新型植物油钻井液润滑剂的研制

何鹏

摘 要：近年来定向井、水平井钻井技术的大面积推广应用，使得钻具与井壁的接触面积越来越大，钻井过程中的摩阻增加得更大。如何降低钻井摩阻，提高钻井液的润滑性能，成为定向井、水平井钻井的关键。新型植物油钻井液润滑剂是以可再生动植物油脂为原料，与相对分子量较小的醇类进行酯化或酯交换反应生成分子量适合的长链脂肪酯。该润滑剂无毒、安全环保、可再生，不仅可以单独使用，而且可以与矿物油、柴油润滑剂混合使用。因而新型植物油钻井液润滑剂可同时满足性能、环保和安全的需要，具有良好的经济和社会效益。

关键词：摩阻；润滑剂；植物油；环保

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2015）10-0196-03

1 前言

随着石油工业的迅速发展，油田勘探与开发的难度越来越大，钻井工艺越来越复杂，井斜度越来越大，井眼轨迹越来越难以控制。尤其是近年来定向井、水平井钻井技术的大面积推广应用，使得钻具与井壁的接触面积越来越大，钻井过程中的摩阻增加得更大。如何降低钻井摩阻，提高钻井液的润滑性能，成为定向井、水平井钻井的关键。在大位移水平井和分支井钻井中，这一问题尤为突出。如果解决不好，会降低钻井速度，增加钻井成本，严重的会导致卡钻事故的发生。

目前常用的钻井液润滑剂的种类繁多，但大致可分为固体和液体两大类。液体类润滑剂又可分为矿物油润滑剂和植物油润滑剂，均是以提高扭矩降低率为主。矿物油润滑剂的主要成分为原油、柴油或白油，这些油品虽然润滑性能较好，但因为含有芳烃、闪点低、难降解等因素，在生产和使用过程中存在环境污染和安全隐患；植物油润滑剂的主要成分为棉籽油、菜籽油等，虽然相对易降解比较环保，但却存在高温稳定性差、润滑性能略差等问题。另外还有一些钻井液润滑剂是单纯的表面活性剂的水溶液，加在钻井液中形成水包油的乳化钻井液，降低钻井液的表面张力，但表面活性剂本身的性质则限制了其润滑性能。因此，研究新型的、高效的、对环境友好的钻井液润滑剂是十分必要的。

2 理论分析及室内研究

2.1 钻井作业中现有润滑剂状况

（1）钻井液润滑性的主要影响因素。

影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以及溶液pH值、润滑剂和其它处理剂的使用情况等。

（2）钻井工程对钻井液润滑剂的要求。

国内外对润滑剂的研究范围较广，其中有各种表面活性剂、高分子脂肪酸及其衍生物等。

钻井液润滑剂的选择应满足下列基本要求：

①润滑剂必须能润滑金属表面，并在其表面形成邊界膜和次生结构。

②应与基浆有良好的配伍性，对钻井液的流变性和滤失性不产生不良影响。

③不降低岩石破碎的效率。

④具有良好的热稳定性和耐寒稳定性。

⑤不腐蚀金属，不损坏密封材料。

⑥不污染环境，易于生物降解，价格合理，且来源充足。

钻井液润滑剂除了主要提高钻具的寿命及其工作指标外，还应不影响对地层资料的分析和评价，即润滑剂应具有低荧光或无荧光性质。因此，润滑剂基础材料的选择应注意尽量不用含苯环，特别是多芳香烃的有机物质，而原油，尤其是重馏分、釜残物、沥青等因含荧光物质较多，也应尽量少用。

（3）钻井液润滑性能的评价方法。

钻井液和泥饼的摩阻系数，是常用的两个评价钻井液润滑性能的技术指标。由于摩阻的大小不仅与钻井液的润滑性能有关，而且还与钻具和地层接触面的粗糙程度、接触面的塑性变形情况、钻柱侧向力的大小和分布情况、钻柱的尺寸和旋转速度等因素有关。因此，要全面、客观地评价和测定钻井过程中钻井液和泥饼摩阻系数，正确地评选钻井液和润滑剂是很困难的。目前，国内外对钻井液润滑性能的检测尚无公认的通用仪器和方法，各种评价方法的客观性尚需进一步提高。因此，在目前限定的测试仪器和条件下，只能从某一侧面评价和优选钻井液基液和润滑剂，确定在该条件下的摩阻系数。

