水基鉆井液用潤滑劑SDL-1的研制與評(píng)價(jià)

李斌，蔣官澄，王金錫，王蘭，劉凡，王璽，楊麗麗

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉西分公司，太原030000；2.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京）），北京102249；3.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京）），北京102249；4. 中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300；5. 中石油鉆井工程技術(shù)研究院海外鉆井技術(shù)研究所，北京102200）

近年來隨著大位移井、水平井、深井等復(fù)雜井的鉆探力度不斷加大，對(duì)鉆井液的潤滑性也提出了更高的要求[1-2]。目前，通過向鉆井液中添加潤滑劑調(diào)節(jié)鉆井液的潤滑性能，是預(yù)防和解決鉆井安全問題、提高鉆進(jìn)效率的主要技術(shù)手段之一[3]。當(dāng)前國內(nèi)的常規(guī)潤滑劑往往存在與鉆井液體系不配伍的問題，特別是在高密度鉆井液中，易造成鉆井液黏度增大[4]，影響鉆井液的流變性；此外抗磨、抗溫性能也較差[1，5]。同時(shí)，常規(guī)潤滑劑還易導(dǎo)致鉆井液起泡[6]，產(chǎn)生安全隱患，而國外的潤滑劑DFL則與鉆井液體系的配伍性較好，基本不影響鉆井液的流變性能，并且能夠降低鉆井的摩擦阻力，提高作業(yè)效率[7]，目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的技術(shù)。因此，研制出既能降低井下摩阻和扭矩，并且抗磨、抗溫等性能較好，又不會(huì)對(duì)鉆井液的流變性等其它性能產(chǎn)生負(fù)面影響的高性能鉆井液的潤滑劑顯得十分重要。筆者利用長鏈脂肪酸、小分子多元醇和含硫極壓添加劑等原料，制備出了水基鉆井液用高性能潤滑劑SDL-1。

1 潤滑劑的制備

由于多元醇脂肪酸酯不僅潤滑性能強(qiáng)于單元醇酯[8-9]，并且熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性也更優(yōu)異[10]，因此本實(shí)驗(yàn)以長鏈脂肪酸和多元醇作為制備該合成酯的反應(yīng)原料，且其制備的最優(yōu)條件為：在140～170℃下反應(yīng)6～8 h。將反應(yīng)產(chǎn)物與含硫極壓添加劑按質(zhì)量比3∶1的比例混合，得到棕黃色液體潤滑劑SDL-1，制備高效水基鉆井液用潤滑劑。

2 潤滑劑綜合性能評(píng)價(jià)

2.1 潤滑系數(shù)

如表1所示，老化前，潤滑效果隨著SDL-1加量的增加而提升；在150℃下老化16 h后，潤滑性能進(jìn)一步提升，1%的SDL-1可使?jié)櫥禂?shù)降至0.030，降低率可達(dá)94.0%，遠(yuǎn)高于國外DFL潤滑劑的84.2%降低率，之后再繼續(xù)增大SDL-1的加量，潤滑系數(shù)降低率變化不大。因此潤滑劑SDL-1的加量可控制在1.0%左右，但在高密度鉆井液體系中，含有較多的重晶石及其他添加劑，所以可根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)貙櫥瑒┑募恿刻岣叩?.5%～2.5%。

表1 潤滑劑SDL-1加量對(duì)4%膨潤土基漿潤滑性能的影響

綜上所述，1%SDL-1在4%淡水基漿中老化前后的潤滑效果均優(yōu)于國外DFL潤滑劑，這主要是因?yàn)镾DL-1潤滑劑中的合成酯分子鏈較長，而在一定范圍內(nèi)，分子鏈越長，所形成的潤滑膜也越厚、越穩(wěn)定，摩擦系數(shù)也因此越小[11-12]。另外，其中的含硫極壓添加劑還能與金屬反應(yīng)形成具有低剪切強(qiáng)度的保護(hù)層，因此摩阻可以進(jìn)一步降低[6，13]。

2.2 泥餅黏附系數(shù)

1%潤滑劑SDL-1或DFL對(duì)4%基漿泥餅黏附系數(shù)的影響見表2。從表2可以看出，潤滑劑SDL-1和DFL都能顯著降低泥餅的黏附系數(shù)，降低率在60%左右；老化后，2種潤滑劑產(chǎn)品降低泥餅黏附系數(shù)的效果都略有提升。總體來說對(duì)于降低泥餅黏附系數(shù)方面，潤滑劑SDL-1與國外DFL潤滑劑產(chǎn)品的作用效果基本一樣。

