鉆井液用潤滑劑性能檢測方法對比

張文龍　田永剛　任紫君　李志磊　馮永朋

摘 要：潤滑劑在鉆井過程中主要起到降低磨阻的作用，從而提升鉆進速度既減少鉆具損耗的作用，隨著技術的發展以及對鉆井材料性能的要求越來越高，涌現出了大量的潤滑劑產品，例如普通潤滑劑、抗溫抗鹽潤滑劑、環保潤滑劑、極圧潤滑剤、油基潤滑劑、水基潤滑劑、固體潤滑劑、符合潤滑劑等。無論是哪一種潤滑劑其最終的目的依然是降低鉆具與井壁間的磨阻，然而目前常用的潤滑劑標準及檢測方法眾多，針對不同的潤滑劑，其性能檢測方法也不一樣，如果單純的用之中檢測方法或手段對所有類型的潤滑劑進行檢測從而判斷該類潤滑劑性能好壞是不合理的，本文將對現有潤滑劑檢測方法進行詳細的分析，并相對應的描述該類方法的優缺點。

關鍵詞：潤滑劑;性能;檢測

1 極圧潤滑儀法

該方法是目前實驗室廣泛使用的潤滑劑性能測定的方法，其原理在于外加一定壓力的情況下測定金屬與金屬間的摩擦力大小，最終通過計算“摩擦力降低的比例”--潤滑系數降低率來確定潤滑劑性能的優劣，該方法最大的優點在于檢測時間較短，一般檢測時間在15min左右（包含試驗漿攪拌及測定的時間），并且檢測結果的重復性較高（校正因子的引入）。相比于其優點，該方法的缺點同樣明顯，該方法最大的缺點是與現場實際情況相差甚遠，現場鉆井過程中幾乎不會出現鉆具與金屬間的摩擦，而是鉆具與井壁或泥餅間的摩擦，

另外擠壓潤滑儀法測定潤滑劑時需先將試樣加入基漿中高速（11000r/min）攪拌5.0min，攪拌結束后立即用極圧潤滑剤進行潤滑系數的測定，目前國內大部分潤滑劑均為純油基潤滑劑，該類潤滑劑加入基漿中后經過高速攪拌后以微小的油滴狀或“暫時性”水包油乳狀液存在，隨著時間的推移或者低速攪拌的情況下試驗漿中的潤滑劑會出現破乳現象（漂浮于試驗漿表面），從而造成潤滑劑失效，因此極壓潤滑儀法無法準確地判定潤滑劑實際使用效果。另極圧潤滑剤法檢測結果的準確性與滑環與滑塊表面粗糙度有著直接關系，因此該方法不適合作為現場鉆井液以及高密度試驗漿潤滑性能測定方法。

2 磨阻系數測定法

該方法是目前潤滑劑性能測定實驗中與鉆井現場最為接近的方法，其原理是在一定壓力下先壓出中壓泥餅（與現場鉆井過程相同），維持容器內壓力的情況下將吸附盤下壓并維持下壓時的壓力一定時間（一般為5-10min），吸附結束后再靜置5.0min左右，用扭力扳手測定吸附盤轉動時的最大扭力值，最終根據空白漿和加樣漿的最大扭力值計算扭力值的降低率，以此作為潤滑劑試樣潤滑性能的評價標準。該方法最大的特點是與現場使用情況最為接近，試驗漿的固相含量以及密度高低不影響儀器的使用，可用于所有潤滑劑的性能測定，該方法目前廣泛用于潤滑劑配方研發過程中體系評價實驗過程中。相比于適合于各種潤滑劑性能檢測的優點，該方法的缺點是檢測時間較長，攜帶不方便（檢測時需用氮氣，一般使用氮氣瓶提供氣源），不適合鉆井現場進行泥漿潤滑性能檢測。

3 泥餅粘滯系數測定法

該方法是目前鉆井隊使用的最廣泛的鉆井泥漿潤滑性能檢測的方法，將測定中壓濾失量后的泥餅連同濾紙一同取出，將泥餅朝上平鋪于泥餅粘滯系數儀翻轉平臺上，將測試用的滑塊平放于泥餅上，啟動秒表計時靜置吸附1.0min，吸附結束后啟動電機，翻轉平臺開始緩慢翻轉，從翻轉平臺側面觀察滑塊狀態，當滑塊出現位移時立刻關閉電機，根據儀器上讀數計算傾斜角，根據傾斜角的大小判定試驗漿潤滑性能。該方法與磨阻系數降低率法類似，均可直接測定現場鉆井液潤滑性能（泥餅的潤滑性能），但該方法更適合鉆井現場使用，因為泥餅粘滯系數測定儀體積小，便于攜帶，僅需通電便能使用，使用該方法測定現場鉆井液潤滑性能還能夠最大限度的節約鉆井液性能檢測時間（中壓濾失量測定后的泥餅直接用于泥餅粘滯系數的測定），并且能夠最直接的體現出現場鉆井液潤滑性能。明顯的優點也伴隨著最為直接的缺點，該方法最大的缺點是實驗結果平行性差，由于該方法是以目測的方法進行測定，因此不同的人、不同的觀看角度測定出的實驗結果也不相同，加之每個人反應速度不一樣，因此啟動和停止電機所用的時間也不一樣，因此該方法不適合作為常規潤滑劑性能檢測方法。

