高效聚合物鉆井液泥餅潤滑劑的研制及其作用機理分析*

馮福平，董樂園，張健偉，于 洋，譚躍龍，張勝業，張朝琪

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司鉆井工藝研究院，吉林松原 138000；3.大慶鉆探工程公司鉆井四公司，黑龍江大慶 163318）

0 前言

大位移井和水平井是非常規儲層和海上油田開發的主要方式，隨著井斜角的增加和水平段的增長，管柱在重力作用下與下井壁的接觸面積增大，進而導致水平段摩阻高、扭矩大、卡鉆風險大、井眼軌跡控制難等問題，嚴重影響了大位移井和水平井的鉆井安全和延伸極限，管柱摩阻問題已經成為制約大位移井和水平井鉆井技術發展的關鍵問題之一［1］。尤其是泥巖地層，水基鉆井液的潤滑性一般，隨著水平段的延長，鉆井液中無法震動篩除的固相含量逐漸增多，井壁泥餅的光滑度下降，鉆具與井壁泥餅之間的摩阻問題變得更為突出。因此，加入潤滑劑改善井壁泥餅光滑性是降低水平段摩阻的有效途徑［2］。

鉆井液潤滑劑主要分為固體潤滑劑和液體潤滑劑兩大類，固體潤滑劑主要為石墨、塑料小球、玻璃微珠、堅果圓粒以及合成類固體粉末潤滑劑等，液體潤滑劑主要含礦物油、瀝青、柴油、原油等物質。液體潤滑劑一般存在易起泡、穩定性差、影響鉆井液流變性和具有熒光效應等缺點，而固體潤滑劑相較液體潤滑劑具有熱穩定性好、無熒光、運輸方便等優勢［3-5］。但固體潤滑劑中較大的粒徑在操作過程中易被設備篩除或被擠壓變形導致破碎［6］，潤滑效果一般，加量為1%～3%時泥餅的黏滯系數僅降低了20%～30%［7］。盡管可以通過改性或復合的手段改善固體潤滑劑的泥餅潤滑性能，但其成本卻是一些傳統潤滑劑的兩倍以上［8］。因此，現有鉆井液固體潤滑劑難以兼顧聚合物鉆井液體系下高效降摩阻、無毒且低成本的施工需求［4，9］。為了進一步提高固體潤滑劑的潤滑效果并降低使用成本，本文研究了一種低成本的固體粉末狀聚合物鉆井液泥餅潤滑劑RHGXJ-3，評價了該潤滑劑對聚合物鉆井液泥餅的潤滑效果，考察了泥餅潤滑劑與鉆井液的配伍性，研究了泥餅潤滑劑的作用機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚羧酸接枝共聚物（主鏈帶羧酸基團，接枝側鏈帶聚醚基團，固體粉狀），工業級，天津偉合科技發展有限公司；針狀硅酸鹽（主要成分為偏硅酸鈣，固體針狀粉末，2～10 μm），工業級，上海創宇化工新材料有限公司；超細聚丙烯微粉（熱塑性樹脂，惰性固體微粉，1～2 μm），工業級，南京天詩新材料科技有限公司。膨潤土、碳酸鈉、聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型復合銨鹽、聚丙烯酸鉀KPA、降濾失劑聚合鋁JS-2、防塌封堵劑乳化瀝青YK-H、低熒光井壁穩定劑HQ-1、消泡潤滑劑RH-5，由吉林油田分公司鉆井工藝研究院提供；石墨類潤滑劑GD-2，工業級，河北光大石化有限公司；塑料小球類潤滑劑HZN-102，工業級，河北華運鴻業化工有限公司。

NZ-3A 型黏滯系數測定儀，青島廣正信石油儀器有限公司；ZNN-D6B 型六速旋轉黏度計、YM-2型鉆井液密度計、MN-4型馬氏漏斗黏度計、GGS-42型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達機電設備有限公司；ΣIGMA 型熱場掃描電子顯微鏡，德國Zeiss 公司；SmartLab SE 型智能X 射線衍射儀，日本理學株式會社。

