鉆井液用微乳液潤滑劑NE的研究與應(yīng)用

董兵強(qiáng) ， 邱正松 ， 鄧智 張華蓮 , 康遠(yuǎn)波

（1.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶400042；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶400042 ；3.中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

目前定向井、大斜度井及大位移水平井技術(shù)不斷進(jìn)步，對鉆井液的潤滑性提出了更高的要求[1-4]，使得鉆井液潤滑劑在數(shù)量及品種上取得了較快的發(fā)展[5-8]。鉆井液液體類潤滑劑應(yīng)用廣泛，主要包括礦物油類、植物油類、表面活性劑類及瀝青類等[9-10]，其主要基于吸附作用在巖石或鉆具表面形成潤滑油膜，進(jìn)而起到潤滑井壁與鉆具的作用[11-12]。然而，當(dāng)前鉆井液液體類潤滑劑均存在不同程度的抗溫性能差、制備工藝復(fù)雜、起泡率高或熒光級別高等難題[13-16]，且隨著水平井水平段長的不斷增加，現(xiàn)有液體類潤滑劑大多無法較好地滿足現(xiàn)場鉆井液的實(shí)際應(yīng)用需求。結(jié)合最新液體類潤滑劑研究進(jìn)展，基于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)，研發(fā)出一種微乳液潤滑劑NE，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了其潤滑性能與作用機(jī)理，開展了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。

1 微乳液潤滑劑NE的制備及基本特性

1.1 制備

1）原料：Span80、Tween80，化學(xué)純；正丁醇，分析純；液態(tài)石蠟（5#白油），工業(yè)純；Gemini季銨鹽型表面活性劑GTN，工業(yè)純。

2）制備：以Span80與Tween80的混合物作為主表面活性劑（HLB值為10.5），以正丁醇作為助表面活性劑，Gemini季銨鹽型表面活性劑GTN為乳液電性調(diào)節(jié)劑，液態(tài)石蠟（5#白油）為油相。依次將25%～30%的主表面活性劑、10%助表面活性劑、30%～40%的油相及1%～2%的乳液電性調(diào)節(jié)劑加入到水中混合，攪拌均勻，即制備得淡黃色的油包水微乳液高效潤滑劑NE。

1.2 基本特性

25 ℃下，利用馬爾文ZS90型納米粒度儀測量不同濃度NE稀釋到水中形成液滴的平均粒徑與Zeta電位，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，隨NE濃度增大，形成的液滴平均粒徑變大，在187～258 nm之間，且Zeta電位均為正電性，呈增大趨勢。油包水型微乳液與大量水相混合，使得乳液體系中水相含量急劇增大，造成油水界面的表面活性劑界面層親水性顯著增強(qiáng)[17]，此時微乳液的分散相液態(tài)石蠟迅速成核，變成粒徑更大的水包油納米液滴，且納米液滴粒徑越大，界面膜中的GTN電性調(diào)節(jié)劑越多，液滴正電性越強(qiáng)。

表1 納米乳液潤滑劑粒徑及Zeta電位測試結(jié)果

2 微乳液潤滑劑NE的性能評價及作用機(jī)理分析

2.1 性能評價

2.1.1 潤滑性

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094—94， 評價不同濃度NE對5%膨潤土漿（400 mL水+20 g膨潤土+0.8 gNa2CO3）的潤滑系數(shù)（Kf）和泥餅黏附系數(shù)（F）的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 潤滑劑NE的潤滑性能評價結(jié)果

由表2可知，隨NE濃度增大，膨潤土漿的潤滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)均顯著降低，表明NE具有良好的潤滑性能；NE加量為2.0%時，膨潤土漿潤滑系數(shù)降低率（△Kf）達(dá)83.8%，泥餅黏附系數(shù)降低率（△F）達(dá)74.2%。

2.1.2 耐溫性

選取膨潤土漿、無機(jī)鹽鉆井液（1#）、聚磺鉆井液（2#）及聚合物鉆井液（3#）作為測試鉆井液，通過實(shí)驗(yàn)評價不同鉆井液在120 ℃下分別老化16、32、48 h前后的潤滑性能，考察NE的耐溫性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨老化時間延長，不同鉆井液的潤滑系數(shù)及泥餅黏附系數(shù)均較小且基本無變化，表明NE具有良好的耐溫性能。各鉆井液配方如下。

