高溫下潤滑劑致使鉆井液起泡的原因研究

孫 俊，徐思旭，崔曉明，黃念義，祝學飛，朱春梅，賀 杰

（1.川慶鉆探新疆分公司，新疆庫爾勒841000；2.西南石油大學化學化工學院四川省油氣田應(yīng)用化學重點實驗室,四川成都610500）

1 概述

塔里木盆地是中國最大的含油氣沉積盆地。該盆地已探明油氣資源總量約為160×108t 油當量，被譽為21 世紀中國石油戰(zhàn)略接替地區(qū)，也是“西氣東輸”工程的主力氣源之一[1-2]。由于塔里木盆地油氣藏埋深多在6000m以上，深井、超深井是開發(fā)該地區(qū)油氣資源的重要手段[3]。深井、超深井鉆井裸眼長，在鉆井過程中鉆具扭矩和摩阻大，導致鉆具的容易磨損、增大鉆井設(shè)備的功耗，甚至會發(fā)生斷鉆、粘附卡鉆等鉆井安全事故[4-6]。在鉆井液中添加潤滑劑能有效改善鉆井液的潤滑性能、降低鉆具井下摩阻，防止上述事故的發(fā)生[7]。

目前川慶鉆井公司在其塔里木地區(qū)所用鉆井液中添加潤滑劑之后，雖然鉆具摩阻得到了有效降低，但鉆井液會出現(xiàn)嚴重的起泡，某些井鉆井液起泡率甚至高達30%～40%。嚴重的起泡會導致鉆井液進出口密度差大，這不僅會影響泥漿泵的效率和正常鉆進及鉆井液液面監(jiān)測，而且還容易導致井控安全問題發(fā)生，增加井下安全風險[8-10]。因此，在使用潤滑劑之前，對其高溫下引發(fā)鉆井液起泡的性能，以及起泡原因進行分析，對針對性預防和消除鉆井液起泡有重要意義。

本文對川慶鉆井公司在塔里木地區(qū)常用的三種鉆井液潤滑劑在高溫下引發(fā)鉆井液起泡的性能進行了評價，同時對潤滑劑引發(fā)鉆井液起泡的影響因素和原因進行了研究。

2 實驗部分

2.1 原料

膨潤土、潤滑劑YDL-1、潤滑劑RH220 和潤滑劑LE-50 均由川慶鉆探新疆分公司提供；NaOH（分析純），購于成都科龍試劑公司；二氯甲烷（色譜純），購于百靈威化學試劑公司；去離子水，實驗室自制。

2.2 實驗儀器

高溫熱滾爐XGRL-4，青島同春；高速攪拌機HTD-BGJ1，青島恒泰達；JYW-2008全自動表面張力儀，承德科承；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀Agilent 7890A GC/5975 MSD，美國安捷倫科技有限公司；無目鏡倒置熒光數(shù)碼顯微鏡AMG EVOSFL，美國AMG。

2.3 潤滑劑起泡性能評價

以基漿的起泡率為指標，評價潤滑劑在鉆井液中的起泡性。具體方法如下：

（1）取350mL 基漿于高攪杯中，在室溫、高速攪拌（8000r/min）下，加入濃度為20%的NaOH 溶液調(diào)整基漿pH值。

（2）在高速攪拌（8000r/min）下，向調(diào)整好pH 值的基漿中加入潤滑劑，隨后繼續(xù)攪拌5min。

（3）將加入潤滑劑后的基漿轉(zhuǎn)入高溫高壓老化罐中，在140℃高溫熱滾爐中老化16h。

（4）待老化結(jié)束，老化罐溫度降至室溫后，將老化罐中的基漿轉(zhuǎn)入帶刻度透明高攪杯中，高速攪拌（8000r/min）20min。

（5）待高攪結(jié)束后，迅速將高攪杯中的基漿向容積為250mL 的量筒中轉(zhuǎn)入100mL，在室溫下測量含泡沫的鉆井液體積V0(mL)，同時開始計時。

（6）將V0代入式（1），計算起泡率η：

式中：V——不含泡沫的基漿初始體積，mL。

2.4 潤滑劑組分分析

采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀Agilent 7890A GC/5975 MSD對各潤滑劑組分進行分析。具體步驟如下：

（1）取0.5mL潤滑劑樣品于干凈溶劑瓶中，采用移液管準確移取50mL二氯甲烷將樣品稀釋；

（2）將儀器預熱至40°C后，采用Agilent G4513A自動進樣器控制稀釋樣品進樣量為0.3μL、分流比為50∶1進行進樣，控制儀器以10 °C/min 的升溫速率升溫至350°C，并在該溫度下保持2min。

2.5 泡沫微觀形貌分析

待基漿起泡后，迅速取少量泡沫樣品于熒光顯微鏡載玻片上，在室溫下觀測泡沫的形貌，并拍照。

2.6 表面張力的測定

采用JYW-2008全自動表面張力儀測定含潤滑劑基漿熱滾前后濾液的表面張力。

3 結(jié)果與討論

3.1 各潤滑劑在基漿中的起泡性能

在固定基漿pH 值為10，基漿配方為水+8%膨潤土，潤滑劑加量為3%的情況下，考察了加有不同潤滑劑的基漿熱滾前后的起泡性，其結(jié)果如表1所示。由表1可知，熱滾前基漿的起泡率均為0，但在140℃下熱滾16h 后，除加有潤滑劑RH-220 的基漿不起泡外，其余兩種潤滑劑均會導致基漿起泡，其中加有潤滑劑YDL-1的基漿起泡最為嚴重，起泡率高達70%。

