新型水基鉆井液用極壓抗磨潤(rùn)滑劑的研制

屈沅治 ， 黃宏軍 ， 汪波 ，2， 馮小華 ， 孫四維

（1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；3.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280）

隨著油氣勘探的發(fā)展，鉆井工程中采用水平井、大位移井、 定向井、 長(zhǎng)裸眼深井、 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井逐漸增多， 作業(yè)時(shí)鉆柱與井壁接觸面積明顯增大， 摩阻增加， 從而現(xiàn)代鉆井對(duì)水基鉆井液的極壓抗磨潤(rùn)滑性能提出了更高要求[1-2]。目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的常規(guī)潤(rùn)滑劑普遍存在易起泡、 抗磨差、 極壓潤(rùn)滑差、 高熒光等問題， 大多選用礦物油或白油作為水基鉆井液用潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油， 植物油和合成酯的生物降解性最好， 礦物油和白油的生物降解性最差， 在環(huán)境中長(zhǎng)期積累和富集， 易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，產(chǎn)生一系列環(huán)境問題[3-7]。針對(duì)上述問題，以生物降解性好的改性植物油[3-4，8]為基礎(chǔ)油， 添加有機(jī)硫型極壓抗磨劑、表面活性劑等環(huán)境友好型組分，研制出一種高性能的水基鉆井液用極壓抗磨潤(rùn)滑劑MPA。

1 潤(rùn)滑劑MPA的制備

1.1 有機(jī)硫型極壓抗磨劑的合成及結(jié)構(gòu)表征

在高速、高溫和高負(fù)荷等惡劣工況的井下鉆井環(huán)境中，極壓抗磨劑是水基鉆井液用極壓潤(rùn)滑劑的重要組成部分[9-10]，其作用機(jī)理一般認(rèn)為是極壓抗磨劑分子首先吸附于金屬或巖石表面，避免了金屬與金屬、金屬與巖石的直接摩擦，其次在高溫高負(fù)荷條件下，分子中的S、P、Cl等活性元素與金屬反應(yīng)，形成具有低剪切強(qiáng)度的消耗保護(hù)層，從而達(dá)到減少損耗、降低磨阻的作用[11-12]。極壓抗磨劑品種繁多。其中，硫型極壓抗磨劑在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛，主要?dú)w因于其良好的抗燒結(jié)能力、耐負(fù)荷能力和優(yōu)良的配伍性[11，13-14]。

1.1.1 合成

在適當(dāng)條件下，烷基醇與硫化物反應(yīng)后，再與NaOH水溶液反應(yīng)，生成的反應(yīng)物在攪拌下緩慢加入某種氯化物溶液中，靜置、分離、烘干，得到亮黃色透明液體[15]。

1.1.2 結(jié)構(gòu)表征

1）核磁共振氫譜分析。極壓抗磨劑樣品用氘代氯仿CDCl3作溶劑，四甲基硅烷作內(nèi)標(biāo)，核磁共振1H譜有如下吸收峰（見圖1）。從圖1可以看出，溶劑的化學(xué)位移為7.26，極壓抗磨劑樣品的特征峰的化學(xué)位移分布在1～2的范圍內(nèi)，處于高場(chǎng)區(qū)，證明極壓抗磨劑屬于飽和烷烴，不含不飽和烷烴和芳香族化合物等，因此極壓抗磨劑具有低熒光性或無熒光性。

圖1 極壓抗磨劑的核磁共振氫譜

2）有機(jī)元素分析。用VarioELcube型元素分析儀對(duì)極壓抗磨劑進(jìn)行元素分析，得出：極壓抗磨劑的主要元素是C、 S、 H和N， 元素含量分別為2.59%、 51.6%、 8.99%和35.49%。可以看出， 極壓抗磨添加劑由于同時(shí)含有S和N等活性元素，能有效提高基礎(chǔ)油的極壓、抗磨、減摩等性能。

1.2 潤(rùn)滑劑MPA的制備

1）改性植物油的制備[16-18]：為了滿足環(huán)境保護(hù)要求，制備水基鉆井液用極壓抗磨潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油，采用無環(huán)境毒副作用且易生物降解的植物油，同時(shí)為避免植物油在高溫堿性的鉆井作業(yè)環(huán)境中產(chǎn)生皂化或酯化反應(yīng)，影響植物的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中在200 ℃下對(duì)植物油通過催化反應(yīng)形成改性植物油。

2）鉆井液用極壓抗磨潤(rùn)滑劑MPA的制備：通過添加改性植物油、陰離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑、脂肪酸和自制的有機(jī)硫型極壓抗磨劑等組分優(yōu)化配制，產(chǎn)品為黃色透明狀液體。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 有機(jī)硫型極壓抗磨性評(píng)價(jià)

采用MRS-10A型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)所合成的有機(jī)硫樣品進(jìn)行極壓性測(cè)定，改性植物油的燒結(jié)負(fù)荷為1 525 N，說明改性植物油中的分子可在金屬表面形成吸附膜，但只能承受1 525 N以下的負(fù)荷；改性植物油中分別加入0.5%、1.0%、2.0%、3.0%的有機(jī)硫樣品后，其燒結(jié)負(fù)荷隨添加劑加入量的增大而提高，分別增大為 2 510、3 182、4 015、4 956 N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)硫樣品具有良好的極壓抗磨性，加量為2%，其燒結(jié)負(fù)荷高達(dá)4 015 N，建議在制備潤(rùn)滑劑時(shí)，該硫型極壓抗磨劑的加量不少于2%。

