清潔潤滑快鉆劑CLSD的研制及性能評價

楊倩云， 王寶田， 蔡勇， 李秀靈， 袁麗

清潔潤滑快鉆劑CLSD的研制及性能評價

楊倩云， 王寶田， 蔡勇， 李秀靈， 袁麗

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營257064）

楊倩云，王寶田，蔡勇，等.清潔潤滑快鉆劑CLSD的研制及性能評價[J].鉆井液與完井液，2017，34（2）：33-38.

YANG Qianyun, WANG Baotian, CAI Yong, et al.Development and evaluation of drilling detergent lubricant CLSD as fastdrilling agent[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（2）：33-38.

清潔潤滑快鉆劑CLSD以廢棄油脂為原料，在確定其合成工藝和技術(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上而制得，室內(nèi)性能評價結(jié)果表明其具有優(yōu)良的綜合性能：配伍性良好，基本不影響流變性，能適當(dāng)降低中壓濾失量；接觸角為170.5°，親油疏水性強，清潔潤濕性好，容易吸附在金屬表面鋪展形成油膜；0.4%濃度時表面張力降低率為68.69%，使鉆井液更容易滲入鉆頭沖擊井底巖石時所形成的微裂縫中，降低儲層水鎖傷害；極壓潤滑系數(shù)降低率為91.83%，泥餅黏附系數(shù)降低率為62.67%，且隨著溫度的升高，潤滑性增強，能降低扭矩及鉆井液摩擦力；抑制性強，抗飽和NaCl；抗溫達160 ℃，而且高溫?zé)釢L后基本不起泡，隨著井深增加鉆井液性能穩(wěn)定，適用于深井或超深井；能減小壓持效應(yīng)，提高鉆速，室內(nèi)鉆井模擬其機械鉆速提高率可達35.2%。

快鉆劑；廢棄油脂；提速；清潔潤濕；潤滑性；飽和鹽水；高溫

深井深部井段和高密度鉆井液機械鉆速慢已成為影響勘探開發(fā)速度的主要技術(shù)瓶頸之一。為了提高鉆進速度，相繼開發(fā)了幾種快鉆劑產(chǎn)品，但存在綜合性能較低的缺點，對鉆井液流變性影響較大；能夠滿足的密度和溫度條件較低，處理劑抗溫性較差，不能滿足高密度（1.60 g/cm3以上）環(huán)境下保持井眼清潔，大幅度提高速度的要求；而且加入鉆井液后易起泡，尤其是在高溫條件下起泡非常嚴(yán)重；此外制造單體主要來源于不能降解的礦物油類，對環(huán)境污染大，熒光級別高，影響地質(zhì)錄井。筆者以廢棄油脂為原料，研制了綠色環(huán)保的清潔潤滑快鉆劑，以提高快鉆劑的綜合性能，避免其在高溫下起泡、降低成本、應(yīng)用于高密度環(huán)境下，防止鉆頭泥包，提高鉆頭的鉆進效率[1-9]。

1 新型快鉆劑的室內(nèi)合成

在優(yōu)選出合適的廢棄油脂基礎(chǔ)上，通過加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┎⒋_定其加量，摸索出合理的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，將廢棄油脂二次酯化改性，去其皂化效應(yīng)，并提高其潤滑性。最后確定快鉆因子組分及其加量，以提高其潤濕性、滲透性和抗溫能力，從而研制出清潔潤滑快鉆劑CLSD。將相同濃度的CLSD與市售防泥包劑NB1和鉆速提高劑KS2進行潤滑性和起泡率的比較，結(jié)果見表1。從表1看出，與同類產(chǎn)品相比，新制備的CLSD潤滑性能優(yōu)于市售產(chǎn)品的性能，且常溫和高溫?zé)釢L后不起泡。

表1 CLSD與類似產(chǎn)品性能對比實驗

2 清潔潤滑快鉆劑CLSD性能評價

2.1 潤濕性評價

2.1.1 CLSD對鉆具的疏水性

采用DSA100M光學(xué)接觸角測量儀，測得蒸餾水、CLSD、NB1和KS2在不銹鋼片上的接觸角[10]分別為57.3°、170.5°、168.17°、173°。可以看出，CLSD的接觸角大于NB1，與KS2相當(dāng)，表明其具有強疏水性，能夠改變鉆頭和鉆具表面潤濕性，防止鉆頭泥包現(xiàn)象，減小摩阻。

