井過程中摩阻及扭矩增大的原因

中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2019年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》表明，我國原油的進(jìn)口比重持續(xù)增加，2019年我國原油進(jìn)口量50572萬t，同比增長9.5%，對外依存度高達(dá)70.8%；天然氣進(jìn)口量1373億m3，同比增長6.9%，對外依存度達(dá)43%[1-2]。鑒于此，在保證現(xiàn)有油氣井?dāng)?shù)量與產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，必須大力開發(fā)油氣資源，增加油氣鉆探數(shù)量，強(qiáng)化油氣供應(yīng)保障的能力，構(gòu)建油氣安全保障體系[3-4]。

在油氣鉆探領(lǐng)域，常使用常規(guī)井和非常規(guī)井開采石油和天然氣，且兩者具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。相比常規(guī)井，超長水平井、叢式井和大位移井等非常規(guī)井具有更高的產(chǎn)量、采收率以及更廣泛的適用性，使得其在油氣鉆探中的數(shù)量和比重逐年增加[5-6]。但這些井在鉆探過程中易出現(xiàn)坍塌、卡鉆、鉆頭泥包等問題。例如井斜角增大時，鉆具與井壁之間的接觸面積也會增大，引起鉆井摩阻和扭矩的增大，導(dǎo)致鉆井液的潤滑性能變差，并出現(xiàn)托壓、卡鉆等情況，影響工程進(jìn)度，提高了相應(yīng)的鉆井成本[7-9]。解決鉆進(jìn)過程中的高摩阻和高扭矩問題，是目前鉆探過程的關(guān)鍵。有研究者認(rèn)為，降低鉆井液摩阻和扭矩最有效的方法，是在鉆井液中加入鉆井液潤滑劑，以降低鉆桿、套管、鉆具與井壁的摩擦系數(shù)，提高鉆井液的潤滑性能，從而預(yù)防、減少或避免托壓、壓差卡鉆、鉆頭泥包等工程事故率，以壓縮鉆井工程周期，降低鉆井成本[10-11]。在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)高摩阻的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）隨著鉆探深度增加，為了防止發(fā)生井噴以及平衡地層之間的壓力，必須提高鉆井液的密度，以維持壓差平衡。但鉆井液密度增大的同時，又會導(dǎo)致鉆井液和地層壓力之間形成壓差并逐漸增大，泥餅變厚，增大了鉆具和泥餅的接觸面積，鉆井液的摩阻隨之增大；

2）水平段地層的泥頁巖易水化造漿，引起鉆井液增稠，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑性能減弱，鉆進(jìn)阻力增大；

3）隨著鉆探深度增加，井內(nèi)溫度逐漸升高，抗溫能力不足的鉆井液潤滑劑逐漸失效，導(dǎo)致鉆井液潤滑劑的潤滑效果逐漸變差，鉆井液的摩阻增大；

4）水基鉆井液潤滑劑的持續(xù)潤滑時間短，處理劑加入井漿2h后，潤滑系數(shù)降低率通常會比剛加入時降低40%～50%，持效性較差。

2 鉆井液潤滑劑概述

2.1 鉆井液的潤滑類型

潤滑是在相互接觸的兩物體之間加入潤滑劑，以隔開摩擦表面，防止兩物體直接接觸造成磨損。在鉆井液中，潤滑分為兩類[12]，一種是邊界潤滑，即在摩擦面上存在一層吸附薄膜或潤滑薄膜，其具有較好的強(qiáng)度和韌性，以此來改善鉆井液的潤滑性能，降低鉆具和套管的磨損。另一種是流體潤滑，是指在一定的條件下，兩摩擦表面被一層具有一定厚度的黏性流體分開，黏性流體的壓力平衡了摩擦零件所受的外載荷。

2.2 影響鉆井液潤滑性能的主要因素

評價鉆井液潤滑劑在鉆井液中的潤滑性能，主要是測定泥餅的黏滯系數(shù)和鉆井液的潤滑系數(shù)，二者均可反映鉆井液的潤滑性能。影響鉆井液潤滑性能的主要因素有以下一些[13-14]：鉆井液中的固相含量[15]、鉆井液的pH值、鉆井液的濾失性、鉆井液的密度、鉆井液添加劑尤其是有機(jī)高分子添加劑、鉆井液的黏度、垂直井深及井內(nèi)溫度、井身結(jié)構(gòu)、不同的鹽以及鹽的加量。

