環(huán)保型無熒光水基鉆井液潤滑劑的研究與應用

田逢軍，王運功，陳 琪，陶海君，王忠斌

（中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

隨著我國經濟水平的發(fā)展，對石油的需求量也日漸增加，各油田對鉆井液潤滑劑需求量也隨之增加。但目前，我國鉆井液潤滑劑產品較少，還存在黏度和切力較高，長時間存放易發(fā)酵變臭的問題。因此，研制一種高性能，無毒害，對鉆井液沒有不良影響的鉆井液潤滑劑是目前較為重要的一項研究。針對以上問題，國內很多學者也進行了一系列研究，如陳磊[1]以生物油脂（地溝油脂）為基礎原料,通過化學改性與配方調試,研發(fā)出全油基生物油潤滑劑G316。該潤滑劑抗高溫可達170℃,易生物降解、環(huán)境友好,按照標準Q/SY1088-2012評價潤滑系數降低可達90%以上,同時對于改善泥餅質量等特點，劉浩然[2]則以大豆油為主要原材料，合成改性了一種新型大豆?jié)櫥?，并通過試驗證明了該潤滑油能有效提升鉆井時速。以上學者的研究為鉆井液潤滑劑的發(fā)展提供了一些方法，但并未解決鉆井液潤滑劑存放易變質的問題。基于此，本文以提純后回收植物油為主要原料，制備了鉆井液回收植物油潤滑劑WBL，并對其性能進行研究，為鉆井液潤滑劑的發(fā)展提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

燒堿（工業(yè)級鞏義市恒清凈水材料銷售有限公司）；廢棄植物油（自制提純）；SA-1（工業(yè)級 溫州市宏州貿易有限公司）；Span-80（工業(yè)級 山東鑫九誠化工科技有限公司）。

HWS-12型電熱數顯恒溫水浴鍋（邢臺有間優(yōu)宿科技有限公司）；DJ-3型電動攪拌器（北京佳航博創(chuàng)科技有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 可回收廢棄植物油的提純

（1）在原料池中倒入提前經過沉降分離的植物油原料，然后在泵的作用下，送至提煉罐，打開提煉罐內攪拌裝置。攪拌罐內攪拌轉速，蒸汽溫度和攪拌時間分別為20r·min-1，80℃和3h。

（2）充分液化過后，將成品送到過濾器裝置，過濾后將混合物送到分離器中，控制溫度為8~15℃，靜置沉淀2h，使油水分離。當液面計位器中油水結合面比出料口高時，將排污閥打開，使污水排出，直至油水結合面低于出料口，將排污閥關閉，出料閥打開，將上層半凈油脂送至水洗罐。結束后，將罐內剩余污水輸送至污水處理器的前置隔油池中，經過處理后送至污水池。

（3）水洗罐的半凈油脂通過蒸汽管沖入蒸汽，升溫至50~80℃，同時放入比例為5%的食用鹽，使之混合均勻。經過2h的吸附，得到凈化后油脂。將凈化后油脂輸送至沉淀罐，控制溫度為8~15℃，充分沉淀，沉淀時間為2h，排污閥打開關閉條件與步驟（2）一致，出料后得到鉆井液用生物基礎油。

具體提煉裝置流程見圖1。

圖1 可回收植物油提煉裝置流程圖Fig.1 Flow chart of recyclable vegetable oil refining unit

1.2.2 回收植物油壞血改性制備潤滑劑

（1）在三口燒瓶中放入一定量的回收植物油，置于HWS-12型電熱數顯恒溫水浴鍋中，提升反應溫度至50℃，然后打開DJ-3型電動攪拌器攪拌均勻。在攪拌的同時逐滴加入一定比例SA-1，保持該溫度反應90min。

（2）停止加熱，適當冷卻，待溫度維持在40℃左右，按比例加入RHJ-10和RHJ-80，繼續(xù)攪拌10min，然后加入適量清水，繼續(xù)攪拌20min。加入適量NaOH調節(jié)溶液pH值為中性，得到潤滑劑WBL。

