鉆井液用環(huán)境友好型減摩降阻劑性能評價(jià)及應(yīng)用*

封心領(lǐng)

（中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京210048）

隨著石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的擴(kuò)大和深入，大斜度井、大位移井和水平井逐漸增多，鉆井摩阻問題尤為突出［1-3］。作業(yè)時(shí)鉆具在重力作用下與套管、井壁直接接觸，摩擦陡然增大并產(chǎn)生瞬間高溫，普通的潤滑劑由于極壓膜強(qiáng)度低，耐溫性不足，很容易被破壞掉，失去潤滑作用，導(dǎo)致鉆具的磨損以及卡鉆，造成嚴(yán)重的井下事故。極壓潤滑劑由于含有一些特殊的元素，能在鉆具表面形成高強(qiáng)度的極壓膜［4］，在高溫、高負(fù)荷條件下依然能維持良好的潤滑性能，在一定程度上滿足了大斜度井、大位移井和水平井鉆井需求，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，部分產(chǎn)品也得到了一定的應(yīng)用［5-8］。但這些極壓潤滑劑通常會加入大量的礦物油，會對環(huán)境以及人體造成危害。有關(guān)具有優(yōu)異抗磨減摩效果的環(huán)境友好型極壓潤滑劑的報(bào)道較少，尤其是在高固相鉆井液體系中應(yīng)用的報(bào)道更少。高固相鉆井液體系固相含量高，摩阻大，若潤滑劑吸附能力不足或形成的油膜強(qiáng)度不高很容易失去效果，造成鉆井事故；且一些潤滑劑在高固相鉆井液中易造成體系黏度增大，潤滑性能明顯下降。因此研制一種低生物毒性、對體系黏度影響小、潤滑效果優(yōu)良的潤滑劑對大斜度、大位移定向井和水平井的安全鉆進(jìn)尤為重要［9-11］。本文向長鏈的多元醇胺中引入多種活性元素及金屬元素，將得到的產(chǎn)物與脂肪酸反應(yīng)，最后加入復(fù)配乳化劑，制得一種強(qiáng)吸附性的減摩降阻劑NH-JZ。研究了其潤滑性能、抗磨減摩性能、起泡性能、抗溫性能、熒光級別、生物毒性以及與鉆井液的配伍性，并在中石化、中石油共17口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

無水碳酸鈉、氫氧化鈉、甲酸鉀，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鈉膨潤土，勝利博友泥漿技術(shù)有限責(zé)任公司；聚丙烯酰胺（PAM）、兩性離子包被劑（FA367）、磺酸鹽共聚物、兩性離子磺甲基酚醛樹脂（CSMP），濮陽鑫源聚合物有限公司；抗高溫降濾失劑（KFT）、低黏羧甲基纖維素鈉（CMC-LV、CMC-HV）、磺化酚醛樹脂、乳化瀝青、改性瀝青、磺化瀝青、納米乳液，濮陽市誠信鉆采助劑有限公司；胺基聚醇，聚合醇，山東得順源石油科技有限公司；重晶石，石家莊鈺蘊(yùn)礦產(chǎn)品有限公司；潤滑劑RH220，成都西油華巍科技有限公司；聚胺NH-1、減摩降阻劑NH-JZ，自制。實(shí)驗(yàn)所用鉆井液配方如下：（1）4%膨潤土漿配方：300 mL蒸餾水+0.42 g無水碳酸鈉+12.0 g鈉膨潤土，25℃（下同）下的密度為1.05 g/cm3；（2）高密度基漿配方：4%膨潤土+0.14%Na2CO3+0.15%CMC-HV+適量重晶石；密度2.05 g/cm3；（3）聚胺聚合物鉆井液配方：3%鈉膨潤土+0.3% Na2CO3+0.3%聚胺NH-1+0.3% FA367+2%CSMP+0.3% CMC-LV+適量重晶石，密度1.15 g/cm3；（4）聚磺鉆井液配方：4%鈉膨潤土+0.3%PAM+0.3%胺基聚醇+0.5%NaOH+3%KFT+1%磺化酚醛樹脂+3%改性瀝青+1%磺酸鹽共聚物+適量重晶石，密度1.25 g/cm3；（5）有機(jī)鹽鉆井液配方：4.5%鈉膨潤土+10%甲酸鉀+1.7%聚合醇+2.5%納米乳液+1.7%磺化瀝青+2.5%乳化瀝青+適量重晶石，密度1.62 g/cm3。

