一種高性能環保型鉆井液潤滑劑的研究與應用

李小瑞 ， 張宇 ，2， 景曉琴 ， 馬健 ， 費貴強 ， 楊南

（1.陜西科技大學化學與化工學院，西安 710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安 710021；3.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716009）

隨著水平井、深井和超深井等特殊工藝井的開采，長水平段高摩阻扭矩、深井高溫等復雜情況對鉆井液用潤滑劑提出了較高的技術要求[1-4]。現有鉆井液潤滑劑大多難以同時兼顧良好的潤滑性、抗高溫能力及環保性能，無法滿足特殊井鉆井需求[5-7]。近年來，國內外鉆井液潤滑劑研究取得了較大的進展，但多功能型鉆井液潤滑劑研究總體上仍存在價格高、種類少、環保不達標等不足。調研分析發現，現有鉆井液潤滑劑大多適用于較低溫（≤120 ℃）、較低密度（≤1.3 g/cm3）環境下，存在高溫、高密度下潤滑劑的作用效能顯著降低且容易引起氣泡等問題；同時，用于制備潤滑劑的原材料大多采用礦物油、植物油等，存在熒光級別高或抗溫效果不理想等問題；此外，現有極壓潤滑劑大多含硫磷等元素，對環境影響較大，限制了其推廣使用[8-11]。因此，迫切需要研制一種適用于高摩阻扭矩、高溫環境的高性能環保型鉆井液潤滑劑。室內優選了改性植物油BO-3、潤滑改性劑（包括非硫磷有機硼酸酯YJP-1、油溶性熒光屏蔽劑YP-1及表面活性劑XP-1），實驗優化了制備工藝條件，最終研制出了綜合性能較優的鉆井液潤滑劑HPRH，并成功進行了現場試驗。

1 潤滑劑研制

1.1 基礎油優選

常規植物油雖然具有可保護環境、低熒光特性，但其抗溫能力普遍較差；礦物油雖然抗溫效果好，但熒光級別較高，無法滿足環境保護要求；而基礎油的黏度、閃點、芳烴含量等參數直接關系到潤滑劑成品的性能[12-15]。室內選取了多類廢棄植物油脂，經過高溫改性處理，測試了不同基礎油的基本參數，結果見表1。

表1 不同基礎油主要參數測試結果

由表1可知，BO-3具有良好的自潤滑性，流動性好，熒光級別低，閃點較高，綜合性能較優。因此選取改性植物油BO-3作為基礎油。

1.2 潤滑劑改性劑優選及配方的確定

為改善基礎油的潤滑性能、抗磨減磨性能及抗泡抑泡性能，分別優選了非硫磷有機硼酸酯YJP-1、油溶性熒光屏蔽劑YP-1及非離子表面活性劑XP-1。基于單因素正交實驗，確定了較優的組分及加量，反應溫度為75～80 ℃，反應時間為4～6 h，制備出潤滑劑HPRH，配方如下。

97.5 %BO-3+0.8%YJP-1+1.2%XP-1+0.5%YP-1

2 潤滑劑HPRH綜合性能評價

2.1 物理性能

潤滑劑HPRH的物理性能評價結果見表2。由表2可知，HPRH的穩定性好，起泡率低，無熒光，滿足現場潤滑劑使用基本要求，且制備HPRH的原材料均為環保、可降解材料，能夠滿足環保要求。

表2 潤滑劑HPRH物理性能評價結果

2.2 HPRH加量的優選

由圖1可知，隨著HPRH加量的升高，實驗漿的潤滑系數降低率逐漸增大；當HPRH加量為0.5%時，實驗漿的潤滑系數降低率為93.75%，潤滑效果顯著，且繼續增加潤滑劑加量，潤滑系數降低率變化不大。因此，推薦HPRH的較優使用濃度為0.5%。

圖1 潤滑劑HPRH加量優選實驗結果

2.3 潤滑性能

選取國內外應用效果較好的聚合醇類RH-1、礦物油類RH-2、植物油類RH-3及復合表面活性劑類RH-4鉆井液潤滑劑，采用EP極壓潤滑儀和GNF高溫高壓黏附系數測定儀，依據SY/T 1088—2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》，對比評價不同潤滑劑在淡水基漿和4%鹽水基漿中的潤滑性能，結果見表3。由表3可知，HPRH在淡水基漿及4%鹽水基漿中的潤滑性能均高于其他潤滑劑。而且，制備HPRH的主要原材料為改性廢棄植物油，來源廣泛，成本低廉。

表3 不同潤滑劑的潤滑性能對比評價（加量為0.5%）

2.4 抗溫性能

由表4可知，加入0.5%HPRH后，實驗漿熱滾前的流變參數較基漿無明顯變化，說明潤滑劑對鉆井液流變性影響較小；實驗漿在不同溫度熱滾前后的API濾失量較基漿有所降低，且小于25 mL，說明HPRH兼顧一定的降濾失作用；隨著熱滾溫度的升高，實驗漿的潤滑性能雖然有所降低，但160 ℃熱滾16 h后，其潤滑系數降低率仍不小于80%，說明HPRH具有優良的抗溫性能。

