高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1的研制及性能評價

王琳， 董曉強， 楊小華， 薛玉志， 李濤（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

王琳等.高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1的研制及性能評價[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：28-32.

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高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1的研制及性能評價

王琳， 董曉強， 楊小華， 薛玉志， 李濤
（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

王琳等.高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1的研制及性能評價[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：28-32.

摘要針對高密度鉆井液對潤滑性能的要求，采用多元醇、含雙鍵的長鏈脂肪酸、礦物原料等為原料合成一種高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1，其為一種接入具有極壓抗摩能力化學元素的大分子酯。性能評價結果表明，潤滑劑SMJH-1加量為1%、2%和3%時，潤滑系數降低率為24.2%、33.6%、38.3%，具有良好的潤滑性，抗溫達180 ℃，抗鹽達30%，對密度為1.4～2.0 g/cm3的高密度鉆井液在150 ℃、16 h老化前后流變性能影響較小，并有助于高溫高壓濾失量的控制。SMJH-1通過物理化學吸附作用和側向黏附力在鋼質表面形成固態膜，增強表面的疏水性，控制流動界面內的固有渦流，減少摩阻壓力。該潤滑劑在元陸601H和元陸31井進行了試驗應用，取得較好的潤滑效果。

關鍵詞高密度鉆井液；潤滑劑；鉆井液添加劑；高溫；抗鹽；合成

Development and Evaluation of a High Density Drilling Fluid Lubricant

WANG Lin, DONG Xiaoqiang, YANG Xiaohua, XUE Yuzhi, LI Tao
(Research Institute of Petroleum Engineering, Sinopec, Beijing 100101,China)

Abstract A high density drilling fluid lubricant, SMJH-1, was developed using polyalcohol, long-chain fatty acids with double bonds in their molecules, and natural minerals. SMJH-1 is a high molecular weight ester with ability to reduce extreme pressure friction. Drilling fluids treated with 1%, 2% and 3% SMJH-1 have coefficient of friction reduced by 24.2%, 33.6% and 38.3%, respectively. SMJH-1 functions at 180 ℃ and in drilling fluids contaminated with 30% salt. SMJH-1 reduces the HTHP filter loss of drilling fluids with density between 1.4 g/cm3and 2.0 g/cm3, while only slightly affects their rheology. SMJH-1 can spread on the surface of steel, forming a solid film by physico-chemical adsorption and lateral adhesion, hence enhancing the hydrophobicity of the surface and controlling the vortices in the flowing fluid. In this way the friction between fluid and solid surface is reduced. SMJH-1 has been tried in the drilling of the Well Yuanlu-601H and Yuanlu-301, and proved successful.

Key words High density drilling fluid; Lubricant; Drilling fluid additive; High temperature; Salt resistant; Synthesis

隨著大位移井、 水平井以及深井、 超深井的鉆探力度不斷加強， 潤滑與井下安全之間的矛盾越來越突出。在造斜段、水平段滑動鉆進時摩阻大、托壓嚴重。特別是鉆井液密度較高時具有流變性控制難度大、固相含量高、摩阻大的特點[1-3]，其流變性和潤滑性能控制不好極易造成鉆井事故。此時如果不對鉆井液的潤滑性能進行及時調整，會給安全鉆進帶來嚴重隱患[4]。常規潤滑劑在高密度鉆井液中易造成體系黏度增大，在高密度鉆井液中潤滑效果出現明顯下降。因此研制一種對體系黏度影響小、潤滑效果優良的潤滑劑對高壓地層的安全鉆進尤為重要[5-7]。

1　高密度鉆井液潤滑劑SMJH-1研制

1.1 研制思路

高密度鉆井液固相含量高，且流變性不易控制，要求潤滑劑在鉆具、井壁及套管上強吸附，形成抗壓能力強的潤滑膜，有效降低摩擦系數，而且對鉆井液流變性影響要小。基于以上要求，潤滑劑組分及分子結構的設計思路為：①合成含有不飽和雙鍵的大分子酯，通過化學反應接入具有極壓抗摩能力的化學元素，以提高在鋼質鉆具表面的吸附能力，在鉆具表面形成一定厚度的疏水性隔離膜，減小鉆井液流動阻力，且在高極壓下能夠發生摩擦化學反應，以形成金屬皂形式的固態極壓潤滑膜。②優選一定HLB值的復合乳化劑，并加入降低乳化劑起泡性的組分以及具有稀釋能力的組分，使極壓潤滑組分在鉆井液中均勻分散，減低對高密度鉆井液流變性的影響[8-10]。

