水基鉆井液用環(huán)保型潤滑劑的研究綜述

寧新軍，姬文鈺，潘謙宏，都偉超，劉雄雄

(1.西安長慶化工集團有限公司，陜西 西安 710068；2.西安石油大學，陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術與儲層保護重點實驗室，陜西 西安 710065；3. 西安石油大學，油氣田化學陜西省高校工程研究中心，陜西 西安 710065)

中國石油經濟技術研究院發(fā)布的《2019 年國內外油氣行業(yè)發(fā)展報告》表明，我國原油的進口比重持續(xù)增加，2019 年我國原油進口量為50572 萬t，同比增長9.5%，對外依存度高達70.8%；天然氣進口量為1373 億m3，同比增長6.9%，對外依存度達43%[1-2]。鑒于此，在保證現(xiàn)有油氣井數(shù)量與產量的基礎上，必須大力開發(fā)新的油氣資源，增加油氣鉆探數(shù)量，強化油氣供應保障的能力，構建油氣安全保障體系[3-4]。

在油氣鉆探領域，使用常規(guī)井和非常規(guī)井來開采石油和天然氣，具有各自的特點和優(yōu)勢。相比常規(guī)井，超長水平井﹑叢式井和大位移井等非常規(guī)井，具有產量和采收率更高﹑適用性更廣泛的優(yōu)勢，因而在油氣鉆探中的數(shù)量和比重在逐年增加[5-6]。但在鉆探過程中，這些井易出現(xiàn)坍塌﹑卡鉆和鉆頭泥包等問題。例如在井斜角增大時，鉆具與井壁之間的接觸面積也會增大，引起鉆井的摩阻和扭矩增大，導致鉆井液的潤滑性能變差，并出現(xiàn)托壓﹑卡鉆等情況，影響工程進度，也會提高相應的鉆井成本[7-9]。如何解決鉆進過程中高摩阻和高扭矩的問題，是目前鉆探過程中的研究重點。有研究者認為，降低鉆井液的摩阻和扭矩最有效的方法，是在鉆井液中加入鉆井液潤滑劑，以降低鉆桿﹑套管﹑鉆具與井壁的摩擦系數(shù)，提高鉆井液的潤滑性能，從而預防甚至減少或避免托壓﹑壓差卡鉆﹑鉆頭泥包等工程事故的發(fā)生，壓縮鉆井工程周期，降低鉆井成本[10-11]。在鉆進過程中出現(xiàn)高摩阻的原因主要有以下幾點：

1）隨著鉆探深度增加，為了防止發(fā)生井噴以及平衡地層之間的壓力，必須提高鉆井液的密度，以維持壓差平衡。但鉆井液密度增大的同時，又會導致鉆井液和地層壓力之間形成壓差并逐漸增大，泥餅變厚，鉆具和泥餅的接觸面積增大，鉆井液的摩阻增大；

2）水平段地層的泥頁巖易水化造漿，引起鉆井液增稠，進而導致潤滑性能減弱，鉆進阻力增大；

3）隨著鉆探深度增加，井內溫度逐漸升高，抗溫能力不足的鉆井液潤滑劑會逐漸失效，導致鉆井液潤滑劑的潤滑效果逐漸變差，鉆井液的摩阻增大；

4）水基鉆井液潤滑劑的持續(xù)潤滑時間短。處理劑加入井漿2h 后，潤滑系數(shù)的降低率通常會比剛加入時降低40%~50%，持效性較差。

1 鉆井液潤滑劑概述

1.1 潤滑類型

摩擦是相互接觸的兩物體之間存在凹凸不平的表面，發(fā)生相對運動后產生的相互磨損，潤滑則是在相互接觸的兩物體之間加入潤滑劑，以隔開摩擦表面，防止兩物體直接接觸而造成磨損。良好的潤滑效果可以提高機械效率，保證長時間的可靠工作，減少不必要的浪費。潤滑效果較差時，輕則會導致機械效率下降，重則導致機械損壞。因此潤滑的作用非常重要。鉆井液中的潤滑分為2 種[12]，一種是邊界潤滑，即摩擦面上存在1 層吸附薄膜或潤滑薄膜，薄膜具有較好的強度和韌性，以此來改善鉆井液的潤滑性能，降低鉆具和套管的磨損；另一種是流體潤滑，是在一定的條件下，兩摩擦表面被1 層具有一定厚度的黏性流體分開，黏性流體的壓力可以平衡摩擦零件所受的外載荷。