2.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，國外應(yīng)用的鉆井液潤滑劑種類多達(dá)180種，其中鉆井液潤滑劑的使用量大約占鉆井液處理劑使用量的6%。隨著時代的發(fā)展，超深井、大位移井、長水平井及大斜度井技術(shù)日新月異，對鉆井液潤滑劑也提出了更高的要求，使得鉆井液潤滑劑更新?lián)Q代的腳步逐漸加快。隨著環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，井場的批復(fù)也越發(fā)困難。為避免鉆井對水源保護(hù)區(qū)和動植物保護(hù)區(qū)等造成污染，同時也為了提高油氣的產(chǎn)量和采收率，運(yùn)用大位移井和長水平段水平井，成為開采油氣的首要選擇，其對鉆井液性能要求的提高，尤其是對鉆井液潤滑性能要求的提高，最終迫使鉆井液潤滑劑更新?lián)Q代的速度逐漸加快。研發(fā)人員陸續(xù)開發(fā)出高性能的固體潤滑劑、極壓潤滑劑、環(huán)保潤滑劑及納米潤滑劑等多種新型且環(huán)保的鉆井液潤滑劑，其中部分產(chǎn)品因其優(yōu)異的潤滑性能已被大規(guī)模使用。

Epergne J L等人[16]制備了一種適用于長水平井和深井鉆探的水基鉆井液潤滑劑，該潤滑劑的芳烴含量低，28d后的生物降解性好，潤滑效果好。Pober K W等人[17]研發(fā)了一種適用于高pH鉆井液體系的潤滑劑組合物，能夠在高pH的鉆井液體系內(nèi)（pH=7～14）發(fā)揮良好的潤滑效果，規(guī)避了常規(guī)潤滑劑在堿性條件下水解而導(dǎo)致其潤滑作用失效，最終導(dǎo)致鉆井液潤滑性能減弱的問題。Zhang H J等人[18]制備了基于磷脂的改性的乙氧基化蓖麻油基化學(xué)物質(zhì)，該物質(zhì)對于鹽水鉆井液而言是非常有效且環(huán)保的潤滑劑。Saffari H R M等人[19]制備了適用于水基鉆井液的納米硼酸鹽潤滑劑（鎂、鋅、鋁和鈦的硼酸鹽），研究結(jié)果表明，在水基鉆井液中加入納米硼酸鹽后，在極端條件下該潤滑劑在接觸表面上可產(chǎn)生穩(wěn)定且牢固的保護(hù)膜（摩擦膜），降低了鉆井液的潤滑系數(shù)，潤滑性能得到提高。在所有制備的納米添加劑中，硼酸鈦可生物降解且能顯著改善鉆井液的摩擦學(xué)性能。

Chang Z Y等人[20]將ZDDP與其它鉆井液潤滑劑（脂肪酸酯、石墨、植物油等）復(fù)配，并將復(fù)配后的潤滑劑加入到硅酸鹽鉆井液體系中。研究結(jié)果表明，復(fù)配少量ZDDP后，ZDDP會在鉆桿上形成一層抗壓、抗剪切、具有一定強(qiáng)度和韌性的極壓潤滑膜，從而降低了硅酸鹽鉆井液的摩擦系數(shù)。Albrecht M S等人[21]將十六烷基糖苷、脂肪醇聚醚和淀粉復(fù)配，制備了適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤滑劑。Nunes等人[22]對非離子甘油單酸酯表面活性劑(C8、C10、C12、C16和C18碳鏈)在水中的潤滑機(jī)理進(jìn)行探討并得出結(jié)論：甘油單酸酯在水中的濃度超過0.5wt%，即可大大降低水中的摩擦系數(shù)，主要原因是甘油單酸酯烴鏈的長度增加后，可更好地吸附在金屬表面，并確保潤滑膜的形成，使得摩擦系數(shù)的降低更加明顯。結(jié)果還表明，甘油單酸酯在XG膠液中可進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，是基于其可能與多糖形成了復(fù)合物，從而產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。此外，多糖-表面活性劑復(fù)合物的形成可以提高它們作為潤滑劑的潤滑效果，因為它有助于將本來很難溶解的潤滑劑分散到水中，從而在金屬表面發(fā)生進(jìn)一步的吸附。