1.2 合成

高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1采用多元醇、含雙鍵的長鏈脂肪酸、 礦物原料、 乳化劑、 消泡劑等為原料。第一步制備含有不飽和雙鍵的大分子酯， 第二步對制備的大分子酯進行改性反應， 接入具有極壓抗摩能力的化學元素， 然后加入復合乳化劑、 消泡劑等原料， 制得深棕紅色液體的潤滑劑SMJH-1。在合成過程中用氮氣吹掃釜內， 防止反應過程中發生氧化交聯。

2　室內評價

2.1 評價方法

1）原料：鈉膨潤土，勝利油田博友泥漿技術有限責任公司；重晶石，四川安縣華西礦粉有限公司，密度4.2 g/cm3。

2）儀器：DQJ型攪拌機，青島同春石油儀器有限公司；Fann 35SA型六速黏度計、21200型極壓潤滑儀，美國Fann公司；GNF型高溫高壓黏附儀、SD-4型中壓濾失儀，青島海通達專用儀器廠。

3）按照標準Q/SY 1088—2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》計算潤滑系數、潤滑系數降低率以及黏附系數降低率。

2.2 SMJH-1對鉆井液流變性和潤滑性的影響

在密度為1.40、 1.70、 2.00、 2.30和2.60 g/cm3的高密度鉆井液基漿中加入2%潤滑劑SMJH-1（用量以高密度基漿或鉆井液的體積百分數計，下同），考察其對不同密度鉆井液流變性和潤滑性的影響。高密度基漿配方：2%鈉膨潤土+0.5%PAC-LV+適量重晶石。在5種不同密度基漿中，2.30 g/cm3基漿+ SMJH-1體系以及2.60 g/cm3基漿的表觀黏度大于150 mPa·s，在圖中未能標出。除此之外，與未加潤滑劑的基漿相比，加入潤滑劑后未老化的體系黏度出現不同程度的增加，而高溫老化后體系的黏度基本相近。為了室內模擬研究潤滑劑在鉆桿與套管之間的潤滑作用，利用極壓潤滑儀考察兩鋼表面之間的潤滑系數。潤滑系數值越小表示2者之間的摩阻越小。實驗結果如圖1～圖3所示。

圖1　2%SMJH-1在不同密度基漿中的流變性能（150 ℃、 16 h）

圖2　2%SMJH-1在不同密度基漿中的流變性能（150 ℃、 16 h）

圖3　2%SMJH-1在不同密度基漿中的潤滑性能

如圖3所示，SMJH-1在不同密度基漿中的潤滑效果可以看出，老化前潤滑劑在不同密度基漿中的潤滑性能較穩定；老化后的潤滑系數隨著基漿密度的升高出現明顯下降，相應的潤滑系數降低率也出現明顯升高，這說明潤滑劑SMJH-1在高密度鉆井液體系中具有優良的潤滑性能。

2.3 SMJH-1抗溫性能評價

將2%SMJH-1加入密度為2.0 g/cm3的鉆井液基漿中， 測定經過120、 150和180 ℃老化16 h后的黏度和潤滑性能， 如表1所示。基漿配方如下。

1#1.7%膨潤土+2%SMP-2+2%SMC+2% SMS-19 +2.5%SML-4+1%KOH+重晶石，密度為2.0 g/cm3

由表1可知， 與高密度鉆井液基漿性能相比，加入2%SMJH-1經高溫老化前后的表觀黏度和塑性黏度均有所下降；且隨老化溫度的增加，體系的潤滑系數也逐漸下降， 這說明潤滑劑SMJH-1具有良好的高溫潤滑性能， 而且對該密度下的鉆井液不產生增黏作用。

2.4 SMJH-1濃度對高密度鉆井液性能的影響

在密度為2.0 g/cm3的基漿中加入不同濃度的潤滑劑SMJH-1，考察不同加量SMJH-1對高密度鉆井液流變性和潤滑性的影響。實驗結果見表2和圖4。

體系的潤滑效果用極壓潤滑系數和濾餅的黏附系數降低率來評價。體系流變性測試結果可以看出，在1.0%～3.0%SMJH-1濃度范圍內，含潤滑劑的高密度鉆井液基漿的表觀黏度和塑性黏度與未加潤滑劑的基漿相比出現略微降低，而且體系的中壓和高溫高壓濾失量隨潤滑劑的加入有所降低，表明潤滑劑不會對高密度鉆井液基漿產生增黏作用，而且有助于濾失量的控制。從圖4潤滑測試結果可以得出，高密度鉆井液的潤滑系數隨SMJH-1濃度的增加而逐漸下降，濾餅的黏附系數降低率也迅速升高，繼續增大SMJH-1加量至3%時，體系的潤滑系數迅速降低，說明潤滑劑在高密度鉆井液體系中具有優良的潤滑效果。

