鉆井液用極壓潤滑劑PF-EXLUBE的開發(fā)及應(yīng)用

薛 森，狄明利，夏小春，曾祥聰，汪國輝

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東深圳 518000；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

鉆井液的潤滑性能對(duì)鉆井工作影響很大。特別是在鉆探難度高的定向井、水平井時(shí)，欠佳的潤滑性能會(huì)促使鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力大幅地提高，從而導(dǎo)致各種井下復(fù)雜情況發(fā)生并影響作業(yè)時(shí)效[1-2]。因此，使用潤滑性能好的鉆井液對(duì)減少卡鉆等井下復(fù)雜情況，保證安全、快速鉆井起著至關(guān)重要的作用[3]。

隨著世界能源需求的增加，油氣開采深度與廣度都逐步增加，在海上鉆探大位移井、水平井日益增多[4]。由于鉆進(jìn)大位移井、水平井時(shí)，鉆柱的重量部分地作用在井壁上，致使鉆柱和井壁間作用力相比于鉆進(jìn)直井要增大，鉆井旋轉(zhuǎn)扭矩因而增大（隨著井深加深則急劇增大）。例如，我國南海大位移井、水平井鉆進(jìn)在不利工況下的扭矩高達(dá)40～60 klbf·ft，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)安全和作業(yè)時(shí)效[5]。潤滑劑的潤滑作用機(jī)理是：常規(guī)潤滑劑主要通過在鉆柱、巖石和套管金屬等表面吸附形成油膜，從而降低鉆柱和井壁間的摩擦阻力，但是在鉆進(jìn)大位移井和水平井時(shí)的高負(fù)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[6]。因此需要開發(fā)在高負(fù)荷條件下仍有效的極壓潤滑劑，以降低鉆進(jìn)大位移井、水平井時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆摩阻，保證作業(yè)順利進(jìn)行。

針對(duì)以上問題，通過大量的資料調(diào)研和有關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了一種極壓潤滑劑PF-EXLUBE，采用極壓潤滑儀、四球摩擦機(jī)和潤滑評(píng)價(jià)模擬裝置（LEM）評(píng)價(jià)了其使用在海水聚合物鉆井液、飽和氯化鈉鉆井液和甲酸鉀鉆井液中的潤滑性能，然后在南海東部某水平井試用，取得了預(yù)期的成效。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

PETO，植物油高級(jí)醇酯；BMS，磺化植物油；BMO，植物油；JY34，硫化烯烴；JY41，有機(jī)鉬減磨劑；JY12，磷之星極壓抗磨劑；JY46，多功能極壓添加劑；T2011，二烷基二硫代磷酸鋅；JY1022，水性極壓潤滑劑；JY4011，硼酸酯極壓劑；JY4210，特種齒輪油復(fù)合劑。

PF-XC，黃原膠；PF-PAC LV，低黏度聚陰離子纖維素；PF-PLH，部分水解聚丙烯酰胺；PFFloTrol，淀粉類降濾失劑；PF-LPF、PF-LSF、PFNRL，瀝青類封堵劑；PF-UHIB，防泥包劑；PFEZFLOW HT，抗高溫淀粉；PF-EZVIS，流型調(diào)節(jié)劑；PF-EZCARB，級(jí)配碳酸鈣封堵劑；PFEZCARB F，超細(xì)碳酸鈣封堵劑（本段落中所列材料用于配制鉆完井工作液）。

上述材料均由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。其余材料均為市售產(chǎn)品。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國OFITE公司；極壓潤滑儀，美國OFITE公司；LEM-4100潤滑評(píng)價(jià)模擬裝置，美國Core lab/Temco公司；MRS-10A型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法、流程

1.2.1 鉆井液配制

（ 1）海水聚合物鉆井液配方：264.8 mL海水+65.5 g 12%預(yù)水化膨潤土漿+0.2%氫氧化鈉+0.2%碳酸鈉+0.3% 黃原膠+0.3% 聚陰離子纖維素+75.8 g重晶石+3% 鈣土。在高速攪拌（11 000 rpm）下按配方順序加料，總攪拌時(shí)間為60 min，即得密度為1.2 g/cm3海水聚合物鉆井液[7]。

（2）氯化鉀-聚合物海水鉆井液配方：328 mL海水+32.7 g 12%預(yù)水化膨潤土漿+0.3% 氫氧化鈉+0.1%碳酸鈉+0.2% 黃原膠+0.5% 包被劑+0.8%改性淀粉+8% 氯化鉀+8% 氯化鈉+2% 高分子羥基成膜劑+1% 瀝青樹脂+1% 泥餅增韌改良劑+1% 防泥包潤滑劑。在高速攪拌（11 000 rpm）下按配方順序加料，總攪拌時(shí)間為60 min，即得氯化鉀-聚合物海水鉆井液。

