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陳 強 侯珊珊 吳 宇 由福昌

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 天津 300459；2.荊州嘉華科技有限公司 湖北荊州 434000）

隨著海洋勘探開發(fā)的不斷深入，渤海油田大位移井的開采逐年遞增，而由于水平井的特殊井身結(jié)構(gòu)，鉆井液潤滑不足極易引起高摩阻、高扭矩問題，同時水平段地層泥頁巖遇水膨脹，容易引起井眼縮徑，起下鉆困難，壓差卡鉆情況概率變高，增大了鉆進阻力。如渤海南部海域墾利區(qū)塊前期完鉆的KL10-1-A5、A18、A33、B40等井鉆遇目的層時多次出現(xiàn)倒劃眼憋壓、蹩扭矩等復(fù)雜情況。另外海洋地區(qū)嚴苛的環(huán)保法規(guī)也對鉆井液潤滑劑提出了較高的技術(shù)要求，國內(nèi)現(xiàn)有的鉆井液潤滑劑在保證良好潤滑及抗磨能力的同時難以兼顧其環(huán)保能力，無法滿足海洋作業(yè)要求[1-3]。近年來，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的潤滑劑仍多以礦物油為主，雖然其潤滑效果顯著，但毒性大，生物降解能力差，對環(huán)境危害影響較大。國外研究機構(gòu)開發(fā)出的多功能型環(huán)保潤滑劑價格昂貴、環(huán)保不達標等，限制了其在渤海海域的推廣使用。因此，亟需研制出一種適用于高摩阻、高扭矩、安全無毒的環(huán)保鉆井液潤滑劑。本文通過對植物油改性，在滿足具備傳統(tǒng)潤滑劑性能基礎(chǔ)上引入雙吸附基表面活性劑和納米微粒，最終研制出環(huán)保無毒[4-9]、潤滑效果優(yōu)異的鉆井液潤滑劑BIOLUBE，并成功在墾利2口井進行了現(xiàn)場試用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 實驗用劑及儀器

實驗用劑：植物油、聚醚、脂肪酸、低碳醇、催化劑、實驗室評價用鈉土、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、PFPAC-LV、PF-JHVIS、PF-XC（H）、KCl、NaCl、PFJLX-C、PF-GRA、HTC。

實驗儀器：ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計、中壓濾失儀、XGRL-4A高溫滾子加熱爐、NZ-3A粘滯系數(shù)測定儀、變頻高速攪拌機、Fann21200極壓潤滑儀、KMY201-1A抗磨試驗機、BOD5測定儀、CODcr測定儀。

1.2 潤滑劑的制備

將植物油、低碳醇和催化劑按30∶15∶2的質(zhì)量比依次加入反應(yīng)釜中，攪拌均勻后升溫至80～90℃反應(yīng)1～2 h后，在氮氣保護下升溫至130℃，緩慢加入一定量脂肪酸酰胺和聚醚的混合物，升溫至160～180℃反應(yīng)2 h，加入納米材料，繼續(xù)反應(yīng)1h，通冷卻水循環(huán)冷卻至室溫，過濾后即得目標產(chǎn)物棕黃色液體。

1.3 潤滑劑性能評價

1.3.1 極壓潤滑系數(shù)和抗磨能力測定

使用Fann21200極壓潤滑儀，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6094—94《鉆井液用潤滑劑評價程序》進行性能評價。利用式（1）、（2）計算鉆井液的極壓潤滑系數(shù)K和潤滑系數(shù)降低率Kf：

使用KMY201-1A抗磨試驗機，在一定外力下，鉆井液在鋼珠與磨輪之間互相摩擦運動，在增加負荷的條件下，也就是在不斷增加砝碼的過程中，以最終油膜破裂，摩擦鋼珠和磨輪抱死的最多砝碼數(shù)量為依據(jù)，來評價潤滑劑抗磨性能的優(yōu)異，每塊砝碼質(zhì)量為800 g。

1.3.2 起泡性、水溶性、抗凍性評價

1）起泡性：老化后的鉆井液以8 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌5 min后，再以3 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌5 min，測定鉆井液密度，通過樣漿與空白漿之間的變化來衡量潤滑劑對鉆井液的起泡情況，密度越低，潤滑劑對鉆井液的起泡影響越嚴重。

2）水溶性：取數(shù)滴潤滑劑樣品滴入清水中，觀察樣品在水溶液中的分散情況。

3）抗凍性：將潤滑劑樣品放置于冰箱冷凍室，設(shè)置一定的冷凍溫度，保持48 h，觀察潤滑劑的流動狀態(tài)。

1.3.3 配伍性能評價

將待測樣品加入鉆井液中，高速攪拌10 min，在80、120℃實驗條件下進行老化16 h，然后于室溫下攪拌5 min，測定鉆井液的流變參數(shù)和濾失量。

1.3.4 生物毒性評價

依據(jù)GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第二部分：檢測方法》中的鹵蟲法測定潤滑劑的生物毒性。