表2 1%潤滑劑SDL-1或DFL對(duì)4%基漿泥餅黏附系數(shù)的影響

2.3 抗溫抗鹽性

1）抗溫性。在4%淡水基漿中加入1%SDL-1潤滑劑，分別在不同溫度下老化16 h，評(píng)價(jià)其抗溫性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。老化溫度小于150℃時(shí)，老化后的SDL-1的潤滑性有所提升；超過150℃之后，隨著老化溫度的升高，降低率開始略有下降；當(dāng)老化溫度為180℃時(shí)，潤滑系數(shù)降低率保持在90%左右，所以SDL-1至少可抗溫180℃；當(dāng)老化溫度繼續(xù)增加到220℃時(shí)，潤滑系數(shù)降低率也仍然可以在80%以上，表現(xiàn)出了出色的抗溫性。

圖1 溫度對(duì)潤滑劑SDL-1潤滑性能的影響

2）抗鹽性。在4%淡水基漿中加入1%潤滑劑SDL-1，然后分別加入一定量的NaCl、CaCl2和KCl，評(píng)價(jià)潤滑劑的抗鹽能力，結(jié)果見表3。由表3可以看出，老化前，加入了大量的鹽后，SDL-1的潤滑性沒有受到明顯的影響；老化后，當(dāng)NaCl和CaCl2加量增加到30%時(shí)，降低率仍在85%以上。由此可知NaCl和CaCl2對(duì)SDL-1的潤滑性能影響較小，而潤滑系數(shù)的上升主要是由于加入了大量的鹽后，黏土礦物的水化減弱、雙電子層被壓縮，靜電排斥降低，膨潤土漿的摩擦系數(shù)上升[14-15]。因此，SDL-1潤滑劑可抗30%的NaCl、30%的CaCl2。

表3 鹽對(duì)潤滑劑SDL-1潤滑性能的影響

2.4 四球摩擦實(shí)驗(yàn)

常規(guī)鉆井液評(píng)價(jià)手段中主要是利用極壓潤滑儀所測的潤滑系數(shù)，來衡量潤滑劑油膜的耐壓效果，潤滑系數(shù)測定的摩擦環(huán)境主要是“金屬面-面”之間的摩擦，測定環(huán)境一般是常溫常壓。但是在實(shí)際鉆井過程中，井下鉆具與井壁的摩擦?xí)霈F(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)摩擦，這種摩擦環(huán)境下，局部壓強(qiáng)會(huì)急劇上升，同時(shí)伴隨高溫環(huán)境，因此普通潤滑系數(shù)測定的潤滑性能不能完全滿足現(xiàn)場鉆井需求。四球摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)通常用來測定潤滑劑在點(diǎn)接觸條件下的長時(shí)抗磨損性能等，根據(jù)摩擦系數(shù)及磨痕對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。目前用該方法來分析鉆井液用潤滑劑性能的報(bào)道還比較少。

在4%基漿中分別加入1%潤滑劑SDL-1及潤滑劑DFL，利用四球摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)，在載荷150 N、轉(zhuǎn)速100 r/min的條件下長磨30min，測定潤滑系數(shù)，并且用掃描電鏡觀察分析鋼球的磨痕，結(jié)果見圖2、圖3。圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在基漿中添加SDL-1后的摩擦系數(shù)要比添加了DFL潤滑劑的摩擦系數(shù)低，且保持穩(wěn)定，不會(huì)隨著摩擦?xí)r間的增加而發(fā)生明顯變化，添加了DFL后，摩擦系數(shù)則隨著時(shí)間的增加呈上升趨勢，說明部分潤滑膜可能逐漸被破壞，潤滑性能逐漸減弱，因此SDL-1的潤滑性能要明顯優(yōu)于DFL。

從圖3中的磨痕來看，在同等放大倍數(shù)條件下，添加了潤滑劑SDL-1的整體磨斑直徑要略小于潤滑劑DFL，此外，添加了潤滑劑DFL后仍有較明顯的劃痕，其中還有幾條較深的犁溝；而添加了SDL-1的磨痕則不明顯，摩擦表面較為平整，沒有出現(xiàn)明顯的犁溝，說明SDL-1的耐磨、抗磨損性好。

圖2 四球摩擦系數(shù)

圖3 四球摩擦磨痕

2.5 在體系中的性能評(píng)價(jià)

1）在無土相體系中評(píng)價(jià)。將潤滑劑SDL-1和DFL分別加入密度為2.0g/cm3的無土相鉆井液體系中，綜合評(píng)價(jià)潤滑劑的性能，結(jié)果見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，老化前，DFL潤滑劑能使該體系的黏度略有降低，而SDL-1潤滑劑對(duì)該體系的黏度影響不大；老化后，DFL和SDL-1潤滑劑都能使該體系的黏度有所下降，其中DFL使該體系的黏度下降幅度較大。此外，2種潤滑劑均能使該體系的高溫高壓濾失量和泥餅黏滯系數(shù)分別有所下降，而SDL-1的效果更加明顯，分別可使高溫高壓濾失量和泥餅黏滯系數(shù)下降53.1%和54.2%，在該體系中明顯地起到了降濾失的作用，并且提升了體系的潤滑性能。

