鉆井液用高溫極壓潤滑劑的性能研究

李文波

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

隨著海上石油鉆井由淺水向深水、超深水發(fā)展，在海上鉆探高溫高壓大位移井和水平井日益增多，海上鉆井工程面臨著高溫高壓高鹽、高摩阻引起的托壓、起下鉆遇阻、下套管困難等井下復(fù)雜情況，大大增加了作業(yè)難度和鉆井成本[1-2]。在鉆井液體系中加入潤滑劑于金屬和巖石表面形成油膜，可以有效降低鉆柱和井壁間的摩擦阻力，減少卡鉆和鉆具磨損，實現(xiàn)安全、快速鉆井[3]。常規(guī)潤滑劑通過極性基團吸附作用形成物理油膜。一方面，在鉆進大位移井和水平井時的高負(fù)荷條件下，通過物理吸附形成的油膜極易被破壞，以致失去潤滑效果；另一方面，在高溫、高壓、高鹽的鉆井條件下，常規(guī)潤滑劑易降解失效，增大了材料消耗和鉆井成本[4]。在鉆井液體系中引入極壓潤滑劑是有效解決上述問題的方法之一[5]。通常極壓潤滑劑分子結(jié)構(gòu)中含有硫、氯、磷、硼等元素，在高溫高壓等極端條件下可在金屬表面通過化學(xué)反應(yīng)形成致密穩(wěn)定的保護膜，從而發(fā)揮抗磨減摩作用[6-8]。本文在硫化脂肪酸類衍生物極壓潤滑劑的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）,并采用極壓潤滑儀和四球摩擦磨損試驗機評價了其潤滑性能和抗磨性能。

1 實驗材料與使用方法

1.1 實驗材料和儀器

1.1.1 實驗材料 硫化脂肪酸鹽（SFA）、硫化豬油（SL-1/SL-2）、硫化脂肪酸酯（SFAE）為商品潤滑劑；多羥基脂肪酸酰胺、多羥基脂肪酸酯；甲酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉以及單質(zhì)硫等材料為分析純；抗高溫聚合物Polytemp180 和Polytemp200 等鉆井液材料由藍海博達科技有限公司提供。

1.1.2 實驗儀器 六速旋轉(zhuǎn)黏度計和極壓潤滑儀（OFITE 公司）；四球摩擦磨損試驗機（MRS-10A 型，濟南益華摩擦學(xué)測試技術(shù)有限公司）；傅里葉紅外光譜儀（BRUKER 公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 SFAA 的合成 SFAA 由實驗室合成。將多羥基脂肪酸酰胺36.96 g、多羥基脂肪酸酯63.04 g 和10 mL乙二胺加入到250 mL 三口燒瓶中攪拌均勻后，升溫至195 ℃，在氮氣保護下分三次加入9 g 單質(zhì)硫后繼續(xù)攪拌反應(yīng)6 h；反應(yīng)結(jié)束后用少量石油醚洗滌，減壓蒸餾除去低沸點雜質(zhì)和溶劑得到的黏稠液體即為產(chǎn)物。采用傅里葉紅外光譜儀表征SFAA 的分子結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 SFAA 的紅外譜圖

由圖1 可知，3 300～3 500 cm-1處的寬峰為-OH和酰胺基-CONH 的伸縮振動吸收峰；2 922.46 cm-1和2 853.16 cm-1處為甲基-CH3和亞甲基-CH2-的伸縮振動吸收峰；1 741.57 cm-1處為酯基中C=O 伸縮振動吸收峰；1 628.79 cm-1處為酰胺基中C=O 伸縮振動吸收峰；1 460.70 cm-1和1 378.48 cm-1處為-CH3的彎曲振動吸收峰；622.87 cm-1處出現(xiàn)了C-S 鍵的特征振動吸收峰；酯基和碳硫鍵的出現(xiàn)說明得到了預(yù)定產(chǎn)物。

1.2.2 鉆井液性能測試 按照如下配方配制水基鉆井液基漿：海水+1.0%預(yù)水化膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+1.5%聚合物Polytemp180+2.0%聚合物Polytemp200+30.0%甲酸鉀。