表4 潤滑劑HPRH抗溫性能評價

2.5 與鉆井液配伍性

選取現場常用的不同類型密度均為1.6 g/cm3的鉆井液，考察HPRH加量對其性能的影響。實驗結果見表5。由表5可知，加入0.5%HPRH即能顯著改善加重鉆井液的潤滑性能，且加樣漿的泥餅黏附系數降低率均大于60%，說明HPRH在高密度鉆井液中仍具有較好的潤滑性能；同時HPRH對鉆井液流變性影響較小。由此可見，HPRH適用于高密度鉆井液，配伍性較好。

表5 HPRH與鉆井液配伍性評價（ρ=1.6 g/cm3）

2.6 抗摩減磨性能

采用MMW萬能摩擦磨損試驗機，基于銷-盤摩擦副結構，模擬鉆井液浸泡條件，測試不同摩擦磨損時間下實驗漿的摩擦系數，考察了HPRH的抗摩減磨性能，結果見圖2。實驗條件為：銷-盤均為N80鋼，模擬載荷為120 N，溫度為80 ℃，轉速為500 r/min。由圖2可知，隨著摩擦磨損時間的延長，加入0.5%HPRH實驗漿的摩擦系數變化幅度較小，長磨60 min后，實驗漿的摩擦系數仍穩定為0.078～0.086；而膨潤土基漿的摩擦系數隨著磨損時間的增加而大幅增大，長磨60 min后的摩擦系數達到0.199。由此可看出，HPRH的潤滑效果顯著，持效性優良。

在此基礎上，計算60 min長磨后盤的體積磨損率，體積磨損率計算式如下[16-17]。

圖2 不同磨損時間下實驗漿的摩擦系數測試結果

式中：I為磨損率，mm3/（N×m）；Δm為盤的質量變化值，g；ρ為盤的密度，g/cm3；F為載荷，N；D為滑動摩擦距離，m。

結果表明，加入0.5%HPRH實驗漿浸泡條件下，長磨60 min后盤的體積磨損率僅為6.92×10-13mm3/（N×m）；而膨潤土基漿浸泡條件下，盤的體積磨損率達到7.54×10-11mm3/（N×m）。由此可見，HPRH能大幅降低鉆柱摩擦磨損，抗摩減磨效果顯著。這主要是由于經過高溫改性后的植物油抗溫效果較好，在高溫下仍能在金屬表面形成較強的吸附油膜，油膜之間摩擦大大減輕了金屬磨損；而且，有機硼酸酯極壓劑在井底動態極壓條件下，能夠及時在金屬和井壁表面有效吸附，并形成物理、有機、聚合物等多層復合膜，對摩擦磨損粗糙面及時起到修復作用，從而達到優良的降摩減阻效果。

3 現場試驗

HPRH在塔里木油田LN區塊2口評價井水平段中進行了現場試驗。試驗井水平段主要以泥頁巖為主，試驗水平段井深約5 960 m，井下溫度為160～180 ℃。現場水平段前期主要采用聚合物鉆井液體系，鉆進過程中高摩阻扭矩問題較為突出，常出現托壓、卡鉆等復雜事故，因此在水平段應用了HPRH，應用水平段長約500 m，潤滑劑加量為0.5%～1.0%。試驗井段鉆井液泥餅黏附系數和鄰井相同井段泥餅黏附系數變化見圖3。由圖3可知，在試驗水平井段，評價井A和評價井B的鉆井液泥餅黏附系數保持在0.05～0.08，潤滑性能較好，且較鄰井有較大幅度改善。結果表明，HPRH能改善鉆井液潤滑性能，在水平段鉆井中起到良好的降摩減阻效果。由表6可以看出，試驗水平井段鉆井液潤滑劑用量較鄰井同井段減少了50%以上，同時鉆井扭矩降低率達到30%以上，摩阻降低率大于25%，表明HPRH具有優異的降摩減阻效果。此外，現場施工過程中沒有發生明顯托壓、卡鉆等復雜情況，應用效果良好。

圖3 試驗井與鄰井泥餅黏附系數變化趨勢對比圖

表6 潤滑劑HPRH與現場常用潤滑劑應用效果對比

4 結論

1.以改性植物油為基礎原料，優選環保型潤滑改性組分，研制出高效環保型鉆井液潤滑劑HPRH；HPRH無熒光，穩定性好，起泡率低，潤滑性能優于國內外同類潤滑劑產品，且滿足環境保護需求。

2.HPRH與鉆井液配伍性良好，適用于高密度鉆井液，抗溫可達160 ℃；而且HPRH具有好的抗摩減磨作用，能有效減輕鉆柱磨損，持效性較好。

3.潤滑劑HPRH在試驗井水平井段成功地進行了應用，表現出良好的高效潤滑特性，降摩減阻效果突出，潤滑劑使用量節省了50%以上，尤其適用于水平井高摩阻扭矩及深井鉆井作業。