耐高溫高鹽鉆井液潤(rùn)滑劑的研制與性能評(píng)價(jià)

王宗輪，孫金聲，2，劉敬平，呂開河，邵子樺，張憲法

（1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

隨著深層超深層油氣的勘探開發(fā)，深井及超深井鉆井過程中的高扭矩和高摩阻成為影響鉆井安全和鉆速的關(guān)鍵問題之一[1–4]，這對(duì)鉆井液的高溫高鹽下的潤(rùn)滑性提出了重大的挑戰(zhàn)[5–7]。提高鉆井液的潤(rùn)滑性方式主要是通過向鉆井液中加入潤(rùn)滑劑[8]。鉆井液潤(rùn)滑劑可分為2類：固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑[9–10]。固體潤(rùn)滑劑容易影響固相控制，且易傷害儲(chǔ)層，因此使用受到一定的限制。相比固體潤(rùn)滑劑，液體潤(rùn)滑劑在油田中應(yīng)用更為廣泛。液體潤(rùn)滑劑按照其主要成分可分為礦物油[11–12]、聚α烯烴[13–14]、脂肪酸酯[15–16]、磷酸酯[17–18]和烷基糖苷[19]等類別[20–21]。其中，礦物油類潤(rùn)滑劑耐溫、耐鹽性能較好，但其毒性較大，生物降解性差，熒光級(jí)別高；而聚α烯烴、磷酸酯等液體潤(rùn)滑劑則存在潤(rùn)滑持效性差、極壓膜強(qiáng)度低、抗溫抗鹽性能差和對(duì)環(huán)境影響較大等問題，難以滿足深層油氣的高效開發(fā)需求。因此迫切需要研制一種適用于高磨阻扭矩、高溫高鹽地層的環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑。有機(jī)硼酸酯具有無毒、潤(rùn)滑性好、減摩抗磨性優(yōu)良的特點(diǎn)[22–25]，成為近年來綠色潤(rùn)滑油添加劑的研究熱點(diǎn)之一，在鉆井液中也顯示出了優(yōu)異的潤(rùn)滑性能[26–29]。將以硼酸為原料，與長(zhǎng)鏈脂肪酸、多元醇等反應(yīng)，研制出耐溫耐鹽且環(huán)保的有機(jī)硼酸酯類鉆井液潤(rùn)滑劑SOB。

1 潤(rùn)滑劑SOB的制備

在裝有回流冷凝器、攪拌器的四頸燒瓶中加入山梨糖醇，升溫至160 ℃，加入適量的硼酸，通入氮?dú)夂蠓磻?yīng)3 h；待反應(yīng)結(jié)束后，加入油酸與氫氧化鈉，升溫至200 ℃，反應(yīng)至2.5 h，冷卻得琥珀色黏稠油狀液體即為環(huán)保型抗高溫高鹽潤(rùn)滑劑SOB。

2 潤(rùn)滑劑綜合性能評(píng)價(jià)

2.1 潤(rùn)滑性能

采用EP-B型極限壓力潤(rùn)滑儀和NF-A 泥餅黏附系數(shù)測(cè)定儀參照中國(guó)石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17088—2016《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》評(píng)價(jià)了潤(rùn)滑劑SOB在基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)。

圖1為5.0%基漿中加入不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)，5.0%基漿的潤(rùn)滑系數(shù)高達(dá)0.631，加入潤(rùn)滑劑1%RH-3、油酸甲酯和HEP-1后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)分別降至0.078、0.110和0.128；而加入1%SOB后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降至0.046，所以SOB表現(xiàn)出了更優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。潤(rùn)滑劑SOB濃度對(duì)基漿潤(rùn)滑系數(shù)的影響如圖2所示?？梢钥闯?，隨著潤(rùn)滑劑SOB濃度的增大，基漿潤(rùn)滑系數(shù)逐漸降低。泥餅黏附系數(shù)也表現(xiàn)了同樣的規(guī)律見圖3。