（3）飽和氯化鈉鉆井液配方：299.3 mL自來水+0.3% 氧化鎂+1.7% 儲(chǔ)保型抗高溫改性淀粉+0.3% 增黏劑+3% 復(fù)合型暫堵劑1#+3% 復(fù)合型暫堵劑2#+104.6 g 氯化鈉。在高速攪拌（11 000 rpm）下按配方順序加料，總攪拌時(shí)間為60 min，即得飽和氯化鈉鉆井液。

（4）甲酸鉀鉆井液配方：256.4 mL海水+0.3%氧化鎂+1.4% 儲(chǔ)保型抗高溫改性淀粉+0.3% 增黏劑+3% 復(fù)合型暫堵劑1#+3% 復(fù)合型暫堵劑2#+170.9 g甲酸鉀。在高速攪拌（11 000 rpm）下按配方順序加料，總攪拌時(shí)間為60 min，即得甲酸鉀鉆井液。

1.2.2 評(píng)價(jià)方法

（1）鉆井液流變性能

將待測(cè)試潤滑劑樣品分別加入不同鉆井液中，高速攪拌20 min，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)4 h后用黏度計(jì)測(cè)定其流變參數(shù)，用極壓潤滑儀測(cè)量扭矩[8]；然后在一定溫度下滾動(dòng)老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌5 min后再用黏度計(jì)測(cè)定流變參數(shù)，用失水儀測(cè)定API濾失量，極壓潤滑儀測(cè)量扭矩。

（2）最大無卡咬負(fù)荷（Pb值）

依據(jù)《GB/T 12583潤滑劑極壓性能測(cè)定法》，設(shè)定轉(zhuǎn)速1 760 rpm，施加不同載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10 s。將潤滑劑純品加入四球摩擦機(jī)油盒中，裝好油盒，設(shè)定溫度50 ℃，待溫度達(dá)到50 ℃后，啟動(dòng)設(shè)備，測(cè)試完畢，取下油盒，倒出潤滑油，放在顯微鏡下測(cè)試磨斑尺寸。當(dāng)磨斑尺寸不大于國標(biāo)規(guī)定相應(yīng)補(bǔ)償線上磨痕直徑的5%，則逐級(jí)地加大載荷進(jìn)行試驗(yàn)，直至磨斑尺寸大于國標(biāo)規(guī)定相應(yīng)補(bǔ)償線上磨痕直徑的5%，則上一級(jí)載荷即為該潤滑油的Pb值。

（3）潤滑模擬評(píng)價(jià)方法（LEM法）

基于前期研究[9]所給予的指引，采用LEM-4100評(píng)價(jià)潤滑劑在高溫高壓條件下的潤滑效果。LEM-4100用裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬轉(zhuǎn)子模擬鉆柱，以一定的接觸力將固定在底座上的套管片（TEMCO公司提供，長(zhǎng)4″，標(biāo)稱直徑 3″，實(shí)際外徑約 3.5″，弧長(zhǎng)約3″）或Berea砂巖塊（TEMCO公司提供，19.0 mm×101.6 mm×63.5 mm）壓緊在以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬轉(zhuǎn)子上進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。接觸力是通過調(diào)節(jié)測(cè)試腔室頂部氣缸的空氣壓力來控制。在轉(zhuǎn)速90 rpm、氣缸壓力16 psi、接觸力110/170 lbsf左右、流量5 000 mL/min的測(cè)試條件下測(cè)試鉆井液中金屬-金屬摩擦系數(shù)，測(cè)試時(shí)間為60 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 極壓潤滑劑EXLUBE的開發(fā)

在調(diào)研基礎(chǔ)上，收集一系列的潤滑油和單一組分極壓劑作為篩選樣品，并且在構(gòu)成上相對(duì)簡(jiǎn)單的海水聚合物鉆井液中分別加入1%、3%這些樣品，高速攪拌20 min后，用極壓潤滑儀測(cè)試其潤滑性能（以為摩擦系數(shù)評(píng)價(jià)依據(jù)）[10]。扭力扳手扭矩分別為150 lbf·in、300 lbf·in和450 lbf·in，因?yàn)榕ちΠ馐值牧Ρ坶L(zhǎng)度為1.5 in，所以對(duì)應(yīng)的負(fù)荷分別為100 lbf、200 lbf和300 lbf。測(cè)試了鉆井液在三種負(fù)荷下的摩擦系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，同不加潤滑樣品的簡(jiǎn)單海水聚合物鉆井液相比，有些樣品的加入反而增大了鉆井液的摩擦系數(shù)；有些樣品降低鉆井液的摩擦系數(shù)的效果不佳；而BMS和JY4011都能顯著地降低鉆井液的摩擦系數(shù)。BMS加量為3%時(shí)，可將鉆井液在100 lbf、150 lbf、300 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)由0.2、0.16、0.14降至0.06、0.07、0.08；JY4011加量為1%時(shí)，可將鉆井液在100 lbf、150 lbf、300 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)將至0.07、0.08、0.08。二者均體現(xiàn)出優(yōu)良的潤滑性能。

