钻井液用高效抗磨润滑剂范文

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摘要:长水平井段高摩阻扭矩及深井高温高压环境，对钻井液润滑剂的润滑抗磨能力提出了更高的要求。传统钻井液用润滑剂难以满足上述技术要求。基于“固-液”协同高效润滑技术思路，优选改性植物油MVO-3、改性可膨胀石墨GIC，结合分散剂、乳化剂的优选及制备条件的优化，研制出了一种高效抗磨润滑剂SDL-1。评价结果表明，5%淡水基浆、4%盐水浆中加入0.5%SDL-1时，其润滑系数降低率分别为不小于85%、大于70%。SDL-1与现场钻井液的配伍性良好，抗温达150℃，起泡率低，且荧光级别小于5级。销-盘式摩擦磨损实验结果表明，SDL-1的抗磨耐磨效果优良，润滑持效性较好，可有效缓解或解决复杂井高摩阻扭矩技术难题，具有良好的推广应用价值。

关键词:钻井液；润滑剂；改性植物油；改性可膨胀石墨；抗磨耐磨

随着水平井、深井超深井等特殊工艺井的广泛应用，长水平井段高摩阻扭矩、深井高温等复杂工况对钻井液用润滑剂提出了较高的技术要求[1-3]。现场实践表明，传统钻井液润滑剂大多存在润滑性不理想、抗磨耐磨持效性差、荧光级别高等复杂问题，无法满足高摩阻扭矩钻井工况的技术需求[4-8]。而且，现有钻井液润滑剂大多适用于较低温度（≤120℃）、较低密度（≤1.3g/cm3）环境，高温、高密度条件下润滑剂的作用效能显著降低，且存在起泡率较高等问题；同时，当前润滑剂制备原材料大多采用矿物油、植物油等，普遍存在荧光级别高的问题，且高温条件下液相油膜的抗磨耐磨效果普遍不理想，需要不断加入大量润滑剂以维护钻井液润滑性能，增加了作业成本；此外，现有润滑极压剂大多含硫磷等元素，对环境影响较大，限制了推广使用[9-17]，因此迫切需要研制一种适用于高摩阻扭矩、高温环境的高效抗磨型钻井液用润滑剂。针对目前钻井液润滑剂普遍存在的抗磨性能不理想、持效性差等问题，基于“固相-液相”协同润滑增效的研究思路，室内通过多种基础油性能综合评价、石墨类固体润滑材料特性分析及环保型润滑改性剂实验的优选，在制备工艺条件优化基础上，研制出了低荧光、高效抗磨型钻井液复合润滑剂SDL-1，为解决高摩阻扭矩、高温复杂条件下安全高效钻井提供技术支撑。

1润滑剂SDL-1的制备

植物油通常具有双重吸附特性，可形成“物理边界膜-化学反应膜”而起到良好的润滑效果，但其存在抗温、承载能力不足的缺点。普通石墨材料广泛用作钻井液润滑剂，通常具有承载能力强的特点，但单一使用时仍存在润滑性能不理想、易筛除等不足。基于植物油和石墨固相润滑材料的特点，将优选出的改性植物油和可膨胀石墨复配，通过分散剂（分光光度法）、乳化剂（HLB法）优选及制备条件优化，制备出复合乳化润滑剂SDL-1。

1.1基础油的优选室内选取了多种植物油脂MVO，经过高温改性处理后，按照相关参数测试方法，考察了其主要性能（见表1）。由表1可知，改性植物油MVO-3的流动性较好，闪点较高，荧光级别低，且具有良好的自润滑性，综合性能较优，因此优选MVO-3作为制备润滑剂的基础油。

