大位移井環(huán)保潤滑劑的研究與應(yīng)用*

董平華，許 杰，何瑞兵，王 偉，謝 濤，苗海龍，陳 強(qiáng)，吳 宇

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

渤海南部海域墾利區(qū)塊前期完鉆數(shù)口井，水垂比為1.2～1.7。由于長水平段的存在［1—2］，在重力作用下，鉆具與井壁、鉆具與套管的接觸面增大，摩擦力也逐漸增大，兩者之間溫度不斷升高，潤滑劑在鉆具表面嚴(yán)重脫附，造成體系潤滑性能顯著下降，因潤滑不足造成的扭矩摩阻問題進(jìn)一步增大。同時(shí)該區(qū)域水平段地層泥頁巖水敏性強(qiáng)，易水化造漿引起鉆井液增稠，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑性能減弱，增大了鉆進(jìn)阻力［3—4］。該區(qū)域前期完鉆的多口井鉆遇目的層時(shí)就頻繁出現(xiàn)了憋壓、蹩扭矩等情況。而且近幾年渤海區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全部零排放的趨勢愈加明顯，每年的4—10 月海洋生物繁殖期，要求回收全部鉆井液。渤海海域進(jìn)行全監(jiān)控環(huán)保管理，嚴(yán)苛的海洋環(huán)保法規(guī)對(duì)于該海域作業(yè)的潤滑劑提出了極高的環(huán)保要求。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(shí)，難以兼顧其環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，無法滿足海洋作業(yè)要求，因此開展渤海灣大位移井鉆井液環(huán)保潤滑劑的研究刻不容緩。

在鉆井液中加入潤滑劑來調(diào)節(jié)鉆井扭矩和鉆具磨損問題是最有效措施之一。目前渤?，F(xiàn)場常用的潤滑劑多為油類潤滑劑，易產(chǎn)生浮油，且生物毒性不達(dá)標(biāo)，對(duì)海洋生物繁殖有一定的影響。通過對(duì)潤滑劑機(jī)理分析，當(dāng)現(xiàn)場鉆井液體系各處理劑的吸附基團(tuán)較多時(shí)，易在鉆具和井壁形成吸附層，降低潤滑劑在摩擦界面的吸附量，影響鉆具接觸面潤滑膜的致密性和吸附強(qiáng)度，反向促進(jìn)了潤滑劑的脫附能力，從而降低潤滑劑的潤滑效率［5—6］。針對(duì)上述問題，為了滿足渤海大位移井鉆井特點(diǎn)，同時(shí)考慮環(huán)保要求，以植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚和納米材料為原料制備了潤滑劑Biolube，研究了該潤滑劑的極壓潤滑、抗磨減阻、配伍性、抗污染能力和生物毒性等，并在渤海南部海域兩口大位移井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)保水基潤滑劑Biolube、鈉膨潤土、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、聚陰離子纖維素PF-PAC-LV、聚合物抗鹽提切劑PF-JHVIS、黃原膠PF-XC、氯化鈉、氯化鉀、聚合醇PF-JLX-C、改性石墨PF-GRA，超細(xì)鈣HTC、重晶石、礦物油類潤滑劑PF-1#和極壓類潤滑劑PF-2#（均含有毒性基團(tuán)，環(huán)保要求不達(dá)標(biāo)），中海油田服務(wù)股份有限公司；渤海現(xiàn)場海水；模擬海水，礦化度為31380 mg/L，每升海水中含21.86 g NaCl、3.23 g Na2SO4、4.53 g MgCl2、0.93 g CaCl2、0.64 g KCl、0.17 g NaHCO3、0.02 g Na2CO3，所用無機(jī)鹽均為市售分析純試劑；污染土Rev-Dust，渤海墾利區(qū)塊現(xiàn)場。

ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、NZ-3A 黏滯系數(shù)測定儀、變頻高速攪拌機(jī)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；中壓濾失儀、XGRL-4 高溫滾子加熱爐，青島夢創(chuàng)儀器有限公司；Fann21200極壓潤滑儀，美國Fann公司；KMY201-1A抗磨試驗(yàn)機(jī)，武漢神州機(jī)電有限公司；CODcr快速測定儀、BOD5測定儀，青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）鉆井液的配制

①6%淡水基漿：在1 L 蒸餾水中加入60 g 膨潤土、2.5 g Na2CO3，在6000 r/min 下攪拌20 min，室溫下密閉養(yǎng)護(hù)24 h。②6%海水基漿：按①先配制200 mL 12%淡水基漿，室溫下養(yǎng)護(hù)24 h，再加入200 mL模擬海水，6000 r/min 下攪拌10 min。③鉆井液：按照墾利區(qū)塊現(xiàn)場鉆井液配方配制PEM體系，具體配方為3%海水搬土漿（現(xiàn)場海水+0.07% NaOH+0.07% Na2CO3+3%膨潤土，養(yǎng)護(hù)24 h ）+0.5%NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% PF-PAC-LV+0.3%PF-JHVIS+0.1% PF-XC+6% KCl+12% NaCl+3%PF-JLX-C+0.5% PF-GRA+5% HTC，重晶石加重至1.3 g/cm3。

（2）評(píng)價(jià)方法

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)中鉆井液現(xiàn)場測試（第1 部分：水基鉆井液）》測試鉆井液各項(xiàng)性能。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094—94《鉆井液用潤滑劑評(píng)價(jià)程序》評(píng)價(jià)潤滑性能；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(jí)及檢測方法發(fā)光細(xì)菌法》和國家標(biāo)準(zhǔn)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；依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11914—89《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法》測定潤滑劑的化學(xué)需氧量（CODcr），依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7488—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，以BOD5/CODcr值表示潤滑劑的生物降解性。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑劑Biolube的性能評(píng)價(jià)

潤滑劑Biolube原料由植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚及納米材料組成，通過一系列化學(xué)反應(yīng)制得；原料均為環(huán)?？山到獠牧希ㄟ^對(duì)植物油進(jìn)行改性，在保證其傳統(tǒng)潤滑效果的同時(shí)，引入多吸附基表面活性劑以及納米微粒，吸附點(diǎn)多，面積廣，增強(qiáng)了潤滑膜致密性和強(qiáng)度，有效改善鉆井液的潤滑能力。室內(nèi)分別從潤滑機(jī)理、極壓潤滑、抗磨減阻、配伍性、抗污染能力、生物毒性等方面對(duì)Biolube 進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。

2.1.1 潤滑機(jī)理

鉆井過程中，鉆井液體系中的多種處理劑對(duì)鉆具、套管及井壁間存在著不斷吸附-脫附的過程，其競爭吸附過程大大影響了常規(guī)潤滑劑的吸附能力。而Biolube則引入多吸附基團(tuán)，能在鉆具及井壁間形成強(qiáng)有力的吸附薄膜，使競爭吸附能力增強(qiáng)且吸附層不易脫附，有效降低了鉆井液在接觸面間的阻力；其中還含有層狀結(jié)構(gòu)的醚類物質(zhì)，分子間可相對(duì)滑動(dòng)，能吸附在黏土微粒表面，從而減緩鉆井液流動(dòng)過程中微粒產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦；該劑同時(shí)引入納米微粒，粒度小，在重載荷下可形成滑動(dòng)系，能在摩擦界面的微滑痕處分散、均勻填充以及修復(fù)，從而有效減緩摩擦表面間的磨損。

2.1.2 極壓潤滑能力

使用極壓潤滑儀和抗磨試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)潤滑劑Biolube 和渤海常用潤滑劑進(jìn)行了潤滑能力和抗磨效果的測定，結(jié)果如表1 所示。在6%淡水基漿和6%海水基漿中分別加入2%Biolube后，基漿的摩阻系數(shù)降至0.03以下，潤滑性能均明顯優(yōu)于常用潤滑劑；且抗磨均達(dá)到10塊砝碼以上，抗磨效果優(yōu)異。