圖1 不同潤滑油和極壓劑在簡(jiǎn)單海水聚合物鉆井液中的潤滑性能Fig.1 Lubricating properties of different lubricants and extreme-pressure agents in simple seawater polymer drilling fluids

由于同鉆進(jìn)直井相比，鉆進(jìn)大位移井、水平井時(shí)，鉆柱的重量部分地作用在井壁上，致使鉆柱和井壁間作用力增大，從而引發(fā)旋轉(zhuǎn)扭矩增大。因此，鉆進(jìn)大位移井、水平井時(shí)，對(duì)鉆井液在超高負(fù)荷條件下的潤滑性能提出更高的要求，也就是鉆井液必須具有較好的抗極壓潤滑性能。

為了評(píng)選樣品的上述性能，采用四球摩擦機(jī)測(cè)試了在海水聚合物鉆井液中潤滑性能較好的BMS和JY4011的最大無卡咬負(fù)荷（Pb值），同時(shí)與常用的（成熟應(yīng)用的）商品潤滑劑加以對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，極壓劑JY4011的Pb值最高，為1 167 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比的所有商品潤滑劑，抗極壓性能突出。BMS的Pb值為98 N，較低，可是當(dāng)處于低負(fù)荷時(shí)其在海水聚合物鉆井液中具有較好的潤滑性能。這說明在常規(guī)負(fù)荷條件下，雖然BMS通過物理吸附在金屬等摩擦面吸附形成油膜，就能夠產(chǎn)生潤滑效果，但是在高負(fù)荷條件下，其油膜被破壞，也就失去潤滑性能。而極壓劑JY4011能在金屬等摩擦面形成穩(wěn)定的抗極壓膜，在高負(fù)荷條件下抗極壓膜依然穩(wěn)定，因而具有較好的極壓潤滑性能[11]。

以上述研究、分析作為指導(dǎo)，綜合考慮極壓潤滑劑在常規(guī)負(fù)荷和高負(fù)荷條件下總體上都具有穩(wěn)恒、優(yōu)異的潤滑性能及成本，由磺化油BMS和硼酸酯極壓劑JY4011復(fù)合制備極壓潤滑劑PFEXLUBE[12]。

圖2 不同潤滑油和極壓劑的最大無卡咬負(fù)荷（Pb值）Fig.2 Maximum non-clamping load of different lubricants and extreme pressure agents (Pb value)

2.2 極壓潤滑劑EXLUBE的性能

2.2.1 在氯化鉀-聚合物鉆井液中性能

在氯化鉀-聚合物鉆井液中分別加入1%和2%極壓潤滑劑PF-EXLUBE，測(cè)試其熱滾前和熱滾后的潤滑性能，同時(shí)對(duì)比測(cè)試了商品潤滑劑的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在氯化鉀-聚合物鉆井液中加入1%PF-EXLUBE，熱滾前可將鉆井液的摩擦系數(shù)由0.21降至0.02，降低了90%；熱滾后可將鉆井液的摩擦系數(shù)由0.18降至0.12，降低了33%。提高PF-EXLUBE的加量至2%，鉆井液熱滾前后的摩擦系數(shù)分別為0.01和0.06，分別降低了95%和67%。同商品潤滑劑相比，其潤滑性能優(yōu)于商品潤滑劑1，接近商品潤滑劑2，但是其成本低于商品潤滑劑2，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 在飽和氯化鈉鉆井液中的性能

在飽和氯化鈉鉆井液中分別加入1%、3%極壓潤滑劑PF-EXLUBE，測(cè)試其80 ℃熱滾16 h后于100 lbf和200 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)，同時(shí)對(duì)比測(cè)試了商品潤滑劑的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 極壓潤滑劑PF-EXLUBE在飽和氯化鈉鉆井液中的潤滑性能Fig.4 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in saturated sodium chloride drill-in fluid

由圖4可知，在飽和氯化鈉鉆井液中加入1%PF-EXLUBE，可將鉆井液于100 lbf和200 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)由0.20和0.25降至0.04和0.11，分別降低了80%和56%；提高PF-EXLUBE的加量至3%，于100 lbf和200 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)分別降至0.01和0.02，分別降低了95%和92%。同商品潤滑劑相比，其摩擦系數(shù)低于對(duì)比商品潤滑劑。

