抗高溫潤滑劑HTLube的研制與應(yīng)用

夏小春，胡進(jìn)軍，孫 強(qiáng)，項(xiàng) 濤

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院)

鉆井液的潤滑性能對(duì)鉆井工作影響很大。特別是在鉆探深井、定向井、水平井和叢式井時(shí)，鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力會(huì)大幅提高，從而導(dǎo)致各種井下復(fù)雜情況發(fā)生并影響鉆井時(shí)效［1－2］。因此使用潤滑性能好的鉆井液對(duì)減少卡鉆等井下復(fù)雜情況，保證安全、快速鉆井起著至關(guān)重要的作用［3－5］。同時(shí)，隨著鉆探井深增加，高溫高壓鉆井液技術(shù)成為鉆井主要挑戰(zhàn)之一［6］，這對(duì)鉆井液常用功能材料潤滑劑的抗溫性提出了更高的要求。但是目前常用潤滑劑的某些組分往往達(dá)不到抗高溫的要求，限制了它們?cè)诟邷馗邏壕@探中的應(yīng)用。

針對(duì)以上問題，通過篩選抗高溫、環(huán)境友好的植物油、抗高溫的表面活性劑和其它協(xié)同增效組分，制備了一種抗高溫潤滑劑HTLube，并采用極壓潤滑儀以及潤滑評(píng)價(jià)模擬裝置(LEM)評(píng)價(jià)了其在淡水基漿、鹽水基漿、海水基漿和海水聚合物鉆井液中潤滑性能。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1．材料與儀器

ZWY，植物油脂，主要成分為植物油酸甲酯;ZWY4，植物油脂，主要成分為四聚植物油酸甲酯;HZWY，磺化植物油;HL，磺化礦物油;T1021，水基硼化合物;T406E，脂肪胺雙唑衍生物;T3011，含氮硼化硫磷酯;均為工業(yè)品。其它材料均由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，極壓潤滑儀，美國OFITE公司;LEM－4100潤滑評(píng)價(jià)模擬裝置，美國Core lab/Temco公司。

2．實(shí)驗(yàn)方法

2．1基漿和鉆井液配制

2．1．1淡水基漿

向漿杯中加300 mL蒸餾水，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌，緩慢加入36 g鈉膨潤土，持續(xù)攪拌20 min，在密閉的容器中室溫養(yǎng)護(hù)至少16 h，配制成預(yù)水化膨潤土漿;向漿杯中加150 mL蒸餾水、150 mL(或159．75 g)預(yù)水化膨潤土漿，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min，即為淡水基漿。

2．1．2鹽水基漿

向漿杯中加150 mL蒸餾水、150 mL(或159．75 g)預(yù)水化膨潤土漿、12 g NaCl，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min，即為鹽水基漿。

2．1．3海水基漿

向漿杯中加150 mL模擬海水(21．86 g/L NaCl，3.23 g/L Na2SO4，4．53 g/L MgCl2，0．93 g/L CaCl2，0.64 g/L KCl，0．17 g/L NaHCO3，0．02 g/L Na2CO3)、150 mL(或159．75 g)預(yù)水化膨潤土漿，使用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min，即為海水基漿。

2．1．4海水聚合物鉆井液

2%海水膨潤土漿+0．2%NaOH+0．2%Na2CO3+0．3%PF－PAC LV+0．3%PF－XC+3%鈣土，重晶石加重至1．20 g/cm3。

2．1．5 THERM鉆井液

1%淡水膨潤土漿+0．2%NaOH+0．2%Na2CO3+0．5%PF－SMP+2%PF－SPNH HT+2%PF－LSF+0．5%聚合物降濾失劑+3%1 000目碳酸鈣+10%甲酸鉀，重晶石加重至2.2 g/cm3。

2．2評(píng)價(jià)方法

將測(cè)試樣品分別加入不同基漿和鉆井液中，高速攪拌20 min，室溫養(yǎng)護(hù)4 h后用黏度計(jì)測(cè)定流變數(shù)據(jù)，用極壓潤滑儀測(cè)量扭矩;然后在一定溫度下滾動(dòng)老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌5 min后用黏度計(jì)測(cè)定流變數(shù)據(jù)，用極壓潤滑儀測(cè)量扭矩。

二、結(jié)果與討論

1．HTLube的配方優(yōu)化

通過大量潤滑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定抗溫潤滑性能較好的植物油ZWY、磺化礦物油HL為產(chǎn)品主要組分，在海水聚合物鉆井液中評(píng)價(jià)了二者的協(xié)同增效效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1加入2%不同ZWY/HL配比材料海水鉆井液的潤滑系數(shù)

