高性能環保水基鉆井液潤滑劑的研制及應用

張 強

中國石化石油工程技術服務股份有限公司，北京 100020

隨著深井、長裸眼段水平井和頁巖氣井等復雜井的相繼開發，對減小井下摩阻提出了更高的要求［1-2］。在井身結構方面，水平段越來越長，三維定向井不斷增多，鉆具同井壁接觸面積大，對摩阻控制要求高；在工藝工具方面，為提高目的層鉆遇率，部分區塊全程使用旋轉導向，該工具剛性強、直徑大，鉆進過程中對摩阻控制要求高；在地層方面，頁巖氣井地層壓力系數越來越大，必須使用高溫高密度鉆井液，該類鉆井液的潤滑性控制成為難題之一。鉆井工程和地質的新變化都會造成井下摩阻增大，摩阻與井下安全之間的矛盾愈發突出，極易造成下鉆遇阻、憋扭矩和卡鉆等井下復雜，嚴重影響鉆井效率［3-4］。油基鉆井液由于其優良的潤滑性能成為該類地層的首選，但近年來隨著國家環保要求越來越嚴格，而且前期大量使用油基鉆井液引起的油基鉆屑處理壓力大、新區塊探井未能及時配套油基鉆屑處理設備等問題，限制了油基鉆井液的大規模使用［5-7］，因此滿足安全施工需求的高效潤滑水基鉆井液逐漸成為一個重要選擇［8-10］。

目前，向水基鉆井液中添加優質潤滑劑來降低井下摩阻，是預防和解決鉆井安全問題的主要技術手段之一。潤滑劑在降低鉆具與井壁之間的摩擦、減小鉆進扭矩和起下鉆摩阻中起到關鍵作用。從水基鉆井液潤滑劑的發展現狀來看，固體類潤滑劑不僅影響固控，而且通常難以降解，容易造成環境污染和儲層損害，制約了其在水平井中的應用。對環境污染嚴重且具有熒光效應的原油和柴油類傳統潤滑劑的應用受限，同時植物油類潤滑劑也存在影響鉆井液流變性、易起泡和易消耗等缺點，在高溫高密度條件下上述問題尤其突出。因此，基于研發抗高溫且配伍性好的環保型高性能液體潤滑劑的思路，本研究選擇綠色環保的淀粉水解產物葡萄糖為原料，通過適當的分子修飾，保持產品合適的親水和疏水基團，通過縮合、磺化和胺化等一系列化學反應，使產品在潤滑環保的同時，兼顧抗高溫、不起泡和配伍性優勢［11-15］，以期該材料的發展促進鉆井液處理劑升級換代且符合綠色發展的趨勢。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

葡萄糖、磺化試劑、鈉膨潤土均為工業品，四川省達州市普光區塊現場；橋接劑、多元醇、多烷基醇胺、催化劑均為分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；JHC-1潤滑劑，鄭州晶元化工公司。

ZNCL-TS 型恒溫磁力攪拌器，河南愛博特科技公司；六速旋轉黏度計、XGRL-4A 型高溫滾子加熱爐、GJS-B12K 變頻高速攪拌機、EP-2A 型極壓潤滑儀，青島海通達專用儀器廠。

1.2 制備方法

按一定比例將葡萄糖、醇和催化劑在一定溫度條件下反應后得到中間產物1。中間產物1 和一定比例的橋接劑、多元醇和磺化試劑加入配有冷凝回流裝置和攪拌裝置的四口燒瓶中，升溫至90～105 ℃，反應1.0～2.0 h 后，繼續在上述反應液中加入一定比例多烷基醇胺，攪拌混合均勻后，在70～90 ℃下反應3.0～5.0 h，降至室溫，得到紅褐色黏稠狀液體，即為高性能環保潤滑劑產品。