1.2改性可膨胀石墨特性分析1.2.1膨化微观结构改性可膨胀石墨GIC是在酸性条件下，采用插层制备法得到[18-19]。GIC颗粒尺寸为微米级别，具有较大的比表面积，在一定程度上提高了其在金属表面的吸附能力，同时由于在酸性条件下制备，呈正电性，可加强在钻具和黏土表面的吸附成膜作用。GIC膨胀前后的微观晶体结构见图1。可知，GIC膨胀前呈片层状石墨结构，片层较薄且致密，在井底温度条件下可起到片层状石墨润滑减磨效果；GIC膨胀后呈现出厚筒状片层结构，当井下温压达到一定程度时，可在管柱井壁接触面上形成物理吸附膜而起到较好的润滑作用，提高了润滑剂的抗温、耐温性能。GIC的膨胀性能与温度密切相关，因此，进一步实验探究了GIC膨胀性能随温度的变化关系。1.2.2膨胀容积随温度变化关系参考GB10698—89标准，测定了GIC样品在不同温度下的膨胀容积（指单位质量的可膨胀石墨在一定温度下膨胀后的体积），结果见图2。图2改性可膨胀石墨GIC膨胀容积随温度的变化关系由图2可知，随着膨化温度的升高，GIC的膨胀容积逐渐增大。在井下循环过程中，GIC微粒可随着温度升高而呈现出良好的弹性可膨胀效果，温度适应性较好。1.2.3分散剂优选采用Bettersize2000激光粒度分析仪测定了GIC微粒的粒度分布。结果表明，GIC粒度D50为61.64μm，粒径主要分布在40～100μm之间，具有合理的粒度级配，可达到不同的膨胀体积梯度，有利于形成致密极压吸附膜。目前，室内常用表征分散剂分散性能的方法主要有沉降体积法、光学测定法、流变性测定法、电镜法等[20]。由于GIC微粒本身颜色深及着色强度较强，因此采取分光光度法考察不同分散剂对GIC的分散效果（见图3）。可知，高分子聚合物PMA、CMC对GIC微粒的分散效果较好，且加量较小即可使溶液吸光度趋于稳定。SP20溶液的吸光度值虽然较大，但加量偏大。实验现象表明，可膨胀石墨GIC在SP20溶液中的分散效果较差，搅拌时间较长。主要是高分子聚合物分子链在石墨材料微小颗粒表面呈多点接触，容易包裹在石墨微粒表面。石墨微粒本身具有较高的表面活性，微粒间引力大于斥力，容易发生团聚。当微粒被高分子包裹后，极性端在微粒表面充分吸附，非极性端在溶剂中伸展，在微粒表面形成一层保护膜，可以较好地避免微粒碰撞团聚和重力沉降现象发生，起到分散稳定作用。而SDA、TW80、TW60等低分子量分散剂由于在石墨微粒表面大多呈单点吸附状态，从而易被水溶剂分子顶替，对石墨微粒的分散效果也就不如高分子。因此，实验选取高分子聚合物PMA和高分子CMC作为分散剂，且优选PMA与CMC质量比为1.00～1.25。

1.3润滑剂制备条件优化1.3.1乳化方式目前常用的乳化方法包括以下几种：剂在油中法、剂在水中法、瞬间成皂法、混合膜生成法和轮流加液法[21]。根据实验条件、材料特性及乳化方式的特点，室内选择“混合膜生成法”，以形成状态稳定的油包水型乳液。1.3.2乳化HLB值及最佳乳化剂组合乳化剂乳化效果的好坏直接影响着钻井液用润滑剂的使用效果。实验选取HLB值较小的亲油性乳化剂SP80（HLB=4.3）和HLB值较大的亲水性乳化剂SDA（HLB=40）作为乳化剂组合，探讨乳化最佳HLB值。实验参数如下：MVO-3改性植物油60g，GIC加量为1.5g，一定量的分散剂PMA和CMC。分别测试溶液离心后上层清液的吸光度及分离水量，实验现象及测试结果见表2。结果表明，当HLB值为13.2时，分离水量相对较小，吸光度较大，乳化效果较好。因此，选取HLB最佳值为13.2。在此基础上分别选取了多种乳化剂组合，考察了不同乳化剂组合作用下乳液状态及静置沉降的稳定性。结果表明，乳化剂组合SDA和SP80质量比为1∶3时的乳化效果较优，且乳化剂加量较小（质量分数为25%的SDA溶液8.0mL，SP80为6g）1.3.3乳化制备条件实验优化对制备润滑剂的工艺条件如搅拌设备、乳化时间、乳化温度等进行实验考察。结果表明，在600～1000r/min搅拌条件下，乳化时间为2～4h、乳化温度为45～50℃，所制得润滑剂的稳定性较好，润滑性能优良。通过室内进行正交实验进一步优化，得到室内较优润滑剂SDL-1配方及制备工艺条件：植物油MVO-3与改性可膨胀石墨GIC质量比为38～40、植物油MVO-3与乳化剂组合（SDA与SP80质量比为0.2～0.3）及分散剂组合（PMA与CMC质量比为1.00～1.25）的质量比为60∶8∶0.45；搅拌速度为600～1000r/min，乳化时间为2～4h、乳化温度为45～50℃。

