新型植物油鉆井液潤滑劑的研制

何鵬

摘 要：近年來定向井、水平井鉆井技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，使得鉆具與井壁的接觸面積越來越大，鉆井過程中的摩阻增加得更大。如何降低鉆井摩阻，提高鉆井液的潤滑性能，成為定向井、水平井鉆井的關(guān)鍵。新型植物油鉆井液潤滑劑是以可再生動植物油脂為原料，與相對分子量較小的醇類進行酯化或酯交換反應(yīng)生成分子量適合的長鏈脂肪酯。該潤滑劑無毒、安全環(huán)保、可再生，不僅可以單獨使用，而且可以與礦物油、柴油潤滑劑混合使用。因而新型植物油鉆井液潤滑劑可同時滿足性能、環(huán)保和安全的需要，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

關(guān)鍵詞：摩阻；潤滑劑；植物油；環(huán)保

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198（2015）10-0196-03

1 前言

隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展，油田勘探與開發(fā)的難度越來越大，鉆井工藝越來越復雜，井斜度越來越大，井眼軌跡越來越難以控制。尤其是近年來定向井、水平井鉆井技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，使得鉆具與井壁的接觸面積越來越大，鉆井過程中的摩阻增加得更大。如何降低鉆井摩阻，提高鉆井液的潤滑性能，成為定向井、水平井鉆井的關(guān)鍵。在大位移水平井和分支井鉆井中，這一問題尤為突出。如果解決不好，會降低鉆井速度，增加鉆井成本，嚴重的會導致卡鉆事故的發(fā)生。

目前常用的鉆井液潤滑劑的種類繁多，但大致可分為固體和液體兩大類。液體類潤滑劑又可分為礦物油潤滑劑和植物油潤滑劑，均是以提高扭矩降低率為主。礦物油潤滑劑的主要成分為原油、柴油或白油，這些油品雖然潤滑性能較好，但因為含有芳烴、閃點低、難降解等因素，在生產(chǎn)和使用過程中存在環(huán)境污染和安全隱患；植物油潤滑劑的主要成分為棉籽油、菜籽油等，雖然相對易降解比較環(huán)保，但卻存在高溫穩(wěn)定性差、潤滑性能略差等問題。另外還有一些鉆井液潤滑劑是單純的表面活性劑的水溶液，加在鉆井液中形成水包油的乳化鉆井液，降低鉆井液的表面張力，但表面活性劑本身的性質(zhì)則限制了其潤滑性能。因此，研究新型的、高效的、對環(huán)境友好的鉆井液潤滑劑是十分必要的。

2 理論分析及室內(nèi)研究

2.1 鉆井作業(yè)中現(xiàn)有潤滑劑狀況

（1）鉆井液潤滑性的主要影響因素。

影響鉆井液潤滑性的主要因素有：鉆井液的粘度、密度、鉆井液中的固相類型及含量、鉆井液的濾失情況、巖石條件、地下水的礦化度以及溶液pH值、潤滑劑和其它處理劑的使用情況等。

（2）鉆井工程對鉆井液潤滑劑的要求。

國內(nèi)外對潤滑劑的研究范圍較廣，其中有各種表面活性劑、高分子脂肪酸及其衍生物等。

鉆井液潤滑劑的選擇應(yīng)滿足下列基本要求：

①潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜和次生結(jié)構(gòu)。

②應(yīng)與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產(chǎn)生不良影響。

③不降低巖石破碎的效率。

④具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性。

⑤不腐蝕金屬，不損壞密封材料。

⑥不污染環(huán)境，易于生物降解，價格合理，且來源充足。

鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標外，還應(yīng)不影響對地層資料的分析和評價，即潤滑劑應(yīng)具有低熒光或無熒光性質(zhì)。因此，潤滑劑基礎(chǔ)材料的選擇應(yīng)注意盡量不用含苯環(huán)，特別是多芳香烴的有機物質(zhì)，而原油，尤其是重餾分、釜殘物、瀝青等因含熒光物質(zhì)較多，也應(yīng)盡量少用。

（3）鉆井液潤滑性能的評價方法。

鉆井液和泥餅的摩阻系數(shù)，是常用的兩個評價鉆井液潤滑性能的技術(shù)指標。由于摩阻的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，而且還與鉆具和地層接觸面的粗糙程度、接觸面的塑性變形情況、鉆柱側(cè)向力的大小和分布情況、鉆柱的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度等因素有關(guān)。因此，要全面、客觀地評價和測定鉆井過程中鉆井液和泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)，正確地評選鉆井液和潤滑劑是很困難的。目前，國內(nèi)外對鉆井液潤滑性能的檢測尚無公認的通用儀器和方法，各種評價方法的客觀性尚需進一步提高。因此，在目前限定的測試儀器和條件下，只能從某一側(cè)面評價和優(yōu)選鉆井液基液和潤滑劑，確定在該條件下的摩阻系數(shù)。