Gerhard等人[23]研究了多種脂肪化合物的潤滑性，結(jié)果表明脂肪化合物比烴具有更好的潤滑性，因為它們具有賦予極性的O原子。研究了各種含氧的C10化合物，獲得了可增強(qiáng)潤滑性的含氧部分的順序：COOH＞CHO＞OH＞COOCH3＞C=O＞C-O-C。對帶有NH2、OH和SH基團(tuán)的純凈C3化合物的研究結(jié)果表明，相比氮和硫，氧更能提高潤滑性。

甄劍武[24]以長鏈脂肪酸植物油為原料，通過酯化反應(yīng)和硫化反應(yīng)合成了RHJ-1潤滑劑，該潤滑劑加入密度為2.1kg·L-1的鉆井液中，潤滑系數(shù)可降至0.105，抗溫性可達(dá)150℃。

桑峰軍[25]以基礎(chǔ)油BBO-2和復(fù)合表面活性劑EMA為原料，通過正交實(shí)驗優(yōu)化了反應(yīng)條件，制備了一種環(huán)保型鉆井液潤滑劑QLH-1。該潤滑劑具有較好的流動性、抗溫性及配伍性，熒光級別低，無毒且生物降解性好。將其加入4%淡水基漿中，潤滑系數(shù)降低率達(dá)88%。吳迪[26]用環(huán)保型液體潤滑劑RH-2與聚胺抑制劑JN-1進(jìn)行復(fù)配，形成了一套強(qiáng)抑制高潤滑的聚合物鉆井液體系。該體系的抑制性好，配伍性和抗溫性好，潤滑效果明顯。

錢曉琳等人[27]以天然脂肪酸和有機(jī)多元醇為主要原料，制備了環(huán)保型鉆井液潤滑劑SMLUB-E。該潤滑劑耐溫可達(dá)160℃，流變性、配伍性和環(huán)保性能好，現(xiàn)場應(yīng)用時表現(xiàn)出良好的潤滑性能，可避免托壓卡鉆等現(xiàn)象的產(chǎn)生。在膨潤土基漿中加入該潤滑劑，摩阻系數(shù)有明顯降低；在聚磺鉆井液中加入該潤滑劑，潤滑效果優(yōu)于原油的潤滑效果。曹硯鋒等人[28]以天然植物油為原料，通過低碳酸酯化反應(yīng)，制得含C=O官能團(tuán)的長鏈脂肪酸脂，再通過復(fù)配表面活性劑，研制出一種抗溫性、潤滑性好，無毒，生物降解性強(qiáng)的環(huán)保型鉆井液潤滑劑。

管申等人[29]以高分子脂肪酸為基本，引入納米潤滑劑和抗溫基團(tuán)，制備了一種抗高溫潤滑減阻的NC-1鉆井液潤滑劑。對其進(jìn)行潤滑性能評價之后發(fā)現(xiàn)，該潤滑劑具有較好的潤滑性能和減阻性能，在6%膨潤土漿中加入NC-1潤滑劑，黏滯系數(shù)和潤滑系數(shù)的降低率高達(dá)85%和75%以上。

印樹明等人[30]針對高溫高密度條件下鉆井液在超深井應(yīng)用時潤滑性能較差的問題，考察了潤滑劑加量與鉆井液潤滑性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，固體和液體潤滑劑加量在1%～3%時均可改善鉆井液的潤滑性能。在鉆井液中加入少量石墨，可降低鉆井液的潤滑系數(shù)，但石墨加量較大則不利于鉆井液潤滑性能的變好。

李斌等人[31]針對大位移井長水平段潤滑性能較差的問題，以長鏈脂肪酸和小分子多元醇為原料，再輔以含硫極壓添加劑，制備了高性能水基鉆井液用潤滑劑SDL-1，并對其進(jìn)行了潤滑性能評價和潤滑機(jī)理分析。結(jié)果表明，在常溫下，SDL-1分子中的脂基與羰基官能團(tuán)通過分子間作用力或范德華力吸附在鉆具表面，從而形成物理潤滑膜。在高溫下，SDL-1中的脂基與極壓添加劑反應(yīng)生成金屬皂，在鉆具表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，達(dá)到潤滑減摩的效果。

董兵強(qiáng)等人[32]針對液體潤滑劑抗溫性差、起泡率高等問題，以液態(tài)石蠟、司盤80及吐溫80等為原料，并結(jié)合膠體與界面化學(xué)理論，研發(fā)出一種高性能油包水型微乳液潤滑劑NE，并對其進(jìn)行了潤滑性能評價和潤滑機(jī)理分析。結(jié)果表明，NE加入鉆井液中具有較好的潤滑性能和抗溫性能，無毒易降解。鉆井液潤滑性能變好的原因是NE加入鉆井液后，會形成大量納米乳液滴，且液滴界面膜上存在帶正電的極性基團(tuán)，易吸附在金屬掛片的表面，形成納米潤滑膜，極大地提高了鉆井液的潤滑性能。