表1 潤滑劑在基漿中的潤滑性能

2.1.3 與鉆井液的配伍性

室內(nèi)配制現(xiàn)場PEM體系，然后按不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入Biolube，120℃老化16 h，評(píng)價(jià)Biolube 與鉆井液的配伍性、起泡性和潤滑性，結(jié)果如表2 所示。隨著加量的增大，Biolube 對(duì)該體系表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）和動(dòng)切力（YP）的影響較小，3%加量以下時(shí)濾失量（FL（API））降低，有輕微降濾失作用。Biolube加入前后體系密度基本無變化，加量為3%時(shí)，體系的摩阻系數(shù)低至0.06，潤滑效果明顯。Biolube與PEM鉆井液體系配伍性良好，不起泡，滿足現(xiàn)場施工要求。

表2 Biolube潤滑劑對(duì)鉆井液性能的影響

2.1.4 抗磨減阻能力

在PEM 鉆井液中加入2%潤滑劑，用抗磨試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)其抗磨能力。加入Biolube 的鋼球磨痕微小且光滑，磨痕圓斑直徑為2.5 mm；而未加任何潤滑劑（空白）和加入PF-1#、PF-2#的鋼球磨痕表面積大且粗糙，圓斑直徑分別為6、5、4.5 mm，其中空白的鋼球摩擦界面最為粗糙。由此可見，Biolube能在摩擦表面形成強(qiáng)有力的極壓膜，起到良好的抗磨減阻效果。

2.1.5 抗污染能力

在大位移井施工中，明化鎮(zhèn)、館陶組地層鉆屑易水化分散造漿，少量碎鉆屑污染鉆井液，且不能通過固控設(shè)備除去。在PEM鉆井液中加入3%Biolube和5%～20%的污染土Rev-Dust，測定鉆井液的黏度和摩阻系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。隨著污染土加量的增大，體系的AV、PV、摩阻系數(shù)略有增加，但增幅較小，依然具有較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力和潤滑效果。

表3 Biolube潤滑劑和污染土對(duì)鉆井液性能的影響

2.1.6 生物毒性與降解性

參照Q/SY 111—2007 和GB/T 18420.2—2009對(duì)潤滑劑Biolube進(jìn)行生物毒性測試。Biolube的半數(shù)有效濃度（EC50）值為15×104mg/L，遠(yuǎn)高于2.5×104mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)值；通過鹵蟲法（96 h）測得的半數(shù)致死濃度（LC50）值為4.6×104mg/L，大于3.0×104mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)值。委托國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心檢測的結(jié)果相同（LC50值＞3×104mg/L），說明Biolube無生物毒性，滿足一級(jí)海域環(huán)保要求。參照GB 11914—89、GB 7488—87測定了Biolube的CODcr和BOD5值，BOD5/CODcr為27.4%，生物降解性良好。

2.2 潤滑劑Biolube的現(xiàn)場應(yīng)用

2019 年以來，環(huán)保潤滑劑Biolube 陸續(xù)在墾利區(qū)塊KL10-1-A47和KL10-1-B62兩口大位移井進(jìn)行了試用。

2.2.1 KL10-1-A47井

將Biolube 用于KL10-1-A47 井8-1/2''井段。井段穿越層位為沙河街二段（3403—3573 m）和沙河街三段（3573—4166 m）。其中，沙河街二段的泥巖與細(xì)砂巖呈不等厚互層，局部夾薄層灰質(zhì)粉砂巖；沙河街三段的泥巖夾灰質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，局部發(fā)育煤層。從3403 m 至3825 m，井斜方位從30°/205°開始增斜扭方位至43°/247°，之后穩(wěn)斜鉆進(jìn)至完鉆井深4166 m。