1.2 實驗方法

（1）鉆井液及固體潤滑劑的制備

泥餅潤滑劑RHGXJ-3的制備：將聚羧酸接枝共聚物、針狀硅酸鹽、聚丙烯微粉按一定配比混合均勻后制得泥餅潤滑劑RHGXJ-3，顆粒粒徑為1～15 μm。

膨潤土漿的制備：將水、膨潤土、碳酸鈉按照質量比500∶25∶0.25 混合，高速攪拌30 min，室溫下密封放置24 h后待用。

聚合物鉆井液的制備：在膨潤土漿中加入2%聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型復合銨鹽、1%聚丙烯酸鉀KPA、2%降濾失劑聚合鋁JS-2、3%鉆井液用防塌封堵劑乳化瀝青YK-H、3%低熒光井壁穩定劑HQ-1、7%消泡潤滑劑RH-5，高速攪拌30 min，室溫下密封放置24 h后待用。

（2）鉆井液配伍性測定

將泥餅潤滑劑RHGXJ-3 直接加入制備好的鉆井液中，高速充分攪拌15 min，使得泥餅潤滑劑均勻分散。參照國家標準GB/T 16783—1997《水基鉆井液現場測試程序》，分別測定鉆井液的黏度、濾失量、pH 和鉆井液流變性參數，考察泥餅潤滑劑與鉆井液的配伍性。

（3）泥餅黏滯系數測定

采用NZ-3A 黏滯系數測定儀測定泥餅的黏滯系數。首先，將鉆井液置于高速攪拌器中充分攪拌15 min，然后將攪拌好的鉆井液裝入高溫高壓靜態濾失儀中，在3.5 MPa、90 ℃下濾失30 min，制備泥餅。將制備好的泥餅放在泥餅黏滯系數測定儀工作滑板平面上，將滑塊輕輕放在泥餅上并靜置，使工作滑板帶動長方體滑塊慢慢翻轉。當滑塊隨著工作滑板的翻轉開始滑動時，讀取顯示窗的角度值，讀數對應的正切函數值，記為泥餅的黏滯系數。

（4）泥餅的微觀表征

將泥餅在常溫（25 ℃）干燥24 h，取微量泥餅樣品，使用ΣIGMA 熱場掃描電子顯微鏡和SmartLab SE 智能X 射線衍射儀于常溫環境下（25 ℃）進行SEM 電鏡掃描分析和XRD 衍射分析，觀察鉆井液加入潤滑劑前后泥餅的微觀結構及組成變化。

2 結果與討論

2.1 潤滑劑RHGXJ-3配方優選

為提升泥餅的潤滑性和鉆井液配伍性，泥餅潤滑劑需要實現高效降低泥餅黏滯系數，改善泥餅內部結構完整性，并與鉆井液的配伍性良好。為降低復配成本和運輸成本，泥餅潤滑劑還需要滿足原料成本低、復配方法簡單、無毒害、不易燃爆的條件。聚羧酸接枝共聚物JSS-1在堿性環境下水解變為離子型化合物，從而可避免初期被黏土吸附，能夠提高固相顆粒的分散度，改善流體流變性。針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2溶解后可與黏土顆粒水化反應，加快硅酸鹽凝膠物質的生成速度，改變泥餅內部固相顆粒的膠態穩定性。聚丙烯微粉JBXF-1 可填充在泥餅顆粒空隙之間，提高泥餅的致密性，同時利用其自身的彈性，增強泥餅的變形性。采用聚羧酸接枝共聚物JSS-1、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2、聚丙烯微粉JBXF-1 復配制備泥餅潤滑劑。制備原料主要來源于石油行業的衍生產品或者來自類似的地質資源，綠色環保、無毒無害。