2.2 植物油特性的研究

（1）废弃植物油的成分及来源。

根据统计，北京市每年产生的废弃油脂在10万吨左右，特别是废弃植物油的非法排放不但污染了环境，而且也是一种极大的能源浪费。我国规定污水排入城市排污管网的饮食服务企业，应安装隔油池或采其它处理措施，人工清理隔油池，收集废油脂。由于餐饮业植物油经过反复高温烹炸与其它物质混杂，其成分变得相当复杂，主要是脂肪酸三甘油酯、少量游离的脂肪酸、水分、杂质和污染物质等。

（2）废弃植物油的润滑性。

植物油润滑性能的测试仪器为济南试验机厂生产的MQ-800四球试验机。使用的钢球为CCr15标准钢球，硬度为59HRC～61HRC，直径为12.7mm。测试条件为转速1450r/min，室温，按GB/l3142—82方法评价植物油的承载性能。抗磨性能以长期磨试验后磨斑直径数值来评价，长期磨试验时间为30min，试验负荷分别是392N和588N。植物油的最大无卡咬负荷绝大部分在627N～784N之间，高于对比试样矿物油500SN，表明植物油普遍具有优良的油性和油膜强度，优于矿物油；在极压试验中，植物类基础油的烧结负荷多在1568N，高于对比试样矿物基础油500SN，具有较好的极压性能。

废弃植物油具有保证机械良好润滑的润滑性能和粘温性能。在润滑性能方面，其具有比矿物油更好的承载能力和抗磨性，多数废弃植物油的最大无卡咬负荷和烧结负荷比矿物油高出20%～30%，磨斑直径约比矿物油小1/5，为机械润滑提供了良好的润滑性能；同时，废弃植物油具有优异的粘温性质，绝大多数试样的粘度指数达到200以上（而矿物油的粘度指数则多在50—100之间）。应用于温度变化较大场合和工作条件时，油品的粘度变化幅度小，从而减小因温度变化油品粘度的大幅度变化而对润滑带来的不利影响，更有利于在温差变化较大的发动机和其它设备中应用。

2.3 新型植物油润滑剂的合成

（1）化学法合成植物油润滑剂原理。

可再生植物油改性方法：化学法、生物酶法（需使用有机溶剂，酶易失效）、热解法（设备昂贵）。

脂肪酸类转化反应原理：

RCOOH+CH3OHRCOOCH3+H2O

甘油三酯类转化反应原理：

C3H5（RCOO）3+3CH3OHRCOOCH3+C3H5（OH）3

其中RCOOH及C3H5（RCOO）3为废弃植物油的主要成分，R优选为8-20个碳原子的烷基，R1为1-6个碳原子的烷基，优选1-3个碳原子的烷基，反应温度为60～120℃，反应时间为3～8h。

（2）废弃植物油的优选：根据成本、杂质含量、环境性能和荧光级别综合分析，选择原料废弃植物油。

（3）植物油润滑剂的合成。

①废弃植物油沉降24h后，用离心机离心0.5h，以去除其中的泥沙和水分等杂质；

②取离心过的废弃植物油800.0g，加入100.0g小分子醇类（如甲醇）和催化剂25.0g，保持温度为90℃，反应6h；

③产物沉降6h后，分离出甘油后，再在100℃下进行精馏，去除未反应的小分子醇；

④加入40g非离子表面活性剂和30g抗高温处理剂改性处理，即得。

2.4 新型植物油钻井液润滑剂性能的评价

新型植物油钻井液润滑剂的润滑效果评价是参照中石化集团胜利石油管理局企业标准Q/SH1020 1878-2012钻井液用油基润滑剂通用技术条件进行测试的。

2.4.1 基浆的配制

（1）淡水基浆的配制。

用量筒准确量取300mL蒸馏水，在10000RPM高速搅拌下，加入准确称取的18.00g钠膨润土，高速搅拌20min后，室温密闭静置养护24h，配制成6%钠膨润土浆，简称基浆。

（2）4%盐水基浆的配制。

取300mL基浆，加入12.00gNaCl，在10000RPM下高速搅拌5min，制成4%盐水浆，简称4%盐水基浆。

2.4.2 常温下润滑性能测试方法

（1）淡水浆极压润滑性能的测定：配制两份300mL基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，用EP极压润滑仪测定基浆加样前后的极压润滑系数。