Fann21200 極壓潤滑儀、GJS-B12K 型高速變頻攪拌機(jī)、SD3 中壓濾失儀、GW300 型高溫滾子加熱爐，青島同春石油儀器有限公司；WT-AUTO-900 智能黏度計(jì)，北京探礦工程研究所，美國Fann 公司；LH-YG1500地質(zhì)熒光儀，山東中煤工礦物資有限公司；KMY201-1A 型抗磨試驗(yàn)機(jī)，武漢神州機(jī)電有限公司；Sigma 500 高分辨率場發(fā)射掃描電鏡，德國卡爾蔡司公司；Xflash 5030能譜儀，德國布魯克公司；DXY-2型生物毒性測定儀，中國科學(xué)院南京土壤研究所。

1.2 減摩降阻劑NH-JZ的制備

在一定條件下，多元醇胺水溶液與含有多種活性元素的無機(jī)化合物反應(yīng)，再緩慢加入金屬氯化物溶液，生成的反應(yīng)物再與脂肪酸進(jìn)行反應(yīng)，最后加入復(fù)合乳化劑得到棕紅色黏稠液體，即為減摩降阻劑NH-JZ。

1.3 性能評價(jià)

（1）潤滑性能。參照中國石化西南油氣分公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1500 0062—2014《鉆井液用套管減磨劑技術(shù)要求》，采用極壓潤滑儀測試NH-JZ 在常規(guī)基漿以及加重鉆井液中的潤滑系數(shù)，計(jì)算潤滑系數(shù)降低率。

（2）減摩抗磨性能。①承壓能力測試：參照中石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1170 060—2014《NH-EPL1 型鉆井液用極壓潤滑劑》，采用抗磨試驗(yàn)機(jī)評價(jià)NH-JZ 的承壓能力。將砝碼托盤置于抗磨試驗(yàn)機(jī)長力臂L 處（L 為杠桿倍率，取30），將20.0 mL 待測樣品加入抗磨試驗(yàn)機(jī)的油盒中，開動電機(jī)，在長力臂端添加砝碼，至油膜破裂及發(fā)出刺耳的噪音，關(guān)閉電機(jī)，計(jì)算所加砝碼的總質(zhì)量 m ，然后用 m 乘以 L 再加上 2 0 kgf（20 為砝碼托盤在摩擦點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力），即得到減摩減阻劑的承壓能力，以公斤力（kgf）表示。②磨失量降低率測試：參照中國石化西南油氣分公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1500 0062—2014，采用抗磨試驗(yàn)機(jī)，在一定負(fù)荷下磨損一定時(shí)間后，計(jì)算磨柱在加入減摩降阻劑或潤滑劑的不同密度的基漿中的磨失量降低率以及磨斑大小，評價(jià)減摩降阻劑的抗磨性能。

（3）起泡性能。參照中國石化西南油氣分公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1500 0062—2014，室溫下在300 mL基漿中加入1.5 g NH-JZ，在12000 r/min下高速攪拌5 min，攪拌停止后開始計(jì)時(shí)，在20 s 內(nèi)將泥漿倒入500 mL量筒，30 s內(nèi)讀取體積，計(jì)算起泡率。

（4）熒光等級。參照中國石化西南油氣分公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q /SH 1500 0031—2013 測試 N H-JZ 的熒光級別。在潔凈烘干的100 mL 燒杯中加入20 mL三氯甲烷，加入1 g待測定熒光級別的試樣，搖勻后靜置，待澄清后倒出10數(shù)15 mL澄清液于干凈試管中，在地質(zhì)熒光儀下觀察熒光顏色，并與勝利油田原油配制的標(biāo)準(zhǔn)系列對比確定熒光級別。

（5）生物毒性。參照中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)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》測試NH-JZ的生物毒性。

（6）鉆井液性能。向聚胺聚合物鉆井液、聚磺鉆井液和有機(jī)鹽鉆井液中分別加入1% NH-JZ，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1 部分：水基鉆井液》，測定鉆井液的六速黏度（Ф600）、高溫高壓濾失量FL（HTHP）和密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑性能

2.1.1 在膨潤土漿中的潤滑性能

NH-JZ 加量對4%膨潤土漿潤滑性能的影響見表1。隨著NH-JZ 加量增大，膨潤土漿的潤滑性能逐漸提高。當(dāng)NH-JZ加量為0.5%時(shí)，膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)到90.41%，體現(xiàn)出NH-JZ具有用量低、潤滑能力強(qiáng)的特點(diǎn)。這是由于NH-JZ中含有羥基、酯基、胺基等多種極性基團(tuán)，極性基團(tuán)中的價(jià)電子與金屬表面原子核相互吸引，使極性基團(tuán)與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)吸附力，分子極性端牢固的吸附在金屬表面，非極性端分子朝外形成吸附膜［12］；此外，較長的分子鏈可以增加吸附膜的厚度，提高吸附膜的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出更好的潤滑效果。