圖1 不同潤(rùn)滑劑對(duì)基漿潤(rùn)滑系數(shù)的影響

圖2 SOB濃度對(duì)基漿潤(rùn)滑系數(shù)的影響

圖3 不同潤(rùn)滑劑對(duì)5%基漿泥餅黏附系數(shù)的影響

如圖3所示，5%基漿的泥餅黏附系數(shù)為0.145，加入潤(rùn)滑劑后，泥餅的黏附系數(shù)顯著降低；加入1%RH-3、油酸甲酯和HEP-1的泥餅黏附系數(shù)分別降至0.0526、0.0582、0.0635；而加入1%SOB后，泥餅的黏附系數(shù)降至0.0405，SOB表現(xiàn)出了更好的潤(rùn)滑性。綜上所述，SOB的潤(rùn)滑效果要優(yōu)于目前常用的潤(rùn)滑劑，這可能是因?yàn)闈?rùn)滑劑能夠吸附在金屬表面形成吸附膜，從而降低了摩阻。

2.2 潤(rùn)滑持效性

用EP-B極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定了基漿中加入1%SOB前后不同極壓摩擦?xí)r間的潤(rùn)滑系數(shù)，來評(píng)價(jià)其潤(rùn)滑的持效性，結(jié)果見表1。

表1 SOB對(duì)基漿極壓摩擦不同時(shí)間的潤(rùn)滑系數(shù)的影響

從表1可以看出，不加SOB時(shí)，隨著極壓摩擦?xí)r間的增加，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)不斷上升，滑塊發(fā)熱，當(dāng)加入1%SOB后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)大幅下降，且隨著極壓時(shí)間的增長(zhǎng)而略有下降，滑塊不發(fā)熱，表明SOB在金屬表面所形成的極壓潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高，潤(rùn)滑持效性好。

2.3 抗溫性能

使用EP-B型極限壓力潤(rùn)滑儀測(cè)試了不同溫度下老化16 h后加入SOB的基漿潤(rùn)滑性來評(píng)價(jià)其抗溫性能，并將其與RH-3、油酸甲酯和HEP-1進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)潤(rùn)滑劑SOB潤(rùn)滑性能的影響

由圖4可用看出，當(dāng)老化溫度小于120 ℃時(shí)，隨溫度的升高，加入1%SOB的基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率從92.7%升高至93.6%；老化溫度超過120 ℃之后，隨著老化溫度的升高，潤(rùn)滑系數(shù)降低率開始下降，老化溫度升高至210 ℃時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率仍保持在90.2%；而在210 ℃老化后加入潤(rùn)滑劑RH-3、油酸甲酯和HEP-1的基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為79.5%，78.3%和77.7%（見圖5），這表明潤(rùn)滑劑SOB的抗溫性能要優(yōu)于RH-3、油酸甲酯和HEP-1，而且當(dāng)老化溫度繼續(xù)增加到240 ℃時(shí)，加入SOB的基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率仍保持在88.9%，表現(xiàn)出了出色的抗溫性能。

圖5 210 ℃老化后不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能

2.4 抗鹽性能

為了評(píng)價(jià)SOB的抗鹽性能，測(cè)試了210 ℃老化后不同NaCl濃度下加入1%SOB的基漿潤(rùn)滑系數(shù)，并與RH-3、油酸甲酯和HEP-1進(jìn)行對(duì)比，見圖6、圖7?？梢钥闯?，隨著NaCl濃度的升高，老化前后加入1%SOB的基漿潤(rùn)滑系數(shù)有所升高，但整體仍保持在較低水平，當(dāng)NaCl濃度增加到35%時(shí)，老化后潤(rùn)滑系數(shù)降低率仍保持在81.3%，表現(xiàn)出了出色的抗鹽性能。

圖6 不同NaCl濃度下潤(rùn)滑劑SOB的潤(rùn)滑系數(shù)

圖7 不同NaCl濃度下潤(rùn)滑劑SOB的潤(rùn)滑系數(shù)降低率

圖8為不同潤(rùn)滑劑在30%NaCl下210 ℃老化前后的潤(rùn)滑系數(shù)降低率。從圖8可以看出，加入RH-3、油酸甲酯和HEP-1的基漿老化后潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為74.6%、71.4%、68.9%，而加入SOB的基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為83.2%，表明SOB相比RH-3、油酸甲酯和HEP-1具有更好的抗鹽性能。綜上，SOB在高溫高鹽情況下仍能保持良好的潤(rùn)滑性能，抗溫抗鹽性能良好。