1.2 影響鉆井液潤滑性能的主要因素

評價鉆井液潤滑劑在鉆井液中的潤滑性能，主要是測定泥餅的黏滯系數(shù)和鉆井液的潤滑系數(shù)，二者均可反映鉆井液的潤滑性能。影響鉆井液潤滑性能的主要因素有以下一些[13-15]：1）鉆井液中的固相含量；2）鉆井液的pH 值；3）鉆井液的濾失性；4）鉆井液的密度。即在高密度情況下，如何保持鉆井液潤滑性能的穩(wěn)定；5）鉆井液添加劑，尤其是有機高分子添加劑；6）鉆井液的黏度；7）垂直井深及井內溫度；8）井身結構；9）鹽的種類及加量。

1.3 國內外的研究現(xiàn)狀

目前，國外應用的鉆井液潤滑劑種類有180 多種，鉆井液潤滑劑的使用量大約占鉆井液處理劑使用量的6%。隨著時代的發(fā)展，超深井﹑大位移井﹑長水平井及大斜度井技術的發(fā)展日新月異，對鉆井液潤滑劑的性能也提出了更高的要求。此外，隨著環(huán)保政策的日益嚴格，為避免鉆井對水源保護區(qū)﹑動植物保護區(qū)造成污染，也為了提高油氣產量和采收率，采用大位移井和長水平段水平井，已成為油氣開采的首選，但其對鉆井液的性能要求，尤其是對鉆井液潤滑性能的要求很高，促使鉆井液潤滑劑更新?lián)Q代的速度逐漸加快。為此，研究人員陸續(xù)開發(fā)出了高性能的固體潤滑劑﹑極壓潤滑劑﹑環(huán)保潤滑劑及納米潤滑劑等多種新型且環(huán)保的鉆井液潤滑劑，其中部分產品因具有優(yōu)異的潤滑性能，已在實際生產中大規(guī)模使用。

Epergne J L 等人[16]制備了一種適用于長水平井和深井鉆探的水基鉆井液潤滑劑。該潤滑劑的芳烴含量低，28d 后的生物降解性好，潤滑效果好。Pober K W 等人[17]研發(fā)了一種適用于高pH 鉆井液體系的潤滑劑組合物，能夠在高pH 鉆井液體系中（pH＝7~14）發(fā)揮良好的潤滑效果，避免了常規(guī)潤滑劑在堿性條件下因水解而導致潤滑作用失效，最終導致鉆井液潤滑性能減弱的問題。Zhang H J 等人[18]制備了基于磷脂的﹑改性的乙氧基化蓖麻油基化學物質，該物質對鹽水鉆井液而言是非常有效且環(huán)保的潤滑劑。

Saffari H R M 等人[19]制備了適用于水基鉆井液的納米硼酸鹽潤滑劑（鎂﹑鋅﹑鋁和鈦的硼酸鹽）。研究表明，水基鉆井液中加入納米硼酸鹽后，在極端條件下，該潤滑劑可在接觸表面上生成穩(wěn)定且牢固的保護膜（摩擦膜），從而降低鉆井液的潤滑系數(shù)，提高潤滑性能。在所有制備的納米添加劑中，硼酸鈦的生物降解性好，能顯著改善鉆井液的摩擦學性能。

Chang Z Y 等人[20]將ZDDP 與其它鉆井液潤滑劑（如脂肪酸酯﹑石墨﹑植物油等）復配，再將復配的潤滑劑加入硅酸鹽鉆井液體系中。研究表明，復配少量ZDDP 后，ZDDP 會在鉆桿上形成1 層抗壓﹑抗剪切﹑具有一定強度和韌性的極壓潤滑膜，從而降低了硅酸鹽鉆井液的摩擦系數(shù)。Albrecht M S 等人[21]將十六烷基糖苷﹑脂肪醇聚醚和淀粉復配后，制備了適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤滑劑。