1.3 性能評價

對制備得到的產品取樣，進行潤滑性能、抗溫性能、配伍性能和生物毒性的評價。

1）潤滑性能：在鈉膨潤土漿（質量分數為5.0%）中加入不同質量分數的產品，采用EP-2A型極壓潤滑儀測試其潤滑性能。

2）抗溫性能：在鈉膨潤土漿（質量分數為5.0%）中加入1.0%的產品，不同溫度老化后，采用EP-2A型極壓潤滑儀測試其潤滑性能。

3）配伍性能：在鈉膨潤土漿（質量分數為5.0%）中加入不同質量分數的產品，采用六速旋轉黏度計等測試其流變性能和濾失性能。

4）生物毒性評價：依據GB/T 15441—1995，采用發光細菌法測試產品的生物毒性［16］。

2 結果與討論

2.1 潤滑性能

在鈉膨潤土漿（質量分數為5.0%）中加入不同質量分數的高性能環保潤滑劑產品，160 ℃加熱滾動16 h，測試其潤滑性能，結果見圖1。由圖1 可知：高性能環保潤滑劑產品在5.0%鈉膨潤土漿中表現出較好的潤滑性能，隨著加量增大，鈉膨潤土漿的潤滑系數呈降低趨勢。當產品加量為0.5%時，鈉膨潤土漿的潤滑系數降低率達70%以上；當產品加量為2.0%時，鈉膨潤土漿的潤滑系數降低率達85%以上。

圖1 不同加量產品對鈉膨潤土漿潤滑系數降低率的影響

2.2 抗溫性能

在不同老化溫度條件下，對加量為1.0%的產品在5.0%鈉膨潤土漿中的潤滑性能進行了測試評價，不同溫度加熱滾動16 h，結果見表1。由表1可知：隨著老化溫度的升高，產品在5.0%鈉膨潤土漿中的潤滑系數呈逐漸升高趨勢，但潤滑系數降低率在200 ℃高溫老化后仍大于65%。

表1 不同老化溫度下產品對鈉膨潤土漿的潤滑系數降低率

2.3 配伍性能

考察不同加量的產品對5.0%鈉膨潤土漿的流變性能及濾失性能的影響，160 ℃加熱滾動16 h，結果見表2。由表2 可知：隨著產品加量的增大，表觀黏度（AV）基本無變化，中壓濾失量（FLAPI）明顯降低，說明產品對5.0%鈉膨潤土漿流變性能影響不大，同時具有明顯的降濾失作用。與基漿相比，加入1.0%產品，其表觀黏度變化值僅為1.0 mPa·s，中壓濾失量降低值達7.0 mL，說明該產品與基漿的配伍性良好，降濾失性能突出。

表2 不同加量產品對鈉膨潤土漿的流變及濾失性能影響結果

2.4 生物毒性

采用發光細菌法測試產品的生物毒性，測試結果顯示，工業化產品樣品的半數效應濃度（EC50）為481.4 g/L，遠高于排放標準30 g/L（GB/T 15441—1995《水質 急性毒性的測定 發光細菌法》），說明產品無生物毒性，綠色環保。

2.5 現場試驗效果

產品在普光和川西等多口井現場試驗，表現出良好的潤滑效果。以普光區塊QXX 平X 井為例，該井完鉆井深6 490 m，井底靜止溫度140 ℃，最大井斜89.58°，鉆至茅口組，實鉆密度達2.11 g/cm3。利用X 井現場鉆井液，評價本產品與現場鉆井液的配伍性，結果見表3。由表3可知：常規潤滑劑（JHC-1）加入鉆井液中會引起黏度升高，導致流型難以控制，加入本研究制備的產品后現場鉆井液的流變性能穩定。

表3 現場小型試驗結果

本井鉆至5 664 m，鉆井液密度2.10 g/cm3，井下定向有托壓現象，向聚磺井漿中加入1.0%本研究制備的產品，入井前后井漿性能變化見表4。由表4 可知：加入制備的產品后，井漿流變性能穩定，托壓現象消除，摩阻和扭矩均有降低，表明產品具有良好的潤滑性能。

表4 現場應用測試結果

3 結論

1）克服傳統水基鉆井液潤滑劑的不足，創新研制出了一種水溶性的、配伍性好的高性能環保水基鉆井液潤滑劑。

2）室內評價結果表明：產品具有突出的抗高溫潤滑性能，且配伍性好，無毒環保。160 ℃高溫老化16 h，添加質量分數為2.0%的產品，潤滑系數降低率達85%以上，200 ℃仍有較好的潤滑效果，適用于環境敏感區域、高溫高摩阻地層的潤滑防卡。

3）現場應用結果表明：產品可較好地解決現場施工過程中的定向托壓等問題，相同加量下，潤滑性能和配伍性能更優，具有較好的推廣應用前景。