將不同潤滑劑樣品分別加入不同鉆井液基漿中，高速攪拌30 min，經(jīng)室溫養(yǎng)護4 h 后用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定其流變參數(shù)，用極壓潤滑儀測量潤滑系數(shù)；將上述鉆井液在相應(yīng)溫度下熱滾16 h 后，冷卻至室溫，高速攪拌10 min 后分別測定流變性能、高溫高壓濾失量以及潤滑系數(shù)。

1.2.3 四球摩擦實驗 最大無卡咬負(fù)荷（Pb值）：依據(jù)《GB/T 12583 潤滑劑極壓性能測定法》測定，設(shè)定轉(zhuǎn)速1 760 r/min，施加不同載荷，運轉(zhuǎn)時間10 s。

四球摩擦性能測試：設(shè)定轉(zhuǎn)速60 r/min，施加載荷150 N，運轉(zhuǎn)時間30 min，測定鋼球磨斑直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 含硫極壓潤滑劑性能評價

硫化產(chǎn)品由于具有優(yōu)異的抗氧化性、極壓性、抗磨性、潤滑性、耐腐蝕性等性能特點，作為主劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬加工業(yè)，調(diào)和高端沖壓油、拉伸油、冷鐓成型油、切削油、調(diào)和導(dǎo)軌油以及應(yīng)用于膠黏、皮革助劑等其他行業(yè)[9]。為了研究硫化產(chǎn)品在鉆井液中的潤滑性能，選取了不同分子結(jié)構(gòu)的硫劑，其基本參數(shù)信息見表1?？梢钥闯?，SL-1 和SL-2 均為硫化豬油，盡管硫含量不同，分別為11%和19%，但其具有相同的Pb 值，說明二者在極端壓力下在金屬等摩擦面形成穩(wěn)定抗極壓膜的能力接近。其他產(chǎn)品的硫含量和Pb 值范圍都與SL-1 相近，便于不同分子結(jié)構(gòu)的硫劑在鉆井液中的潤滑性能考察和比較。

表1 不同硫劑的參數(shù)信息

考察了溫度在50～210 ℃內(nèi)加入1%硫化材料后水基鉆井液的滾后潤滑性能，見圖2。從圖2 可以得知，水基鉆井液基漿滾后潤滑系數(shù)隨著溫度變化不大，保持在0.26～0.30。加入SL-1/SL-2 和SFAE 后的鉆井液在低溫區(qū)潤滑性很差；滾后潤滑系數(shù)隨著溫度的升高而降低，溫度在升至150 ℃后的高溫區(qū)間滾后潤滑系數(shù)下降更加明顯，210 ℃滾后三者的潤滑系數(shù)為0.09～0.10，表現(xiàn)出良好的潤滑性能；三者表現(xiàn)出相近的潤滑性能和變化趨勢。SFA 并未表現(xiàn)出潤滑性，相反，加入SFA 的鉆井液滾后潤滑系數(shù)甚至高于鉆井液基漿。實驗室合成的SFAA 也表現(xiàn)出隨著溫度上升潤滑性能提升的現(xiàn)象，但在整個溫度區(qū)間的潤滑性能明顯優(yōu)于上述四種材料，50 ℃下的滾后潤滑系數(shù)為0.10，120 ℃降至0.08，210 ℃降至0.05。

圖2 不同硫劑在不同溫度下的潤滑性能

加入不同硫化材料熱滾后水基鉆井液的潤滑系數(shù)降低率隨著溫度的變化曲線更加直觀的展現(xiàn)了這種趨勢規(guī)律（圖3）。含有SL-1/SL-2 水基鉆井液在低于120 ℃的低溫區(qū)潤滑系數(shù)降低率只有不足15.0%，含有SFAE的水基鉆井液潤滑系數(shù)降低率也只有33.0%；當(dāng)溫度升至150 ℃后三種潤滑劑的潤滑系數(shù)降低率數(shù)據(jù)接近且有顯著的提升，在150～210 ℃達到60.0%左右。相比三種潤滑劑，SFAA 在所有溫度區(qū)間都具有更好的潤滑性能，潤滑系數(shù)降低率提升至60.0%～80.0%以上。