該井進(jìn)入裸眼段，未加入Biolube時(shí)鉆進(jìn)過程中扭矩波動(dòng)范圍為30～38 kN·m，波動(dòng)頻繁。循環(huán)體積200 m3，在圖1 中虛線處對(duì)應(yīng)井深均勻補(bǔ)充4.8 t Biolube（體積分?jǐn)?shù)2%）后，扭矩逐漸趨于平穩(wěn)；后期扭矩波動(dòng)在27～33 kN·m，波動(dòng)頻率降低。整個(gè)鉆進(jìn)過程中，鉆井液黏度、密度穩(wěn)定。由圖1 可見，KL10-1-A47（簡稱A47）井鉆進(jìn)中的扭矩和機(jī)械鉆速（ROP）均優(yōu)于鄰井KL10-1-A28（簡稱A28）井（使用PF-2#），且一直保持平穩(wěn)，倒劃眼起鉆順利。

圖1 Biolube潤滑劑對(duì)KL10-1-A47井8-1/2''井段的影響

2.2.2 KL10-1-B62井

該井從1000 m 開始54°穩(wěn)斜，最大井斜62°（4770 m），技術(shù)套管下深至3883.5 m。8-1/2''井段于2019 年2 月5 日進(jìn)入裸眼段，井段深度3884—4770 m，水平位移3533.56 m。開鉆采用PEM 鉆井液鉆進(jìn)，層位沙二組。該井進(jìn)入裸眼段，未加入Biolube時(shí)鉆進(jìn)過程中扭矩波動(dòng)范圍為34～40 kN·m，倒劃眼期間為36～42 kN·m，鉆進(jìn)扭矩峰值最高達(dá)到46 kN·m，見圖2 虛線處。在井深3925 m、鉆井排量2000 L/min、循環(huán)池補(bǔ)充2%～3% Biolube 后，扭矩開始持續(xù)下降，在4200 m 左右時(shí)降至最低25 kN·m，后期正常鉆進(jìn)期間扭矩較為平穩(wěn)，在33 kN·m上下浮動(dòng)。鉆進(jìn)至完鉆井深4770 m，鉆井液黏度和密度始終保持穩(wěn)定，兩次倒劃眼短起期間參數(shù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)憋扭矩、倒劃眼困難等情況，且非油層段巖屑排放期間海面未見油花，對(duì)海洋微生物無毒害影響。由圖2可見，KL10-1-B62（簡稱B62）井8-1/2''井段鉆進(jìn)中的扭矩值小于鄰井KL10-1-B20（簡稱B20）和KL10-1-A17（簡稱A17），而ROP 高于鄰井，表明Biolube 優(yōu)于現(xiàn)場常用潤滑劑PF-2#，有效提高了鉆井時(shí)效。

圖2 Biolube對(duì)KL10-1-B62井8-1/2''井段的影響

3 結(jié)論

以植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚和納米材料為原料制備的潤滑劑Biolube 的潤滑性能優(yōu)于同類潤滑劑，與鉆井液的配伍性良好。加有Biolube的鉆井液抗磨達(dá)到10 塊砝碼以上，磨痕微小且均勻，抗磨減阻效果顯著，且具有較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力和潤滑效果。潤滑劑Biolube無毒可降解，滿足渤海海域環(huán)保要求。將潤滑劑Biolube于渤海南部海域試驗(yàn)，改善了墾利區(qū)域大位移井摩阻扭矩大、波動(dòng)頻繁的問題，有效提高了鉆井效率。且非油層段巖屑排放期間海面無油花，對(duì)海洋微生物無影響。該劑在降低摩阻與扭矩、保護(hù)海洋環(huán)境，提高鉆井綜合效益等方面的效果顯著，有利于海洋油田的可持續(xù)發(fā)展。