圖8 30%NaCl下不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)降低率

2.5 SOB對(duì)鉆井液性能的影響

在基漿中加入1%SOB，研究其在150、180和210 ℃老化前后對(duì)基漿性能的影響。由表2可見，加入SOB前后基漿的黏度均略有增大，但增幅較小，所以SOB對(duì)基漿的流變性能影響較??；而且加入SOB后，基漿濾失量減小，所以SOB還能夠改善基漿的濾失造壁性。

表2 潤(rùn)滑劑SOB對(duì)基漿性能的影響

分別測(cè)試1%SOB、1%RH-3、1%油酸甲酯和1%HEP-1在200 ℃老化前后對(duì)高密度鉆井液性能的影響，結(jié)果見表3。鉆井液配方為：400 mL清水+4%膨潤(rùn)土+0.35%碳酸鈉+0.1%FA-367+2%DSP-1+2%SPNH+1%FT+2%NP-1+30%NaCl+重晶石，密度為2.05 g/cm3。

表3 高溫高鹽條件下潤(rùn)滑劑對(duì)高密度鉆井液性能的影響

由表3可知，200 ℃老化后，加入1%SOB前后鉆井液的性能變化不大，濾失量降低，說明SOB不影響鉆井液的流變性、能夠降低鉆井液的濾失量。由潤(rùn)滑系數(shù)降低率數(shù)據(jù)可以看出，SOB具有最優(yōu)的潤(rùn)滑性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潤(rùn)滑劑SOB在高密度鉆井液體系中配伍性良好，能夠提高鉆井液的潤(rùn)滑性能。

3 SOB潤(rùn)滑機(jī)理分析

3.1 吸附實(shí)驗(yàn)

吸附量能反映潤(rùn)滑劑與鉆具之間的相互作用。潤(rùn)滑劑在鉆具上的吸附量越大，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果越好。因此，實(shí)驗(yàn)將鋼片置于潤(rùn)滑劑溶液中模擬潤(rùn)滑劑在鉆具上的吸附，用可見分光光度計(jì)測(cè)定潤(rùn)滑劑在鋼片上的吸附量，吸附時(shí)間為24 h，測(cè)試結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 潤(rùn)滑劑吸附量隨吸附時(shí)間的變化曲線

圖10 吸附量隨潤(rùn)滑劑濃度的變化

如圖9所示，在0.3%SOB溶液中，潤(rùn)滑劑在鋼片上的吸附量在0～6 h內(nèi)迅速增加，24 h后達(dá)到0.338 g/g。圖10表明了吸附量隨潤(rùn)滑劑濃度的變化規(guī)律，當(dāng)潤(rùn)滑劑濃度從0.1%增加至0.5%時(shí)，潤(rùn)滑劑在鋼片上的吸附量從0.27 g/g增加至0.425 g/g，因此，濃度的增加將增強(qiáng)潤(rùn)滑劑對(duì)鋼片的潤(rùn)滑作用，這與潤(rùn)滑系數(shù)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果一致。吸附實(shí)驗(yàn)表明，潤(rùn)滑劑能夠在鋼片表面有效吸附，形成吸附膜，從而防止鉆具與井壁兩摩擦面的直接接觸，大幅降低其潤(rùn)滑系數(shù)，達(dá)到減少磨損、降低摩阻的目的。

3.2 接觸角分析

潤(rùn)滑劑能夠在鋼片表面吸附，形成吸附膜，從而防止鉆具與井壁兩摩擦面的直接接觸，大幅降低其潤(rùn)滑系數(shù)，達(dá)到減少磨損、降低摩阻的目的。潤(rùn)滑劑SOB的分子結(jié)構(gòu)一端為極性基團(tuán)能夠吸附在鉆具表面，而另一端為非極性疏水基團(tuán)，游離于鉆井液中，所以SOB會(huì)對(duì)鉆具的疏水產(chǎn)生影響。因此通過測(cè)試鋼片在潤(rùn)滑劑溶液浸泡前后的接觸角變化可以分析潤(rùn)滑劑在金屬表面的吸附性能。圖11為鋼片浸泡潤(rùn)滑劑溶液前后的接觸角。

