高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的研究與應(yīng)用

劉 勝

（中海油田服務(wù)股份有限公司上海分公司，上海 200035）

0 引言

近年來(lái)，隨著東海勘探開(kāi)發(fā)逐漸向深層油氣資源推進(jìn)，鉆探難度不斷增加，鉆遇多種復(fù)雜地層，鉆完井難度極大[1]。尤其是面對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖的大斜度井、水平井深井作業(yè)，鉆井過(guò)程中的磨阻扭矩過(guò)大，成為困擾鉆井作業(yè)順利的難題之一[2]。常用的潤(rùn)滑劑無(wú)法滿足硬脆性泥頁(yè)巖地層金屬與巖石之間的磨阻問(wèn)題，而國(guó)外的高效抗磨減阻劑價(jià)格昂貴，無(wú)法推廣使用，因此該文研發(fā)了一種高效的抗磨減阻的極壓潤(rùn)滑劑，可有效解決硬脆性泥頁(yè)巖與鉆具之間的磨阻問(wèn)題，對(duì)東海地區(qū)實(shí)現(xiàn)高效安全鉆井具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 抗磨減阻劑類型與機(jī)理

1.1 抗磨減阻劑類型

抗磨減阻劑主要以分子中的官能團(tuán)吸附在鋼鐵或巖石表面，形成牢固堅(jiān)硬的極壓膜，來(lái)降低摩擦、減少損耗，因此，根據(jù)其官能團(tuán)的不同，大致可以將抗磨減阻劑分為以下幾個(gè)類別。

1.1.1 有機(jī)氯化物

以氯化石蠟為代表的有機(jī)氯化物是最早的抗磨減阻劑之一，其優(yōu)勢(shì)是原料來(lái)源廣泛、成本低。但是由于形成的極壓膜熔點(diǎn)較低，當(dāng)摩擦升溫時(shí)膜容易脫附，導(dǎo)致失效。同時(shí)由于有機(jī)氯化物在堿性條件的水中容易水解，因此在水基鉆井液中的應(yīng)用十分受限[3]。

1.1.2 有機(jī)硫化物

有機(jī)硫化物的作用機(jī)理與有機(jī)氯化物較為相似，但是硫化鐵極壓膜熔點(diǎn)在750℃以上，因此具有較高的抗溫性能，缺點(diǎn)是其沒(méi)有氯化鐵的層狀結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑減摩效果較差[4]。

1.1.3 含磷化合物

含磷化合物兼具有機(jī)氯化物和有機(jī)硫化物的優(yōu)點(diǎn)，但是由于過(guò)量的磷排放會(huì)導(dǎo)致水體富養(yǎng)化，目前受到了國(guó)家的嚴(yán)格管控[5]。

1.1.4 有機(jī)金屬鹽

有機(jī)金屬鹽是目前應(yīng)用最廣泛的抗磨減阻劑，有機(jī)鋅類（ZDDP）是機(jī)油的重要添加劑，鉬鹽在與其他種類的減阻劑一同使用時(shí)會(huì)生成硫化鉬等強(qiáng)度極高的層片狀膜，具有非常優(yōu)良的抗磨減阻性能，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，成本太高[6]。

1.1.5 納米固相

納米固相主要作為其他抗磨減阻劑的“添加劑”，可以在摩擦發(fā)生時(shí)成為摩擦副之間的“軸承”，進(jìn)而將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，降低摩阻。但是其自身密度與常規(guī)抗磨減阻劑密度差異較大，長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)容易團(tuán)聚沉降，影響了抗磨減阻劑的保質(zhì)期[7]。

1.2 抗磨減阻劑類型

各類型潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面。

1.2.1 固體類潤(rùn)滑劑

主要為圓球狀剛性小球，將兩個(gè)粗糙的摩擦面進(jìn)行物理分離，將面-面接觸產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)-面接觸產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦，大幅降低摩擦阻力。

1.2.2 液體類潤(rùn)滑劑

主要通過(guò)化學(xué)鍵吸附在鉆柱和巖石等摩擦面的表面，將摩擦面的不平整處進(jìn)行覆蓋，使原本固體之間的接觸摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)滑劑的非極性端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成油膜剪切流動(dòng)，降低摩阻。