1.3 技術指標

參照GB/T 13608-2009中對潤滑劑相關要求，具體技術指標見表1[3-5]。

表1 技術指標標準要求Tab.1 Technical index and standard requirements

1.4 潤滑劑現場應用效果

本試驗選擇桃2-7-3H井水平段進行潤滑劑現場試驗?；鶟{為現場鉆井液樣品，設置潤滑劑添加量為變量，進行潤滑劑加量試驗。

2 結果與討論

2.1 制備工藝對潤滑劑潤滑性能的影響

2.1.1 回收植物油含量對潤滑劑潤滑性能的影響

表2為不同配方制備的潤滑劑的潤滑降低系數和產品外觀狀態(tài)。

表2 回收植物油潤滑劑配方摸索實驗Tab.2 Formula exploration experiment of recovered vegetable oil lubricant

由表2可知，隨潤滑劑中回收植物油含量的增加，潤滑劑的穩(wěn)定性表現出先增加后降低的趨勢。當潤滑劑含量為50%時，制備的潤滑劑外觀呈現出淺咖色，且沒有出現分層的現象，同時，潤滑系數降低率可達94.2%，繼續(xù)增加回收植物油含量，產品穩(wěn)定性降低，同時，潤滑系數降低率也相對降低[6]。因此，選擇回收植物油的最佳含量為50%，以下試驗均以回收植物油含量為50%的潤滑劑作為研究對象。

2.1.2 SA-1的加量對潤滑性能的影響

圖3為制備過程中，SA-1加量對產品潤滑劑性能的影響。

圖3 SA-1加量對產品潤滑劑性能的影響Fig.3 Effect of SA-1 dosage on product lubricant performance

由圖3可知，固定其他因素不變，隨SA-1添加量的增加，潤滑劑潤滑系數降低率表現出先增加后降低的趨勢[7]。當SA-1的加量為1%時，潤滑系數降低率最高可達94.4%，因此，SA-1的最佳加量為1%。

2.1.3 反應條件對潤滑劑潤滑性能的影響

圖4為反應溫度對潤滑劑潤滑性能的影響。

圖4 反應溫度對潤滑劑潤滑性能的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on lubricant lubrication performance

由圖4可知，隨反應溫度的增加，潤滑劑潤滑系數降低率表現出先增加，后降低，然后達到平衡的趨勢。同時，隨反應溫度的增加，產品穩(wěn)定性降低，流動性較差，綜合考慮，制備潤滑劑最適宜的溫度為50℃。

圖5為反應時間對潤滑劑潤滑性的影響。

由圖5可知，隨反應時間的增加，潤滑劑潤滑系數降低率表現出先增加，后趨于平衡的趨勢。當反應時間達到90min時，潤滑劑潤滑系數降低率最高，達到了94.6。繼續(xù)增加反應時間，潤滑劑潤滑系數降低率不再發(fā)生改變，因此，制備潤滑劑最優(yōu)反應時間為90min。

圖5 反應時間對潤滑劑潤滑性能的影響Fig.5 Effect of reaction time on lubricant lubrication performance

2.2 技術指標

以原油為對照組，對制備的潤滑劑樣品相關技術指標進行測試，具體測試結果見表3。

表3 技術指標測試結果Tab.3 Test results of technical indicators

由表3可知，原油的潤滑系數降低率僅有47%，低于GB/T 13608-2009中的相關要求。而本文制備的潤滑劑樣品各個性能皆滿足GB/T 13608-2009中相關要求，可用于實際工程使用。

2.3 現場應用效果

2.3.1 回收植物油潤滑劑加量試驗結果

表4為回收植物油潤滑劑加量試驗結果。

表4 回收植物油潤滑劑加量試驗結果Tab.4 Test results of lubricant dosage of recovered vegetable oil

