鉆井液潤滑性評價方法對比研究

趙虎

中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院（河南濮陽 457001）

鉆井液潤滑性是影響實鉆過程中定向順利、起下鉆通暢、電測與下套管成功等的重要因素，尤其是長水平井、三維井和長裸眼段井等對鉆井液潤滑性提出了更高的要求[1-5]。排除井壁失穩(wěn)、井眼不清潔、軌跡復雜以及其他工程因素，鉆井液的潤滑性決定著實鉆中的摩阻和扭矩。較為精準地評價鉆井液的潤滑性，選擇潤滑防卡能力強的鉆井液顯得尤為重要。目前，國內外對鉆井液潤滑性的檢測尚無公認的評價方法，國內油服多采用極壓潤滑儀、泥餅黏滯系數(shù)測定儀、泥餅黏附系數(shù)測定儀評價鉆井液的潤滑性；部分科研院所通過電鏡觀測泥餅質量和抗磨性能測試；也有機構和學者開展了LEM潤滑儀、ZC-1 型測定儀、NR-1 型潤滑儀、Falex 潤滑儀、TNO 潤滑儀、MT-Ⅱ型四球摩擦機、濾餅針入度計、井眼摩擦模擬裝置等潤滑性評價[6-8]。通過對比泥餅黏附系數(shù)、泥餅黏滯系數(shù)、極壓潤滑系數(shù)、泥餅質量、抗磨性能測試等評價結果，指出上述評價方法的目的、準確度和可操作性及優(yōu)缺點，以期為不同鉆井液及潤滑劑的選擇提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

石油醚（沸程60～90 ℃），無水乙醇（分析純）、無水碳酸鈉（分析純），鉆井液用膨潤土（工業(yè)品）等。

1.2 主要儀器

FANN 21200型極壓潤滑儀及同類產品、NZ-3A型泥餅黏滯系數(shù)測定儀、NF-2型泥餅黏附系數(shù)測定儀、SD-4 型多聯(lián)中壓失水儀、GGS42-2 型HTHP 高溫高壓濾失儀、神州KMY201-1A型抗磨試驗機、S-4800型掃描電鏡分析儀、OFI-5軸高溫滾子加熱爐、高速攪拌機、電子分析天平等。

1.3 實驗方法

1）極壓潤滑系數(shù)。參照中國石油化工集團公司企業(yè)標準Q/SHCG 4—2011《水基鉆井液用潤滑劑技術要求》。按配方配制待測鉆井液，10 000 r/min攪拌20 min；若高溫滾動冷卻后取出，10 000 r/min攪拌5 min，下同。提前預熱極壓潤滑儀20 min；上旋鈕Zero 檔調節(jié)扭矩為0，下旋鈕Speed 檔，調節(jié)轉速為60（LUC 處）；向樣品杯加入一定量水，放在落下的樣品杯架上，提起樣品架直到持器和實驗環(huán)浸沒在待測液中，將扭矩臂放置于夾子凹槽處；加上16.95 N·m（150 英寸磅）的扭矩，讓機器旋轉3～5 min，記下表盤讀數(shù)，若表盤讀數(shù)為32～36，說明滑塊可用，否則應用磨砂研磨滑塊；也可校正，校正系數(shù)=34/清水表盤讀數(shù)（28～48）。極壓潤滑系數(shù)=表盤讀數(shù)×校正系數(shù)/100。

2）泥餅黏滯系數(shù)。待測鉆井液測試7.5 min 中壓失水，取出泥餅。開啟泥餅黏滯系數(shù)測定儀電源開關，調節(jié)滑板水平位，按下清零按鈕；將泥餅平放在滑板上，將滑塊輕放在泥餅上，壓實1 min；開啟傳動機電機，使滑板緩慢翻轉，當滑塊開始滑動時，立即關閉開關，記錄其翻轉角度。泥餅黏滯系數(shù)為角度的正切，其中：角度為滑板翻轉角度。

3）泥餅黏附系數(shù)。參照中國石油化工集團公司企業(yè)標準Q/SHCG 4—2011《水基鉆井液用潤滑劑技術要求》，檢查泥餅黏附系數(shù)測定儀氣源、管匯、壓力表等安全可靠性。在泥漿杯上放好濾紙、橡膠圈和尼龍圈，用U 型扳手將濾網壓圈壓在尼龍圈旋緊，下連通閥桿旋入泥漿杯底擰緊，將杯子放入支架；將待測液倒入泥漿杯刻度線（約240 mL），安裝杯蓋，并用加壓桿和勾頭扳手旋緊，裝上連通閥桿，三通、銷子，擰緊上連通閥桿；調節(jié)氣源輸出壓力為3.5 MPa，打開上連通閥桿，將20 mL量筒置于下方，打開下連通閥桿，濾失30 min；將氣壓筒裝入泥漿杯蓋孔內，旋轉卡緊，安裝三通組件、銷子、膠管，旋轉管匯手柄跳壓至3.5 MPa，在氣壓作用下氣壓筒活塞將黏附盤壓下，與泥餅黏實保持一段時間，松開管匯調壓手柄，旋轉放氣閥桿，將氣壓筒余氣放出，取下氣壓筒；關閉氣源總閥，黏實5 min，扭力扳手調零，扭矩儀與黏附盤連接，慢慢用力，測量黏附盤與泥餅開始滑動時產生的最大扭矩值；5 min 復測，直至扭矩最大為止，測試完畢，放出余氣后拆卸管匯、三通等組件。

