鉆井液用潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)方法對(duì)比

張文龍　田永剛　任紫君　李志磊　馮永朋

摘 要：潤(rùn)滑劑在鉆井過(guò)程中主要起到降低磨阻的作用，從而提升鉆進(jìn)速度既減少鉆具損耗的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)鉆井材料性能的要求越來(lái)越高，涌現(xiàn)出了大量的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品，例如普通潤(rùn)滑劑、抗溫抗鹽潤(rùn)滑劑、環(huán)保潤(rùn)滑劑、極圧潤(rùn)滑剤、油基潤(rùn)滑劑、水基潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑劑、符合潤(rùn)滑劑等。無(wú)論是哪一種潤(rùn)滑劑其最終的目的依然是降低鉆具與井壁間的磨阻，然而目前常用的潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法眾多，針對(duì)不同的潤(rùn)滑劑，其性能檢測(cè)方法也不一樣，如果單純的用之中檢測(cè)方法或手段對(duì)所有類(lèi)型的潤(rùn)滑劑進(jìn)行檢測(cè)從而判斷該類(lèi)潤(rùn)滑劑性能好壞是不合理的，本文將對(duì)現(xiàn)有潤(rùn)滑劑檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，并相對(duì)應(yīng)的描述該類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑劑;性能;檢測(cè)

1 極圧潤(rùn)滑儀法

該方法是目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的潤(rùn)滑劑性能測(cè)定的方法，其原理在于外加一定壓力的情況下測(cè)定金屬與金屬間的摩擦力大小，最終通過(guò)計(jì)算“摩擦力降低的比例”--潤(rùn)滑系數(shù)降低率來(lái)確定潤(rùn)滑劑性能的優(yōu)劣，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)時(shí)間較短，一般檢測(cè)時(shí)間在15min左右（包含試驗(yàn)漿攪拌及測(cè)定的時(shí)間），并且檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性較高（校正因子的引入）。相比于其優(yōu)點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)同樣明顯，該方法最大的缺點(diǎn)是與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程中幾乎不會(huì)出現(xiàn)鉆具與金屬間的摩擦，而是鉆具與井壁或泥餅間的摩擦，

另外擠壓潤(rùn)滑儀法測(cè)定潤(rùn)滑劑時(shí)需先將試樣加入基漿中高速（11000r/min）攪拌5.0min，攪拌結(jié)束后立即用極圧潤(rùn)滑剤進(jìn)行潤(rùn)滑系數(shù)的測(cè)定，目前國(guó)內(nèi)大部分潤(rùn)滑劑均為純油基潤(rùn)滑劑，該類(lèi)潤(rùn)滑劑加入基漿中后經(jīng)過(guò)高速攪拌后以微小的油滴狀或“暫時(shí)性”水包油乳狀液存在，隨著時(shí)間的推移或者低速攪拌的情況下試驗(yàn)漿中的潤(rùn)滑劑會(huì)出現(xiàn)破乳現(xiàn)象（漂浮于試驗(yàn)漿表面），從而造成潤(rùn)滑劑失效，因此極壓潤(rùn)滑儀法無(wú)法準(zhǔn)確地判定潤(rùn)滑劑實(shí)際使用效果。另極圧潤(rùn)滑剤法檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與滑環(huán)與滑塊表面粗糙度有著直接關(guān)系，因此該方法不適合作為現(xiàn)場(chǎng)鉆井液以及高密度試驗(yàn)漿潤(rùn)滑性能測(cè)定方法。

2 磨阻系數(shù)測(cè)定法

該方法是目前潤(rùn)滑劑性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中與鉆井現(xiàn)場(chǎng)最為接近的方法，其原理是在一定壓力下先壓出中壓泥餅（與現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程相同），維持容器內(nèi)壓力的情況下將吸附盤(pán)下壓并維持下壓時(shí)的壓力一定時(shí)間（一般為5-10min），吸附結(jié)束后再靜置5.0min左右，用扭力扳手測(cè)定吸附盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大扭力值，最終根據(jù)空白漿和加樣漿的最大扭力值計(jì)算扭力值的降低率，以此作為潤(rùn)滑劑試樣潤(rùn)滑性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該方法最大的特點(diǎn)是與現(xiàn)場(chǎng)使用情況最為接近，試驗(yàn)漿的固相含量以及密度高低不影響儀器的使用，可用于所有潤(rùn)滑劑的性能測(cè)定，該方法目前廣泛用于潤(rùn)滑劑配方研發(fā)過(guò)程中體系評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。相比于適合于各種潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)是檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，攜帶不方便（檢測(cè)時(shí)需用氮?dú)?，一般使用氮?dú)馄刻峁庠矗贿m合鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泥漿潤(rùn)滑性能檢測(cè)。