司西強(qiáng)等人[33]以高性能聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）為主劑并復(fù)配其它處理劑，構(gòu)建了新的鉆井液體系并進(jìn)行了配方優(yōu)化，形成了具有低成本、高性能等特點(diǎn)的環(huán)保型NAPG類油基鉆井液體系。研究表明，在鉆井液中加入NAPG可有效降低鉆井液的潤滑系數(shù)，改善鉆井液的潤滑性能。對濾液的表面張力進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)表面張力僅26.60 mN·m-1，主要是由于NAPG類油基鉆井液體系中存在聚醚結(jié)構(gòu)和長鏈有機(jī)胺結(jié)構(gòu)，使得NAPG類油基鉆井液體系的疏水作用得到加強(qiáng)。

孔凡波[34]利用植物油胺解后產(chǎn)生的酰胺基團(tuán)與低碳酸進(jìn)行反應(yīng)，制備了植物油酰胺。該潤滑劑具有很好的抗溫抗鹽能力和配伍性，質(zhì)量濃度為0.5%的潤滑劑添加在基漿中，潤滑系數(shù)降低率達(dá)87.9%。

2.4 鉆井液潤滑劑的作用機(jī)理

將潤滑劑按照相態(tài)進(jìn)行分類，可分為固態(tài)潤滑劑和液態(tài)潤滑劑。固態(tài)潤滑劑主要包括石墨、塑料小球和玻璃微珠等惰性球形圓粒，在水、油及溶液中難以溶解，但是可以較好地分散在液體中，并以粒子的狀態(tài)存在，因此具有較高的抗壓強(qiáng)度，難以變形破碎，具有無毒、對環(huán)境友好、在極端環(huán)境下也適用等優(yōu)勢[35-36]。主要的潤滑機(jī)理是其像滾珠一樣，鑲嵌在兩個相互滑動的金屬面間，將原有的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，以此來降低摩擦阻力和扭矩阻力，達(dá)到潤滑減磨的作用[37-38]。但固體潤滑劑顆粒較小且易粘附在黏土上，容易被振動篩所清除，導(dǎo)致固態(tài)潤滑劑的應(yīng)用受到一定的限制。液態(tài)潤滑劑主要來源于石油產(chǎn)品的衍生品，包括原油、礦物油和瀝青等物質(zhì)[39]。但基于環(huán)保問題，這些潤滑劑已逐步被環(huán)保型潤滑劑取代。環(huán)保性較好的潤滑劑包括降解性極好的脂肪酸脂、植物油改性、烷基糖苷及生物表面活性劑等[40-42]，其潤滑機(jī)理主要是分子結(jié)構(gòu)中具有類似表面活性劑的疏水基與親水基，可以在鉆具、套管和井壁（巖石）上吸附上潤滑劑，并形成較厚的潤滑膜，以此避免鉆具與井壁及套管之間的直接接觸，達(dá)到降低摩擦阻力和扭矩阻力的效果，并起到潤滑減摩的作用[43]。所以，液態(tài)潤滑劑在鉆井液中的潤滑效果，應(yīng)當(dāng)與潤滑劑在鉆具、套管和井壁（巖石）上的吸附量、所形成的潤滑膜的強(qiáng)度及厚度有關(guān)。而潤滑劑在鉆具、套管和井壁（巖石）上的吸附量，以及所形成的潤滑膜的強(qiáng)度及厚度，由潤滑劑所含的疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)的分子結(jié)構(gòu)、碳鏈的長度及吸附覆蓋面大小所決定[44]。

3 展望

目前，隨著環(huán)保法規(guī)的逐漸完善和實(shí)施，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)研發(fā)環(huán)保性的鉆井液潤滑劑成為趨勢。在高溫、高密度、高固相含量等極端條件下，確保鉆井液潤滑劑持能續(xù)發(fā)揮作用成為關(guān)鍵，也是科研人員研究的重點(diǎn)。此外，大多數(shù)處理劑包括潤滑劑都只具有單一的作用，因此可以嘗試研發(fā)具有多重功能的鉆井液處理劑，如以潤滑為主、降濾失為輔兼具良好抑制性的處理劑。