1.2.3 瀝青類潤(rùn)滑劑

由于地層的滲透性，鉆井液中液相會(huì)有一部分滲入地層，這部分的液相之前所分布的固體會(huì)殘留在地層外形成泥餅。泥餅是實(shí)際鉆井過(guò)程中鉆桿與地層之間的分隔帶，是鉆井摩阻的主要來(lái)源。瀝青的加入一方面可以降低濾失量，形成薄而韌的泥餅；另一方面可以改善泥餅質(zhì)量，提高泥餅的潤(rùn)滑性能。

1.3 抗磨減阻技術(shù)對(duì)策

通過(guò)對(duì)抗磨減阻劑機(jī)理的調(diào)研與研究，該文突出以下幾方面的技術(shù)措施：1）表面潤(rùn)濕改性技術(shù)。合成含有不飽和雙鍵的大分子酯，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接入含氯、硫、磷的具有極壓抗磨能力的化學(xué)元素，提高抗磨減阻劑在鉆井表面的吸附能力，改變潤(rùn)濕性，形成疏水隔離膜。2）納米涂層技術(shù)。引入有機(jī)鉬化合物，在高溫高壓下分解成納米級(jí)的二硫化鉬，以層狀微晶結(jié)構(gòu)疊置于金屬表面，形成膜覆蓋在抗磨損層上，從進(jìn)達(dá)到減摩、抗磨、潤(rùn)滑的作用。3）固液納米復(fù)合潤(rùn)滑技術(shù)。以微小液珠顆粒、納米固體潤(rùn)滑顆粒降低金屬-金屬、金屬-巖石界面摩擦阻力。

2 高效抗磨減阻劑研制與評(píng)價(jià)

高效抗磨減阻劑的研制，其核心在于減阻劑在金屬及巖石表面的吸附性和膜的強(qiáng)度，室內(nèi)通過(guò)大量調(diào)研，最終選擇以醇、脂等材料在高溫條件下通過(guò)酯化合成及縮合反應(yīng)制得產(chǎn)品。其分子式為[CnHnC（O）N（C4H8OH）（C4H8O）]nXnYn。

2.1 高效抗磨減阻劑磨損性能評(píng)價(jià)

2.1.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)分為如下5個(gè)步驟：1）按配方配制空白及加樣鉆井液體系，在目標(biāo)溫度（120℃）下熱滾老化16h。2）將試驗(yàn)塊在105℃下烘干4h，使用分析天平稱重，精確至0.1mg，裝入抗磨試驗(yàn)機(jī)中，加入老化后的待測(cè)鉆井液。3）利用力臂加壓，折算壓力加至10kN，啟動(dòng)儀器，設(shè)定轉(zhuǎn)速300r/min，使試壓塊在鉆井液的浸泡中磨損10min。4）將試驗(yàn)塊取出，洗凈表面殘留的鉆井液，在105℃烘干4h后稱重，計(jì)算磨失量及磨失速率。5）儀器洗凈后更換其他待測(cè)鉆井液體系，重復(fù)以上步驟。

2.1.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

由于目前應(yīng)用井鉆井液體系種類繁多，因此挑選有代表性的清水、飽和鹽水鉆井液以及高密度鉆井液分別研究高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100在不同鉆井液體系中的抗磨減阻效果。

2.1.2.1 清水無(wú)固相鉆井液磨損試驗(yàn)

在清水無(wú)固相鉆井液中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，以考察金屬的磨失速率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抗磨減阻劑在清水無(wú)固相鉆井液中的效果

2.1.2.2 飽和鹽水無(wú)固相鉆井液磨損試驗(yàn)

在飽和鹽水無(wú)固相鉆井液中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，以考察金屬的磨失速率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抗磨減阻劑在飽和鹽水無(wú)固相鉆井液中的效果

從表1和表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同條件下，飽和鹽水中的磨失速率要高于清水體系，但是加入0.3%～0.5%的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100后，基漿對(duì)金屬磨失的速率大幅度降低，表明該產(chǎn)品具有很強(qiáng)的抗磨減阻作用。