由表4可知，隨著潤滑劑加量的增加，泥餅摩阻系數緩慢降低，直至趨于平緩。當潤滑劑加量為2%時，與水平段鉆井液配伍性較好，沒有絮凝和結塊現象出現。當潤滑劑加量超過3%時，密度降低，失水加大，考慮是因為潤滑劑帶來的水分導致的，因此，需要通過降失水的補充和材料的加重進行維護[8,9]。綜合考慮，選擇潤滑劑的加量為2%。但由于現場施工原因，潤滑劑和鉆井液都維持在動態(tài)消耗的狀態(tài)[10]。同時，井眼軌跡、泥餅厚度和滑動鉆進時間皆可對潤滑效果產生影響，因此，需要隨時根據實際情況調整潤滑劑加量，一般潤滑劑加量維持在2%~3%之間。

2.3.2 現場施工情況 根據現場施工情況，鉆井至井深3720m，此時水平段長為100m，遇見泥巖，鉆井液密度提升，繼續(xù)增加井深至4258m，此時水平段長632m，累計鉆穿泥巖140m，此時上提摩阻從8t增加至12t，下放摩阻從6t增加至10t。根據當時潤滑劑消耗情況和泥漿循環(huán)體積，將2t回收植物油潤滑劑（井漿＋最佳比例WBL）一次性倒入鉆井，循環(huán)3周后，上提摩阻和下放摩阻皆恢復正常。

圖6~8分別表示隨井深的增加，水平段扭矩、kf和摩阻的變化情況。

圖6 水平段扭矩隨井深的變化情況Fig.6 Variation of torque in horizontal section with well depth

圖7 水平段k f隨井深的變化情況Fig.7 Variation of horizontal section k f with well depth

圖8 水平段摩阻隨井深的變化情況Fig.8 Variation of horizontal section friction with well depth

由圖6~8可知，該鉆井水平段完鉆時，井深約為4832m，水平段總段長為1214m。添加了WBL回收植物油潤滑劑后，泥餅滑塊摩阻系數約為0.34~0.52，扭矩約為3~9kN·m，上提下放摩阻均低于12t，下完井管串沒有遇阻現象出現，證明本文制備的潤滑劑潤滑減阻效果良好。

桃2-7-3H井水平段井深為4832m，水平段總長為1214m，根據施工需求，井下完井管串前需要替入高潤滑性泥漿。表5為高潤滑性封閉液（為提高潤滑需求，本試驗使用井漿＋1.0%WBL）試驗數據，潤滑劑加入總量為3%~3.5%。

表5 高潤滑性封閉液試驗數據Tab.5 Test data of high lubricity sealing fluid

由表5可知，根據試驗結果，提前倒入配制好的高潤滑性泥漿，然后下入完井套管，套管順利達到預定位置，完成施工。

實驗室制備的回收植物油潤滑劑用于實際施工時，需要根據比例添加一定量防腐劑，抗氧劑和極壓抗磨劑，攪拌均勻，然后進行避光保存。一個月后觀察潤滑劑形態(tài)沒有出現變質、分層和發(fā)臭的現象。用于施工現場時，沒有變臭現象出現。

3 結論

本文以提純后回收植物油為主要原材料，合成了鉆井液用無熒光潤滑劑WBL。首先，對制備工藝進行優(yōu)化，然后，將其運用于施工現場，檢驗潤滑劑的實用情況。得到的具體結論如下：

（1）回收油潤滑劑WBL最佳制備工藝為：回收植物油的最佳含量為50%，SA-1的最佳加量為1%，制備潤滑劑最適宜的溫度為50℃，最佳反應時間為90min。制備的回收植物油潤滑劑WBL相關性能滿足GB/T 13608-2009中相關要求。

（2）WBL加量為2%~3%時，配制的潤滑劑能有效降低上提摩阻和下放摩阻，泥餅滑塊摩阻系數約為0.34~0.52，扭矩約為3~9kN·m，減阻效果良好。

（3）保存一個月后的潤滑劑，沒有發(fā)臭分層和變質現象出現。