表1 加入潤滑劑熱滾前后基漿的起泡性能

3.2 潤滑劑導致基漿起泡的影響因素

3.2.1 潤滑劑加量的影響

在固定基漿pH值為10，考察了潤滑劑加量對基漿熱滾后的起泡性影響，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在140℃下熱滾16h后，加有潤滑劑YDL-1的基漿起泡最為嚴重，在加量為2%時，其起泡率最高，達105.0%。加有潤滑劑RH-220的基漿不具起泡性。潤滑劑LE-5在加量為1%～3%時，基漿的起泡率均在10.0%以內(nèi)。

3.2.2 基漿pH的影響

在固定各潤滑劑加量為1%的情況下，考察了不同pH值基漿在加入潤滑劑熱滾后的起泡性，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著基漿pH值的增加，加入潤滑劑熱滾后，基漿的起泡率也有所增加。尤其加有潤滑劑RH-220 的基漿，在pH 值超過10 時，熱滾后會出現(xiàn)嚴重的起泡，其起泡率在分別加有三種潤滑劑的基漿中最大。當基漿pH值為12時，加有RH-220的基漿熱滾后的起泡率高達36.4%。

圖1 潤滑劑加量對基漿熱滾后的起泡性影響

3.3 潤滑劑引起基漿起泡原因分析

圖2 不同pH值基漿加入潤滑劑熱滾后的起泡性

由3.1 和3.2 基漿的起泡性評價結(jié)果可知，不同型號的潤滑劑致使基漿起泡的程度差別較大。潤滑劑之所以能使基漿熱滾后具有起泡性，與潤滑劑的組成密不可分。為揭示潤滑劑致使基漿熱滾后起泡的原因，本文采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀對三種潤滑劑的組成進行了分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 各潤滑劑的氣質(zhì)聯(lián)用譜圖[（a）YDL-1；（b）RH-220；（c）LE-5]

通過儀器自動分析圖3 得出，潤滑劑YDL-1 是由烷烴、氯代烷烴、硅氧烷、芳烴衍生物和酯等5種成分組成，其中所含酯為2-氯-3-[4-(二甲基氨基)苯基]-2-丙烯酸乙酯，含量為14.57%；潤滑劑RH220由烷烴、氯代烷烴、芳烴衍生物和酯等4種成分組成，其中所含酯為棕櫚酸甲酯、9,12-十八碳二烯酸甘油酯、11-十八碳烯酸甲酯，含量分別為8.77%、14.04%和11.99%，酯含量總和為34.80%；潤滑劑LE-5 由烷烴、氯代烷烴、烯烴、芳烴衍生物和酯等5種成分組成，其中所含酯為棕櫚酸甲酯和9,11-十八碳二烯酸甲酯，含量分別為8.49%和12.32%，二者總和為20.81%。

由于烷烴、氯代烷烴、烯烴、芳烴衍生物等不具有起泡性，因此推斷潤滑劑導致基漿起泡主要是由其中的酯類組分引起。因為在實際鉆井過程中，鉆井液體系pH值一般不小于10，在此pH值下，加之高溫，潤滑劑中的酯類物質(zhì)會發(fā)生不同程度的分解，生成相應(yīng)的烴基羧酸，烴基羧酸又會在堿性條件下進一步被皂化生成具有一定表面活性的烴基羧酸鹽，從而使鉆井液起泡。酯類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，其在同等或不同條件下的穩(wěn)定性也不同，也就是說酯類物質(zhì)水解皂化產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)的量就不同。這就造成鉆井液：①在加入不同潤滑劑后，在同等條件下的起泡程度存在差別；②在加入同一種潤滑劑后，在不同條件下的起泡程度存在差別。

圖4 加入潤滑劑后不同條件下基漿濾液的表面張力

圖4 為pH 值為10 的基漿加入潤滑劑熱滾前后濾液的表面張力和pH值為11的基漿加入潤滑劑熱滾后濾液的表面張力測定結(jié)果。

結(jié)果表明，在相同pH值下，基漿加入潤滑劑熱滾后濾液的表面張力比熱滾前濾液的表面張力低[見圖4（a）和（b）]，說明熱滾后基漿中存在能顯著降低液體表面張力的表面活性物質(zhì)；隨著潤滑劑加量的增加，熱滾后基漿濾液的表面張力值下降[見圖4（b）]，說明潤滑劑加量的增加，熱滾后基漿濾液中表面活性物質(zhì)的量增加。對比圖4（b）和（c）可知，在潤滑劑加量相同的情況下，pH值升高，熱滾后基漿濾液的表面張力值下降，說明pH值升高，熱滾后基漿濾液中表面活性物質(zhì)的量增加。

結(jié)合圖3和圖4所示結(jié)果可確定，濾液中表面活性物質(zhì)來源于潤滑劑中酯類成分的水解皂化。

4 結(jié)論

通過研究基漿中加入三種潤滑劑后的起泡性、潤滑劑組分以及基漿濾液表面張力變化，得出：

（1）潤滑劑中酯類物質(zhì)在高溫下分解皂化產(chǎn)生表面活性物質(zhì)導致鉆井液起泡的主要原因。

（2）增加潤滑劑加量或鉆井液pH值高于10均會增加鉆井液中表面活性物質(zhì)的量，導致鉆井液起泡率增加。

（3）為防止?jié)櫥瑒┈F(xiàn)場使用過程中導致鉆井液大量起泡，應(yīng)合理指定加料工藝，防止?jié)櫥瑒┚植繚舛群豌@井液pH值局部過高。