3 泥餅粘滯系數(shù)測(cè)定法

該方法是目前鉆井隊(duì)使用的最廣泛的鉆井泥漿潤(rùn)滑性能檢測(cè)的方法，將測(cè)定中壓濾失量后的泥餅連同濾紙一同取出，將泥餅朝上平鋪于泥餅粘滯系數(shù)儀翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將測(cè)試用的滑塊平放于泥餅上，啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)靜置吸附1.0min，吸附結(jié)束后啟動(dòng)電機(jī)，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)開(kāi)始緩慢翻轉(zhuǎn)，從翻轉(zhuǎn)平臺(tái)側(cè)面觀察滑塊狀態(tài)，當(dāng)滑塊出現(xiàn)位移時(shí)立刻關(guān)閉電機(jī)，根據(jù)儀器上讀數(shù)計(jì)算傾斜角，根據(jù)傾斜角的大小判定試驗(yàn)漿潤(rùn)滑性能。該方法與磨阻系數(shù)降低率法類(lèi)似，均可直接測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑性能（泥餅的潤(rùn)滑性能），但該方法更適合鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用，因?yàn)槟囡炚硿禂?shù)測(cè)定儀體積小，便于攜帶，僅需通電便能使用，使用該方法測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑性能還能夠最大限度的節(jié)約鉆井液性能檢測(cè)時(shí)間（中壓濾失量測(cè)定后的泥餅直接用于泥餅粘滯系數(shù)的測(cè)定），并且能夠最直接的體現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑性能。明顯的優(yōu)點(diǎn)也伴隨著最為直接的缺點(diǎn)，該方法最大的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果平行性差，由于該方法是以目測(cè)的方法進(jìn)行測(cè)定，因此不同的人、不同的觀看角度測(cè)定出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不相同，加之每個(gè)人反應(yīng)速度不一樣，因此啟動(dòng)和停止電機(jī)所用的時(shí)間也不一樣，因此該方法不適合作為常規(guī)潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)方法。

4 抗磨試驗(yàn)機(jī)法

近幾年市面上流行極圧潤(rùn)滑剤，但就目前而言極圧潤(rùn)滑剤未見(jiàn)到明確的標(biāo)準(zhǔn)，僅有關(guān)于極圧潤(rùn)滑劑原理的諸多介紹，其基本原理是高壓環(huán)境下在鉆具表面形成一層極壓膜，該膜的存在有利于降低鉆具與井壁間的摩擦，從而起到潤(rùn)滑的作用。與極圧潤(rùn)滑剤類(lèi)似的還有抗磨潤(rùn)滑劑，該潤(rùn)滑劑的原理與極圧潤(rùn)滑剤有類(lèi)似之處，同樣是在鉆具表面形成一層膜結(jié)構(gòu)，該膜的形成不需要高壓或高溫的條件，并且抗磨潤(rùn)滑劑不僅能夠在鉆具表面形成膜結(jié)構(gòu)，同樣能在鉆井液中的固相顆粒表面形成膜結(jié)構(gòu)。抗磨潤(rùn)滑劑與極圧潤(rùn)滑剤的檢測(cè)指標(biāo)都有膜厚度（強(qiáng)度）項(xiàng)指標(biāo)，但抗磨潤(rùn)滑劑在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步具有降低鉆具損耗的作用，因此抗磨潤(rùn)滑劑的性能指標(biāo)還有磨失量降低率。