基于前期的單因素濃度篩選實驗結果設計了L9（34）正交實驗，確定聚羧酸接枝共聚物JSS-1加量水平值（0.4%、0.5%、0.6%）、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2 加量水平值（0.55%、0.70%、0.85%）、聚丙烯微粉JBXF-1水平值（0.05%、0.10%、0.15%），以泥餅靜置1 min 時測得的泥餅黏滯系數f1min為主要評價指標，靜置10 min 時測得的泥餅黏滯系數f10min為輔助評價指標，實驗結果如表1 所示。最佳組合為A2B1C2（試驗4 組），即JSS-1 加量為0.50%、GSYJX-2加量為0.55%、JBXF-1加量為0.10%，泥餅靜置1 min、10 min 時的泥餅黏滯系數分別為0.052和0.088，泥餅潤滑效果最好。因此潤滑劑RHGXJ-3 中JSS-1、GSYJX-2、JBXF-1 的最佳質量配比為10∶11∶2。

表1 L9（34）正交實驗結果

2.2 潤滑劑對泥餅的潤滑效果

為考察潤滑劑RHGXJ-3對泥餅的潤滑效果，將RHGXJ-3 以0%～1.8%的加量加入聚合物鉆井液中，加量為0的實驗組作為空白對照組，制備泥餅并測定泥餅黏滯系數，為減小實驗誤差，進行了重復試驗，測得的泥餅黏滯系數取均值，實驗結果如表2所示。由表2 可以看出，隨著RHGXJ-3 加量的增大，泥餅黏滯系數顯著降低；當加量為0.9%時，泥餅靜置1 min、10 min 后的泥餅黏滯系數均明顯降低，相較于空白對照組潤滑性能分別提升了55.4%和45.1%。當RHGXJ-3 加量進一步增大后，泥餅內部包被、吸附、置換、分散作用加劇電解質的生成，膠體顆粒的擴散雙電層厚度會隨電解質濃度增大而變小，粒子間靜電斥力減小［10］，從而導致膠體聚沉，泥餅黏滯系數升高，泥餅潤滑性變差。因此，泥餅潤滑劑RHGXJ-3 在聚合物鉆井液中的加量以鉆井液質量的0.9%為宜。

表2 不同RHGXJ-3加量下泥餅的潤滑效果

通過對比加入泥餅潤滑劑RHGXJ-3 前后鉆井液所形成泥餅的外觀形貌可以發現，鉆井液中添加0.9%RHGXJ-3 后，所形成泥餅的表面更加光滑，厚度也明顯降低，泥餅的光滑度和整體性顯著提升，宏觀上驗證了潤滑劑可有效提升泥餅的潤滑性。

2.3 潤滑劑加量對鉆井液性能的影響

向聚合物鉆井液中加入一定量的潤滑劑RHGXJ-3，RHGXJ-3 加量對鉆井液性能的影響如表3所示。由表3可知，將泥餅潤滑劑RHGXJ-3加入聚合物鉆井液后，鉆井液的表觀黏度出現降低的趨勢，說明潤滑劑能夠改善鉆井液的流變性。鉆井液的動切力隨著RHGXJ-3加量的增加而有所降低，動塑比也隨之降低，總體上介于正常范圍［0.36～0.48 Pa/（mPa·s）］，這說明鉆井液中加入潤滑劑后依舊具有一定的攜巖能力，滿足鉆進要求。當泥餅潤滑劑RHGXJ-3加量為0.9%時，鉆井液的漏斗黏度從146 s降為95 s，動切力從21.5 Pa降為18.4 Pa，API濾失量從2.2 mL 降為2.0 mL。這說明泥餅潤滑劑RHGXJ-3 在提升泥餅潤滑性的同時，還能夠有效改善鉆井液的流變性。