2.2 植物油特性的研究

（1）廢棄植物油的成分及來源。

根據(jù)統(tǒng)計，北京市每年產(chǎn)生的廢棄油脂在10萬噸左右，特別是廢棄植物油的非法排放不但污染了環(huán)境，而且也是一種極大的能源浪費。我國規(guī)定污水排入城市排污管網(wǎng)的飲食服務(wù)企業(yè)，應(yīng)安裝隔油池或采其它處理措施，人工清理隔油池，收集廢油脂。由于餐飲業(yè)植物油經(jīng)過反復高溫烹炸與其它物質(zhì)混雜，其成分變得相當復雜，主要是脂肪酸三甘油酯、少量游離的脂肪酸、水分、雜質(zhì)和污染物質(zhì)等。

（2）廢棄植物油的潤滑性。

植物油潤滑性能的測試儀器為濟南試驗機廠生產(chǎn)的MQ-800四球試驗機。使用的鋼球為CCr15標準鋼球，硬度為59HRC～61HRC，直徑為12.7mm。測試條件為轉(zhuǎn)速1450r/min，室溫，按GB/l3142—82方法評價植物油的承載性能。抗磨性能以長期磨試驗后磨斑直徑數(shù)值來評價，長期磨試驗時間為30min，試驗負荷分別是392N和588N。植物油的最大無卡咬負荷絕大部分在627N～784N之間，高于對比試樣礦物油500SN，表明植物油普遍具有優(yōu)良的油性和油膜強度，優(yōu)于礦物油；在極壓試驗中，植物類基礎(chǔ)油的燒結(jié)負荷多在1568N，高于對比試樣礦物基礎(chǔ)油500SN，具有較好的極壓性能。

廢棄植物油具有保證機械良好潤滑的潤滑性能和粘溫性能。在潤滑性能方面，其具有比礦物油更好的承載能力和抗磨性，多數(shù)廢棄植物油的最大無卡咬負荷和燒結(jié)負荷比礦物油高出20%～30%，磨斑直徑約比礦物油小1/5，為機械潤滑提供了良好的潤滑性能；同時，廢棄植物油具有優(yōu)異的粘溫性質(zhì)，絕大多數(shù)試樣的粘度指數(shù)達到200以上（而礦物油的粘度指數(shù)則多在50—100之間）。應(yīng)用于溫度變化較大場合和工作條件時，油品的粘度變化幅度小，從而減小因溫度變化油品粘度的大幅度變化而對潤滑帶來的不利影響，更有利于在溫差變化較大的發(fā)動機和其它設(shè)備中應(yīng)用。

2.3 新型植物油潤滑劑的合成

（1）化學法合成植物油潤滑劑原理。

可再生植物油改性方法：化學法、生物酶法（需使用有機溶劑，酶易失效）、熱解法（設(shè)備昂貴）。

脂肪酸類轉(zhuǎn)化反應(yīng)原理：

RCOOH+CH3OHRCOOCH3+H2O

甘油三酯類轉(zhuǎn)化反應(yīng)原理：

C3H5（RCOO）3+3CH3OHRCOOCH3+C3H5（OH）3

其中RCOOH及C3H5（RCOO）3為廢棄植物油的主要成分，R優(yōu)選為8-20個碳原子的烷基，R1為1-6個碳原子的烷基，優(yōu)選1-3個碳原子的烷基，反應(yīng)溫度為60～120℃，反應(yīng)時間為3～8h。

（2）廢棄植物油的優(yōu)選：根據(jù)成本、雜質(zhì)含量、環(huán)境性能和熒光級別綜合分析，選擇原料廢棄植物油。

（3）植物油潤滑劑的合成。

①廢棄植物油沉降24h后，用離心機離心0.5h，以去除其中的泥沙和水分等雜質(zhì)；

②取離心過的廢棄植物油800.0g，加入100.0g小分子醇類（如甲醇）和催化劑25.0g，保持溫度為90℃，反應(yīng)6h；

③產(chǎn)物沉降6h后，分離出甘油后，再在100℃下進行精餾，去除未反應(yīng)的小分子醇；

④加入40g非離子表面活性劑和30g抗高溫處理劑改性處理，即得。

2.4 新型植物油鉆井液潤滑劑性能的評價

新型植物油鉆井液潤滑劑的潤滑效果評價是參照中石化集團勝利石油管理局企業(yè)標準Q/SH1020 1878-2012鉆井液用油基潤滑劑通用技術(shù)條件進行測試的。

2.4.1 基漿的配制

（1）淡水基漿的配制。

用量筒準確量取300mL蒸餾水，在10000RPM高速攪拌下，加入準確稱取的18.00g鈉膨潤土，高速攪拌20min后，室溫密閉靜置養(yǎng)護24h，配制成6%鈉膨潤土漿，簡稱基漿。

（2）4%鹽水基漿的配制。

取300mL基漿，加入12.00gNaCl，在10000RPM下高速攪拌5min，制成4%鹽水漿，簡稱4%鹽水基漿。

2.4.2 常溫下潤滑性能測試方法

（1）淡水漿極壓潤滑性能的測定：配制兩份300mL基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，用EP極壓潤滑儀測定基漿加樣前后的極壓潤滑系數(shù)。