表1 NH-JZ加量對膨潤土漿、高密度鉆井液潤滑性能的影響*

2.1.2 在高密度基漿中的潤滑性能

由NH-JZ 加量對高密度基漿潤滑性能的影響（表1）可見，隨著NH-JZ加量增大，高密度基漿的潤滑系數(shù)逐漸降低。當(dāng)NH-JZ的加量為2.0%時(shí)，高密度基漿的潤滑系數(shù)降低率為86.87%，說明減摩降阻劑在高密度鉆井液中具有優(yōu)異的潤滑性能。

2.1.3 潤滑持久性能

目前常用的潤滑劑起初加到鉆井液中的潤滑效果較好，但經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)周或幾天后潤滑性下降，潤滑持效性差，潤滑劑補(bǔ)充量較大［13］，因此有必要評價(jià)NH-JZ 的潤滑持久性能。采用極壓潤滑儀測定NH-JZ 在4%膨潤土漿和高密度基漿中摩擦不同時(shí)間下的潤滑系數(shù)，并考察滑塊的發(fā)熱情況［4］，結(jié)果見表2。不加NH-JZ 時(shí)，4%膨潤土漿和高密度基漿潤滑系數(shù)隨著測試時(shí)間的延長而增大，并且滑塊發(fā)熱；當(dāng)加入0.5%NH-JZ后，4%膨潤土基漿潤滑系數(shù)大幅降低，且隨著測試時(shí)間延長滑塊不發(fā)熱；同樣加入2.0%NH-JZ后，高密度基漿的潤滑性能大幅改善，且隨測試時(shí)間的延長，高密度基漿的潤滑性能基本保持不變且滑塊不發(fā)熱，表明NH-JZ具有良好的潤滑持效性。一方面是由于NH-JZ 中含有大量的極性基團(tuán)，形成了牢固的吸附膜；另一方面是由于分子中含有大量的氧、氮等電負(fù)性較大的原子，使得分子與分子間可以形成氫鍵，縮小了分子與分子間的距離，提高了NH-JZ 吸附膜的致密性，增加了吸附膜的強(qiáng)度，使NH-JZ具有較好的潤滑持久性。

2.2 抗溫性能

向膨潤土漿中加入0.5%NH-JZ，在不同溫度下老化16 h，冷卻至常溫后，考察膨潤土漿的潤滑效果。由表3可見，NH-JZ 具有良好的抗溫性能，含NH-JZ 的膨潤土漿200℃老化后的潤滑系數(shù)降低率為93.47%。

表2 加有NH-JZ的不同密度的基漿潤滑系數(shù)隨測試時(shí)間的變化

表3 溫度對NH-JZ潤滑性能的影響

向膨潤土漿中加入0.5%NH-JZ，在180℃下老化不同時(shí)間，冷卻至常溫后，膨潤土漿的潤滑效果見表4。隨著老化時(shí)間的延長，NH-JZ 依然能保持良好的潤滑效果，說明NH-JZ 具有良好的耐溫性能，抗溫效果持久。

表4 老化時(shí)間對NH-JZ潤滑性能的影響

2.3 減摩抗磨性能

2.3.1 承壓能力

減摩降阻劑或極壓潤滑劑的油膜強(qiáng)度大小，可以用承壓能力來表示，承壓能力越高，說明形成的油膜強(qiáng)度越大。用抗磨試驗(yàn)機(jī)測得NH-JZ 與市售潤滑劑RH220 的承壓能力分別為360、80 kgf，NH-JZ 的承壓能力遠(yuǎn)高于潤滑劑RH220，說明NH-JZ能形成高強(qiáng)度的極壓膜。

2.3.2 抗磨性

減摩降阻劑或極壓潤滑劑具有優(yōu)良的抗磨減摩作用。由表5可見，磨柱在膨潤土漿和高密度基漿中磨損后形成橢圓形的磨斑，加入市售潤滑劑RH220后形成的磨斑縮小，加入NH-JZ后形成的磨斑最小。在高密度基漿中，NH-JZ 的抗磨效果遠(yuǎn)好于市售潤滑劑RH220。這是由于NH-JZ 通過極性基團(tuán)很快在金屬表面吸附形成致密的吸附膜，隨著測試時(shí)間的延長，溫度不斷升高，磨柱表面吸附的有機(jī)膜被破壞，NH-JZ中的主要成分在高溫、高壓條件下分解，產(chǎn)生高活性元素，這些元素與金屬表面元素發(fā)生反應(yīng)，形成高強(qiáng)度的化學(xué)反應(yīng)膜，阻止了金屬與金屬的直接接觸，減少金屬間的磨損，起到了良好的抗磨減摩效果。