表3 RHGXJ-3加量對聚合物鉆井液性能的影響

2.4 潤滑劑的溫度敏感性

隨著油井深度的變化，井下的溫度也隨之變化，因此有必要考察鉆井液潤滑劑在不同溫度環境下的使用效果。向聚合物鉆井液中加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3，在不同溫度下老化16 h 后，測定鉆井液的性能參數，并利用高溫高壓濾失儀于90 ℃條件下制備泥餅，測定泥餅黏滯系數，結果如表4 所示。由表4 可知，在聚合物鉆井液中加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3 后，隨著溫度的升高，泥餅黏滯系數呈上升的趨勢。在120 ℃條件下熱滾16 h 后的漏斗黏度為146 s，動切力為21.5 Pa，API濾失量為2.2 mL，壓縮系數為1.58，鉆井液流變性參數仍低于或接近對照組。120 ℃條件下熱滾16 h后鉆井液靜置1 min、10 min后的泥餅黏滯系數分別為0.088和0.145，低于對照組的泥餅黏滯系數0.092和0.153。這表明潤滑劑RHGXJ-3 在30～120 ℃下具有良好的泥餅潤滑性，且與鉆井液的配伍性良好。

表4 RHGXJ-3泥餅潤滑劑溫度敏感性測試

2.5 潤滑劑潤滑泥餅的機理

聚合物鉆井液的組分比較復雜，為排除其它處理劑對潤滑作用機理研究的干擾，在膨潤土漿中研究泥餅潤滑劑的潤滑機理。將0.9%泥餅潤滑劑RHGXJ-3加入膨潤土漿中，所形成泥餅的表面更加平整光滑，韌性和整體完整性明顯提高。圖1和圖2分別為加入RHGXJ-3 前后所形成泥餅的SEM、XRD 圖。加入潤滑劑后泥餅內部有大量硅酸鹽水化物凝膠生成。這些凝膠類物質附著在泥餅表面并填充在固體顆粒之間，吸附不同粒徑的礦物微粉，改變黏土粒子的膠態穩定性，結合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性，增加了泥餅的韌性和光滑度。

圖1 加入潤滑劑前后鉆井液所生成泥餅的XRD曲線

圖2 加入潤滑劑前后鉆井液所生成泥餅的SEM照片

基于潤滑劑RHGXJ-3 各成分自身的結構及化學性質，總結其潤滑機理，見圖3。膨潤土中的蒙脫石由晶層堆積而成，晶層彼此組合形成層疊體，一個晶層由兩個硅氧四面體夾著鋁氧八面體結合而成［11］，晶層之間存在水分子（自由水、結合水）、金屬離子和其他有機分子等。聚羧酸接枝共聚物JSS-1中的極性基團羥基（—OH）具有較強的親水性和吸附性，極易通過氫鍵作用吸附在膨潤土顆粒的端面上，—OH 通過層間吸附不斷增大膨潤土顆粒晶層之間的靜電斥力；另外羧基（—COOH）具有高價陽離子絡合作用，可以絡合膨潤土中的Ca2+、Mg2+等，這些陽離子的存在提高了膨潤土的水化膨脹能力，增加水化膜厚度從而填充泥餅孔隙，提升泥餅潤滑性。

圖3 泥餅內部微觀組成結構示意圖

針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2 具有較強的電負性和易水化性，硅酸鹽的大量硅酸根離子（SiO32-）與羧基絡合的Ca2+進一步反應生成硅酸鹽水化物凝膠，使得鉆井液的膠態穩定性發生變化。同時，SiO32-的存在能夠降低鉆井液內固相顆粒如石英等微觀礦物的表面電位，增強顆粒間靜電斥力，從而阻礙混合礦常發生的異相團聚行為。從分子結構單元角度分析，Si—O 鍵的結合能為337 kJ/mol，蒙脫土片層之間分子作用力小于10 kJ/mol［12］，因此較強的鍵能導致構成晶層的單層晶體結構單元穩定，層間A13+不斷被RHGXJ-3中的金屬陽離子置換，使得晶體端面形成負電保護。為了平衡負電保護，層間吸附了大量補償陽離子，水化陽離子的過程中在顆粒表面形成具有護膠能力的溶劑化水膜，對鉆井液中的固體顆粒產生包被、吸附、置換、分散等作用，阻止固體顆粒的聚沉，減少了固體顆粒之間的吸附能力并破除顆粒之間的結構力，有利于促使顆粒以小尺寸堆積，提升了泥餅表面的光滑度。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 中的聚丙烯微粉JBXF-1可填充在泥餅顆粒空隙、鉆具摩擦表面的微滑痕以及由摩擦引起的凹槽處，在提高泥餅的致密性的同時利用其自身的彈性，增強泥餅的變形性，提高泥餅的可壓縮性，減少鉆具與井壁的剛性接觸，降低鉆具磨損和壓差卡鉆的風險。