式中：f為黏附系數(shù)；M為扭矩，N·m。

4）泥餅質量。待測鉆井液測試7.5 min 中壓失水，取出泥餅，采用肉眼，用手搓，對折泥餅等直觀方法觀察；待測鉆井液測試30 min HTHP濾失量，小心取出泥餅，自然晾干后采用S-4800型掃描電鏡測試方法測試表面和剖面。

5）抗磨性能測試。參照中石化集團南京化學工業(yè)有限公司企業(yè)標準Q/SH1170 060—2014《NHEPL1型鉆井液用極壓潤滑劑》。按配方配制待測鉆井液，選取實驗磨柱編號備用，將實驗磨柱放入盛有沸點為60～90 ℃石油醚的器皿中，用脫脂棉除去實驗磨柱表面污物，并連續(xù)清洗2 次。經脫脂棉處理的實驗磨柱，用無水乙醇浸泡約5 min，取出實驗磨柱，用紗布擦干，用冷風吹干包好，放入干燥器中干燥30 min，稱重（精確至0.000 1 g）得出M01；把處理好的實驗磨柱安裝好，用量筒取基漿200 mL倒入測試盒中，使測試液浸沒磨環(huán)下邊沿。空載啟動電機后開始加砝碼，每只砝碼增加時間間隔5 s，并輕輕下放，當砝碼質量加到2 kg后開始計時，若≤3 min實驗儀被蹩停，記錄蹩停時間，否則3 min后關閉實驗機。測定后將實驗磨柱按上述方法處理并稱重得出M1；取加入潤滑劑或減磨劑后的基漿倒入測試盒中，另取一只處理好的實驗磨柱，稱取質量M02，把實驗磨柱安裝好，上述方法進行實驗，測定后將實驗磨柱處理并稱重(精確至0.000 1 g）得出M2。

式中：W為磨失量降低率；M01、M02為實驗前磨柱質量，g；M1為實驗后基漿中磨柱質量，g；M2為基漿加入減磨劑實驗后磨柱質量，g。

2 結果與討論

2.1 極壓潤滑系數(shù)

極壓潤滑儀可以測量鉆井液的潤滑性和潤滑劑降低扭矩的效果，主要反映液膜與鋼件之間的摩擦，重復性相對較強，為國內外實驗室評價鉆井液潤滑性的主要儀器之一[9-10]。同臺儀器最大誤差為30%，如某水基鉆井液25 ℃條件下極壓潤滑系數(shù)如圖1 所示。測試結果中最大值為0.178，最小值為0.113，平均值為0.137，最大誤差29.7%；不同臺儀器誤差更大，尤其是不同品牌的極壓潤滑儀誤差更大，如某水基鉆井液同一實驗室5 次平均測試極壓潤滑系數(shù)FANN 測試結果為0.182，OFI 為0.146，海通達為0.104。盡管這些儀器測試清水的讀數(shù)均為32～36，膨潤土漿讀數(shù)均為48～55。因此，評價某鉆井液極壓潤滑系數(shù)最好用同一儀器評價，否則意義不大。

圖1 同臺FANN極壓潤滑儀測試結果

2.2 泥餅黏滯系數(shù)

泥餅黏滯系數(shù)測定儀又稱滑塊式摩擦系數(shù)測定儀，以金屬滑塊在泥餅上產生滑動時的最小摩擦角來評價泥餅潤滑性能，優(yōu)點為操作簡便，缺點為肉眼觀測滑塊移動，誤差較大，且無法模擬井下壓力狀態(tài)下泥餅的潤滑能力，為國內外現(xiàn)場評價鉆井液潤滑性的主要儀器之一。同實驗員同臺儀器最大誤差為50%，如某水基鉆井液25 ℃條件下泥餅（7.5 min泥餅）黏滯系數(shù)如圖2所示。測試結果中最大值為0.176 3，最小值為0.078 7，平均值為0.121 1，最大誤差45.6%。不同實驗員誤差更大，如某水基鉆井液同一實驗室5次平均測試泥餅黏滯系數(shù)實驗員A 測試結果為0.078 7，實驗員B 為0.131 7，實驗員C 為0.203 5。因為有些實驗員能觀測到滑塊的微動，有些實驗員只能觀測到滑塊明顯移動。而且實驗結果還跟泥餅壓制時間（7.5 min 或30 min），取下泥餅到操作的時間，泥餅是否沖洗表面，滑塊的光潔程度等有關。因此，評價某鉆井液泥餅黏滯系數(shù)最好是同一實驗員同一條件下測試，否則意義不大。