表4 不同潤滑劑對(duì)無土相鉆井液體系性能的影響

2）在環(huán)保體系中評(píng)價(jià)。將潤滑劑SDL-1和DFL加入密度為2.2g/cm3的環(huán)保鉆井液體系中，綜合評(píng)價(jià)潤滑劑的性能，結(jié)果見表5。

表5 潤滑劑SDL-1或DFL對(duì)環(huán)保 鉆井液體系性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，老化前，DFL潤滑劑能使該體系的黏度略有降低，而SDL-1潤滑劑對(duì)該體系的黏度影響不大。此外，DFL和SDL-1分別使該體系的潤滑系數(shù)降低26.3%和36.8%，SDL-1對(duì)體系潤滑性的提升優(yōu)于DFL；老化后，SDL-1潤滑劑使該體系的潤滑系數(shù)降至0.08，降低率為55.6%，遠(yuǎn)高于DFL 潤滑劑33.3%的潤滑系數(shù)降低率，顯著地提升了該鉆井液體系的潤滑性能。

3 SDL-1潤滑機(jī)理分析

鉆井過程中，鉆具與井壁、鉆具與套管所形成的摩擦通常為邊界潤滑或幾種狀態(tài)同時(shí)存在的混合潤滑狀態(tài)。在邊界潤滑條件下潤滑膜極薄，潤滑劑的吸附性能對(duì)潤滑性能影響較大[16]。潤滑劑分子在摩擦表面生成吸附膜所依靠的黏附能與其表面潤濕性密切相關(guān)?？砷g接通過固體表面潤濕性的變化來判斷潤滑劑分子在固體表面的吸附能力。固體表面的潤濕性可通過測量液體在固體表面上的接觸角來實(shí)現(xiàn)。由圖4可知，SDL-1潤滑劑能使玻璃片表面的疏水性有所增強(qiáng)，說明SDL-1能在玻璃表面形成吸附膜。同樣的，由于SDL-1潤滑劑在鋼片表面的吸附，顯著地增強(qiáng)了其表面的疏水性。

SDL-1潤滑劑中的大分子酯化物的酯基或羰基官能團(tuán)具有較強(qiáng)的極性，能夠依靠分子或原子間的范德華力牢固地吸附在硅酸鹽礦物及金屬表面上，形成物理吸附膜。當(dāng)表面溫度較高時(shí)，大分子酯化物還能與表面金屬形成金屬皂，依靠化學(xué)吸附作用在金屬表面形成化學(xué)吸附膜。由于大分子酯化物具有較長的分子鏈，所形成的吸附膜較厚、較穩(wěn)固。因此，摩擦面上除個(gè)別的粗糙峰點(diǎn)之外，吸附膜能將兩摩擦表面隔開，提供了一個(gè)低剪切阻力的界面，因而摩擦系數(shù)減小[11-12]。

圖4 水在玻璃片及金屬片上的接觸角

此外，SDL-1潤滑劑中的極壓添加劑成分除了能利用含硫官能團(tuán)吸附在部分金屬表面外[12]，在一定的接觸溫度、壓力條件下，還能與金屬表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，迅速地生成厚的無機(jī)物膜，這種化學(xué)反應(yīng)膜的熔點(diǎn)高，剪切強(qiáng)度低[11]，與金屬表面連結(jié)牢固，可以保護(hù)表面不致發(fā)生黏著磨損。在摩擦過程中，當(dāng)反應(yīng)膜被磨去以后將迅速生成新膜，有效地防止兩摩擦表面的直接接觸，從而達(dá)到減少磨損、降低摩阻的作用[6，13]。

4 結(jié)論

1.利用長鏈脂肪酸、小分子多元醇和極壓添加劑等原材料，制備出水基鉆井液用潤滑劑SDL-1。潤滑劑SDL-1具有良好的抗溫性和抗鹽性（能夠抵抗30%NaCl和30%CaCl2），可使鉆井液基漿在180℃老化后潤滑系數(shù)降低90%以上。

2. SDL-1潤滑劑能有效降低金屬摩擦表面的磨損，使磨斑直徑小于DFL，且磨斑表面更加光滑，因此SDL-1抗磨效果優(yōu)于國外潤滑劑DFL。這是由于SDL-1潤滑劑能通過物理、化學(xué)作用，在接觸面形成吸附膜，將兩摩擦表面隔開，提供了一個(gè)低剪切阻力的界面，因此大大降低了摩擦阻力，減輕了摩擦作用。

3.潤滑劑SDL-1對(duì)高密度鉆井液體系老化前后的流變性影響較小，并且能降低體系的高溫高壓濾失量和濾餅的黏滯系數(shù)，顯著提升鉆井液體系的潤滑性能，因此是優(yōu)異的水基鉆井液潤滑劑。