鉆井液用環保潤滑劑的研究與應用

竹學友（大慶鉆井工程技術研究院）

為了提高鉆速、降低井下摩阻，潤滑劑被大量應用于水平井和定向井的鉆井作業中[1-3]。為了降低成本，減輕環保壓力，利用工業油脂的副產物制備潤滑劑已成為鉆井行業研究的重點方向之一[4-9]。大豆酸化油是精煉豆油的副產物，傳統生產工藝將酸化油通過酸催化酯化和堿催化酯交換等一系列工藝制備成生物柴油，進而作為燃料、工業溶劑和潤滑劑使用，生產工藝相對復雜并且產生大量的工業廢水[10-11]。相對于其他應用領域，鉆井行業對鉆井液用潤滑劑的純度、色澤等要求較為寬松，可以在滿足使用要求的前提下對合成工藝進行適當優化。因此，以大豆酸化油和乙醇為主要原料，使用自制催化劑，使用一步法合成，在大幅度簡化生產工藝的前提下，研制了一種生產工藝更為環保、配伍性和潤滑效果均較好的環保型潤滑劑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

大豆酸化油；無水乙醇；復合催化劑；無水碳酸鈉、分析純；膨潤土。

HQC-501B 反 應 釜；FE28-STANDARD 酸 度計、PL6001E 電子天平；GJSS-B12K 高頻高速攪拌機、XGRL-4A 高溫滾子爐；21200 極壓潤滑儀、35SA 六速旋轉黏度計；EUROSTAR 20 數顯電動攪拌器。

1.2 合成方法

將大豆酸化油、乙醇和自制催化劑按照一定的質量比混合后倒入帶有攪拌器、溫度計、回流冷凝器和分水器的反應設備中，升溫至指定溫度后開始計時，反應至所需時間后提高反應溫度至100 ℃蒸餾過量的乙醇，待乙醇完全蒸餾出來后停止反應，即可得到具有一定黏度、外觀為黑褐色的環保改性潤滑劑。為表述方便，使用DRH-1 作為該潤滑劑的代號。

1.3 基漿配制

取5 000 mL 水加入200 g 鈉基膨潤土和10 g 無水碳酸鈉，使用配漿機攪拌1 h，在（20±5）℃下養護24 h，即為實驗用評價基漿。

1.4 評價方法

潤滑性及流變性：取400 mL 基漿加入質量分數為1%的DRH-1，在高速攪拌機上以100 000 r/min攪拌20 min，然后使用極壓潤滑儀和六速旋轉黏度計來測量該樣品的潤滑系數和流變性。

2 潤滑劑性能評價

2.1 物理化學性質

對合成的DRH-1 進行物理化學性質的測定，其外觀為黑褐色黏稠液體，凝固點為-14 ℃，密度為0.92 g/cm3，pH值為7.4，熒光級別為2級。

2.2 潤滑劑加量的優選

隨著潤滑劑DRH-1 加量的增大。潤滑系數降低率逐漸增大，潤滑劑DRH-1優選見圖1。在加量為1%時，即可達到較好的潤滑效果，繼續增大用量，潤滑性能改善不明顯，因此推薦加量為1.00%。

圖1 潤滑劑DRH-1優選

2.3 潤滑劑的抗溫性能評價

DRH-1 的抗溫性能評價見表1。由表1 可知，隨溫度的升高DRH-1 的潤滑性有所降低，但降低幅度不大。當溫度達到150 ℃時，體系的起泡現象較為嚴重，可能是在高溫條件下潤滑劑發生了皂化反應，從而導致體系起泡。

表1 DRH-1的抗溫性能評價

2.4 潤滑劑與鉆井液的配伍性評價

在室內配制高性能鉆井液、硅基陽離子鉆井液和鹽水鉆井液，分別加入1%的DRH-1，測試其對鉆井液體系流變性和潤滑性的影響。DRH-1 在鉆井液體系中的性能評價見表2。

表2 DRH-1在鉆井液體系中的性能評價

由表2 可知，DRH-1 對三種常用鉆井液體系的黏度和失水影響均較小，能有效提高潤滑性，具有良好的應用價值。

2.5 性能對比實驗

實驗中選擇國內常用的幾種環保型潤滑劑RH4、RDH、JTR 進行對比實驗，采用高性能鉆井液作為基漿，潤滑劑的加量均為1%。不同潤滑劑性能對比實驗見表3。

表3 不同潤滑劑性能對比實驗

由實驗結果可知，DRH-1 在熒光級別、潤滑性能和對鉆井液性能影響等方面均優于同類潤滑劑。

3 現場試驗

利用DRH-1 在大慶油田XS 區塊的2 口水平井上進行了現場試驗。施工井段鉆遇地層依次為嫩江組、姚家組和青山口組，其中嫩江組和姚家組含大量泥巖易發生縮徑和造漿等復雜情況，青山口組容易發生剝落、掉塊和井塌等風險。試驗井的水平段在800～1 000 m，使用高性能鉆井液體系，DRH-1加量為1%～2%。試驗井與鄰井同井段的應用效果對比見表4。試驗井在水平段鉆進過程中，泥餅黏附系數、扭矩和摩阻均明顯小于鄰井，水平段鉆進過程中沒有明顯的拖壓和卡阻現象發生。

與鄰井相比，2 口井共計縮短建井周期3.5 天，節省潤滑劑4.6 t，節約潤滑劑使用費76 440元，具有良好的降本增效作用。

表4 試驗井與鄰井的應用效果對比

4 結論

1）利用工業油脂的副產物酸化油，使用自制催化劑合成了一種環保型潤滑劑DRH-1，該潤滑劑的合成原料廣泛、合成工藝簡單。

2）潤滑劑DRH-1具有低熒光、低凝點、抗溫能力強、與鉆井液體系配伍性好等優點。

3）現場試驗表明，該潤滑劑有效地提高了鉆井液潤滑性，降低了潤滑劑用量，縮短了鉆井周期，適用于水平井的鉆井施工，可產生良好的社會效益及經濟效益。