（2）淡水漿粘附系數(shù)的測定：配制兩份300mL基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，用粘附系數(shù)測定儀測定基漿加樣前后的粘附系數(shù)。

（3）鹽水漿極壓潤滑性能的測定：配制兩份300mL鹽水基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，然后用EP極壓潤滑儀測定鹽水基漿加樣前后的極壓潤滑系數(shù)。

（4）鹽水漿粘附系數(shù)的測定：配制兩份300mL鹽水基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，然后用粘附系數(shù)測定儀測定鹽水基漿加樣前后的粘附系數(shù)。

2.4.3 高溫下潤滑性能測試方法

（1）淡水漿極壓潤滑性能的測定：配制兩份300mL基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，分別倒入老化罐中，在130℃下滾動16h后，冷卻到室溫；倒出，在10000RPM下高速攪拌5min后，用EP極壓潤滑儀分別測定老化后的基漿加樣前后的極壓潤滑系數(shù)。

（2）淡水漿粘附系數(shù)的測定：配制兩份300mL基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，分別倒入老化罐中，在130℃下滾動16h后，冷卻到室溫；倒出，在10000RPM下高速攪拌5min后，用粘附系數(shù)測定儀分別測定老化后的基漿加樣前后的粘附系數(shù)。

（3）4%鹽水漿極壓潤滑性能的測定：配制兩份300mL鹽水基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，分別倒入老化罐中，在130℃下滾動16h后，冷卻到室溫；倒出，在10000RPM下高速攪拌5min后，用EP極壓潤滑儀分別測定老化后的鹽水基漿加樣前后的極壓潤滑系數(shù)。

（4）4%鹽水漿粘附系數(shù)的測定：配制兩份300mL鹽水基漿，向其中一份加入1%研制的植物油鉆井液潤滑劑，兩份漿均在10000RPM下高速攪拌5min后，分別倒入老化罐中，在130℃下滾動16h后，冷卻到室溫；倒出，在10000RPM下高速攪拌5min后，用粘附系數(shù)儀分別測定老化后的鹽水基漿加樣前后的粘附系數(shù)。

另對鉆井液處理劑及體系生物毒性（EC50）及熒光級別分別檢測。

2.5 實驗結(jié)果

新型植物油潤滑劑在130℃/16h高溫下極壓潤滑系數(shù)降低率91.7%～95.2%，粘附系數(shù)降低率在92.3%～92.9%，熒光級別3級；EC50≥50000mg/L。

3 中試生產(chǎn)研究

3.1 主要原材料

廢棄植物油1、2、3，表面活性劑A、B，小分子醇類，催化劑，KOH，磺甲基酚醛樹脂（SMP），磺化褐煤樹脂或其混合物。

3.2 主要生產(chǎn)設(shè)備

離心機、反應(yīng)釜、精餾塔。

3.3 最佳合成工藝參數(shù)

原料配比：廢棄植物油70%～80%、低級醇10%～20%、表面活性劑1%～5%、抗高溫處理劑1%～5%。

反應(yīng)條件：溫度60℃～120℃，3h～8h。

3.4 工業(yè)化生產(chǎn)步驟

（1）原料預處理步驟：除去廢棄植物油中的雜質(zhì)；

（2）酯化轉(zhuǎn)換步驟：通過酯化反應(yīng)或者酯交換反應(yīng)制備，反應(yīng)溫度為60～120℃，反應(yīng)時間3～8h；

（3）產(chǎn)物精制及分離步驟：產(chǎn)物經(jīng)沉降、分離后，再經(jīng)精餾法精制產(chǎn)品；

（4）性能改進步驟：加入表面活性劑和抗高溫處理劑處理。

3.5 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標

新研發(fā)的產(chǎn)品要滿足表3的性能指標。

4 現(xiàn)場試驗

在室內(nèi)研究和中試生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，新型植物油潤滑劑在樁西油田的樁23區(qū)塊、曲堤油田的104區(qū)塊和曲9區(qū)塊、萊87區(qū)塊、鹽227區(qū)塊等的73口井進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明研制的新型植物油潤滑劑與其它處理劑配伍性良好，潤滑效果明顯。

5 結(jié)論

（1）利用廢棄植物油經(jīng)過一系列化學反應(yīng)改性處理生產(chǎn)新型鉆井液潤滑劑是可行的。

（2）新型植物油鉆井液潤滑劑與鉆井液體系配伍性好，無論是在淡水漿中，還是在鹽水漿中，均能顯著改善鉆井液的潤滑效果，降低鉆井液的摩擦系數(shù)。

（3）新型植物油鉆井液潤滑劑無熒光，不影響地質(zhì)錄井。

（4）新型植物油鉆井液潤滑劑能夠減少斜井或水平井中原油的加量，生物毒性低，環(huán)境保護效果好。

（5）新型植物油鉆井液潤滑劑抗溫能力達140℃，能夠滿足中、深定向井、水平井鉆井施工需要。

（6）新型植物油鉆井液潤滑劑能夠降低斜井、水平井鉆井過程中的摩阻和扭矩，減少井下復雜情況的發(fā)生，縮短鉆井周期，提高鉆井速度，降低鉆井成本。

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