Nunes 等人[22]對非離子甘油單酸酯表面活性劑(C8﹑C10﹑C12﹑C16 和C18 碳鏈)在水中的潤滑機理進行研究后得出結論：甘油單酸酯在水中的濃度超過0.5wt%，即可大大降低水中的摩擦系數(shù)，原因是隨著甘油單酸酯的烴鏈長度增加，甘油單酸酯可更好地吸附在金屬表面，并形成潤滑膜，從而明顯降低摩擦系數(shù)。結果還表明，甘油單酸酯在XG 膠液中可進一步降低摩擦系數(shù)，原因是其可能會與多糖形成復合物，從而產生協(xié)同效應。此外，形成的多糖-表面活性劑復合物可以提高潤滑劑的潤滑效果，原因是它有助于將很難溶解的潤滑劑分散到水中，從而在金屬表面進行進一步吸附。

Gerhard 等人[23]研究了多種脂肪化合物的潤滑性，發(fā)現(xiàn)脂肪化合物比烴具有更好的潤滑性，原因是它們擁有極性的O 原子。通過研究各種含氧的C10化合物，得到可增強潤滑性的含氧基團的順序為：COOH ＞CHO ＞OH ＞COOCH3＞C＝O ＞C-O-C。對帶有NH2﹑OH 和SH 基團的純凈的C3化合物的研究結果表明，相比氮和硫，氧更能提高潤滑性。甄劍武[24]以長鏈脂肪酸植物油為原料，通過酯化反應和硫化反應合成了RHJ-1 潤滑劑。將該潤滑劑加入密度為2.1kg?L-1的鉆井液中，潤滑系數(shù)可降至0.105，抗溫性可達150℃。

桑峰軍[25]以基礎油BBO-2 和復合表面活性劑EMA 為原料，通過正交實驗優(yōu)化反應條件，最終制備了一種環(huán)保型鉆井液潤滑劑QLH-1。該潤滑劑具有較好的流動性﹑抗溫性及配伍性，熒光級別低，無毒，生物降解性好。將其加入4%淡水基漿中，潤滑系數(shù)的降低率達88%。吳迪[26]將環(huán)保型液體潤滑劑RH-2 與聚胺抑制劑JN-1 進行復配，形成了一套強抑制高潤滑的聚合物鉆井液體系。該體系的抑制性好，配伍性和抗溫性好，潤滑效果明顯。錢曉琳等人[27]以天然脂肪酸和有機多元醇為主要原料，制備了環(huán)保型鉆井液潤滑劑SMLUB-E。在膨潤土基漿中加入SMLUB-E 潤滑劑，摩阻系數(shù)有明顯降低；在聚磺鉆井液中加入該潤滑劑，潤滑效果優(yōu)于原油；耐溫可達160℃，流變性﹑配伍性和環(huán)保性能好?，F(xiàn)場應用時表現(xiàn)出良好的潤滑性能，可避免托壓﹑卡鉆等現(xiàn)象的產生。

曹硯鋒等人[28]以天然植物油為原料，通過低碳酸酯化反應，制得了含C＝O 官能團的長鏈脂肪酸酯，并通過復配表面活性劑，制備了一種抗溫性和潤滑性好﹑無毒﹑生物降解性好的環(huán)保型鉆井液潤滑劑。管申等人[29]以高分子脂肪酸為基料，引入納米潤滑劑和抗溫基團，制備了一種抗高溫﹑潤滑﹑減阻的NC-1 鉆井液潤滑劑，對其進行潤滑性能評價后發(fā)現(xiàn)，該潤滑劑具有較好的潤滑性能和減阻性能，在6%膨潤土漿中加入NC-1 潤滑劑，黏滯系數(shù)和潤滑系數(shù)的降低率在85%和75%以上。印樹明等人[30]針對高溫﹑高密度條件下鉆井液在超深井應用時潤滑性能較差的問題，考察了潤滑劑加量與鉆井液潤滑性能之間的關系。結果表明，固體和液體潤滑劑加量在1%~3%時，即可改善鉆井液的潤滑性能；在鉆井液中加入少量石墨，可降低鉆井液的潤滑系數(shù)，但石墨加量較大則不利于改善鉆井液的潤滑性能。