2润滑剂SDL-1性能实验评价

2.1理化性能参考Q/SY1088—2012《钻井液用液体润滑剂技术规范》，评价了SDL-1的主要理化性能，结果见表3。结果表明，SDL-1的理化性能均满足现场润滑剂使用基本要求，且荧光级别较低。此外，SDL-1的主要原材料为环保、可降解材料，可有效减轻或避免对环境的污染。

2.2润滑性能对比评价室内选取常用性能较优的聚合醇类RHJ-1、植物油类RH-2、矿物油类RHJ-3及复合表面活性剂类RH-4及可膨胀石墨GIC等5种钻井液润滑剂，采用EP极压润滑仪和GNF高温高压黏附系数测定仪，对比评价不同润滑剂在淡水基浆和4%盐水基浆中的润滑性能（见表4）。由表4可知，淡水基浆或4%盐水浆中加入0.5%SDL-1后润滑性能均满足现场钻井液润滑剂使用基本要求；而且相同润滑剂加量条件下，SDL-1的润滑性能优于其他润滑剂。

2.3抗温性能评价由表5可知，加入0.5%SDL-1后，实验基浆热滚前的流变性能较基浆变化较小，密度变化值仅为0.02g/cm3，表明SDL-1与膨润土浆的配伍性较好；随着热滚温度的升高，实验浆的润滑系数降低率呈下降趋势，但150℃、16h热滚后实验浆的润滑系数降低率仍大于80%，表明SDL-1可抗温150℃；此外，加入SDL-1实验浆热滚前后的API滤失量较基浆均有所降低，说明SDL-1兼顾一定的降滤失效果。

2.4抗磨减摩性能室内采用MMW-1万能摩擦磨损试验机，基于销-盘摩擦副结构，模拟钻井液浸泡条件下[22]，考察了不同摩擦磨损时间下实验浆的摩擦系数。实验条件：摩擦副均采用N80钢材（套管钢），实验载荷为100N，测试温度为80℃，转速为450r/min。结果见图4。结果表明，随着摩擦磨损时间的增加，加样浆的摩擦系数变化较小，长磨60min后实验浆的摩擦系数仍能稳定为0.072～0.084；而基浆的摩擦系数则显著增大，长磨60min后基浆的摩擦系数大于0.250。加入SDL-1实验浆的摩擦系数降低率可达65%，润滑减摩效果显著，持效性优良。按照体积磨损率计算公式[23]（见式（1）），计算长磨60min后基浆和实验浆的盘磨损率。式中，I为磨损率，mm3/（N•m）；Δm为盘的质量变化值，g；ρ为盘的密度，g/cm3；F为载荷，N；D为滑动摩擦距离，m。计算结果表明，膨润土基浆浸泡条件下，盘长磨60min后的磨损率达到8.53×10-11mm3/（N•m），而加样浆浸泡条件下盘的磨损率仅为5.48×10-13mm3/（N•m），磨损率降低率达到99.36%。由此可看出，SDL-1具有显著的抗磨减摩效果，现场试验过程中可有效减小钻柱磨损，起到良好的抗磨减摩效果。

3结论

1.改性植物油MVO-3具有良好的双重吸附特性，流动性较好，且具有良好的自润滑性；改性膨胀石墨GIC具有复合片层状结构，比表面积小，吸附能力强，在井底温度和压力下易形成弹性膨化片层，进而吸附在金属表面形成致密膨化润滑膜，可起到良好的协同增效润滑效果。2.基于优选的改性植物油MVO-3和改性可膨胀石墨GIC为主要原材料，采用“混合膜生成法”，研制出了高效抗磨型钻井液用润滑剂SDL-1，润滑性能优于常用同类润滑剂产品，荧光级别低，起泡率较小，可抗温150℃，且环保性能好。3.润滑剂SDL-1加量仅为0.5%时，相同实验条件下加样浆的摩擦系数降低率即可达65%以上，长磨60min后盘的磨损率降低率超过99%，表现出了优异的高效抗磨减摩特性，尤其适用于高摩阻扭矩及高温深井复杂工况条件下的钻井作业。

作者：刘云峰 邱正松 杨鹏 钟汉毅 黄维安 赵欣 单位：中国石油大学