鉆井液環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E 的研制及應(yīng)用

錢(qián)曉琳， 宣 揚(yáng)， 林永學(xué)， 楊小華

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

常用鉆井液潤(rùn)滑劑一般分為固體和液體2 類[1-3]。與液體潤(rùn)滑劑相比，惰性固體潤(rùn)滑劑影響固相控制，且難以降解，易傷害儲(chǔ)層和污染環(huán)境。液體潤(rùn)滑劑按照其主要成分，可分為礦物油、聚α-烯烴、脂肪酸酯、磷酸酯和烷基糖苷等類別[4-13]。其中，礦物油類潤(rùn)滑劑耐溫、耐鹽性能較好，但生物降解性差、熒光級(jí)別高、毒性大；其他液體潤(rùn)滑劑雖然毒性低，但在高溫下易水解、起泡及影響鉆井液的流變性。目前，國(guó)內(nèi)深層水平井在應(yīng)用水基鉆井液鉆井時(shí)，通常加入5.0%～12.0%的原油，以降低摩阻和扭矩、減少卡鉆等井下故障[14]。然而，原油不但會(huì)對(duì)錄井的準(zhǔn)確度造成影響，而且廢棄混油鉆井液后期處理困難、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高。因此，研制滿足環(huán)保要求且無(wú)熒光的耐溫鉆井液潤(rùn)滑劑具有重要意義。合成脂肪酸酯類環(huán)保型液體潤(rùn)滑劑因兼具優(yōu)異的潤(rùn)滑性、環(huán)保性、熱氧化穩(wěn)定性、水解穩(wěn)定性和較好的低溫流動(dòng)性，并能通過(guò)分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步改善其性能，因此日益受到重視[15-19]。盡管合成酯類潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的綜合性能，但其成本高，耐溫性能也不夠好，限制了其推廣應(yīng)用[20]。為此，筆者以工業(yè)廢棄植物油中的脂肪酸為主要原料，研制了耐溫且環(huán)保的合成脂肪酸酯類鉆井液環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E[21]，在降低成本的同時(shí)，可克服現(xiàn)有潤(rùn)滑劑耐溫性與環(huán)保性無(wú)法兼顧的不足，在緩解環(huán)保壓力的同時(shí)，解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中井下摩阻大的技術(shù)難題。

1 S MLUB-E 的設(shè)計(jì)與合成

1.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

環(huán)保潤(rùn)滑劑應(yīng)同時(shí)滿足毒性低和潤(rùn)滑性良好的要求，因此，設(shè)計(jì)思路為：1）分子結(jié)構(gòu)中不應(yīng)含有多環(huán)芳烴類物質(zhì)，以降低對(duì)環(huán)境的污染程度和熒光含量；2）應(yīng)選用易于降解的天然脂肪酸類和醇類作為原料，以提高環(huán)保性和生物降解性；3）應(yīng)具有雙親結(jié)構(gòu)，其中親水基團(tuán)使?jié)櫥瑒┠軌蛟诮饘俦砻胬喂涛讲⑿纬煞€(wěn)定的潤(rùn)滑膜，而疏水基團(tuán)不僅會(huì)降低接觸面間的摩擦阻力，而且會(huì)決定潤(rùn)滑膜的厚度和強(qiáng)度，使?jié)櫥ぴ谑艿捷^大載荷時(shí)不易被破壞；4）應(yīng)含有能與金屬結(jié)合形成極壓膜的極壓元素，以提高極壓潤(rùn)滑性能；5）為提高抗溫能力和抗鹽能力，優(yōu)選合適相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)物為基礎(chǔ)物，且其分子結(jié)構(gòu)中的極性吸附基團(tuán)不能與鈣、鎂離子反應(yīng)，以免引起破乳，導(dǎo)致其潤(rùn)滑能力降低。

1.2 SMLUB-E 的合成

以天然脂肪酸（工業(yè)廢棄植物油中的脂肪酸）、有機(jī)多元醇等為基礎(chǔ)原料，合成環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E。具體合成步驟：1）合成出含不飽和化學(xué)鍵與活性反應(yīng)基的聚合酯；2）對(duì)合成的聚合酯進(jìn)行改性反應(yīng)，引入極壓元素與強(qiáng)吸附基團(tuán)；3）在改性聚合酯上引入極性較大的基團(tuán)。最終制得黃褐色透明液體潤(rùn)滑劑SMLUB-E，其分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 S MLUB-E 室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

2.1 SMLUB-E 的潤(rùn)滑性

2.1.1 膨潤(rùn)土漿加入SMLUB-E 后的潤(rùn)滑性

圖 1 SULUB-E 的分子結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Molecular structure of SULUB-E