表2　SMJH-1加量對高密度鉆井液性能的影響

圖4　SMJH-1濃度對高密度鉆井液潤滑效果的影響

2.5 SMJH-1抗鹽性能評價

進一步考察了潤滑劑SMJH-1在10%NaCl以及30%NaCl鉆井液中的性能，結果如表3所示。可以看出，分別向10%以及30%NaCl鉆井液中加入2%SMJH-1后，體系黏度略微增加，但中壓失水和極壓潤滑系數均明顯減小，表明SMJH-1具有良好的抗鹽能力。

表3　SMJH-1在含鹽高密度鉆井液體系中效果評價

2.6 SMJH-1潤滑機理分析

SMJH-1中具有表面活性的組分通過物理吸附和化學吸附到鉆具的表面并在表面聚集，分子中的極壓元素與鋼鐵表面的鐵原子間以配位鍵形式形成強吸附，其極性端借助范德華力吸附在鋼制的鉆具表面，潤滑劑中油類組分的碳氫鏈非極性端鏈間由于側向黏附力形成強的固態膜[11-12]。在經過2%鈉膨潤土漿及含有1%SMJH-1潤滑劑的鈉膨潤土漿浸泡后，水在鋼表面的接觸角由31.0°升高至70.0°，表明潤滑劑SMJH-1造成鋼片表面疏水性程度增大，該結果表明潤滑劑SMJH-1具有較強的使鋼質表面疏水性增強的能力。這種能力是由SMJH-1的有效成分在金屬表面形成附著的疏水烴化物層造成的。通過形成疏水的邊界層，改變鉆井液的流動界面，使鉆井液在鉆桿、套管和地層表面流動時管道流動界面內的固有渦流得到控制，從而減少摩阻壓力。

3　現場應用效果

3.1 在元陸601H井的應用

元陸601H井是中石化在川東北九龍山背斜西翼近軸部的一口開發評價水平井。該井四開鉆至斜深為5 480 m，垂深為4 578.05 m提前完鉆，井斜86°。該井高密度鉆井液具有流變性控制和維護處理難度大、潤滑性要求高的特點。如表4所示，向現場密度為2.20 g/cm3的高密度鉆井液中添加1%高密度鉆井液分散劑SMS-19和2%潤滑劑SMJH-1后，體系漏斗黏度由67 s降為61 s和65 s，濾失量由2.6 mL降為2.0 mL和1.8 mL，加SMJH-1前后井漿的潤滑系數由0.11降至0.08，體系的流變性能、濾失量以及潤滑性能均得到了顯著改善。

表4　元陸601H井高密度鉆井液性能

3.2 在元陸31井的應用

元陸31井是中石化南方公司部署在川東北元壩中部斷褶帶九鎮構造一口預探井，井深為5 220 m，三開自流井組鉆井液密度高、 流變性差、摩阻大。在鉆遇自流井組東岳廟段， 鉆井液密度為2.18 g/cm3，用0.5%分散劑SMS-19和1.5%高密度鉆井液潤滑劑SMJH-1處理鉆井液，鉆井液性能見表5。如表5所示，循環后鉆井液塑性黏度從39 mPa·s降低至35 mPa·s，鉆井液摩擦系數從0.15降低至0.12，鉆井液的流變性和潤滑性得到顯著改善，而其他性能沒有受到不良影響，現場試驗取得良好效果。

表5　元陸31井高密度鉆井液性能

4　結論

1.采用多元醇、含雙鍵的長鏈脂肪酸、礦物原料、乳化劑、消泡劑等為原料，在高溫下反應制備出高密度鉆井液用潤滑劑SMJH-1。

2.潤滑劑SMJH-1通過物理和化學吸附作用在鉆具表面聚集，同時組分中的碳氫鏈通過側向黏附力形成固態膜，增強鋼質表面的疏水性，控制流動界面內固有渦流，減少摩阻壓力。

3.研制的潤滑劑SMJH-1在高密度鉆井液中具有良好的潤滑作用，對體系的流變性能影響較小，且具有一定的抗高溫及抗鹽能力，在元陸601H井和元陸31井取得較好的現場應用效果。

參 考 文 獻

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收稿日期（2015-9-15；HGF=1506M10；編輯 馬倩蕓）

作者簡介：第一王琳， 高級工程師， 1970年生， 1995年畢業于山東大學化學與化工學院有機合成專業， 2004年獲中國科學院物理化學博士學位， 主要從事鉆井液及處理劑的研究工作。電話 （010）84988202；E-mail：wanglin.sripe@sinopec.com。

基金項目：中國石油化工股份有限公司科技部項目“改善高密度鉆井液流變性關鍵技術研究”（P11049）資助。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.006

中圖分類號：TE254.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0028-05