4 抗磨試驗機法

近幾年市面上流行極圧潤滑剤，但就目前而言極圧潤滑剤未見到明確的標準，僅有關于極圧潤滑劑原理的諸多介紹，其基本原理是高壓環境下在鉆具表面形成一層極壓膜，該膜的存在有利于降低鉆具與井壁間的摩擦，從而起到潤滑的作用。與極圧潤滑剤類似的還有抗磨潤滑劑，該潤滑劑的原理與極圧潤滑剤有類似之處，同樣是在鉆具表面形成一層膜結構，該膜的形成不需要高壓或高溫的條件，并且抗磨潤滑劑不僅能夠在鉆具表面形成膜結構，同樣能在鉆井液中的固相顆粒表面形成膜結構?？鼓櫥瑒┡c極圧潤滑剤的檢測指標都有膜厚度（強度）項指標，但抗磨潤滑劑在此基礎上進一步具有降低鉆具損耗的作用，因此抗磨潤滑劑的性能指標還有磨失量降低率。

針對極圧潤滑劑和抗磨潤滑劑的兩項檢測指標，目前用的最多的檢測手段使用抗磨試驗機法。該方法的原理是通過轉子與實驗鋼柱在試驗漿中不斷的摩擦的同時向鋼柱施加一定的壓力，隨著壓力的增加鋼珠玉轉子間的壓力持續增加，當轉子表面的“潤滑膜”消失后轉子與鋼珠間摩擦力急劇增加，當摩擦力增加到一定程度后儀器會自動抱死，此時可根據轉子上施加的壓力的大小判斷潤滑劑試樣在轉子表面形成的極壓膜或潤滑膜的厚度。另一種使用方法是在轉子上施加固定的壓力值，轉子轉動一定時間后測定鋼珠質量的損失量，以鋼珠質量的損失量作為試樣抗磨性能優劣的評判依據，鋼珠磨失量的大小同樣能夠反映該試樣在現場鉆井過程中對鉆具的保護程度（鉆具損耗程度與磨失量成反比）。就目前而言抗磨試驗機法是唯一能夠同時測定潤滑劑試樣極壓性能和抗磨性能的方法，并且該方法檢測成本較低（每個試驗用鋼珠成本3.0元左右，每個鋼珠可進行8次左右實驗）?？鼓ピ囼灆C法屬于專用型儀器，僅能夠測定潤滑劑試樣的抗磨性能以及在鋼珠表面形成的潤滑膜的厚度，因此該方法最大的缺點是不能用于檢測潤滑劑試樣的潤滑性能。

5 四球摩擦試驗法

該方法是目前國內外均認可的潤滑劑抗磨性能檢測方法，該方法主要用于機械潤滑劑性能檢測，鉆井液用潤滑劑用該方法測定的很少，僅有貝克休斯等企業在鉆井液用潤滑劑配方研發過程中用該方法驗證潤滑劑的極壓性能。其原理是以滑動摩擦的形式，在點接觸壓力下，評定潤滑劑的承載能力，包括最大無卡咬負荷PB、燒結負荷PD、綜合磨損值ZMZ等;或者進行長時間磨損試驗、測定摩擦力、計算摩擦系數。使用特殊附件，也可以進行端面磨損試驗和材料的模擬磨損試驗。由于該方法需要特定的儀器以及電腦的配合使用，因此該方法的實驗結果重復性以及實驗精度是毋庸置疑的，較高的精密度意味著儀器設備的購買價格以及后期的維護成本較高，另一方面是儀器體積較大，不方便搬運，因此該方法僅適用于常規實驗室內產品研發過程中進行性能檢測使用。

考慮到目前用四球摩擦法進行鉆井液用潤滑劑性能檢測時主要是檢測承載能力（極壓度）和綜合磨損值（磨失量）兩項指標，而這兩項指標用抗磨試驗機法完全可以進行檢測，兩者最大的區別僅在于實驗過程中四球摩擦法施加壓力的精確度與數值變量更加便于控制，因此該方法測得的實驗結果更加精確。

6 總結

①進行室內鉆井液用潤滑劑性能檢測時考慮到檢測時間的長短以及實驗結果的重現性，建議選擇極壓潤滑儀法;②鉆井現場進行泥漿性能檢測時從還原井下實際情況的角度出發選用泥餅粘滯系數測定法最為理想;③室內潤滑劑配方研發及性能調整時建議選用摩阻系數測定法配合抗磨試驗機法（若條件允許可選用四球摩擦試驗法），多種檢測方法配合使用能夠得最為全面的實驗數據。

參考文獻：

[1]張燕然.低共熔溶劑的制備及潤滑性能研究[D].銀川：寧夏大學，2019.

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