新型高效環(huán)保潤滑劑研制及應用研究

荊 鵬

（天津中海油服化學有限公司，天津 300301）

隨著工業(yè)高速發(fā)展，目前全球的陸地和海上油氣田開發(fā)，已經(jīng)逐步向更高溫、高壓以及復雜地層區(qū)塊延伸，對于油氣開采的難度也在逐步增加，對于鉆井液體系中潤滑劑的要求也越來越嚴苛，主要涉及以下幾個需求：（1）高效的潤滑性能；（2）兼具生物環(huán)保特性；（3）抗高溫性能；（4）對于不同體系和地層均要有足夠的穩(wěn)定性。

本研究即是針對以上技術關鍵點，構(gòu)建并研制一種新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，來滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，進一步應用到高難度油氣田的開發(fā)和應用中，為我國油氣田開發(fā)業(yè)務拓展貢獻一部分力量。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

α-烯烴合成基礎油（上海孚科獅化工科技有限公司，工業(yè)級）；碳酸鈉（天津市北方天醫(yī)化學試劑廠，分析純）；氯化鈉（天津市北方天醫(yī)化學試劑廠，分析純）；氯化鉀（天津市北方天醫(yī)化學試劑廠，分析純）；氫氧化鈉（天津市北方天醫(yī)化學試劑廠，分析純）；重晶石4.2 g/cm3（廣西省桂林市金三華礦粉公司，工業(yè)級）；PF-BF1乳化劑（自產(chǎn)）；PF-BF2乳化劑（自產(chǎn)）；去離子水；新疆夏子街鈉搬土。

1.2 實驗儀器

OFITE式極壓潤滑儀（OFI測試設備，美國德克薩斯洲休斯頓生產(chǎn)）；變頻高速攪拌機（青島海通達專用儀器廠）；滾子加熱爐（青島膠南分析儀器廠）；ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計（青島膠南分析儀器廠）；GZX-9070MBE型電熱鼓風干燥箱（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠）；高溫高壓失水儀（青島宏煜琳石油儀器有限公司）。

1.3 實驗原理

新型高效環(huán)保潤滑劑采用α-內(nèi)烯烴合成基礎油，作為基礎油相物質(zhì)，其在潤滑性、耐溫性以及穩(wěn)定性等方面都有著十分突出的應用效果[1-3]；同時在體系中采用自主研發(fā)的兩種新型乳化劑PF-BF1和PF-BF2為主劑，兩種乳化劑采用硼化脂肪胺類共聚物；同時復配一定量的穩(wěn)定材料和高效乳化材料，最終形成的新型環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，在抗溫性、抗鹽性、潤滑性以及環(huán)保性能等方面都有突出的效果。

主要研制機理是在α-內(nèi)烯烴合成基礎油中引入硼酸脂類化合物：（1）形成摩擦表面的強吸附作用；（2）同時其在摩擦表面生成具有層狀結(jié)構(gòu)的氮化硼化合物，低溫時發(fā)生物理吸附，起到抗磨減阻作用；隨著體系溫度升高發(fā)生化學反應形成氮化硼和硼化鐵等抗磨性極強的物質(zhì)，從而使鉆具和井壁表面具有很強的抗磨減磨性能和很好的熱穩(wěn)定性。

1.4 實驗數(shù)據(jù)測定方法

潤滑系數(shù)值和扭矩降低率是按照石油天然氣標準SY/T6615-2005進行測定；泥漿流變性能是按照ASTM C1752-2011進行；泥漿抗污染實驗按照GB/T15541-1995進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型高效環(huán)保潤滑劑添加劑研究

新型高效環(huán)保潤滑劑采用α-內(nèi)烯烴作為基礎油[4]，對比傳統(tǒng)油基潤滑劑采用礦物油、酯類、聚烯烴、溶劑油或復合酯類等材料，α-內(nèi)烯烴在耐溫和穩(wěn)定性方面都有較大優(yōu)勢，常規(guī)基礎油類物質(zhì)（見圖1），其黏溫曲線波動較大，黏度隨溫度變化較明顯，α-內(nèi)烯烴基本在0～70℃范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定的黏度。

圖1 不同基礎油黏溫曲線

新型高效環(huán)保潤滑劑采用新型硼酸脂類化合物作為潤滑劑主劑（主劑加量為2%），對其在普通礦物油中潤滑系數(shù)進行測定，并與常規(guī)油脂潤滑劑（同時采用礦物油作為基礎油，同時成本相當）進行對比。常規(guī)油脂潤滑劑摩擦系數(shù)隨時間的變化，呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，潤滑性能在逐漸降低。而采用新型硼酸脂類化合物復配礦物油，其摩擦系數(shù)隨時間的變化，呈現(xiàn)平滑穩(wěn)定的趨勢，潤滑性能持續(xù)穩(wěn)定在較低的區(qū)間內(nèi)波動。