圖11 鋼片在潤(rùn)滑劑溶液中浸泡前后的接觸角

由圖11可知，經(jīng)潤(rùn)滑劑SOB浸泡后，鋼片的接觸角由38.2°增大至78.3°，疏水性顯著增強(qiáng)，說明SOB在鋼片表面形成了疏水性吸附膜。這主要是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)上富含的羥基和酯基等基團(tuán)，吸附能力強(qiáng)，能夠在金屬等表面形成吸附膜，其較長(zhǎng)的疏水烷烴鏈向外排列形成較厚的潤(rùn)滑層，使金屬與金屬、金屬與巖石的直接接觸變成了潤(rùn)滑膜之間的接觸，從而降低了潤(rùn)滑系數(shù)，達(dá)到潤(rùn)滑的作用。

3.3 潤(rùn)滑機(jī)理分析

潤(rùn)滑劑SOB分子中酯基、羥基等極性基團(tuán)能夠在硅酸鹽礦物或金屬表面吸附，其較長(zhǎng)的疏水烷烴鏈向外排列形成較厚的物理吸附膜，使金屬與金屬、金屬與巖石的直接接觸變成了潤(rùn)滑膜之間的接觸，大幅降低了潤(rùn)滑系數(shù)，達(dá)到減少磨損、降低摩阻的目的。當(dāng)溫度升高時(shí)，SOB潤(rùn)滑劑中的硼酸基團(tuán)在一定壓力下與鉆具表面的金屬原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的無機(jī)物膜。而這種無機(jī)物膜熔點(diǎn)高、對(duì)鹽不敏感，剪切強(qiáng)度低，能夠牢固連結(jié)在金屬表面，在高溫高鹽下能夠有效保護(hù)金屬表面不致發(fā)生黏著磨損，而且在摩擦過程中，化學(xué)反應(yīng)膜被磨去后能夠迅速生成新的無機(jī)物膜，從而能夠達(dá)到長(zhǎng)效潤(rùn)滑的目的。

4 結(jié)論

1.以硼酸為原料，與長(zhǎng)鏈脂肪酸、多元醇等反應(yīng)，研制出抗高溫抗鹽的有機(jī)硼酸酯類鉆井液潤(rùn)滑劑SOB，該潤(rùn)滑劑在高溫高鹽下具有良好的潤(rùn)滑性能。在5%基漿中加入1%潤(rùn)滑劑SOB后，潤(rùn)滑系數(shù)降低率為92.7%，泥餅的黏附系數(shù)降低至0.0405，極壓潤(rùn)滑持效性強(qiáng)；210 ℃下潤(rùn)滑系數(shù)降低率保持在90.2%；210 ℃、35%NaCl下，5%基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率保持在81.3%。

2.高溫高鹽下潤(rùn)滑劑SOB可以改善高密度鉆井液體系的潤(rùn)滑性能。高溫高鹽條件下，加入

SOB的高密度鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為45.09%，相比潤(rùn)滑劑RH-3、油酸甲酯和HEP-1分別提高19.26%、26.55%和29.86%。且SOB對(duì)不影響鉆井液的流變性，降低鉆井液的濾失性，是一種優(yōu)良的水基鉆井液潤(rùn)滑劑。

3.潤(rùn)滑劑SOB能夠快速吸附在鉆具表面，形成一層疏水性好、強(qiáng)度高的物理吸附膜，同時(shí)在高溫極壓環(huán)境下，SOB分子中的硼酸基團(tuán)能夠與鉆具表面的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成對(duì)鹽不敏感的無機(jī)物膜，從而在高溫高鹽條件下仍能夠使鉆具與鉆具、鉆具與井壁之間的直接摩擦變成與潤(rùn)滑膜的摩擦，顯著降低潤(rùn)滑系數(shù)，起到良好的潤(rùn)滑作用。