針對(duì)極圧潤(rùn)滑劑和抗磨潤(rùn)滑劑的兩項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，目前用的最多的檢測(cè)手段使用抗磨試驗(yàn)機(jī)法。該方法的原理是通過(guò)轉(zhuǎn)子與實(shí)驗(yàn)鋼柱在試驗(yàn)漿中不斷的摩擦的同時(shí)向鋼柱施加一定的壓力，隨著壓力的增加鋼珠玉轉(zhuǎn)子間的壓力持續(xù)增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子表面的“潤(rùn)滑膜”消失后轉(zhuǎn)子與鋼珠間摩擦力急劇增加，當(dāng)摩擦力增加到一定程度后儀器會(huì)自動(dòng)抱死，此時(shí)可根據(jù)轉(zhuǎn)子上施加的壓力的大小判斷潤(rùn)滑劑試樣在轉(zhuǎn)子表面形成的極壓膜或潤(rùn)滑膜的厚度。另一種使用方法是在轉(zhuǎn)子上施加固定的壓力值，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后測(cè)定鋼珠質(zhì)量的損失量，以鋼珠質(zhì)量的損失量作為試樣抗磨性能優(yōu)劣的評(píng)判依據(jù)，鋼珠磨失量的大小同樣能夠反映該試樣在現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程中對(duì)鉆具的保護(hù)程度（鉆具損耗程度與磨失量成反比）。就目前而言抗磨試驗(yàn)機(jī)法是唯一能夠同時(shí)測(cè)定潤(rùn)滑劑試樣極壓性能和抗磨性能的方法，并且該方法檢測(cè)成本較低（每個(gè)試驗(yàn)用鋼珠成本3.0元左右，每個(gè)鋼珠可進(jìn)行8次左右實(shí)驗(yàn)）?？鼓ピ囼?yàn)機(jī)法屬于專(zhuān)用型儀器，僅能夠測(cè)定潤(rùn)滑劑試樣的抗磨性能以及在鋼珠表面形成的潤(rùn)滑膜的厚度，因此該方法最大的缺點(diǎn)是不能用于檢測(cè)潤(rùn)滑劑試樣的潤(rùn)滑性能。

5 四球摩擦試驗(yàn)法

該方法是目前國(guó)內(nèi)外均認(rèn)可的潤(rùn)滑劑抗磨性能檢測(cè)方法，該方法主要用于機(jī)械潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)，鉆井液用潤(rùn)滑劑用該方法測(cè)定的很少，僅有貝克休斯等企業(yè)在鉆井液用潤(rùn)滑劑配方研發(fā)過(guò)程中用該方法驗(yàn)證潤(rùn)滑劑的極壓性能。其原理是以滑動(dòng)摩擦的形式，在點(diǎn)接觸壓力下，評(píng)定潤(rùn)滑劑的承載能力，包括最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB、燒結(jié)負(fù)荷PD、綜合磨損值ZMZ等;或者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間磨損試驗(yàn)、測(cè)定摩擦力、計(jì)算摩擦系數(shù)。使用特殊附件，也可以進(jìn)行端面磨損試驗(yàn)和材料的模擬磨損試驗(yàn)。由于該方法需要特定的儀器以及電腦的配合使用，因此該方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性以及實(shí)驗(yàn)精度是毋庸置疑的，較高的精密度意味著儀器設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格以及后期的維護(hù)成本較高，另一方面是儀器體積較大，不方便搬運(yùn)，因此該方法僅適用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行性能檢測(cè)使用。

考慮到目前用四球摩擦法進(jìn)行鉆井液用潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)時(shí)主要是檢測(cè)承載能力（極壓度）和綜合磨損值（磨失量）兩項(xiàng)指標(biāo)，而這兩項(xiàng)指標(biāo)用抗磨試驗(yàn)機(jī)法完全可以進(jìn)行檢測(cè)，兩者最大的區(qū)別僅在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中四球摩擦法施加壓力的精確度與數(shù)值變量更加便于控制，因此該方法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。

6 總結(jié)

①進(jìn)行室內(nèi)鉆井液用潤(rùn)滑劑性能檢測(cè)時(shí)考慮到檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，建議選擇極壓潤(rùn)滑儀法;②鉆井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泥漿性能檢測(cè)時(shí)從還原井下實(shí)際情況的角度出發(fā)選用泥餅粘滯系數(shù)測(cè)定法最為理想;③室內(nèi)潤(rùn)滑劑配方研發(fā)及性能調(diào)整時(shí)建議選用摩阻系數(shù)測(cè)定法配合抗磨試驗(yàn)機(jī)法（若條件允許可選用四球摩擦試驗(yàn)法），多種檢測(cè)方法配合使用能夠得最為全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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