高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的研究與應用

劉 勝

（中海油田服務股份有限公司上海分公司，上海 200035）

0 引言

近年來，隨著東海勘探開發逐漸向深層油氣資源推進，鉆探難度不斷增加，鉆遇多種復雜地層，鉆完井難度極大[1]。尤其是面對硬脆性泥頁巖的大斜度井、水平井深井作業，鉆井過程中的磨阻扭矩過大，成為困擾鉆井作業順利的難題之一[2]。常用的潤滑劑無法滿足硬脆性泥頁巖地層金屬與巖石之間的磨阻問題，而國外的高效抗磨減阻劑價格昂貴，無法推廣使用，因此該文研發了一種高效的抗磨減阻的極壓潤滑劑，可有效解決硬脆性泥頁巖與鉆具之間的磨阻問題，對東海地區實現高效安全鉆井具有十分重要的戰略意義。

1 抗磨減阻劑類型與機理

1.1 抗磨減阻劑類型

抗磨減阻劑主要以分子中的官能團吸附在鋼鐵或巖石表面，形成牢固堅硬的極壓膜，來降低摩擦、減少損耗，因此，根據其官能團的不同，大致可以將抗磨減阻劑分為以下幾個類別。

1.1.1 有機氯化物

以氯化石蠟為代表的有機氯化物是最早的抗磨減阻劑之一，其優勢是原料來源廣泛、成本低。但是由于形成的極壓膜熔點較低，當摩擦升溫時膜容易脫附，導致失效。同時由于有機氯化物在堿性條件的水中容易水解，因此在水基鉆井液中的應用十分受限[3]。

1.1.2 有機硫化物

有機硫化物的作用機理與有機氯化物較為相似，但是硫化鐵極壓膜熔點在750℃以上，因此具有較高的抗溫性能，缺點是其沒有氯化鐵的層狀結構，潤滑減摩效果較差[4]。

1.1.3 含磷化合物

含磷化合物兼具有機氯化物和有機硫化物的優點，但是由于過量的磷排放會導致水體富養化，目前受到了國家的嚴格管控[5]。

1.1.4 有機金屬鹽

有機金屬鹽是目前應用最廣泛的抗磨減阻劑，有機鋅類（ZDDP）是機油的重要添加劑，鉬鹽在與其他種類的減阻劑一同使用時會生成硫化鉬等強度極高的層片狀膜，具有非常優良的抗磨減阻性能，缺點是價格昂貴，成本太高[6]。

1.1.5 納米固相

納米固相主要作為其他抗磨減阻劑的“添加劑”，可以在摩擦發生時成為摩擦副之間的“軸承”，進而將滑動摩擦轉變為滾動摩擦，降低摩阻。但是其自身密度與常規抗磨減阻劑密度差異較大，長時間放置時容易團聚沉降，影響了抗磨減阻劑的保質期[7]。

1.2 抗磨減阻劑類型

各類型潤滑劑潤滑機理主要包括以下幾個方面。

1.2.1 固體類潤滑劑

主要為圓球狀剛性小球，將兩個粗糙的摩擦面進行物理分離，將面-面接觸產生的滑動摩擦轉變為點-面接觸產生的滾動摩擦，大幅降低摩擦阻力。

1.2.2 液體類潤滑劑

主要通過化學鍵吸附在鉆柱和巖石等摩擦面的表面，將摩擦面的不平整處進行覆蓋，使原本固體之間的接觸摩擦轉變為潤滑劑的非極性端的相對運動，造成油膜剪切流動，降低摩阻。

1.2.3 瀝青類潤滑劑

由于地層的滲透性，鉆井液中液相會有一部分滲入地層，這部分的液相之前所分布的固體會殘留在地層外形成泥餅。泥餅是實際鉆井過程中鉆桿與地層之間的分隔帶，是鉆井摩阻的主要來源。瀝青的加入一方面可以降低濾失量，形成薄而韌的泥餅；另一方面可以改善泥餅質量，提高泥餅的潤滑性能。

1.3 抗磨減阻技術對策

通過對抗磨減阻劑機理的調研與研究，該文突出以下幾方面的技術措施：1）表面潤濕改性技術。合成含有不飽和雙鍵的大分子酯，通過化學反應接入含氯、硫、磷的具有極壓抗磨能力的化學元素，提高抗磨減阻劑在鉆井表面的吸附能力，改變潤濕性，形成疏水隔離膜。2）納米涂層技術。引入有機鉬化合物，在高溫高壓下分解成納米級的二硫化鉬，以層狀微晶結構疊置于金屬表面，形成膜覆蓋在抗磨損層上，從進達到減摩、抗磨、潤滑的作用。3）固液納米復合潤滑技術。以微小液珠顆粒、納米固體潤滑顆粒降低金屬-金屬、金屬-巖石界面摩擦阻力。