測(cè)試過程中，當(dāng)改性植物油中的分子開始形成的油膜破裂后，出現(xiàn)金屬與金屬直接接觸產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致有機(jī)硫添加劑分解，產(chǎn)生活性較高的硫，與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化鐵等低熔點(diǎn)、易剪切的化學(xué)反應(yīng)膜，阻止了金屬與金屬的直接接觸[11-12]。當(dāng)改性植物油中有機(jī)硫添加劑的濃度較低時(shí)，生成化學(xué)反應(yīng)膜的速度慢，且數(shù)量較小，因而承受負(fù)荷較輕。而改性植物油中有機(jī)硫樣品的加量增大，燒結(jié)負(fù)荷提高，表明形成的反應(yīng)膜承載能力強(qiáng)。

2.2 MPA的性能評(píng)價(jià)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

降濾失劑SP-8、PMHA-2，包被劑FA367，乳液大分子EMP，PAC-LV，抗鹽降濾失劑DR-1，胺基抑制劑SIAT，新疆夏子街膨潤(rùn)土。

2.2.2 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

配制4%膨潤(rùn)土基漿，添加1%不同潤(rùn)滑劑，180 ℃熱滾16 h后，測(cè)試不同體系的極壓潤(rùn)滑系數(shù)，結(jié)果見表1。從表1可知，研制的極壓潤(rùn)滑劑MPA添加到基漿中后，其極壓潤(rùn)滑系數(shù)小于0.1，其降低潤(rùn)滑系數(shù)的百分?jǐn)?shù)與國(guó)外UltraFree產(chǎn)品相近。

表1 4%膨潤(rùn)土基漿中添加1%不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)MPA的潤(rùn)滑性能，在下面的水基鉆井液體系中添加1%的不同潤(rùn)滑劑進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。由表2可以看出，MPA的潤(rùn)滑效果最好，與鉆井液體系中的處理劑配伍性好，在體系中能完全分散；國(guó)外的UltraFree產(chǎn)品在該體系中配伍性較差，其降低體系的潤(rùn)滑效果不太明顯；在起泡性方面，潤(rùn)滑劑MPA和UltraFree加入基漿或鉆井液體系中，無論在常溫和熱滾后都沒有起泡的情況，其他3種潤(rùn)滑劑都有不同程度的起泡。

表2 鉆井液體系中添加1%不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果

2.2.3 MPA的添加對(duì)鉆井液性能的影響

對(duì)比了2組不同密度鉆井液在添加MPA前后的性能，結(jié)果見表3。表中鉆井液配方如下。

1#2%膨潤(rùn)土+0.4%NaOH+0.8%DR-1+0.3%PAC-LV+3%HCOOK+0.3%EMP+1%SIAT+Barite

2#1#+2%MPA

3#2%膨潤(rùn)土+0.4%NaOH+0.8%DR-1+0.3%PAC-LV+3%KCl+0.3%FA367+Barite

4#3#+2%MPA

表3 不同配方鉆井液體系性能測(cè)試

從表3可以看出，2組密度不同的鉆井液體系添加MPA后，中壓和高溫高壓濾失量均降低，且其初始濾液流出時(shí)間明顯延后，MPA的添加改善了原鉆井液體系的降濾失性能。分析其原因在于，MPA在水基體系中能分散成納微米乳液，能對(duì)泥餅的納/微米孔縫進(jìn)行有效封堵，改善了泥餅質(zhì)量，形成的泥餅更加致密、細(xì)膩，因而體系中添加MPA能明顯降低體系的濾失量。

同樣，2組密度不同的鉆井液體系添加MPA后，其極壓潤(rùn)滑系數(shù)都顯著降低，說明MPA具有強(qiáng)潤(rùn)滑性，能明顯增強(qiáng)水基鉆井液體系的潤(rùn)滑效果，起到良好的潤(rùn)滑減阻的作用。

3 結(jié)論

1.合成了一種有機(jī)硫型極壓抗磨劑，含硫量高達(dá)35.49%，核磁共振1H譜分析合成的有機(jī)硫化物屬于飽和烷烴。

2.改性植物油中加入不同加量的有機(jī)硫型極壓抗磨劑后，隨著其加量增大，燒結(jié)負(fù)荷提高，形成的反應(yīng)膜承載能力強(qiáng)，表明合成的有機(jī)硫具有良好的極壓抗磨性，建議在制備鉆井液用潤(rùn)滑劑時(shí)，該有機(jī)硫型極壓抗磨劑的加量不少于2%。

3.以改性植物油為基礎(chǔ)油，添加有機(jī)硫型極壓抗磨劑、表面活性劑等環(huán)境友好型組分，研制出一種水基鉆井液用極壓抗磨潤(rùn)滑劑MPA，評(píng)價(jià)表明，研制的MPA配伍性好，在清水或水基鉆井液體系中能完全分散，能優(yōu)化水基鉆井液性能，具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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