1.3.5 生物降解性評價

依據(jù)GB11914—89《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法》測定潤滑劑的CODCr，依據(jù)GB7488—87《水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法》測定潤滑劑的BOD5，通過計算BOD5/CODcr值得出樣品的生物降解性。

1.3.6 鉆井液配制

1）6%淡水基漿：在400 m L蒸餾水中加入24 g膨潤土、1 g Na2CO3，在8 000～10 000 r/min下高速攪拌20 min，密閉養(yǎng)護24 h。

2）6%海水基漿：配制12%淡水基漿，養(yǎng)護24 h；取200 m L模擬海水，加入200 m L預(yù)水化的12%膨潤土漿中，10 000 r/min下攪拌10 min。

3）模擬現(xiàn)場PEM鉆井液體系：2%海水搬土漿+0.5%NaOH+0.3%Na2CO3+0.6%PF-PAC-LV+0.3%PF-JHVIS+0.1%PF-XC（H）+6%KCl+12%NaCl+3%PF-JLX-C+0.5%PF-GRA+5%HTC。

2 結(jié)果分析

2.1 潤滑劑性能分析

2.1.1 潤滑性能

室內(nèi)對比評價了潤滑劑BIOLUBE和現(xiàn)場常用潤滑劑PF-1＃、PF-2＃在淡水基漿、海水基漿以及現(xiàn)場PEM鉆井液體系中的潤滑性；其中現(xiàn)場PEM鉆井液體系配方，分別于80、120℃條件下老化16 h后進行性能測試，實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在淡水基漿和海水基漿中分別加入2%BIOLUBE后，基漿的潤滑系數(shù)分別由0.5左右降低至0.02、0.03，潤滑系數(shù)降低率分別達到了96.7%和94.1%，明顯優(yōu)于PF-1＃、PF-2＃潤滑劑；在PEM鉆井液體系中加入2%BIOLUBE后，不同溫度老化后鉆井液的潤滑系數(shù)均由0.17左右降低至0.08，潤滑系數(shù)降低率均達到50%以上，潤滑效果顯著。

圖1 潤滑劑潤滑性能評價Fig.1 Lubrication performance evaluation of each lubricant sample

2.1.2 抗磨性能

室內(nèi)同時對比評價了潤滑劑BIOLUBE和現(xiàn)場常用潤滑劑PF-1＃、PF-2＃在淡水基漿、海水基漿以及現(xiàn)場鉆井液PEM體系中的抗磨性能，如圖2所示。無論是在淡水基漿、海水基漿還是PEM鉆井液體系中加入2%BIOLUBE后，鉆井液的抗磨均達到8 kg砝碼以上，且磨痕微小均勻，表明所研制BIOLUBE潤滑劑抗磨效果優(yōu)于其他2種潤滑劑。

圖2 潤滑劑抗磨能力對比Fig.2 Comparison of lubricant wear resistance

2.1.3 配伍性和起泡性

室內(nèi)模擬現(xiàn)場PEM鉆井液體系，評價了不同加量下BIOLUBE與PEM鉆井液體系的配伍性和起泡性，結(jié)果見表1。隨著BIOLUBE加量的增加，BIOLUBE對該鉆井液體系的黏切影響很小，有輕微降濾失作用，潤滑劑加入前后鉆井液體系密度不變；BIOLUBE加量為3%時，鉆井液體系的潤滑系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，潤滑系數(shù)降低率已達到62%，效果明顯，從而說明BIOLUBE與PEM鉆井液體系配伍性良好，不起泡，可滿足現(xiàn)場鉆井要求。

表1 潤滑劑在鉆井液中配伍性和起泡性評價Table1 Evaluation of compatibility and foaming of lubricants in drilling fluids

2.1.4 水溶性和抗凍性

在清水中滴加數(shù)滴BIOLUBE樣品，水溶液表面無浮油，潤滑劑均勻分散在水相中。將BIOLUBE于-18℃下靜止放置48 h后，該潤滑劑依然具有較好的流態(tài)，表明其抗凍點低于-18℃，滿足渤海地區(qū)現(xiàn)場作業(yè)要求。

2.2 潤滑劑機理研究

2.2.1 磨痕顯微分析

室內(nèi)使用KMY201-1 A抗磨試驗機進行實驗后通過顯微鏡對抗磨實驗后的鋼球進行了磨痕顯微分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3磨痕可知，經(jīng)鉆井液抗磨實驗后，1＃鋼球表面紋理由橫向呈現(xiàn)縱向，2＃鋼球呈現(xiàn)較為嚴重的縱向不規(guī)則溝壑，3＃鋼球縱向呈均勻細紋理（與光滑鋼球表面紋理較為接近），4＃鋼球縱向呈現(xiàn)明顯不規(guī)則溝壑，表明潤滑劑BIOLUBE能有效減輕金屬表面間的摩擦力，可有效改善鉆井液的潤滑效果，降低摩阻。