1#2.0%膨潤土漿 +3.0%SMP-Ⅱ+2.5%SPNH+2.0%磺化瀝青+0.30%PF-XC+5.0%KCl+15.0%NaCl+3.0%超細(xì)碳酸鈣

2#4.0%膨潤土+0.15%NaOH+0.35%K-PAM+0.2%DBF-2+5.0%SMP-2+3.0%SPNH+ 2.5%GLA

3#4.0%膨潤土+0.15%NaOH+2.0%Ultrahib+0.3%Ultracap+2.0%PF-PAC+0.3%XC+ 5.0%超鈣

表3 微乳液潤滑劑NE的耐溫性能評價結(jié)果（120 ℃）

2.1.3 抗溫性

常規(guī)潤滑劑由于受高溫影響而發(fā)生降解，導(dǎo)致潤滑作用被削弱，無法滿足鉆井要求[18-19]。選取上述4種鉆井液分別加入2.0%NE，評價在120、140、160 ℃下熱滾16 h后的鉆井液潤滑系數(shù)變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 微乳液潤滑劑NE抗溫性測試結(jié)果

由圖1可知，加入2.0%潤滑劑NE的4種鉆井液在不同溫度下老化后，潤滑系數(shù)隨溫度升高基本不變，且潤滑系數(shù)均較小，表明潤滑劑NE具有良好的抗溫性能。

2.1.4 起泡率

常規(guī)潤滑劑的起泡作用極易造成鉆井液密度的下降，影響鉆井液液柱壓力，甚至產(chǎn)生井控風(fēng)險[20]。通過進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，評價了不同濃度潤滑劑NE的膨潤土漿在8 000 r/min條件下高速攪拌前后的體積及密度變化，考察潤滑劑NE的起泡能力，結(jié)果見表4。

表4 微乳液潤滑劑NE的起泡性能測試結(jié)果

由表4可知， 隨NE加量的增大， 高速攪拌后膨潤土漿密度及體積變化均較小， 當(dāng)NE加量達(dá)3.0%時， 膨潤土漿密度降低了0.047 9 g/cm3，起泡率為4.9%，遠(yuǎn)低于中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/SY 1088—2012鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》（密度改變量不大于±0.08 g/cm3），表明NE對鉆井液的起泡性影響較小，滿足鉆井工程現(xiàn)場應(yīng)用要求。

2.1.5 熒光級別

參照中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/SY 1088—2012 鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》中熒光級別確定方法，以大港油田原油作為標(biāo)準(zhǔn)顏色系列，對比確定NE的熒光級別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NE的熒光級別為2級，滿足勘探井的地質(zhì)熒光錄井要求[15]。

2.1.6 與鉆井液的配伍性

通過測試在上述4種鉆井液中加入2.0%潤滑劑NE前后的流變性、濾失性、動切力及潤滑性變化，考察微乳液潤滑劑NE與不同鉆井液的配伍性，結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，潤滑劑NE與鉆井液具有良好的配伍性。加入2.0%潤滑劑NE的鉆井液老化前后與不加入潤滑劑的鉆井液相比較，潤滑系數(shù)顯著降低，表觀黏度、塑性黏度及動切力變化均較小，表明潤滑劑NE對鉆井液的流變性幾乎無影響。此外，不同鉆井液的中壓濾失量及高溫高壓濾失量均出現(xiàn)不同程度降低，表明NE可改善鉆井液泥餅質(zhì)量，提高鉆井液的封堵性能。

表5 潤滑劑NE與鉆井液的配伍性測試結(jié)果

2.2 作用機(jī)理分析

2.2.1 吸附作用

液體潤滑劑與礦物及金屬鉆具的吸附作用是實(shí)現(xiàn)良好潤滑效果的關(guān)鍵[21-22]。選用云母薄片和金屬掛片（N80套管材質(zhì)）模擬礦物與金屬套管，分別浸入1.0%潤滑劑NE中，利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察云母薄片和金屬掛片吸附納米液滴前、后的微觀形貌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 云母片表面吸附納米乳液的微觀圖片