參照中國(guó)石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水基鉆井液用潤(rùn)滑劑技術(shù)要求》（Q/SHCG 4—2011）中的技術(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了潤(rùn)滑劑SMLUB-E 的潤(rùn)滑性。

1）潤(rùn)滑性試驗(yàn)。采用FANN 21200 型極壓潤(rùn)滑儀，測(cè)試了5.0%膨潤(rùn)土漿中加入1.0%SMLUB-E 后的摩阻系數(shù)，并與加入原油后的摩阻系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比（試驗(yàn)條件為160 ℃溫度下老化16 h），結(jié)果如圖2所示。

圖 2 膨潤(rùn)土漿中分別加入SMLUB-E 與原油后的摩阻系數(shù)Fig.2 Friction coefficient of bentonite mud after adding SMLUB-E and crude oil respectively

從圖2 可以看出：在160 ℃下老化16 h 后，膨潤(rùn)土漿的摩阻系數(shù)高達(dá)0.47；加入1.0% SMLUB-E 后，摩阻系數(shù)顯著降低（降至0.05），表現(xiàn)出較好的潤(rùn)滑性能；膨潤(rùn)土漿中加入8.0%原油后，摩阻系數(shù)同樣降至0.05，說(shuō)明加入原油也能夠起到良好的潤(rùn)滑作用。但由于原油無(wú)法在水中分散，鉆井液中混入原油時(shí)通常需要同時(shí)加入0.2%～0.5%的水包油型乳化劑（如OP-10）對(duì)原油進(jìn)行乳化，提高其在鉆井液中的分散性，否則很容易被固相控制設(shè)備篩除，增大消耗量。然而，原油與0.5%乳化劑OP-10 形成乳化原油后，其潤(rùn)滑效果顯著降低，膨潤(rùn)土漿中加入8.0%乳化原油，其摩阻系數(shù)僅為0.19。其原因是：一方面，原油乳化后大部分原油油滴被乳化劑分子包裹，喪失了疏水性；另一方面，由于乳化劑分子親水端的極性高于原油，因此優(yōu)先在金屬表面吸附，導(dǎo)致原油油滴在金屬表面的吸附量降低。

2）極壓膜強(qiáng)度試驗(yàn)。SMLUB-E 除了通過(guò)極性基團(tuán)的物理吸附和化學(xué)吸附在金屬表面形成一層潤(rùn)滑膜外，在受到較大壓力的摩擦?xí)r，極壓元素還可與金屬作用形成極壓膜。因此，當(dāng)鉆具表面受到高溫和高載荷作用時(shí)，潤(rùn)滑膜不易被破壞。用FANN 21200 型極壓潤(rùn)滑儀對(duì)SMLUB-E 形成的極壓膜強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與8.0%乳化原油（成分同上）進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表 1 SMLUB-E 形成的極壓膜強(qiáng)度Table 1 Strength of extreme pressure film formed by SMLUB-E

從表1 可以看出，當(dāng)FANN 21200 型極壓潤(rùn)滑儀的負(fù)載扭矩達(dá)到28.2 N·m 時(shí)，加入8.0%乳化原油膨潤(rùn)土漿中的滑塊和滑環(huán)之間即會(huì)咬合；而加入1.0% SMLUB-E 膨潤(rùn)土漿中的滑塊與滑環(huán)的負(fù)載扭矩達(dá)到50.8 N·m 時(shí)才會(huì)咬合，說(shuō)明SMLUB-E 形成的極壓膜具有較高的強(qiáng)度，在受到較高負(fù)載時(shí)也不易被破壞。

2.1.2 聚磺鉆井液加入SMLUB-E 后的潤(rùn)滑性

聚磺鉆井液中加入2.0%的SMLUB-E，在160 ℃下老化16 h 后，分別采用FANN 21200 型極壓潤(rùn)滑儀和NZ-3 型濾餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)試其摩阻系數(shù)與濾餅黏滯系數(shù)，考察聚磺鉆井液加入SMLUB-E后的潤(rùn)滑性，并與其加入原油和乳化原油后的潤(rùn)滑性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。聚磺鉆井液的配方為3.0% 膨潤(rùn)土+0.3%PAC-LV+0.2%PFL-H+3.0%SPNH+2.0%SMC+0.2% NaOH+加重劑BaSO4，密度為1.30 kg/L，pH 值為9.5，下同；乳化原油成分同上。

圖 3 SMLUB-E 與原油在聚磺鉆井液中的潤(rùn)滑效果對(duì)比Fig. 3 Comparison of lubricating effect between SMLUBE and crude oil in polysulfide drilling fluid

