環(huán)保型鉆井液潤滑劑的研究與應(yīng)用

曹硯鋒，蔣 卓，邢希金，王 薦，舒福昌，向興金

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.湖北省油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北荊州 434000；3.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

隨著石油勘探開發(fā)的發(fā)展和現(xiàn)代環(huán)保理念的進(jìn)步，對油氣勘探與開發(fā)工程提出了更高更新的要求，鉆井過程中面臨的工程問題和環(huán)保問題日益突出。在鉆井過程中，應(yīng)用廣泛的大位移水平井、定向井和長裸眼深井，摩阻問題尤為突出，如何降低鉆井摩阻，提高鉆井液的潤滑性能，是解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]。目前，常用的鉆井液潤滑劑主要有礦物油類、植物油類、酯類、聚合醇類以及乳化石蠟類等[3，4]。礦物油類潤滑劑不易生物降解、熒光級別高，對環(huán)境污染較大；植物油類潤滑劑具有無毒、易降解、熒光級別低、來源廣泛的特點(diǎn)，但是高溫穩(wěn)定性及氧化穩(wěn)定性較差；聚合醇類潤滑劑的濁點(diǎn)不穩(wěn)定、且該產(chǎn)品在大部分鉆井液中存在增黏、起泡的現(xiàn)象；乳化石蠟類潤滑劑的穩(wěn)定性較差、易破乳[5-7]。隨著國家環(huán)保法規(guī)不斷完善及環(huán)保意識(shí)的提高，環(huán)保型鉆井液處理劑的研究已成為一種發(fā)展趨勢，因此研究一種無毒易降解的環(huán)保型鉆井液潤滑劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 環(huán)保型鉆井液潤滑劑的研究

國內(nèi)外在環(huán)保潤滑劑方面主要對合成酯、多元醇和改性植物油等液體潤滑劑進(jìn)行了大量研究工作，但大多存在著易起泡和高溫老化后潤滑性下降等問題；特別是在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，部分環(huán)保型潤滑劑出現(xiàn)抗溫、抗鹽不足，150 ℃以上時(shí)潤滑性能下降明顯。對此，室內(nèi)以環(huán)保型植物油脂為基礎(chǔ)進(jìn)行了環(huán)保型潤滑劑的研究，通過高溫改性和乳化合成，來提高潤滑劑的抗溫能力和抗鹽能力，同時(shí)，解決潤滑劑表面活性起泡等問題。

1.1 環(huán)保型鉆井液潤滑劑的作用機(jī)理

環(huán)保型潤滑劑加入到鉆井液體系中后，通過乳化分散作用，可以很好的分散在鉆井液體系中；在鉆井過程，潤滑劑中的高活性的酯基基團(tuán)和氨基基團(tuán)，可以在井壁和鉆桿上形成一層強(qiáng)吸附的致密潤滑薄膜，薄膜具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以降低鉆桿與地層井壁間的摩擦阻力，提高鉆桿的作用效率，同時(shí)，潤滑劑也可以很好的吸附在鉆屑表面，形成一層憎水的油膜，進(jìn)一步降低黏土與黏土、管柱以及井壁的粘結(jié)，降低了粘附卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，確保鉆探施工安全。另外，通過磺化基團(tuán)對植物油脂進(jìn)行改性，在磺酸基團(tuán)的作用下，潤滑劑中起主要作用的潤滑油脂的高溫穩(wěn)定性得到改善，這也進(jìn)一步提高了潤滑劑的抗溫、抗鹽能力。

1.2 環(huán)保型鉆井液潤滑劑合成

環(huán)保型鉆井液潤滑劑的合成主要分為兩個(gè)部分，一是通過引進(jìn)新基團(tuán)對天然植物油進(jìn)行改性，提高其潤滑能力和抗溫、抗鹽能力；二是通過乳化作用，提高潤滑劑在水基鉆井液體系中的分散能力，提高潤滑作用效果。

1.2.1 植物油改性 環(huán)保型潤滑劑以天然植物油為原料，按照3:1 的加量加入多元醇多胺，然后升溫至60 ℃～80 ℃，恒溫反應(yīng)2 h；然后加入0.1 %～0.3 %的催化劑，升高溫度至100 ℃～120 ℃，加入20 %小分子醇類（C1～C4）和1 %甲苯磺酸，繼續(xù)恒溫反應(yīng)2 h，即得到改性后的基礎(chǔ)潤滑油脂。其中，多元醇多胺對植物油進(jìn)行改性可以與金屬形成化學(xué)膜，提高其潤滑能力；抗高溫磺化基團(tuán)可以提高天然植物油的抗溫、抗鹽能力。

1.2.2 乳化合成 將改性后的基礎(chǔ)潤滑油脂，升溫至70 ℃，緩慢加入3.0 %失水山梨糖醇脂肪酸酯和1.0 %聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯，加入去離子水，攪拌均勻；接著加入0.2 %穩(wěn)定劑，攪拌30 min，再加入0.5 %聚醚改性聚硅氧烷和0.5 %聚醚丙三醇，攪拌20 min，冷卻至室溫，即得到環(huán)保型鉆井液潤滑劑。其中，乳化劑調(diào)整后材料的HLB 值控制在6～8，可以很好的分散在鉆井液體系中，并且具備一定的抑泡能力。

2 環(huán)保型鉆井液潤滑劑的評價(jià)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)