（2）淡水浆粘附系数的测定：配制两份300mL基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速攪拌5min后，用粘附系数测定仪测定基浆加样前后的粘附系数。

（3）盐水浆极压润滑性能的测定：配制两份300mL盐水基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，然后用EP极压润滑仪测定盐水基浆加样前后的极压润滑系数。

（4）盐水浆粘附系数的测定：配制两份300mL盐水基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，然后用粘附系数测定仪测定盐水基浆加样前后的粘附系数。

2.4.3 高温下润滑性能测试方法

（1）淡水浆极压润滑性能的测定：配制两份300mL基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，分别倒入老化罐中，在130℃下滚动16h后，冷却到室温；倒出，在10000RPM下高速搅拌5min后，用EP极压润滑仪分别测定老化后的基浆加样前后的极压润滑系数。

（2）淡水浆粘附系数的测定：配制两份300mL基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，分别倒入老化罐中，在130℃下滚动16h后，冷却到室温；倒出，在10000RPM下高速搅拌5min后，用粘附系数测定仪分别测定老化后的基浆加样前后的粘附系数。

（3）4%盐水浆极压润滑性能的测定：配制两份300mL盐水基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，分别倒入老化罐中，在130℃下滚动16h后，冷却到室温；倒出，在10000RPM下高速搅拌5min后，用EP极压润滑仪分别测定老化后的盐水基浆加样前后的极压润滑系数。

（4）4%盐水浆粘附系数的测定：配制两份300mL盐水基浆，向其中一份加入1%研制的植物油钻井液润滑剂，两份浆均在10000RPM下高速搅拌5min后，分别倒入老化罐中，在130℃下滚动16h后，冷却到室温；倒出，在10000RPM下高速搅拌5min后，用粘附系数仪分别测定老化后的盐水基浆加样前后的粘附系数。

另对钻井液处理剂及体系生物毒性（EC50）及荧光级别分别检测。

2.5 实验结果

新型植物油润滑剂在130℃/16h高温下极压润滑系数降低率91.7%～95.2%，粘附系数降低率在92.3%～92.9%，荧光级别3级；EC50≥50000mg/L。

3 中试生产研究

3.1 主要原材料

废弃植物油1、2、3，表面活性剂A、B，小分子醇类，催化剂，KOH，磺甲基酚醛树脂（SMP），磺化褐煤树脂或其混合物。

3.2 主要生产设备

离心机、反应釜、精馏塔。

3.3 最佳合成工艺参数

原料配比：废弃植物油70%～80%、低级醇10%～20%、表面活性剂1%～5%、抗高温处理剂1%～5%。

反应条件：温度60℃～120℃，3h～8h。

3.4 工业化生产步骤

（1）原料预处理步骤：除去废弃植物油中的杂质；

（2）酯化转换步骤：通过酯化反应或者酯交换反应制备，反应温度为60～120℃，反应时间3～8h；

（3）产物精制及分离步骤：产物经沉降、分离后，再经精馏法精制产品；

（4）性能改进步骤：加入表面活性剂和抗高温处理剂处理。

3.5 产品的主要技术指标

新研发的产品要满足表3的性能指标。

4 现场试验

在室内研究和中试生产的基础上，新型植物油润滑剂在桩西油田的桩23区块、曲堤油田的104区块和曲9区块、莱87区块、盐227区块等的73口井进行了现场试验。结果表明研制的新型植物油润滑剂与其它处理剂配伍性良好，润滑效果明显。

5 结论

（1）利用废弃植物油经过一系列化学反应改性处理生产新型钻井液润滑剂是可行的。

（2）新型植物油钻井液润滑剂与钻井液体系配伍性好，无论是在淡水浆中，还是在盐水浆中，均能显著改善钻井液的润滑效果，降低钻井液的摩擦系数。

（3）新型植物油钻井液润滑剂无荧光，不影响地质录井。

（4）新型植物油钻井液润滑剂能够减少斜井或水平井中原油的加量，生物毒性低，环境保护效果好。

（5）新型植物油钻井液润滑剂抗温能力达140℃，能够满足中、深定向井、水平井钻井施工需要。

（6）新型植物油钻井液润滑剂能够降低斜井、水平井钻井过程中的摩阻和扭矩，减少井下复杂情况的发生，缩短钻井周期，提高钻井速度，降低钻井成本。

参考文献

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