2.1.2 CLSD對巖心的疏水性

選取易吸附鉆頭的泥頁巖巖心作研究對象，將巖心平均分割成4等份。首先將清水滴到巖石上，在25 ℃條件下，采用光學(xué)接觸角測量儀，測試其接觸角：發(fā)現(xiàn)液滴迅速展開，不能形成水滴，其接觸角為零，由此可以說明該巖石為強水濕類型。將不同濃度的清潔潤滑快鉆劑CLSD加入清水中并攪拌均勻，然后將其滴在巖心上，測試清水中加入CLSD后潤濕角變化情況，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，隨著清水中CLSD濃度的增加，液滴接觸角隨之增大，表明CLSD使得巖石的潤濕性由強親水性向弱親水至疏水性方向轉(zhuǎn)變，改變井底巖石的潤濕性。這樣有利于減弱或消除鉆屑顆粒對巖石的吸附，起到防止壓差卡鉆、提高鉆速的效應(yīng)。

圖1 CLSD加量對巖心疏水性影響評價

2.1.3 CLSD在蒙脫土表面的吸附性質(zhì)

分別測試純鈉蒙脫土和經(jīng)過吸附處理的鈉蒙脫土的XRD實驗，得到結(jié)果如圖2和圖3所示。就純蒙脫土而言，2θ=26.64°、d001=0.334 34 nm，就處理過鈉蒙脫土而言，2θ=26.256°、d001=0.339 14 nm，角度有所變小，層間距增加0.004 8 nm，也就是說快鉆劑到達了蒙脫土層內(nèi)，使得蒙脫土的內(nèi)部組成出現(xiàn)改變，層間距出現(xiàn)改變，在蒙脫土層間產(chǎn)生了作用，改變了蒙脫土的性質(zhì)。

清潔潤滑快鉆劑CLSD的強潤濕性主要在于能改變鉆具、鉆屑中黏土礦物和井壁的表面性質(zhì)，可以很快吸附在鉆頭及鉆具表面形成憎水膜，消除鉆具表面的吸附水層；同時能夠滲透到吸附在鉆頭上的泥團產(chǎn)生的裂縫表面，改變表面吸附性，能夠把已經(jīng)吸附了黏土的鉆頭鉆具表面潤濕，降低表面對黏土顆粒的吸附性，使黏土從鉆頭、鉆具表面解吸；同時改變巖石及其孔隙內(nèi)部的潤濕性，從而防止鉆頭泥包、黏附卡鉆，降低扭矩，提高鉆頭作用效率，提高機械鉆速[11-14]。

圖2 純鈉基蒙脫土的XRD圖譜

圖3 吸附后的鈉基蒙脫土XRD圖譜

2.2 表面張力的測定

采用JK99B型全自動張力儀，在25 ℃條件下，考察CLSD加量（水溶液）對其表面張力的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 CLSD加量對表面張力的影響

從圖4看出，在室溫下蒸餾水的表面張力為71.38 mN/m，加入0.1%CLSD，表面張力為28.72 mN/m，表面張力降低率為59.76%，表面張力降低效果明顯；隨著CLSD加量增加，表面張力逐漸下降，當(dāng)CLSD濃度達到0.4%時，表面張力降到最低22.35 mN/m，此時表面張力降低率為68.69%，之后表面張力略有回升。說明CLSD的臨界濃度為0.4%，具有較低表面張力，從而可以降低巖石的毛細管力，使鉆井液更容易滲入鉆頭沖擊井底巖層時所形成的微裂縫中，從而減小壓持效應(yīng)。

2.3 對鉆井液流變性能的影響

室溫下將不同濃度的CLSD加入到鉆井液中，評價其對鉆井液流變性能的影響，結(jié)果見表2。從表2可以看出，在室溫下，隨著基漿中CLSD濃度從0.5%增加到2%，鉆井液的黏度基本不變化，只是切力略有提升，中壓濾失量逐漸降低；潤滑系數(shù)降低率穩(wěn)定在91%左右，黏附系數(shù)降低率由62.67%升高到80%。說明CLSD具有良好的潤滑性，常溫下CLSD基本不影響流變性，能適當(dāng)降低中壓濾失量。

表2 CLSD加量對淡水基漿流變性及潤滑性的影響

2.4 抗溫流變性及潤滑性能的測定

將1%CLSD加入到淡水基漿，評價其常溫狀態(tài)、及經(jīng)過130、140、150和160 ℃熱滾16 h后，流變性和潤滑性變化情況，結(jié)果見表3。