2.2 新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品評價

新型高效環(huán)保潤滑劑，通過對其潤滑性能、耐溫性能、環(huán)保性能等基礎性能進行評價[5-7]，其結(jié)果如下：

2.2.1 潤滑性能評價 采用新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，分別對其淡水搬土漿、天然海水搬土漿以及10%NaCl水溶液搬土漿進行潤滑性能測定，具體數(shù)據(jù)（見表1）。從表中數(shù)據(jù)可以了解到，新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品加量0.5%時，在不同基漿體系中均有很好的潤滑性能，扭矩降低率都在90%以上。

表1 不同潤滑劑產(chǎn)品在不同搬土漿中潤滑性能對比

2.2.2 耐溫性能評價 采用淡水和海水6%搬土漿作為基漿，在1%加量條件下，測定不同潤滑劑產(chǎn)品在不同老化溫度后的扭矩降低率，具體結(jié)果（見圖2和圖3）。新型環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品在溫度80℃～220℃范圍內(nèi)均保持較好的潤滑效果，對比國外幾款高端潤滑劑產(chǎn)品在180℃后，潤滑性能都有開始衰減，200℃以后明顯下降。該現(xiàn)象表明，采用硼酸脂類化合物，其老化后在金屬表面形成抗磨性極強的物質(zhì)，在高溫作用下，仍然能夠起到穩(wěn)定的潤滑效果。

2.2.3 加重性能評價 采用磺化體系鉆井液作為基漿，在不同密度范圍內(nèi)（1.2 g/cm3～2.4 g/cm3），考察新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品對體系潤滑性能的影響，結(jié)果（見圖4）。從圖4可知，在潤滑劑加量范圍從0.5%～3.0%，加重密度不斷增大，其體系整體的潤滑系數(shù)降低率基本保持不變。

2.2.4 環(huán)保性能評價 通過對新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品環(huán)保性能測定，其數(shù)據(jù)（見表2）。從表2中數(shù)據(jù)可以了解到，新型高效環(huán)保潤滑劑生物毒性指標滿足國家對于鉆井液單劑材料一級海域排放標準，環(huán)保效果突出，更便于現(xiàn)場使用。

2.3 新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品體系評價

2.3.1 不同體系潤滑性能評價 采用不同常規(guī)基礎水基泥漿體系：氯化鉀聚合物體系、有機鹽體系、陽離子體系以及抗溫三磺體系。分別考察新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品在其中起到的潤滑效果，結(jié)果（見表3）。從表3數(shù)據(jù)可以看出，在常規(guī)鉆井液體系中，其本身潤滑性就已經(jīng)很低，再通過加入新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，仍然能降低體系的潤滑系數(shù)，降低幅度接近60%，顯然對于鉆井液體系在復雜地層和區(qū)塊更好的發(fā)揮鉆井液的整體性能。

圖2 淡水漿不同老化溫度對潤滑劑產(chǎn)品性能影響

圖3 海水漿不同老化溫度對潤滑劑產(chǎn)品性能影響

圖4 磺化體系不同密度下潤滑劑產(chǎn)品對體系潤滑性能的影響

表2 新型高效環(huán)保潤滑劑生物毒性測定

表3 新型高效環(huán)保潤滑劑對常規(guī)泥漿體系潤滑性能的影響

表4 新型高效環(huán)保潤滑劑對泥漿體系性能的影響

2.3.2 產(chǎn)品綜合性能評價 采用新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，考察其對泥漿體系流變、失水、密度變化率、起泡性能影響，具體結(jié)果（見表4）。

3 結(jié)論

（1）通過采用α-內(nèi)烯烴合成基礎油并配新型硼脂類乳化劑，研制的新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，在潤滑性能，耐溫性能、抗鹽性能以及環(huán)保性能等均具有突出的效果。

（2）新型高效環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品加量0.5%，常規(guī)淡水和海水體系，扭矩降低率＞90%，抗溫＞220℃；同時達到一級海域環(huán)保排放標準。

（3）新型高效環(huán)保潤滑劑適用于多種體系，密度應用上限可達2.4 g/cm3，對鹽敏地層，高溫地層都能達到較好的效果，可更好的應用在國內(nèi)外高溫、高壓以及復雜地層區(qū)塊。