由圖1可知，在海水鉆井液中加入2%HL，并不能降低鉆井液的潤滑系數(shù);加入2%ZWY，可將海水鉆井液的潤滑系數(shù)由0．17降至0．08，將二者按一定比例復(fù)配后，能進(jìn)一步降低海水鉆井液的潤滑系數(shù)。當(dāng)ZWY/HL質(zhì)量比為6/4～4/6時(shí)，潤滑系數(shù)最低，約為0．03，這說明ZWY和HL有協(xié)同增效作用。這主要是HL的主要成分為磺化礦物油，在水基鉆井液中分散性不是很好，與ZWY復(fù)配后，能增強(qiáng)其在水基鉆井液中的分散性，易于吸附在金屬表面，降低金屬－金屬的摩擦系數(shù)。

綜上所述，確定開發(fā)的抗高溫高效潤滑劑HTLube的配方為質(zhì)量比為5/5的ZWY和HL復(fù)配物，并加入適量HZWY，保證產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。最終產(chǎn)品外觀為褐色均勻液體，密度0．88±0．05，閃點(diǎn)＞90℃，pH值:6～8，熒光級(jí)別≤5。

2．HTLube的性能

2．1生物毒性

根據(jù)GB 18420．1－2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性》(第1部分:分級(jí))和GB/T 18420．2－2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性》(第2部分:檢驗(yàn)方法)檢測(cè)了HTLube的生物毒性，檢測(cè)結(jié)果表明，HTLube裸項(xiàng)櫛鰕虎魚的96 h半致死濃度大于32 000 mg/L，對(duì)凡納濱對(duì)蝦仔蝦的96 h半致死濃度大于64 000 mg/L，符合國標(biāo)生物毒性要求。這說明HTLube可在海上油田使用。

2．2潤滑性能

分別在淡水基漿、鹽水基漿和海水基漿中加入1%HTLube，分別測(cè)試其潤滑系數(shù)，于180℃/200℃熱滾冷卻后，再測(cè)試其潤滑系數(shù)，同時(shí)與市場(chǎng)商品高效潤滑劑LubeMI和LubeRT進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖4。

圖2加入1%HTLube和對(duì)比材料的淡水基漿的潤滑系數(shù)

圖3加入1%HTLube和對(duì)比材料的鹽水基漿的潤滑系數(shù)

圖4加入1%HTLube和對(duì)比材料的海水基漿的潤滑系數(shù)

由圖2可知，在淡水基漿中加入1%HTLube，可將其潤滑系數(shù)由0．54降至0．03，體現(xiàn)出優(yōu)良的潤滑效果。對(duì)比結(jié)果表明，HTLube的潤滑效果與國外產(chǎn)品LubeMI相當(dāng)，優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品LubeRT。180℃/200℃熱滾后，加入HTLube淡水基漿的潤滑系數(shù)與滾前相當(dāng)，這說明HTLube能抗200℃的高溫。

由圖3、圖4可知，高溫?zé)釢L前后，HTLube的潤滑效果與LubeMI和LubeRT相當(dāng)，熱滾后的潤滑系數(shù)均約為0．03。

為了評(píng)價(jià)HTLube對(duì)高密度鉆井液流變性影響及潤滑效果，在海上油田使用的THERM鉆井液(2.2 g/cm3)中加入2%HTLube，測(cè)試其熱滾前后的流變性和潤滑系數(shù)，同時(shí)做空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1HTLube在THERM鉆井液中性能

由表1可知，在THERM鉆井液中加入2%HTLube，180℃高溫?zé)釢L前后流變性變化不大，這說明HTLube對(duì)鉆井液的流變性影響小;熱滾后鉆井液潤滑系數(shù)從0．25降至0．14，降低了44%，體現(xiàn)出高效潤滑效果和抗溫能力。

2．3 LEM測(cè)試結(jié)果

LEM模擬評(píng)價(jià)研究結(jié)果表明，與金屬—金屬摩擦阻力相比，金屬—濾餅間摩擦阻力對(duì)于總的摩擦阻力的貢獻(xiàn)較大，應(yīng)該在鉆井液中添加能有效地降低金屬—濾餅間摩擦阻力的潤滑劑，以降低鉆井過程中鉆柱的扭矩［7］。因此，采用LEM法對(duì)HTLube在金屬－濾餅間潤滑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)用玻璃膠將標(biāo)準(zhǔn)Berea砂巖塊(TEMCO公司提供，19．0×101．6×63．5 mm)密封在底座上，待其凝固后安裝在測(cè)試釜中的吊籃上，固定對(duì)角兩個(gè)螺絲。將海水聚合物鉆井液或者事先混有2%潤滑劑的海水聚合物鉆井液注入LEM系統(tǒng)，設(shè)置泵流量為5 000 mL/min并開啟泵，使鉆井液在裝置內(nèi)循環(huán)。設(shè)置溫度為65℃，待溫度穩(wěn)定后，用高壓N2源給系統(tǒng)加壓至690 kPa，打開測(cè)試釜下部接收器閥門，并用量筒接受濾液，讓濾餅在砂巖塊上形成。濾失30 min后進(jìn)行金屬轉(zhuǎn)子—濾餅?zāi)Σ猎囼?yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為:轉(zhuǎn)速90 r/min、接觸力220 N左右(氣缸壓力69 kPa)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5加入2%HTLube和對(duì)比材料的海水基漿的潤滑系數(shù)