2.3 泥餅黏附系數(shù)

泥餅黏附系數(shù)測定儀又稱壓差式摩擦系數(shù)測定儀，主要用于分析鉆具與井壁鉆井液泥餅間的摩擦系數(shù)，優(yōu)點是可以較好地模擬鉆柱與泥餅之間的摩擦，缺點是操作較為繁瑣，誤差很大。同實驗員同臺儀器最大誤差為90%，某水基鉆井液25℃條件下泥餅黏附系數(shù)如圖3 所示，測試結果中最大值為0.223 9，最小值為0.038 0，平均值為0.119 7，最大誤差87.1%。不同實驗員誤差更大，如某水基鉆井液同一實驗室3次平均測試泥餅黏滯系數(shù)實驗員A測試結果為0.088 7，實驗員B 為0.194 4，實驗員C 未扭動扭矩儀。因為有些實驗員力量較大，可能施加超過泥餅黏附產生的滑動力；有些實驗員力量較小，有可能無法扭動扭矩儀。即使同一實驗員測試也會出現(xiàn)兩次之間的誤差很大。因此，評價某鉆井液泥餅黏附系數(shù)最好為同一實驗員多次測試求平均值，但黏附系數(shù)測定操作較為繁瑣，該評價裝置使用不廣泛。

圖2 同實驗員NZ-3A泥餅黏滯系數(shù)測試結果

圖3 NF-2型泥餅黏附系數(shù)測試結果

2.4 泥餅質量

泥餅質量的好壞關系到鉆井是否能夠安全、順利進行，對泥頁巖水平井尤其重要。好的泥餅薄、韌、滑，可減少濾液浸入，能降低鉆具和井壁之間的摩阻。研究鉆井液的工程師可現(xiàn)場初步判斷泥餅質量。某高性能水基鉆井液中壓泥餅如圖4 所示，泥餅厚度小于0.5 mm，泥餅薄而韌，質量較好。也可通過掃描電鏡觀測其表面和剖面，判斷泥餅是否致密，是否有成膜特性等。普通水基鉆井液和高性能水基鉆井液HTHP 濾餅兩者對比，可以明顯看出高性能水基鉆井液的泥餅表面光滑（圖5（a）），剖面致密（圖5（b））。泥餅質量還可從泥餅壓縮性、滲透率等進行量化分析，但反映的是封堵能力，與潤滑性無關，不再詳述。

圖4 高性能水基鉆井液中壓泥餅直觀圖

圖5 水基鉆井液HTHP泥餅掃描電鏡圖

2.5 抗磨性能測試

抗磨性能測試可以評價鉆井液在高負荷下的潤滑性能，驗證鉆井液及潤滑劑在加壓下的潤滑和減磨效果。優(yōu)點是可以較準確地評價鉆井液的潤滑性，缺點為非鉆井液行業(yè)通用測試方法，且每次測試均要損耗專用鋼件磨柱，費用較高[11-12]。該測試誤差小于20%，且因實驗人員操作產生誤差較小，如某潤滑劑25℃條件下5 次磨失量降低率分別為：55.5%、62.4%、70.1%、58.8%、65.0%，平均值為62.4%，最大誤差為12%。且可以通過掃描電鏡掃描鋼件磨損表面進一步驗證結果，普通水基鉆井液和高性能水基鉆井液測試完磨失量后鋼件磨損面掃描電鏡如圖6所示，兩者對比，可以明顯看出高性能水基鉆井液潤滑減磨效果好（圖6（b））。

圖6 水基鉆井液磨柱磨損面掃描電鏡圖

3 結論

隨著鉆完井技術的提高，增長水平段是提高采收率的主要手段，實鉆摩阻和扭矩高是制約增長水平段的主要因素之一。在不同條件和需求下，選用合理的潤滑性評價方法顯得尤為重要。

1）實驗室基于對比潤滑劑或鉆井液體系研究，評價極壓潤滑系數(shù)、泥餅質量（電鏡）、抗磨性能測試等較為合理。

2）鉆井現(xiàn)場確定聚合物、潤滑劑的加量可評價泥餅黏滯系數(shù)、泥餅質量（直觀）等較為簡潔。

3）檢驗鉆頭軸承工作條件的高比載荷下的鉆井液潤滑性能，建議使用MT-Ⅱ型四球摩擦機。

4）對多組潤滑性評價數(shù)據(jù)相關性進行分析，并結合實鉆摩阻情況，調整和維護鉆井液的潤滑性，為鉆完井作業(yè)的潤滑防卡和快速處理鉆井液提供技術支撐，保障鉆完井作業(yè)順利。