2 高效抗磨減阻劑研制與評價

高效抗磨減阻劑的研制，其核心在于減阻劑在金屬及巖石表面的吸附性和膜的強度，室內通過大量調研，最終選擇以醇、脂等材料在高溫條件下通過酯化合成及縮合反應制得產品。其分子式為[CnHnC（O）N（C4H8OH）（C4H8O）]nXnYn。

2.1 高效抗磨減阻劑磨損性能評價

2.1.1 試驗流程

試驗分為如下5個步驟：1）按配方配制空白及加樣鉆井液體系，在目標溫度（120℃）下熱滾老化16h。2）將試驗塊在105℃下烘干4h，使用分析天平稱重，精確至0.1mg，裝入抗磨試驗機中，加入老化后的待測鉆井液。3）利用力臂加壓，折算壓力加至10kN，啟動儀器，設定轉速300r/min，使試壓塊在鉆井液的浸泡中磨損10min。4）將試驗塊取出，洗凈表面殘留的鉆井液，在105℃烘干4h后稱重，計算磨失量及磨失速率。5）儀器洗凈后更換其他待測鉆井液體系，重復以上步驟。

2.1.2 評價結果

由于目前應用井鉆井液體系種類繁多，因此挑選有代表性的清水、飽和鹽水鉆井液以及高密度鉆井液分別研究高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100在不同鉆井液體系中的抗磨減阻效果。

2.1.2.1 清水無固相鉆井液磨損試驗

在清水無固相鉆井液中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，以考察金屬的磨失速率，試驗結果見表1。

表1 抗磨減阻劑在清水無固相鉆井液中的效果

2.1.2.2 飽和鹽水無固相鉆井液磨損試驗

在飽和鹽水無固相鉆井液中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，以考察金屬的磨失速率，試驗結果見表2。

表2 抗磨減阻劑在飽和鹽水無固相鉆井液中的效果

從表1和表2的試驗結果可以看出，在相同條件下，飽和鹽水中的磨失速率要高于清水體系，但是加入0.3%～0.5%的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100后，基漿對金屬磨失的速率大幅度降低，表明該產品具有很強的抗磨減阻作用。

2.1.2.3 高密度鉆井液磨損試驗

高密度鉆井液測試基漿配方如下：4.0%鈉土漿+0.8%NaOH+0.1%PAC-HV+1.0%SMP-1+1.0%SYP-1+1.0%PSC-2+0.1%SP-80+1.0%XHL+3.0%KCl+鐵礦粉和重晶石（3∶1）至2.30g/cm3。在該基漿中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，其磨失量及磨失速率見表3。

從表3與表1、表2的對比可以看出，在完整的泥漿體系中，由于其他鉆井液處理劑的吸附干擾，因此高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的作用效果要比在清水及鹽水體系中差，但在1%加量時仍能降低磨損速率至空白的1/5。

表3 抗磨減阻劑在高密度鉆井液中的效果

2.2 高效抗磨減阻劑對專業儀器磨損性能評價

室內評價高效抗磨減阻劑在專業儀器上對鉆桿、套管組合和耐磨帶下的磨損試驗，將試驗塊及磨塊更換為專業儀器部件，壓力為10kN，轉速100r/min。由于儀器部件為工業品，存在差異性，因此平行試驗4次，之后求結果的平均值。

評價試驗中采用的鉆井液基漿配方如下：3.0%土漿+0.7%CMC+2.5%SMP-2+0.3%PAC+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+鐵礦粉加重（密度1.97g/cm3）。對S135鉆桿及P110套管組合下的磨損試驗結果見表4。

表4 抗磨減阻劑對S135鉆桿及P110套管組合的效果

從表4可以看出，加入1%ARDRLUBE-100后，平均每小時失重降低至空白基漿作用下的1/3左右。

現場為保護套管，可在鉆桿外壁增加耐磨帶，因此研究ARDRLUBE-100對耐磨帶及P110套管組合下的磨損試驗效果，試驗結果見表5。

從表5可以看出，耐磨帶自身抗磨性能較好，同時能在一定程度上保護P110套管，空白基漿的磨損速率是鉆桿與套管磨損速率的大約1/5。但加入抗磨減阻劑后仍具有較為明顯的效果，磨損速率能夠再進一步降低一半。因此，采用耐磨帶和高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100協同作用，能夠將專業儀器的磨損速率降至空白條件的1/10，具有十分明顯的效果。