從圖3 可以看出，聚磺鉆井液的摩阻系數(shù)為0.31，加入2.0% SMLUB-E 和8.0%原油后，其摩阻系數(shù)分別降至0.08 和0.19，說(shuō)明SMLUB-E 在聚磺鉆井液中的潤(rùn)滑效果要優(yōu)于原油；而加入8.0%乳化原油后，摩阻系數(shù)僅降至0.24，其降低幅度低于原油。這一方面是因?yàn)闃O性相對(duì)較強(qiáng)的磺化處理劑（SPNH 和SMC）在金屬表面優(yōu)先吸附，從而阻礙了原油的吸附；另一方面可能是由于磺化處理劑能夠在一定程度上乳化原油。此外，由圖3 還可以看出，無(wú)論是SMLUB-E 還是原油均能夠顯著降低濾餅黏滯系數(shù)。

2.1.3 SMLUB-E 的耐溫性試驗(yàn)

在5.0%膨潤(rùn)土漿中加入1.0% SMLUB-E，在不同溫度下老化16 h 后，測(cè)定其摩阻系數(shù)，以考察SMLUB-E的耐溫性，結(jié)果如圖4 所示。

圖 4 加入SMLUB-E 的膨潤(rùn)土漿在不同溫度下老化后的摩阻系數(shù)Fig.4 Post-aging friction coefficient of bentonite mud with SMLUB-E at different temperatures

從圖4 可以看出，隨著老化溫度從100 ℃升高至160 ℃，膨潤(rùn)土漿摩阻系數(shù)變化幅度不大，始終保持在0.04～0.05，說(shuō)明SMLUB-E 在高溫下具有較好的潤(rùn)滑性，耐溫可達(dá)160 ℃。

2.2 SMLUB-E 對(duì)鉆井液流變性和濾失性的影響

通過(guò)改變SMLUB-E 的加量，評(píng)價(jià)了SMLUB-E對(duì)膨潤(rùn)土漿和聚磺鉆井液流變性和濾失性的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)條件為160 ℃下老化16 h。

表 2 SMLUB-E 對(duì)膨潤(rùn)土漿和聚磺鉆井液流變性和濾失性的影響Table 2 Influence of SMLUB-E on rheological and filtration properties of bentonite mud and polysulfide drilling fluid

從表2 可以看出，無(wú)論是膨潤(rùn)土漿還是聚磺鉆井液，隨著SMLUB-E 加量增大，其黏度和切力變化不大，濾失量略有降低。這說(shuō)明SMLUB-E 不會(huì)對(duì)鉆井液的流變性造成不利影響，而且能提高其濾失造壁性。

2.3 SMLUB-E 的環(huán)保性能

參照國(guó)標(biāo)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GB/T 5750—2006）、《水質(zhì)：苯并(α)芘的測(cè)定：乙酰化濾紙層析熒光分光光度法》（GB/T 11895—1989）和《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性》（GB18420.1—2009）等，測(cè)定了環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E 的重金屬含量、生物毒性等環(huán)保性能。測(cè)試結(jié)果為：

1）SMLUB-E 中苯并芘含量小于1.0 mg/L，重金屬汞、鎘、總鉻、砷和鉛的含量均小于0.001 mg/L，都遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值，可近似認(rèn)為SMLUB-E 中不含重金屬。

2）SMLUB-E 的96 h 半數(shù)致死濃度（LC50）高達(dá)58 300 mg/L，超過(guò)海上油田廢棄鉆井液的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（LC50=30 000 mg/L），屬于無(wú)毒油田化學(xué)劑（LC50>20 000 g/mL）。

環(huán)保性能測(cè)試結(jié)果表明，SMLUB-E 具有很好的環(huán)保性能，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成大的影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E 目前已在塔河油田TP154XCH 井、TP238CH 井和中良1CX 井等深井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，定向鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)托壓、卡鉆等井下故障，起下鉆順暢。下面以TP238CH 井為例，介紹SMLUB-E 的具體應(yīng)用情況。

3.1 TP238CH 井基本情況

TP238CH 井為兩級(jí)井身結(jié)構(gòu)側(cè)鉆水平井，套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆，側(cè)鉆點(diǎn)選擇在奧陶系桑塔木組地層，完鉆層位為奧陶系一間房組。側(cè)鉆點(diǎn)井深6 236.00 m，設(shè)計(jì)完鉆井深6 698.81 m，實(shí)際鉆至井深6 537.48 m（垂深6 435.56 m）時(shí)因發(fā)生失返性漏失提前完鉆，完鉆井斜角88.5°，水平位移137.19 m。該井造斜段狗腿度較大，最大井眼曲率達(dá)到21.0°/30m，鉆具受到較高的彎曲載荷，同時(shí)小井眼（φ120.7 mm 井眼）非常容易形成巖屑床，均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大的井下摩阻，要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑降摩性能。