2.1.2.3 高密度鉆井液磨損試驗(yàn)

高密度鉆井液測(cè)試基漿配方如下：4.0%鈉土漿+0.8%NaOH+0.1%PAC-HV+1.0%SMP-1+1.0%SYP-1+1.0%PSC-2+0.1%SP-80+1.0%XHL+3.0%KCl+鐵礦粉和重晶石（3∶1）至2.30g/cm3。在該基漿中加入不同含量的高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，其磨失量及磨失速率見(jiàn)表3。

從表3與表1、表2的對(duì)比可以看出，在完整的泥漿體系中，由于其他鉆井液處理劑的吸附干擾，因此高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的作用效果要比在清水及鹽水體系中差，但在1%加量時(shí)仍能降低磨損速率至空白的1/5。

表3 抗磨減阻劑在高密度鉆井液中的效果

2.2 高效抗磨減阻劑對(duì)專業(yè)儀器磨損性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)評(píng)價(jià)高效抗磨減阻劑在專業(yè)儀器上對(duì)鉆桿、套管組合和耐磨帶下的磨損試驗(yàn)，將試驗(yàn)塊及磨塊更換為專業(yè)儀器部件，壓力為10kN，轉(zhuǎn)速100r/min。由于儀器部件為工業(yè)品，存在差異性，因此平行試驗(yàn)4次，之后求結(jié)果的平均值。

評(píng)價(jià)試驗(yàn)中采用的鉆井液基漿配方如下：3.0%土漿+0.7%CMC+2.5%SMP-2+0.3%PAC+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+鐵礦粉加重（密度1.97g/cm3）。對(duì)S135鉆桿及P110套管組合下的磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 抗磨減阻劑對(duì)S135鉆桿及P110套管組合的效果

從表4可以看出，加入1%ARDRLUBE-100后，平均每小時(shí)失重降低至空白基漿作用下的1/3左右。

現(xiàn)場(chǎng)為保護(hù)套管，可在鉆桿外壁增加耐磨帶，因此研究ARDRLUBE-100對(duì)耐磨帶及P110套管組合下的磨損試驗(yàn)效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，耐磨帶自身抗磨性能較好，同時(shí)能在一定程度上保護(hù)P110套管，空白基漿的磨損速率是鉆桿與套管磨損速率的大約1/5。但加入抗磨減阻劑后仍具有較為明顯的效果，磨損速率能夠再進(jìn)一步降低一半。因此，采用耐磨帶和高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100協(xié)同作用，能夠?qū)I(yè)儀器的磨損速率降至空白條件的1/10，具有十分明顯的效果。

表5 抗磨減阻劑對(duì)耐磨帶及P110套管組合的效果

2.3 與國(guó)外同類產(chǎn)品的對(duì)比評(píng)價(jià)

2.3.1 試驗(yàn)流程

使用EP-極壓潤(rùn)滑儀對(duì)比評(píng)價(jià)高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100與國(guó)外同類產(chǎn)品，具體流程如下：1）使用清水作為待測(cè)液，設(shè)定試驗(yàn)儀器參數(shù)轉(zhuǎn)速為60r/min，利用力臂在滑塊上增加不同的載荷，讀取扭矩。2）更換待測(cè)液為基漿+3%LUBE167，保持轉(zhuǎn)速不變，測(cè)量不同載荷下扭矩。3）利用清水扭矩對(duì)體系扭矩進(jìn)行校正，公式為校正扭矩=體系扭矩×34/清水扭矩，最后使用校正后的扭矩計(jì)算摩阻系數(shù)。

以上試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是在每次測(cè)試體系摩阻系數(shù)之前都使用清水進(jìn)行測(cè)量，然后再校正，最大限度降低了試驗(yàn)環(huán)境誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此是國(guó)外公認(rèn)的潤(rùn)滑減阻試劑評(píng)價(jià)方法。