表5 磨失量降低率及磨斑大小*

2.4 起泡性能

鉆井液起泡會導(dǎo)致鉆井液密度降低，當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力低于地層壓力時(shí)，就會導(dǎo)致井涌或井噴；此外，起泡嚴(yán)重還會影響泥漿泵的上水效率導(dǎo)致泵壓降低，對整個(gè)鉆井工程造成影響，這就要求減摩降阻劑不能起泡或具有較低的起泡率。參照標(biāo)準(zhǔn) Q/SH 1500 0062—2014，評價(jià)了 NH-JZ 起泡率。在300 mL 5%膨潤土漿中加入1.5 g NH-JZ，高速攪拌5 min后，膨潤土漿的體積為305 mL，計(jì)算得出NH-JZ在膨潤土漿的起泡率為1.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1500 0062—2014規(guī)定的起泡率≤10%的要求。

2.5 熒光級別

將NH-JZ 與以勝利油田原油配制的熒光級別為2 級的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對比，測得減摩降阻劑的熒光亮度明顯小于2級，可應(yīng)用于探井鉆井作業(yè)施工。

2.6 生物毒性

參照Q/SY 111—2007，測得NH-JZ 的半有效濃度（EC50）為 2.52×105mg/L，大于 2.5×104mg/L。NH-JZ無毒，符合環(huán)保要求。

2.7 鉆井液性能

NH-JZ對鉆井液流變性和高溫高壓濾失量的影響見表6。加入NH-JZ后，聚胺聚合物鉆井液、聚磺鉆井液、有機(jī)鹽鉆井液的塑性黏度、動切力變化較小，濾失量均有不同程度的下降，潤滑性能得到顯著提高，說明NH-JZ 與3 種鉆井液體系的配伍性良好，能顯著改善鉆井液潤滑性能。加入NH-JZ高速攪拌后體系密度沒有改變，說明NH-JZ不會造成鉆井液起泡。

表6 NH-JZ對鉆井液流變性、濾失量及潤滑性的影響*

2.8 減摩抗磨機(jī)理

將一定量膨潤土分別加入去離子水及含有0.5%NH-JZ 的水溶液中，于180℃熱滾16 h 后常溫下晾干，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行形貌分析（在NH-JZ水溶液中老化后的膨潤土在進(jìn)行形貌分析前用去離子水反復(fù)清洗）。從圖1（a）可以看到膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)，從圖1（b）中能看出膨潤土表面覆蓋一層膜，使得膨潤土表面比較光滑，說明NH-JZ 能很好地吸附在膨潤土表面。NH-JZ主要成分的分子結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)極性基團(tuán)以及長鏈的非極性基團(tuán)，極性基團(tuán)借助物理或化學(xué)作用吸附在膨潤土的表面，非極性基團(tuán)向外伸展形成疏水膜，阻止鉆井液中的水向地層滲透，降低失水量，有利于維護(hù)井壁穩(wěn)定。此外，在鉆井過程中由于鉆具、套管、巖石表面憎水膜的存在，使鉆具與套管、鉆具與巖石的直接接觸變成了憎水膜之間的接觸，從而降低了摩擦系數(shù)［6］。

采用能譜儀分析了磨柱在0.5%NH-JZ 基漿中磨損一定時(shí)間后，磨斑表面的元素組成（測試前用石油醚多次清洗磨柱，冷風(fēng)吹干后方可進(jìn)行測試），并與相同材質(zhì)的磨柱在不含NH-JZ 的基漿中磨損一定時(shí)間后磨斑表面的元素進(jìn)行對比，結(jié)果見表7、表8。與在未加NH-JZ的基漿中磨損后形成的磨斑相比，磨柱在含有0.5%NH-JZ基漿中磨損后形成的磨斑表面的元素含量及種類均發(fā)生變化。其中1號、2號、4號元素含量大幅提高，同時(shí)還出現(xiàn)磨柱本身不具有的3號元素。這些元素均來自減摩降阻劑NH-JZ，驗(yàn)證了NH-JZ中含有的活性元素在高溫、高壓條件下與磨柱中的金屬元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了一種化學(xué)反應(yīng)膜覆蓋在磨柱表面。該化學(xué)反應(yīng)膜強(qiáng)度非常高，即使在高溫高壓條件下該化學(xué)反應(yīng)膜依然保持較高的強(qiáng)度，使金屬與金屬之間的干摩擦變成邊界摩擦，從而減少磨柱進(jìn)一步的磨損。