李斌等人[31]針對大位移井長水平段的潤滑性能較差的問題，以長鏈脂肪酸和小分子多元醇為原料，輔以含硫極壓添加劑，制備了高性能水基鉆井液用潤滑劑SDL-1，并對其進行了潤滑性能評價和潤滑機理分析。結果表明，常溫下，SDL-1 分子中的脂基與羰基官能團通過分子間作用力或范德華力吸附在鉆具表面，形成物理潤滑膜。高溫下，SDL-1中的脂基與極壓添加劑反應生成金屬皂，在鉆具表面形成化學反應膜，達到潤滑減摩的效果。董兵強等人[32]針對液體潤滑劑存在的抗溫性差﹑起泡率高等問題，以液態(tài)石蠟﹑司盤80 及吐溫80 等為原料，結合膠體與界面化學理論，研發(fā)了一種高性能油包水型微乳液潤滑劑NE，并對其進行了潤滑性能評價和潤滑機理分析。結果表明，NE 加入鉆井液中，具有較好的潤滑性能和抗溫性能，且無毒易降解。鉆井液潤滑性能變好的原因，是NE 加入鉆井液后會形成大量的納米乳液滴，且液滴界面膜上存在帶正電的極性基團，易吸附在金屬掛片的表面形成納米潤滑膜，從而極大提高了鉆井液的潤滑性能。

司西強等人[33]以高性能的聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）為主劑并復配其它處理劑，構建了新的鉆井液體系并進行了配方優(yōu)化，形成了低成本﹑高性能的環(huán)保型NAPG 類油基鉆井液體系。研究表明，在鉆井液中加入NAPG，可有效降低鉆井液的潤滑系數(shù)，改善鉆井液的潤滑性能。測定濾液的表面張力后發(fā)現(xiàn)，表面張力僅為26.60mN?m-1，原因是NAPG類油基鉆井液體系中存在聚醚結構和長鏈有機胺結構，使得NAPG 類油基鉆井液體系的疏水作用得到加強。

孔凡波將植物油胺解后產生的酰胺基團與低碳酸進行反應，制備了植物油酰胺潤滑劑。將質量濃度為0.5%的潤滑劑加在基漿中，潤滑系數(shù)的降低率達87.9%，且該潤滑劑具有很好的抗溫抗鹽能力和配伍性。

1.4 鉆井液潤滑劑的作用機理

按相態(tài)對潤滑劑進行分類，可分為固態(tài)潤滑劑和液態(tài)潤滑劑。固態(tài)潤滑劑主要有石墨﹑塑料小球和玻璃微珠等惰性球形圓粒。固態(tài)潤滑劑在水﹑油及溶液中難以溶解，但是可以較好地分散在液體中，并以粒子的狀態(tài)存在，因此具有較高的抗壓強度，難以變形破碎，具有無毒﹑對環(huán)境友好﹑在極端環(huán)境下也適用的優(yōu)勢[34-35]。主要的潤滑機理，是其像滾珠一樣鑲嵌在2 個相互滑動的金屬面間，可將原有的滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，以此來降低摩擦阻力和扭矩阻力，達到潤滑減磨的作用[36-37]。但固體潤滑劑的顆粒較小，且易粘附在粘土上，容易被振動篩清除，因此固態(tài)潤滑劑的應用受到一定的限制。液態(tài)潤滑劑主要來源于石油產品的衍生品，包括原油﹑礦物油和瀝青等物質[38]。由于環(huán)保問題，這些潤滑劑目前已逐步被環(huán)保型潤滑劑所取代。環(huán)保性較好的潤滑劑主要是降解性極好的脂肪酸酯﹑植物油改性的烷基糖苷及生物表面活性劑等[39-41]。其潤滑機理主要是分子結構中具有類似表面活性劑的疏水基與親水基，因此可以在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上吸附潤滑劑，并形成較厚的潤滑膜，從而避免鉆具與井壁及套管發(fā)生直接接觸，降低摩擦阻力和扭矩阻力，并起到潤滑減摩的作用[42]。因此液態(tài)潤滑劑在鉆井液中的潤滑效果，與潤滑劑在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上的吸附量﹑所形成的潤滑膜的強度及厚度等有關。潤滑劑在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上的吸附量，以及所形成的潤滑膜的強度及厚度，則是由潤滑劑所含的疏水基團和親水基團的分子結構﹑碳鏈的長度以及吸附覆蓋面的大小決定[43]。

2 展望

目前，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，研發(fā)環(huán)保型的鉆井液潤滑劑成為趨勢。在高溫﹑高密度﹑高固相含量等極端條件下，確保鉆井液潤滑劑能持續(xù)發(fā)揮作用成為關鍵，也是科研人員的研究重點。此外，大多數(shù)處理劑包括潤滑劑只具有單一的作用，研發(fā)具有多重功能的鉆井液處理劑，如以潤滑為主，降濾失為輔，并兼具良好抑制性的處理劑等，是一個重要的研究方向。