表3 淡水基漿中加入1%CLSD前后的性能

從表3可以看出， CLSD加量為1%時，經(jīng)過不同溫度熱滾后，潤滑系數(shù)和黏附系數(shù)降低率都升高，說明經(jīng)過高溫后，CLSD的潤滑性比常溫下的潤滑性能更好，溫度到140 ℃時潤滑性能達到最佳的狀態(tài)。此外經(jīng)過熱滾后，表觀黏度也略有升高，濾失量增大。

然后將2%和3%的CLSD分別加入淡水基漿中，評價其常溫及經(jīng)160 ℃熱滾16 h后流變性和潤滑性變化情況，結(jié)果見表4。

對比表3和表4，隨著CLSD加量增大到3%，常溫下潤滑系數(shù)降低率變化很小，黏附系數(shù)降低率逐漸升高；且經(jīng)過160 ℃熱滾16 h后，潤滑系數(shù)降低率和黏附系數(shù)降低率都升高了，最高達96.7%。此外隨著CLSD加量的增大，高溫后黏度升高，切力下降，濾失量也升高了，這與膨潤土漿抗溫后老化性能變差有關(guān)。

表4 CLSD加量對淡水基漿性能的影響

抗溫流變性及潤滑性能實驗表明，CLSD同時具有良好的抗溫性和潤滑性，能抗160 ℃高溫，且高溫后潤滑性能優(yōu)于常溫狀態(tài)下潤滑性。CLSD加量達到0.5%后，其濃度的大小基本不影響鉆井液流變性和潤滑性，并且濃度越高，黏附系數(shù)降低率越大。分析實驗結(jié)論可知，溫度越高，濃度越大，CLSD防壓差卡鉆的能力越大。

2.5 抗鹽潤滑性能的測定

2.5.1 抗NaCl流變性及潤滑性能的測定

將1%CLSD加入淡水基漿中，充分?jǐn)嚢韬?，加入不同濃度的NaCl，測試其流變性和潤滑性能，結(jié)果見表5。從表5可以看出，隨著NaCl濃度增加至15%，極壓潤滑系數(shù)逐漸降低，潤滑系數(shù)降低率逐漸增加，潤滑性能變好；黏度、切力和中壓濾失量也逐漸增加，尤其是NaCl加量超過1%后，濾失量大幅增加，可能與鈉膨潤土抗鹽性差有關(guān)；當(dāng)鹽濃度達到20%后，潤滑系數(shù)開始增大，潤滑性能變得較差，但是潤滑系數(shù)降低率高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。可見，清潔潤滑快鉆劑CLSD能抗飽和NaCl，最佳抗NaCl濃度為15%。

表5 不同濃度的NaCl與1%CLSD對淡水基漿潤滑性能的影響

為了考察鈉膨潤土的抗鹽性，將濃度為1%、5%、10%和15%NaCl分別加入淡水基漿中，測試其流變性和潤滑性能，結(jié)果見表6。從表6可知，4%鈉膨潤土抗鹽性較差，隨著NaCl濃度的增加，切力先增大后減小，黏度緩慢增加至穩(wěn)定，濾失量迅速增大，而極壓潤滑系數(shù)變化很小。

表6 鈉膨潤土抗鹽潤滑性能實驗

因此，對比表5和表6可知，清潔潤滑快鉆劑CLSD同時具有優(yōu)良的抗鹽性和潤滑性，CLSD能抗飽和NaCl，最佳抗NaCl濃度為15%，且加入一定量的NaCl有助于加強CLSD潤滑性。

2.5.2 抗CaCl2流變性及潤滑性能的測定

將1%CLSD加入淡水基漿中，充分?jǐn)嚢韬?，加入不同濃度的CaCl2，測試其流變性和潤滑性能，結(jié)果見表7。從表7可以看出，加入CaCl2之后，基液潤滑系數(shù)開始升高，但濃度在0.5%～15%之間時潤滑系數(shù)變化很小，極壓潤滑系數(shù)降低率在70%～80%之間變化，可見CLSD有一定的抗鈣性。對比表5和表7，清潔潤滑快鉆劑CLSD抗NaCl性能明顯優(yōu)于抗CaCl2性能。

表7 不同濃度的CaCl2與1%CLSD對淡水基漿潤滑性能的影響

2.6 對壓持效應(yīng)影響評價

將CLSD、 NB1和KS2在泥頁巖巖心上進行毛細管自吸參比實驗[15-16]，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 自吸速率對比實驗