綜上，潤滑劑RHGXJ-3主要是通過在泥餅表面和內部生成溶劑化水膜、凝膠類物質，結合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性和致密性，降低鉆具與井壁之間的摩阻。

2.6 現場井漿實驗情況

與實驗室配制的聚合物鉆井液相比，井漿的成分更為復雜。為了評價泥餅潤滑劑RHGXJ-3 對現場井漿泥餅的潤滑效果，并與其它常見固體潤滑劑進行潤滑效果對比，在鉆井中后期井漿中分別加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3、石墨類潤滑劑GD-2或塑料小球類潤滑劑HZN-102后制備泥餅，測定泥餅的黏滯系數和井漿的性能參數，結果如表5和表6所示。由表5可知，0.9%的RHGXJ-3鉆井液所生成的泥餅靜置1、10 min后，測得泥餅黏滯系數分別為0.0496 和0.0907，潤滑性提升幅度分別比空白組提升了48.65%和40.37%。將鉆井液中添加了不同潤滑劑的泥餅樣品宏觀形貌進行對比發現，相對于添加了RHGXJ-3所生成的泥餅，添加了石墨類潤滑劑GD-2 所生成泥餅的空隙較多，泥餅強度變差；而添加了塑料小球類潤滑劑HZN-102 的泥餅雖然較為密實，但厚度大且可壓縮性差，對井壁穩定和油層保護不利。在井漿中加入潤滑劑RHGXJ-3后，泥餅的表面變得光滑平整，可壓縮性和完整性更好。因此，潤滑劑RHGXJ-3 可顯著改善泥餅的潤滑性，其潤滑效果是同類固體潤滑劑（石墨類固體潤滑劑和塑料小球類潤滑劑）的1.6～2.2倍。

表5 潤滑劑在井漿中的性能評價

表6 潤滑劑對鉆井液主要性能的影響

從表6可知，泥餅潤滑劑RHGXJ-3不會影響井漿的密度，但會顯著降低井漿的漏斗黏度，提高井漿的流變性，且RHGXJ-3對井漿的流變性改善效果高于石墨類固體潤滑劑GD-2和塑料小球類潤滑劑HZN-102。由此可見，泥餅潤滑劑RHGXJ-3不但可以提高泥餅的潤滑性能，還能降低井漿的流動摩擦阻力，減少鉆具與井漿之間的摩阻。

石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102的單價分別約為18 000、15 000元/噸，而泥餅潤滑劑RHGXJ-3的單價約為7600元/噸，RHGXJ-3比石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102的成本分別降低了57.8%、49.3%。在相同加量下，潤滑劑RHGXJ-3 與石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102相比，潤滑效果好且經濟適用性較好。

3 結論

固體粉末狀聚合物水基鉆井液泥餅潤滑劑RHGXJ-3，由聚羧酸接枝共聚物JSS-1、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2、超細聚丙烯微粉JBXF-1 按質量比10∶11∶2 復配制得，RHGXJ-3 在聚合物鉆井液中的加量以鉆井液質量的0.9%為宜，適用井下溫度為30～120 ℃。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 主要通過聚合物在泥餅表面和內部生成溶劑化水膜、凝膠類物質，結合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性和致密性。在潤滑劑加量為0.9%的條件下，井漿的漏斗黏度低于50 s，靜置1 min 測得泥餅黏滯系數相較于加劑前從0.0966 降為0.0496，泥餅潤滑效果是同類固體潤滑劑的1.6～2.2倍。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 與鉆井液具有良好的配伍性，并可改善鉆井液的流變性。該固體潤滑劑復配方法簡單、原料低廉易運輸，相比石墨類和塑料小球類固體潤滑劑，成本可降低50%左右。