圖3 鋼球顯微磨痕分析Fig.3 Analysis of steel ball wear scar

2.2.2 紅外波譜表征

采用紅外光譜儀對潤滑劑BIOLUBE的結(jié)構(gòu)進行了表征，如圖4所示。由圖4可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物紅外光譜測定的伸縮振動吸收峰值包含3 316.74 cm-1處的酰胺基團N—H鍵、1 642.99 cm-1處的酰胺基團C=O鍵、1 246.66 cm-1和1 117.50 cm-1處的醚鍵—O—、1 550.61 cm-1處的胺基N-H鍵、1 708.77 cm-1處的羧基C=O鍵，上述極性基團表明反應(yīng)產(chǎn)物是所需要的目標產(chǎn)物BIOLUBE，具有在巖石和鉆具表面上形成定向分子層、吸附基團多、吸附層致密，從而形成高韌性的潤滑油膜特性。

圖4 BIOLUBE紅外光譜Fig.4 FT-IR of BIOLUBE

2.2.3 潤滑劑機理分析

通過磨痕分析和紅外光譜表征可知，潤滑劑在金屬與金屬接觸面之間有動態(tài)吸附-脫附的作用。當鉆井液體系中多種處理劑的各類吸附基團較多時，此時如果潤滑劑為單吸附基團，則潤滑劑吸附能力明顯受到其他處理劑基團的影響。而BIOLUBE引進了羧基、醚鍵、酰胺基等極性基團，吸附基團多，更易吸附在摩擦表面形成致密的潤滑薄膜，且吸附層不易脫附，有效改善接觸面間的摩擦阻力[10]；同時引入納米微粒，可以均勻填充和分散在摩擦副表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，從而降低摩擦表面的磨損。

2.3 生物毒性

室內(nèi)參考標準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)光細菌法》、GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第二部分：檢測方法》對環(huán)保潤滑劑BIOLUBE和PF-1＃、PF-2＃常用潤滑劑進行了生物毒性檢測，結(jié)果見表2。由表2可知，3種潤滑劑的EC50值均大于2.5×104mg/L標準值，滿足渤海海域生物毒性要求，但潤滑劑BIOLUBE的EC50值最大，遠大于標準值，環(huán)保性更高；潤滑劑BIOLUBE的LC50值大于3.0×104mg/L標準值，滿足渤海海域生物毒性要求，但PF-1＃、PF-2＃常用潤滑劑的LC50值均小于3.0×104mg/L，不滿足渤海海域生物毒性要求。因此，綜合2種生物毒性評價結(jié)果，BIOLUBE的生物毒性優(yōu)于常用潤滑劑。

表2 潤滑劑生物毒性Table2 Biological toxicity of lubricants

2.4 生物降解性

室內(nèi)根據(jù)上述生物降解性的測試標準，分別測試了BIOLUBE、PF-1＃、PF-2＃等3種潤滑劑的CODcr和BOD5值，結(jié)果見表3。由表3可知，潤滑劑BIOLUBE的BOD5/CODcr值比其他2種潤滑劑的比值大，且滿足大于10%的標準要求，生物降解性良好。

表3 潤滑劑生物降解性Table3 Biodegradability of lubricants

3 現(xiàn)場應(yīng)用

BIOLUBE在墾利區(qū)塊大位移井進行了應(yīng)用，以KL10-1-B62、KL10-4-A21等2口井為例，分別與未使用BIOLUBE的鄰井KL10-1-B20、KL10-4-A2相同井段的扭矩及ROP（機械鉆速）進行對比，具體數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，使用潤滑劑BIOLUBE的KL10-1-B62、KL10-4-A21井鉆進中的平均扭矩值均小于鄰井（扭矩降低率大于16%），平均ROP值均高于鄰井（ROP值提高率大于30%），有效地提高了鉆井時效。鉆進至完鉆井深，KL10-1-B62、KL10-4-A21井倒劃眼短起鉆期間鉆井參數(shù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)憋扭矩、倒劃眼困難等情況，潤滑劑BIOLUBE應(yīng)用效果良好，具有可推廣應(yīng)用價值。

表4 潤滑劑BIOLUBE應(yīng)用效果Table4 Application effect of lubricant BIOLUB

4 結(jié)論

1）通過對植物油改性、引入雙吸附基表面活性劑和納米微粒，研發(fā)了環(huán)?？山到鉂櫥瑒〣IOLUBE，性能評價結(jié)果表明，所研發(fā)的潤滑劑BIOLUBE具有良好的潤滑性、抗磨性、配伍性、生物毒性，2%BIOLUBE可使淡水基漿和海水基漿的潤滑系數(shù)降低率達90%以上、PEM鉆井液體系的潤滑系數(shù)降低率達50%以上，抗磨達到8 kg砝碼質(zhì)量，生物毒性和生物降解性滿足國家標準。

2）研發(fā)的潤滑劑BIOLUBE在渤海墾利區(qū)塊2口大位移井進行了成功應(yīng)用，大幅降低了摩阻扭矩、縮短了鉆井周期、提高了鉆井效率，具有較好的推廣應(yīng)用價值。