圖6 自吸孔隙體積對比實驗

由圖5和圖6可知，CLSD的自吸速率和自吸孔隙的吸水量都優(yōu)于另外2種類似處理劑，即在改變鉆井液的初濾失方面，CLSD的能力比NB1和 KS2要強。這說明CLSD能更好地改善井底巖石表面的潤濕性，增大鉆井液的初濾失，從而可減小鉆井液對井底巖石的壓持效應(yīng)，有利于達到提高鉆井機械鉆速的目的。

2.7 對機械鉆速的影響評價

使用φ100 mmPDC鉆頭，利用鉆井模擬實驗裝置，在巖石上模擬鉆進。測定3%膨潤土漿，以及加入不同濃度CLSD后，鉆井液的實時鉆進速度變化情況，結(jié)果見表8。從表8可以看出，隨著CLSD加量的增加，機械鉆速迅速增快，當(dāng)濃度達到1%時，機械鉆速提高率可達35.2%。

表8 CLSD對鉆速的影響

3 結(jié)論與認(rèn)識

1.清潔潤滑快鉆劑CLSD以廢棄油脂為原料而制得，具有綠色環(huán)保的特性，制備工藝簡單、儲層保護性好、環(huán)境友好，綜合性能優(yōu)良。

2.清潔潤滑快鉆劑CLSD的配伍性好，基本不影響鉆井液流變性，能降低濾失量；潤濕性強、表面張力低、潤滑性好，能防止鉆頭泥包，降低儲層水鎖傷害；抗溫抗鹽性強，高溫前后基本不起泡；能增加鉆井液初濾失，減小壓持效應(yīng)，大幅提高鉆速。

3.清潔潤滑快鉆劑CLSD宜與其它鉆井液處理劑形成配套體系，降低鉆井成本，提高機械鉆速，實現(xiàn)復(fù)雜條件下深井超深井“安全、優(yōu)質(zhì)、快速、低耗”鉆井，尤其適合深井高壓下鉆遇硬質(zhì)地層泥頁巖、軟泥頁巖、鹽膏層等復(fù)雜地層。

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Development and Evaluation of Drilling Detergent Lubricant CLSD as Fast-drilling Agent

YANG Qianyun, WANG Baotian, CAI Yong, LI Xiuling, YUAN Li
(Branch of Drilling Engineering Technology, Sinopec Shengli Petroleum Engineering Company Ltd., Dongying, Shandong 257064)

CLSD is a drilling detergent lubricant made from waste grease under predetermined synthesis process and technical parameters. Laboratory evaluation of CLSD showed that it had good compatibility with other additives, and rendered no bad effect on mud rheology. It moderately reduced API flter loss of the mud. Contact angle of 170.5 ℃ meant that CLSD was lipophilic. It had good cleaning and wetting performance, and was able to form oil flms on the surface of metals. The surface tension of a 0.4% water solution of CLSD was 68.69% lower than that of fresh water, making it easier for the CLSD to go into the fractures formed by brill bit impacting the hole bottom, thus mitigating reservoir damage by water blocking. Using CLSD, the extreme pressure friction coeffcient of a drilling fuid was reduced by 91.83%, and mud cake adhesion coeffcient reduced by 62.67%. As temperature went up, the lubricity of the drilling fuid treated with CLSD was enhanced, thereby reducing the drilling torque and the friction coeffcient of drilling fuids. CLSD had strong inhibitive capacity. It can be used in saturated drilling fuids. It functioned normally at 160 ℃ or higher. After hot rolling, drilling fuids treated with CLSD did not foam on the whole. The CLSD treated drilling fuids is suitable for use in deep wells and ultra-deep wells, because with an increase in well depth, the property of the drilling fuid becomes more stable. CLSD helped in reducing chip hold-down effect, thereby increasing ROP; in a laboratory simulation, the ROP was increased by 35.2%.

Fast drilling agent; Waste grease; increase ROP; Cleaning and wetting; Lubricity; Saturated salt tolerance

TE254.4

A

1001-5620（2017）02-0033-06

2016-12-1；HGF=1702N6；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.006

中石化基金項目“高密度鉆井液清潔快鉆技術(shù)研究及應(yīng)用”（JP12011）。

楊倩云，高級工程師，1978年生，主要從事鉆井液技術(shù)研究。電話（0546）8721047；E-mail：yangqianyun.slyt@sinopec.com。