2.3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將抗磨減阻劑ARDRLUBE-100與國(guó)外常用的LUBE167進(jìn)行對(duì)比，在不同載荷下的扭矩及摩阻系數(shù)見(jiàn)表6。從表6可以看出，ARDRLUBE-100在各載荷下的摩阻系數(shù)均要小于LUBE167，說(shuō)明ARDRLUBE-100已達(dá)到同類產(chǎn)品的國(guó)際先進(jìn)水平。

表6 ADARLUBE-100與LUBE167摩阻系數(shù)對(duì)比

2.4 高效抗磨減阻劑室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果

不同體系下對(duì)不同摩擦副進(jìn)行抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的效果評(píng)價(jià)顯示，ARDRLUBE-100在清水中效果最好，在0.3%的加量下能將磨失速率降至原先的1‰左右；在飽和鹽水中官能團(tuán)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)熱滾后水解行為；在鉆井液體系中因其他處理劑的吸附干擾，效果略有降低，但仍能將磨失速率降低至空白對(duì)照組的1/5。

抗磨減阻劑ARDRLUBE-100對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器中鉆桿、耐磨帶、套管接觸面均具有明顯的降低磨失速率的效果。對(duì)比國(guó)外樣品，其在不同載荷下的扭矩均小于同類產(chǎn)品，潤(rùn)滑性能良好。

從室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果看，抗磨減阻劑ARDRLUBE-100效果明顯，但是由于鉆井過(guò)程的復(fù)雜性，無(wú)法在室內(nèi)完全反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件，其具體應(yīng)用效果還需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行證明。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

M區(qū)塊A4H井組合三開(kāi)8-3/8″井眼鉆具，鉆完水泥塞后開(kāi)始三開(kāi)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩逐漸增大，鉆遇泥巖段扭矩不斷增大，劃眼困難。鉆進(jìn)至4530m時(shí)扭矩增大至55kN·m，超過(guò)鉆桿上扣扭矩，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始向循環(huán)池逐步加入ARDRLUBE-100抗磨減阻劑。

抗磨減阻劑ARDRLUBE-100于4530m開(kāi)始逐漸加入井漿，加入量為4.0t（近1.5%），正常鉆進(jìn)排量為2400L/min，遲到時(shí)間60min。將取樣測(cè)性能與加入后取樣測(cè)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可以看出，在循環(huán)系統(tǒng)中按照1.5%左右的加量加入ARDRLUBE-100后，鉆井液性能幾乎沒(méi)有變化。加入抗磨減阻劑前后鉆井參數(shù)見(jiàn)表8。

表7 ADARLUBE-100加入前后鉆井液性能對(duì)比

表8 ADARLUBE-100加入前后鉆井參數(shù)對(duì)比

從表8可以看出，在鉆壓、鉆速等其余鉆井參數(shù)均沒(méi)有變化的情況下，扭矩由46kN·m～51kN·m降低至34kN·m～37kN·m，降低幅度為25%，平均鉆速提高了1m/h～5m/h，顯示出良好的抗磨減阻效果。加入抗磨減阻劑ARDRLUBE-100后，劃眼順利，起下鉆正常。

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)高效抗磨減阻劑ARDRLUBE-100的研究得出如下結(jié)論：1）室內(nèi)通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和理論分析，確定高效抗磨減阻劑的作用機(jī)理，采用表面潤(rùn)濕改性、納涂層、固液復(fù)合三大技術(shù)手段，確保抗磨減阻劑優(yōu)良的作用效果。2）通過(guò)酯化和縮聚反應(yīng)合成抗磨減阻劑ARDRLUBE-100，其在清水無(wú)固相、飽和鹽水無(wú)固相、高密度鉆井液中均能夠明顯降低鋼材的磨失速率。在鉆井液中加入抗磨減阻劑能夠降低鉆桿及套管4/5的磨失速率。3）和國(guó)際上常用的潤(rùn)滑劑LUBE167在不同載荷下的摩阻系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，ARDRLUBE-100在各載荷下均要優(yōu)于LUBE167，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，在扭矩增大時(shí)加入抗磨減阻劑，能夠?qū)⑴ぞ亟档?5%，可確保鉆井工作的安全快速進(jìn)行。