圖1 膨潤土在清水（a）和0.5% NH-JZ溶液（b）中的形貌

表7 磨柱在基漿中磨損后磨斑表面的元素組成*

表8 磨柱在含0.5% NH-JZ的基漿中磨損后磨斑表面的元素組成

2.9 現(xiàn)場應(yīng)用

NH-JZ 在渤海渤中區(qū)塊多口大斜度井、水平井得到應(yīng)用。渤中25-1-C38H井是渤中區(qū)塊的一口重點(diǎn)水平井，設(shè)計(jì)井深4735 m，水平位移1935 m，井底溫度超過150℃。該井四開鉆進(jìn)至4236 m 時(shí)，采用有機(jī)鹽鉆井液體系開始水平段鉆進(jìn)，由于鉆速快，巖屑未能及時(shí)返出形成巖屑床，同時(shí)多次發(fā)生井漏，上提摩阻和扭矩陡然增大。此時(shí)鉆井液密度1.62 g/cm3，F(xiàn)L（HTHP）為9.2 mL，上提摩阻平均約為25 t，加入1.0%NH-JZ循環(huán)24 h后，密度不變，F(xiàn)L（HTHP）為9.0 mL，上提摩阻（平均約為13 t）顯著降低，鉆進(jìn)過程中摩阻和扭矩始終保持在較低的范圍內(nèi)。后期的鉆進(jìn)過程中僅補(bǔ)充了1 t 0.3%NH-JZ以保證鉆井液的潤滑性，表明NH-JZ具有較好的穩(wěn)定性。鉆井液優(yōu)良的潤滑性能保證了該井的順利完鉆。邵23-3 井位于江蘇省揚(yáng)州市邵伯鎮(zhèn)運(yùn)河村窯塘組，屬于高郵凹陷深凹帶黃玨構(gòu)造黃-邵結(jié)合部邵23斷塊。該井位于長江經(jīng)濟(jì)帶，環(huán)保壓力大。該井設(shè)計(jì)井深3178 m，實(shí)際完鉆井深3160 m。該井于400 m定向造斜，最大井斜54°，位于井深3154 m，最大井底位移1912.37 m，屬于一口大斜度大位移定向井。采用復(fù)合金屬離子聚合物潤滑防塌鉆井液體系，使用陳漿開鉆，鉆井液固相經(jīng)過長時(shí)間研磨后變得很細(xì)，固控設(shè)備很難完全清除，固相含量偏高，而這些細(xì)顆粒固相對井下摩阻影響很大。該井在井深2800 多米時(shí)上提摩阻上升至38 t，鉆具在井內(nèi)的摩阻極難控制，加之常用潤滑劑KD-21C 效果不理想，給鉆井生產(chǎn)帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。加入0.3 t 0.2%NH-JZ后，摩阻降至約22 t，摩阻降低率達(dá)到42.1%，鉆井液潤滑性能得到顯著改善?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，NH-JZ 不會對鉆井液性能產(chǎn)生影響，不起泡，熒光級別達(dá)到勘探開發(fā)的要求，特別適合定向滑動鉆進(jìn)，有效降低托壓，提高機(jī)械鉆速明顯。該井在如此高難度下全井平均機(jī)械鉆速達(dá)到13.76 m/h，縮短了鉆進(jìn)周期。

減摩降阻劑NH-JZ 在中石化、中石油大位移井、水平井（包括頁巖氣水平井陽105H1-2）中得到了推廣應(yīng)用。在17口井的使用過程中，NH-JZ能有效避免或減少定向滑動鉆進(jìn)中的托壓，顯著降低井下摩阻，實(shí)驗(yàn)井平均摩阻降低率38.91%，施工井均實(shí)現(xiàn)井下復(fù)雜故障為零。使用過程中具有加量小、減摩降阻效果良好、配伍性好、不起泡、熒光低的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

NH-JZ 具有優(yōu)異的潤滑性能和抗磨減摩性能，極壓膜強(qiáng)度高，承壓能力360 kgf，抗溫達(dá)200℃，熒光級別低，無生物毒性，是一種環(huán)保型的鉆井液添加劑。NH-JZ與鉆井液體系的配伍性良好，不起泡，不增黏，具有一定的降失水作用?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，NH-JZ 能滿足高密度鉆井液的潤滑需求，潤滑效果顯著，能有效降低鉆柱扭矩和起下鉆阻力，減少卡鉆事故的發(fā)生，可以滿足大斜度、大位移定向井、水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井需求。