不同類型潤滑劑在鉆井液中的作用效果研究

王林林

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

在鉆井過程中，由于由鉆柱和井壁、套管相互作用產生的摩擦力和扭矩會導致拖壓和卡鉆等情況發(fā)生。此外，在套管內部，由于鉆柱和套管之間的金屬—金屬表面接觸形成的摩擦也會導致套管磨損。在大位移井、水平井、大斜度定向井的鉆進過程中，由于狗腿度過大、井眼軌跡不規(guī)則等原因，這種情況尤其嚴重，經常會引發(fā)鉆井過程中扭矩過大、拖壓嚴重等問題。

與水基鉆井液相比，油基和合成基鉆井液在鉆井過程中具有更低的摩擦力和扭矩，但是由于使用成本和環(huán)境保護問題，油基鉆井液和合成基鉆井液的使用受到嚴重限制。

在使用水基鉆井液過程中，為了解決鉆井過程中的摩阻和扭矩問題，通常會在水基鉆井液中加入固體潤滑劑和液體潤滑劑[1-2]。其中固體潤滑劑的作用類似于滾珠軸承，一般為惰性物質，通常不影響鉆井液的性能，但固體潤滑劑在特定情況下可能會導致井下鉆具出現故障。液體潤滑劑的作用機理是在鉆具和井壁表面之間形成一層潤滑薄膜，潤滑膜的厚度大于接觸面的粗糙層厚度，并且其強度可以抵抗接觸壓力，從而最大限度地減少摩擦表面的直接接觸面積，起到降低摩擦力和扭矩的目的[3-4]。由于潤滑劑與鉆井液中的其他物質之間產生相互作用，潤滑效果和潤滑劑的濃度密切相關。

學者Tyldsley 研發(fā)了一種商品名稱為SSP的植物油基改性潤滑劑，該潤滑劑能很好地克服鉆井時產生的扭矩和摩阻問題。他的研究結果表明，在加入SSP后，實鉆過程中的扭矩值降低了30%。此外，SSP還可以通過降低API 濾失量來幫助穩(wěn)定水基鉆井液體系。但是，現場應用結果表明，SSP 提高了鉆井液的動切力。此外，重晶石和巖屑等固相也會影響鉆井液的摩阻，1999年Quigley 使用鉆井液潤滑性測試儀分析了分散和不分散鉆井液體系中的多種鉆井液用液體潤滑劑的摩擦系數。用于研究的鉆井液密度從1.00 g/cm3到1.68g/cm3不等。得出的結論為：部分潤滑劑在降低扭矩和阻力的同時，可以降低鉆頭泥包發(fā)生的概率，提高泥餅質量，可以幫助穩(wěn)定井壁。他還指出，低密度鉆井液具有更低的摩擦系數。因此，在進行鉆井液乳化劑性能評價時，應該考慮在高pH 值、高鈣離子含量、高氯化物含量和高密度鉆井液樣品中檢驗潤滑劑的性能測試。

在本研究中，主要考察了改性植物油類潤滑劑、合成酯類潤滑劑、醇醚類潤滑劑這三類常用的商業(yè)潤滑劑在鉆井液中的潤滑效果和對鉆井液流變性、濾失量、密度和潤滑性的影響，以期確定潤滑性能好、成本低的潤滑劑。

選擇現場最為普遍的聚合物鉆井液作為本次研究的評價用鉆井液。該鉆井液的配方為：3%膨潤土+0.2%PAC-LV+0.4%抑制劑+1%聚合物降濾失劑+0.1%XC+2%磺化瀝青。在進行潤滑劑評價前，首先將配制的鉆井液在100℃條件下進行16h 的老化，從而更好地模擬現場實際情況。

2 實驗程序

2.1 所需原料

膨潤土、PAC-LV、黃原膠、抑制劑、聚合物降濾失劑、磺化瀝青、重晶石均為現場取樣。實驗中用于評價的改性植物油類潤滑劑、合成酯類潤滑劑、醇醚類潤滑劑 分 別 用 代 號DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3 表示。用于進行評價抗鹽性評價的氯化鈉也為工業(yè)品。

2.2 潤滑性測試

當兩個直接接觸的物體之間存在相對運動時，阻礙相對運動的摩擦力就會發(fā)揮作用。潤滑劑是為了減少鉆井過程中產生的摩擦力，為了在實驗室條件下更為準確的測試潤滑劑的潤滑性能，需要模擬鉆柱的旋轉速度和鉆柱對井壁或套管的壓力。本實驗研究中，使用Fann極壓潤滑儀來測量鉆井液體系的潤滑性，并預測鉆井液造成的井下機械鉆具的磨損情況。

2.3 鉆井液性能測試

主要測試鉆井液的pH 值、鹽含量、密度、粘度、動切力、塑性粘度、失水、起泡性等常規(guī)性能。

3 結果討論

3.1 潤滑劑對鉆井液常規(guī)性能的影響實驗

將不同濃度的DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3分別加入到聚合物鉆井液中，其性能見表1。

表1 潤滑劑對鉆井液性能的影響

從表1 中數據可以得知，改性植物油類潤滑劑DQLU-1具有良好的配伍性和潤滑性，其加量為2%時即可起到顯著的潤滑效果，可將基漿的潤滑系數從0.249 下降到0.095，下降幅度為52%。DQLU-1 對鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力和初終切影響均較小，DQLU-1加入鉆井液中也沒有起泡現象，說明該潤滑劑對鉆井液的流變性沒有負面影響。加入DQLU-1 后，體系的失水略有降低，這可能是因為潤滑劑和鉆井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，從而提高了濾餅質量降低了失水。此外，在實驗過程中發(fā)現，加入DQLU-1后，形成的泥餅更為致密，表面更為光滑，說明潤滑劑DQLU-1有助于提高泥餅質量。