參照標(biāo)準(zhǔn)中石油集團(tuán)公司QSY 17088-2016《鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定分別測定環(huán)保型潤滑劑在原漿中的熒光、表觀黏度升高值、密度變化值、泥餅黏附系數(shù)降低率和潤滑系數(shù)降低率。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 環(huán)保型潤滑劑性能評價(jià)

從以上評價(jià)結(jié)果來看，研究的環(huán)保型鉆井液潤滑劑既能降低潤滑系數(shù)，又能降低黏附系數(shù)，表現(xiàn)出良好的潤滑性能，并且，其熒光級別低，不會(huì)影響地質(zhì)錄井，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 抗溫穩(wěn)定性評價(jià)

室內(nèi)使用基礎(chǔ)鈉膨潤土漿，對環(huán)保型潤滑劑的抗溫穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。在高速攪拌杯中分別加入300 mL蒸餾水、0.6 g 無水碳酸鈉、15 g 鈉膨潤土，高速攪拌20 min，期間至少中斷兩次以刮下粘附在杯壁上的黏附物，在（25 ℃±1 ℃）下密閉養(yǎng)護(hù)24 h。使其表觀黏度達(dá)到（13～15）mPa·s，如果達(dá)不到則適當(dāng)調(diào)節(jié)膨潤土加量。在基漿中分別加入3.0 g 試樣，高速攪拌5 min，倒入老化罐中，在不同溫度條件下熱滾16 h。取出冷卻至室溫，高速攪拌5 min，測試鉆井液的擠壓潤滑系數(shù)，結(jié)果（見表2）。

表2 環(huán)保型潤滑劑抗溫性能評價(jià)

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，研制的環(huán)保型潤滑劑具備良好的抗溫穩(wěn)定性，抗溫能力可以達(dá)到160 ℃，可以滿足現(xiàn)在大多數(shù)中深層地層鉆井現(xiàn)場需求。

2.3 鉆井液體系中的潤滑性能評價(jià)

室內(nèi)在聚合物鉆井液體系中對比評價(jià)了環(huán)保型潤滑劑、HLB、植物油、礦物油對鉆井液體系流變性和潤滑性影響；配制常規(guī)聚合鉆井液體系，加入潤滑劑，在120 ℃條件下，熱滾16 h，測試滾后流變性和潤滑系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

從表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，新研制的環(huán)保型潤滑劑對鉆井液體系的流變性影響很小，可以適當(dāng)降低鉆井液濾失量，能顯著降低鉆井液的潤滑系數(shù)；相同加量條件下，較同類潤滑劑和油類降低鉆井液的潤滑系數(shù)能力更強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的降低扭矩、摩阻能力。

2.4 環(huán)保性能評價(jià)

針對材料的環(huán)保性能，室內(nèi)評價(jià)了環(huán)保型潤滑劑的生物毒性，實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法參照中石油集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)《Q/SY 111-2007 油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法 發(fā)光細(xì)菌法》和BOD5/CODcr生物降解性的評價(jià)指標(biāo)[8]，其中BOD5的測定參照國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《HJ 505-2009 水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》，CODcr的測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 11914-89 水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鉀法》，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）。

通過發(fā)光細(xì)菌法測定2 %環(huán)保型潤滑劑水溶液的半有效濃度EC50值為163 530 mg/L，表現(xiàn)為無毒，說明環(huán)保型潤滑劑對環(huán)境無影響。同時(shí)，2 %環(huán)保型潤滑劑水溶液的BOD5/CODcr比值為17.62 %，表現(xiàn)較易降解，說明環(huán)保型潤滑劑因其為植物油改性，易于被環(huán)境中的微生物降解。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

環(huán)保型潤滑劑研究成功后，在準(zhǔn)噶爾盆地瑪北油田風(fēng)南4 井區(qū)的二開水平井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用井段從500 m 至完鉆井深4 206 m 和4 093 m，完鉆層位百口泉組，井斜84.9°/94.7°，水平位移分別為1 496.8 m 和1 534.8 m，水平段長1 210 m 和1 222 m。環(huán)保型潤滑劑使用井段為1 680 m～4 200 m，主要應(yīng)用于造斜段和水平段，應(yīng)用過程中環(huán)保型潤滑劑形成的極壓膜強(qiáng)度高、潤滑系數(shù)降低率高，扭矩維持在10 kN·m～20 kN·m，表現(xiàn)出良好的潤滑性能；同時(shí)，該潤滑劑的低熒光級特點(diǎn)，也不影響地質(zhì)錄井。整井段作業(yè)過程中鉆井過程順利，未出現(xiàn)黏卡、卡鉆等井下復(fù)雜情況。

表3 環(huán)保型潤滑劑性能對比評價(jià)

表4 潤滑劑環(huán)保性能評價(jià)

4 結(jié)論

（1）以環(huán)保型的植物油為基礎(chǔ)，進(jìn)行改性、乳化合成了一種新型環(huán)保型鉆井液潤滑劑。

（2）室內(nèi)性能評價(jià)和現(xiàn)場應(yīng)用證明：環(huán)保型潤滑劑與鉆井液配伍性好，能有效的改善鉆井液的潤滑性，降低摩阻和扭矩，抗溫達(dá)160 ℃，滿足中深層定向井和水平施工需求；同時(shí)，其生物毒性低，易降解，表現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性，滿足鉆井過程中的環(huán)保要求，具備良好的市場開發(fā)前景。