圖3 不同硫劑在不同溫度下的潤滑系數(shù)降低率

產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于硫化材料的分子結(jié)構(gòu)存在差異，從而導(dǎo)致幾種材料的潤滑作用機理不同。首先，SL-1/SL-2 和SFAE 分子結(jié)構(gòu)相似，主要通過硫化學(xué)反應(yīng)在金屬表面產(chǎn)生化學(xué)膜而起到潤滑作用，這種化學(xué)反應(yīng)需要在一定的溫度、壓力等情況下，因此，在150 ℃以上的溫度范圍潤滑效果更明顯；SFA 是一種具有表面活性的硫化脂肪酸鹽，加入SFA 的水基鉆井液體系在高速攪拌后產(chǎn)生大量穩(wěn)定而細(xì)膩的泡沫，破壞了鉆井液體系的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在潤滑測試中效果不佳；而SFAA 中含有多羥基結(jié)構(gòu)，一方面，改善了潤滑劑在鉆井液體系中的分散性和配伍性，另一方面，研究表明多羥基結(jié)構(gòu)能夠與鐵元素形成鍵合吸附，吸附強度高于普通潤滑劑的物理吸附[10]，這也是SFAA 在低溫區(qū)間也表現(xiàn)出良好潤滑性能的原因。隨著溫度的升高，極壓元素硫開始發(fā)揮作用，形成了更加致密的潤滑膜，因此，在雙重作用機理疊加下，SFAA 在高溫區(qū)間的潤滑性能也更加優(yōu)異。這為SFAA 提供了更廣泛的應(yīng)用范圍。

2.2 四球摩擦實驗

與極壓潤滑儀測試摩擦副面接觸的方式不同，四球摩擦磨損試驗機測試的是摩擦副之間的點接觸。實際上鉆井工程中的摩擦副復(fù)雜多變，不僅存在著鉆桿-井壁之間的面接觸，也可能存在鉆桿-巖石或者井壁-固相物質(zhì)之間的點接觸。不同含硫潤滑劑四球摩擦實驗結(jié)果見圖4。為模擬真實鉆井工程，設(shè)定壓力為150 N，轉(zhuǎn)速為60 r/min，測定時間為30 min，測試鉆井液經(jīng)210 ℃、16 h 熱滾?？梢钥闯?，加入SFAA 潤滑劑后，鋼球的磨斑直徑最小，這與極壓潤滑儀的潤滑性能測試結(jié)果一致。

圖4 不同潤滑劑的四球摩擦實驗結(jié)果

2.3 SFAA 對鉆井液性能的影響

在基漿中加入1% SFAA，研究其在210 ℃老化前后對基漿性能的影響。由表2 可見，基漿在經(jīng)過210 ℃熱滾后，由于聚合物的降解表觀黏度下降明顯；而加入SFAA 熱滾前后流變數(shù)據(jù)參數(shù)變化很小，說明SFAA 具有良好的配伍性，可以改善基漿的抗溫性能；另一方面，高溫高壓濾失量變小，說明SFAA 能夠在鉆井液中良好的分散，并與其他鉆井液材料相互作用，參與改善泥餅質(zhì)量，提升基漿的濾失造壁性。

表2 SFAA 對鉆井液性能的影響

3 結(jié)論

（1）硫化豬油和硫化脂肪酸酯等傳統(tǒng)含硫極壓潤滑劑的潤滑系數(shù)降低率范圍為0～60.0%，為使其產(chǎn)生最佳潤滑效果，應(yīng)用溫度應(yīng)高于150 ℃。

（2）通過分子設(shè)計，合成了一種多羥基硫化脂肪酸酰胺（SFAA）極壓潤滑劑，該材料具有羥基吸附和硫化學(xué)反應(yīng)雙重作用機理，可將潤滑系數(shù)降低率提升至60.0%～80.0%，相比傳統(tǒng)的含硫潤滑劑具有更優(yōu)異的潤滑性能和更廣泛的應(yīng)用溫度區(qū)間。

（3）該材料在水基鉆井液中具有良好的分散性和配伍性，能夠提升基漿的抗溫能力和濾失造壁性。