從表1 中可以看出，合成酯類潤滑劑DQLU-2 同樣具有良好的配伍性和潤滑性，其加量在2%時即可起到一定的潤滑效果，可將基漿的潤滑系數從0.249下降到0.168，下降幅度為33%，略低于DQLU-1。加入DQLU-2后鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力均略有增高，DQLU-2加入鉆井液中也沒有起泡現象，該潤滑劑對鉆井液的流變性影響較小，產生的影響是在現場應用過程中可以接受的。加入DQLU-2后，體系的失水降低幅度較小，這可能是因為潤滑劑和鉆井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，從而提高了濾餅質量降低了失水。此外，在實驗過程中發(fā)現，加入DQLU-2后，形成的泥餅也較為致密，表面較為光滑，說明潤滑劑DQLU-2 有助于提高泥餅質量。

加入的醇醚類潤滑劑DQLU-3 和鉆井液體系也具有良好的配伍性，但潤滑性相對較差，其加量在2%時可將基漿的潤滑系數從0.249 下降到0.204，下降幅度為18%，為三種潤滑劑中潤滑效果最差的一種。加入DQLU-3 后鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力變化不大，DQLU-3 加入鉆井液中也沒有起泡現象，說明該潤滑劑對鉆井液的流變性影響較小，產生的影響是在現場應用過程中可以接受的。加入DQLU-3后，體系的失水基本沒有變化，說明該潤滑劑沒有降低失水的作用。此外，在實驗過程中發(fā)現，加入DQLU-2后，形成的泥餅質量低于前兩種潤滑劑，說明潤滑劑DQLU-3的整體性能較差。

3.2 氯離子對鉆井液性能和潤滑性的影響實驗

在聚合物鉆井液基漿中加入3%的氯化鈉來測試氯離子對鉆井液性能和潤滑性的影響實驗，實驗數據見表2。

表2 氯離子對鉆井液性能和潤滑性的影響

從表2 中數據可以看出。氯離子的存在會對潤滑劑和鉆井液的各項性能產生負面影響。加入氯化鈉后，含2%潤滑劑的三種鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力和初終切均發(fā)生明顯變化，尤其是初終切的變化值較大，過高的切力將嚴重影響鉆井液在施工過程中的開泵泵壓，對整個施工環(huán)節(jié)產生不利影響。氯化鈉的存在也在一定程度上增加了失水。此外，氯化鈉的存在使?jié)櫥瑒┑臐櫥阅芤彩艿搅素撁嬗绊懀瑵櫥禂到档吐室裁黠@下降。在實驗過程中還發(fā)現，含鹽鉆井液形成的濾餅質量也差于之前不含鹽的濾餅，并有明顯的虛泥餅存在。

3.3 pH值對鉆井液性能和潤滑性的影響實驗

使用適量的NaOH 將聚合物鉆井液基漿的pH 值從之前的9左右調整到11左右，考察pH對鉆井液性能和潤滑性的影響，實驗數據見表3。

表3 pH值對鉆井液性能和潤滑性的影響

從表3 中數據可以看出。將pH 值增加到11 以后會對潤滑劑和鉆井液的各項性能產生一定影響。提高pH后，含2%潤滑劑的三種鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度和動切力均有所增加，終切顯著增大，上述變化不利于鉆井液體系的現場使用。失水略有降低，潤滑能力基本沒有受到影響。說明所評價的三種潤滑劑的潤滑效果基本不受pH值變化的影響。

3.4 密度對鉆井液性能和潤滑性的影響實驗

在鉆井液基漿中按照重量/體積百分比分別加入3%、6%、9%、15%和20%的重晶石粉，然后分別加入2%的三種潤滑劑，考察密度對鉆井液性能和潤滑性的影響。通過對實驗數據分析可以得出，僅增加鉆井液密度不會改變鉆井液的潤滑性能。但隨著密度的增加，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力和初終切均逐步增大。

4 結論和建議

本研究對鉆井液液體潤滑劑的性能進行了分析。實驗了三種不同類型的商用潤滑油（改性植物油類潤滑劑、合成酯類潤滑劑、醇醚類潤滑劑）在鉆井液中的潤滑效果和對鉆井液流變性、濾失量、密度和潤滑性的影響。同時還分析了氯離子含量、pH值和密度等條件對鉆井液性能和潤滑劑潤滑效果的影響，獲得如下結論。

（1）三種潤滑劑在聚合物鉆井液體系中都具有較好的配伍性，其中改性植物油類潤滑劑DQLU-1的潤滑性最好，在2%加量下即可起到顯著的潤滑效果，可將基漿的潤滑系數從0.249下降到0.095，潤滑系數降低率為52%；合成酯類潤滑劑DQLU-2的潤滑系數降低率為33%；醇醚類潤滑劑DQLU-3效果最差，下降幅度為18%

（2）氯離子的存在會對潤滑劑的潤滑效果和鉆井液的流變性產生負面影響。在鉆井液體系中加入3%氯化鈉后，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力和初終切均發(fā)生明顯變化，其中初終切的增幅較大，會對施工環(huán)節(jié)產生較為嚴重的不利影響。氯化鈉的存在使?jié)櫥禂到档吐室裁黠@下降。

（3）提高pH值后，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度和動切力均有所增加，終切顯著增大，但潤滑劑的潤滑能力沒有受到明顯影響。

（4）增加鉆井液密度不會改變鉆井液的潤滑性能。但隨著密度的增加，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動切力和初終切均逐步增大，這一趨勢與其他實驗相符合。