以往塔河油田的定向井、水平井普遍采用聚磺混油鉆井液鉆進(jìn)。為了緩解日益增大的環(huán)保壓力，TP238CH 井采用了以SMLUB-E 為核心處理劑的不混油低摩阻鉆井液SMO-FREE，基本配方為3.0%～4.0%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%提切降濾失劑SMVIS-1+0.2%～0.3%增黏降濾失劑SMVIS-2+2.0%～3.0%SMP-2+2.0%～3.0% SMC+1.0%～2.0%鑲嵌成膜防塌劑SMNA-1+1.0%～2.0%SMLUB-E+加重劑BaSO4，密度為1.19～1.30 kg/L，pH 值為9～10。

3.2 鉆井液的潤(rùn)滑性

TP238CH 井鉆進(jìn)中的鉆井液摩阻系數(shù)和濾餅黏滯系數(shù)隨SMLUB-E 加量的變化見(jiàn)表3。

表 3 鉆井過(guò)程中鉆井液潤(rùn)滑性的變化Table 3 Lubricity changes of drilling fluid during drilling operation

從表3 可以看出，TP238CH 井鉆進(jìn)中的鉆井液未加入SMLUB-E 時(shí)的潤(rùn)滑性較差，摩阻系數(shù)高達(dá)0.33，濾餅黏滯系數(shù)高達(dá)0.140 5；當(dāng)加入0.25%SMLUB-E 后，濾餅黏滯系數(shù)大幅降低（降至0.052 4），但摩阻系數(shù)的降低幅度很小，僅從0.33 降至0.30，這說(shuō)明加入0.25%SMLUB-E 并不能有效改善鉆井液的潤(rùn)滑性。隨井斜角增大，SMLUB-E 的加量從0.25%逐漸提高至2.20%，濾餅黏滯系數(shù)趨于穩(wěn)定，始終保持在0.043 7～0.052 4，而摩阻系數(shù)從0.30 逐步降至0.12，說(shuō)明SMLUB-E 能夠增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑性能。

3.3 井下摩阻情況分析

TP238CH 井鉆井過(guò)程中，摩阻隨井深和井斜角的變化情況如圖5 所示。

圖 5 摩阻隨井深與井斜角的變化Fig.5 Frictional resistance changes with the depth and deviation of the well

從圖5 可以看出，一開(kāi)從井深6 236.00 m 鉆至井深6 264.00 m 的過(guò)程中，井斜角從1.9°增大到9.6°，此階段由于鉆井液中未加入潤(rùn)滑劑SMLUB-E，摩阻從初始的400 kN 逐漸增大到800 kN；加入0.80%SMLUB-E 后，從井深6 264.00 m 鉆至井深6 287.00 m的過(guò)程中，摩阻降至600 kN 左右，鉆至井深6 304.00 m時(shí)，隨著井斜角進(jìn)一步增大至22°，摩阻又開(kāi)始呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，增大至800 kN，說(shuō)明此時(shí)0.8%的SMLUB-E已不足以控制摩阻；將SMLUB-E 加量提至1.8%以后，摩阻隨即降至400 kN；從井深6 395.00 m 鉆至井深6 461.00 m 的過(guò)程中，再少量補(bǔ)充SMLUB-E 并將其加量控制在2.0%，隨著井斜角從33.5°逐漸增大到60.0°，摩阻也較好地控制在500～600 kN。二開(kāi)從井深6 461.00 m 開(kāi)始鉆進(jìn)，由于已用套管封隔了上部井段的井壁，開(kāi)始階段的摩阻相比一開(kāi)完鉆時(shí)甚至略有降低。繼續(xù)少量補(bǔ)充SMLUB-E 并控制其加量在2.2%左右，直至鉆至完鉆井深摩阻都較好地控制在400～600 kN。

通過(guò)分析TP238CH 井鉆井過(guò)程中的摩阻變化情況可知，當(dāng)鉆井液中環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E 的加量保持在2.0%左右時(shí)，能夠?qū)⒛ψ杩刂圃谳^低值，相比采用傳統(tǒng)混油鉆井液的水平井摩阻（80～100 kN）降低約30%以上，證明SMLUB-E 具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

4 結(jié) 論

1）選用工業(yè)廢植物油中的脂肪酸、有機(jī)多元醇等作為基礎(chǔ)原料，合成了鉆井液環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E。

2）室內(nèi)試驗(yàn)分析表明，SMLUB-E 在水基鉆井液中具有良好的潤(rùn)滑效果，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高，耐溫160 ℃，不含重金屬，無(wú)毒，環(huán)保性能好。

3）以SMLUB-E 為核心處理劑的不混油低摩阻鉆井液SMO-FREE，在塔河油田深層水平井定向鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行了應(yīng)用，未出現(xiàn)托壓、卡鉆等井下故障?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，當(dāng)鉆井液中SMLUB-E 加量保持在2.0%左右時(shí)，井下摩阻能夠控制在400～600 kN，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑降摩阻性能。