結(jié)果表明，潤滑劑NE稀釋后形成大量納米乳液滴，由于液滴油水界面膜上存在極性基團(tuán)且為正電性，可吸附在云母薄片及金屬掛片表面，形成一層納米液滴覆膜，進(jìn)而極大地提高潤滑效果。

圖3 金屬掛片表面吸附納米乳液的微觀圖片

2.2.2 納米效應(yīng)

鉆井液中液體潤滑劑形成的小液滴分散效果越好，其潤滑作用越顯著[23]。將潤滑劑NE的制備原料（記為原料）依次直接加入膨潤土鉆井液中，利用極壓潤滑儀與高溫高壓泥餅黏附系數(shù)測定儀，對比原料與潤滑劑NE的潤滑效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 原料與潤滑劑NE的潤滑作用對比實(shí)驗(yàn)評價結(jié)果

由圖4可知，將原料直接加入膨潤土鉆井液后的潤滑效果明顯劣于潤滑劑NE。在膨潤土鉆井液中加入2.5%潤滑劑NE的潤滑系數(shù)與泥餅黏附系數(shù)分別為0.07、0.038，而相同加量原料的潤滑系數(shù)與泥餅黏附系數(shù)分別為0.14、0.059。潤滑劑NE基于小尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)的優(yōu)勢，可更好地分散在鉆井液中，覆蓋在井壁與金屬鉆具表面，并在擠壓條件下破乳，其潤滑作用更優(yōu)。相反，由于原料中存在大量疏水處理劑，其單獨(dú)加入膨潤土鉆井液中的分散效果較差，形成的潤滑油膜覆蓋面積有限，無法實(shí)現(xiàn)潤滑效果最大化。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

微乳液潤滑劑NE在BZ28-2S-AX井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

BZ28-2S-AX井是中海油天津分公司在渤海南部海域部署的一口三開次開發(fā)水平井，位于黃河口凹陷中央隆起帶的北部，水深21.90 m，目的層為明化鎮(zhèn)組下段，巖性為厚層泥巖夾砂巖，完鉆井深為2 181.00 m。該井井眼軌跡復(fù)雜，最大井斜為93.58°，造斜點(diǎn)于井深200 m處開始，穩(wěn)斜段較長，水平位移較大（1 353.77 m）。鉆進(jìn)過程中，鉆至井深249 m時短程起鉆至182 m處遇阻15 t，鉆至井深1 091 m時起鉆至井深1 020 m處遇卡10 t，鉆至井深1 745 m時起鉆至井深1 666 m處遇卡10 t，上下活動鉆具無法通過，鉆柱測壓大，摩擦力大，對鉆井液潤滑性能要求較高。

鉆至井深1 745 m時，加入2.0 t微乳液潤滑劑NE，室內(nèi)測得現(xiàn)場鉆井液極壓潤滑系數(shù)由0.28降至0.094，泥餅黏附系數(shù)由0.13降至0.045，起下鉆阻力由15 t降至7 t，鉆具與井壁間摩阻顯著降低，實(shí)現(xiàn)了較小的起下鉆阻力與鉆進(jìn)扭矩，微乳液潤滑劑NE潤滑效果顯著，保證了BZ28-2S-AX井的順利完鉆。

4 結(jié)論

1.微乳液潤滑劑NE制備工藝簡單，其稀釋后可形成帶正電、粒徑極小的納米液滴。

2.微乳液潤滑劑NE基于吸附作用及納米效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對井壁及鉆具的高效潤滑，具有良好的耐溫性與抗溫性，起泡率與熒光級別低，與鉆井液配伍性良好。

3.微乳液潤滑劑NE可降低鉆柱扭矩及其與井壁間的摩阻，減少井下復(fù)雜情況發(fā)生，有利于提高鉆井速度，實(shí)現(xiàn)降本增效。