由圖5可知，在海水聚合物鉆井液中金屬－濾餅間摩擦系數(shù)為0．3左右。加2%HTLube聚合物鉆井液的摩擦系數(shù)自0．15左右緩慢下降，摩擦30 min后，摩擦系數(shù)降至約0．05;加2%LubeRT聚合物鉆井液的摩擦系數(shù)自0．15左右緩慢下降，摩擦30 min后，摩擦系數(shù)降至約0．1;加有2%LubeMI聚合物鉆井液的摩擦系數(shù)在測(cè)試前25 min逐步增大，然后增大至0．4并保持穩(wěn)定。因此，HTLube和LubeRT均能降低金屬－濾餅?zāi)Σ料禂?shù)，其中HTLube的潤滑性能優(yōu)于LubeRT;而LubeMI不僅沒有降低金屬－濾餅?zāi)Σ料禂?shù)能力，反而增大了摩擦系數(shù)。

HTLube加入水基鉆井液中，其含有的磺化礦物油組分在植物油和磺化植物油作用下分散在水基鉆井液中，并參與濾餅的形成，使濾餅薄而光滑，從而降低金屬－濾餅間摩擦系數(shù);其含有的植物油和磺化植物油相互作用，吸附在金屬表面并形成油膜，降低金屬－金屬間摩擦系數(shù)。正是基于這種降金屬－金屬和金屬－濾餅間磨阻綜合考慮基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的潤滑劑，不僅能顯著的降低金屬－金屬間摩擦系數(shù)，而且能降低金屬－濾餅間摩擦系數(shù)，達(dá)到降低綜合磨阻的效果。

三、應(yīng)用

HTLube于2014年8月于南海西部某探井應(yīng)用。該井段穿越角尾組、下洋組、潿洲組和流沙港組多套地層，其中?215.9 mm井段穿越潿洲組三段和流沙港組一段，主要巖性分別為灰色泥質(zhì)細(xì)砂巖與雜色泥巖互層和灰褐色泥巖夾細(xì)沙巖、粉砂巖，裸眼井段長898 m，完鉆井深3 910 m，壓力系數(shù)1．0～1.3，井底靜止溫度為150℃，對(duì)鉆井液及各種功能處理劑的抗溫性提出一定要求。?215.9 mm井段使用AQUA－MAX鉆井液體系，并向循環(huán)系統(tǒng)加入1.5%HTLube，鉆井期間實(shí)測(cè)鉆井液性能見表2。

表2加入1．5%HTLube的AQUA－MAX體系性能

由表2可知，加入1．5%HTLube的AQUAMAX鉆井液流變和失水性能良好，測(cè)試摩擦系數(shù)保持在0．1～0．11范圍，潤滑性能良好。實(shí)鉆中扭矩維持在6～18 kN·m，波動(dòng)幅度低，鉆具鉆頭出井干凈，鉆井液的潤滑性能較好。

四、結(jié)論

(1)通過配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定抗高溫高效潤滑劑HTLube的配方為質(zhì)量比為5/5的ZWY和HL復(fù)配物，并加入適量HZWY，保證產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

(2)生物毒性檢測(cè)結(jié)果表明，HTLube裸項(xiàng)櫛鰕蝦虎魚的96 h半致死濃度大于32 000 mg/L，對(duì)凡納濱對(duì)蝦仔蝦的96 h半致死濃度大于64 000 mg/L，符合國標(biāo)生物毒性要求。

(3)在淡水基漿、鹽水基漿和海水基漿中加入1%HTLube，180℃/200℃熱滾后，可將基漿潤滑系數(shù)由0．5～0．6降至0．03～0．05;在密度2．2 g/cm3的THERM鉆井液中加入2%HTLube，180℃熱滾后的潤滑系數(shù)由0．25降至0．14，體現(xiàn)出高效潤滑效果和抗溫能力。

(4)LEM評(píng)價(jià)結(jié)果表明，海水聚合物鉆井液中加入2%HTLube，可將金屬－濾餅間摩擦系數(shù)由0.3降至0．05，體現(xiàn)出高效降金屬－濾餅間磨阻能力。

(5)HTLube于南海西部某井應(yīng)用，實(shí)鉆中扭矩維持在6～18 kN·m，波動(dòng)幅度低，鉆具鉆頭出井干凈，鉆井液的潤滑性能較好。