表5 抗磨減阻劑對耐磨帶及P110套管組合的效果

2.3 與國外同類產品的對比評價

2.3.1 試驗流程

使用EP-極壓潤滑儀對比評價高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100與國外同類產品，具體流程如下：1）使用清水作為待測液，設定試驗儀器參數轉速為60r/min，利用力臂在滑塊上增加不同的載荷，讀取扭矩。2）更換待測液為基漿+3%LUBE167，保持轉速不變，測量不同載荷下扭矩。3）利用清水扭矩對體系扭矩進行校正，公式為校正扭矩=體系扭矩×34/清水扭矩，最后使用校正后的扭矩計算摩阻系數。

以上試驗的優點是在每次測試體系摩阻系數之前都使用清水進行測量，然后再校正，最大限度降低了試驗環境誤差對試驗結果的影響，因此是國外公認的潤滑減阻試劑評價方法。

2.3.2 評價結果

將抗磨減阻劑ARDRLUBE-100與國外常用的LUBE167進行對比，在不同載荷下的扭矩及摩阻系數見表6。從表6可以看出，ARDRLUBE-100在各載荷下的摩阻系數均要小于LUBE167，說明ARDRLUBE-100已達到同類產品的國際先進水平。

表6 ADARLUBE-100與LUBE167摩阻系數對比

2.4 高效抗磨減阻劑室內評價結果

不同體系下對不同摩擦副進行抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的效果評價顯示，ARDRLUBE-100在清水中效果最好，在0.3%的加量下能將磨失速率降至原先的1‰左右；在飽和鹽水中官能團性質穩定，不會出現熱滾后水解行為；在鉆井液體系中因其他處理劑的吸附干擾，效果略有降低，但仍能將磨失速率降低至空白對照組的1/5。

抗磨減阻劑ARDRLUBE-100對現場儀器中鉆桿、耐磨帶、套管接觸面均具有明顯的降低磨失速率的效果。對比國外樣品，其在不同載荷下的扭矩均小于同類產品，潤滑性能良好。

從室內評價結果看，抗磨減阻劑ARDRLUBE-100效果明顯，但是由于鉆井過程的復雜性，無法在室內完全反應現場條件，其具體應用效果還需要通過現場試驗進行證明。

3 現場應用

M區塊A4H井組合三開8-3/8″井眼鉆具，鉆完水泥塞后開始三開鉆進。鉆進過程中扭矩逐漸增大，鉆遇泥巖段扭矩不斷增大，劃眼困難。鉆進至4530m時扭矩增大至55kN·m，超過鉆桿上扣扭矩，現場開始向循環池逐步加入ARDRLUBE-100抗磨減阻劑。

抗磨減阻劑ARDRLUBE-100于4530m開始逐漸加入井漿，加入量為4.0t（近1.5%），正常鉆進排量為2400L/min，遲到時間60min。將取樣測性能與加入后取樣測性能進行對比，結果見表7。

從表7可以看出，在循環系統中按照1.5%左右的加量加入ARDRLUBE-100后，鉆井液性能幾乎沒有變化。加入抗磨減阻劑前后鉆井參數見表8。

表7 ADARLUBE-100加入前后鉆井液性能對比

表8 ADARLUBE-100加入前后鉆井參數對比

從表8可以看出，在鉆壓、鉆速等其余鉆井參數均沒有變化的情況下，扭矩由46kN·m～51kN·m降低至34kN·m～37kN·m，降低幅度為25%，平均鉆速提高了1m/h～5m/h，顯示出良好的抗磨減阻效果。加入抗磨減阻劑ARDRLUBE-100后，劃眼順利，起下鉆正常。

4 結論

該文通過對高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的研究得出如下結論：1）室內通過文獻調研和理論分析，確定高效抗磨減阻劑的作用機理，采用表面潤濕改性、納涂層、固液復合三大技術手段，確保抗磨減阻劑優良的作用效果。2）通過酯化和縮聚反應合成抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，其在清水無固相、飽和鹽水無固相、高密度鉆井液中均能夠明顯降低鋼材的磨失速率。在鉆井液中加入抗磨減阻劑能夠降低鉆桿及套管4/5的磨失速率。3）和國際上常用的潤滑劑LUBE167在不同載荷下的摩阻系數進行對比，ARDRLUBE-100在各載荷下均要優于LUBE167，達到國際先進水平。4）現場應用結果表明，在扭矩增大時加入抗磨減阻劑，能夠將扭矩降低25%，可確保鉆井工作的安全快速進行。