2.2.3 在甲酸鉀鉆井液中的性能

在甲酸鉀鉆井液中分別加入1%、3%極壓潤滑劑PF-EXLUBE，測(cè)試其150 ℃熱滾16 h后于100 lbf和200 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)，同時(shí)對(duì)比測(cè)試了商品潤滑劑的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知，在甲酸鉀鉆井液中加入1%PFEXLUBE，可將鉆井液于100 lbf負(fù)荷下的摩擦系數(shù)由0.15降至0.06，降低了60%；提高PF-EXLUBE的加量至3%，鉆井液的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。同商品潤滑劑相比，其摩擦系數(shù)低于對(duì)比商品潤滑劑。

圖5 極壓潤滑劑PF-EXLUBE在甲酸鉀鉆井液中的潤滑性能Fig.5 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in potassium formate drill-in fluid

由于使用常規(guī)極壓潤滑儀只能測(cè)試常溫摩擦系數(shù)，而不能測(cè)試高溫高壓條件下的摩擦系數(shù)。因此采用LEM法測(cè)試甲酸鉀鉆井液于150 ℃、100 psi條件下的摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在110 lbf負(fù)荷下，水的摩擦系數(shù)約為0.4，甲酸鉀鉆井液的摩擦系數(shù)約為0.15，在甲酸鉀鉆井液中加入1%PF-EXLUBE，鉆井液的摩擦系數(shù)約為0.02，摩擦系數(shù)降低約80%；在170 lbf負(fù)荷下，水的摩擦系數(shù)約為0.45，甲酸鉀鉆井液的摩擦系數(shù)約為0.25，在甲酸鉀鉆井液中加入1% PF-EXLUBE，鉆井液的摩擦系數(shù)約為0.1，摩擦系數(shù)降低約60%。這說明PF-EXLUBE能在高溫高壓條件下降低鉆井液的摩擦系數(shù)，體現(xiàn)出優(yōu)良的潤滑性能。

圖6 極壓潤滑劑 PF-EXLUBE 在甲酸鉀鉆井液中的潤滑性能Fig.6 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in potassium formate drill-in fluid

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年9月，極壓潤滑劑PF-EXLUBE在南海東部某水平井試用。該井設(shè)計(jì)井深5 391 m，垂深2 594 m，水平段長(zhǎng)655 m，預(yù)測(cè)水平段鉆進(jìn)摩阻大，扭矩高。鉆進(jìn)至5 170 m，扭矩維持在35～37 klbf·ft居高不下，決定開始向循環(huán)系統(tǒng)加入極壓潤滑劑PF-EXLUBE，總加量為20 kg/m3。加入前后鉆進(jìn)參數(shù)和鉆井液性能見表1，6″井段鉆進(jìn)扭矩曲線見圖7。

表1 加PF-EXLUBE前后鉆進(jìn)參數(shù)和鉆井液性能Table1 Drilling parameters and drilling fluid performance before and after adding PF-EXLUBE

由表1和圖7可知，加入PF-EXLUBE后，鉆井液流變性能幾乎無變化，這說明PF-EXLUBE對(duì)鉆井液流變性能無不利影響；鉆進(jìn)扭矩由35～36.5 klbf·ft降至28～31 klbf·ft，后續(xù)鉆進(jìn)過程，扭矩一直維持在波動(dòng)范圍內(nèi)，直至完鉆，扭矩改善效果明顯且持續(xù)有效的時(shí)間長(zhǎng)。

圖7 水平段鉆進(jìn)期間扭矩曲線Fig.7 Torque curve during drilling in horizontal section

4 結(jié)論

（1） 通過潤滑性能和抗極壓性能篩選法，由硼酸酯和磺化植物油復(fù)配制備了一種極壓潤滑劑PF-EXLUBE。

（2） 實(shí)驗(yàn)室摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，極壓潤滑劑PF-EXLUBE能顯著地降低氯化鉀-聚合物鉆井液、飽和氯化鈉鉆井液和甲酸鉀鉆井液的摩擦系數(shù)。

（3） 采用LEM法測(cè)試了PF-EXLUBE在甲酸鉀鉆井液中150 ℃、100 Psi條件下的摩擦系數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，加入1% PF-EXLUBE，在110 lbf負(fù)荷下，摩擦系數(shù)降低率約80%，在170 lbf負(fù)荷下，摩擦系數(shù)降低了約60%，這體現(xiàn)出其優(yōu)良的降摩阻效果。

（4） PF-EXLUBE在南海東部某水平井試用，試用結(jié)果表明，在鉆井液中加入2% PF-EXLUBE，鉆進(jìn)扭矩降低了15%～20%，且有效作用維持時(shí)間長(zhǎng)，這些都是良好降扭矩效果的體現(xiàn)。