一种高性能环保型钻井液润滑剂的研究与应用

2018-10-18李小瑞张宇景晓琴马健费贵强杨南

钻井液与完井液 2018年4期

李小瑞，张宇，2，景晓琴，马健，费贵强，杨南

（1.陕西科技大学化学与化工学院，西安 710021；2.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，西安 710021；3.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 716009）

随着水平井、深井和超深井等特殊工艺井的开采，长水平段高摩阻扭矩、深井高温等复杂情况对钻井液用润滑剂提出了较高的技术要求[1-4]。现有钻井液润滑剂大多难以同时兼顾良好的润滑性、抗高温能力及环保性能，无法满足特殊井钻井需求[5-7]。近年来，国内外钻井液润滑剂研究取得了较大的进展，但多功能型钻井液润滑剂研究总体上仍存在价格高、种类少、环保不达标等不足。调研分析发现，现有钻井液润滑剂大多适用于较低温（≤120 ℃）、较低密度（≤1.3 g/cm3）环境下，存在高温、高密度下润滑剂的作用效能显著降低且容易引起气泡等问题；同时，用于制备润滑剂的原材料大多采用矿物油、植物油等，存在荧光级别高或抗温效果不理想等问题；此外，现有极压润滑剂大多含硫磷等元素，对环境影响较大，限制了其推广使用[8-11]。因此，迫切需要研制一种适用于高摩阻扭矩、高温环境的高性能环保型钻井液润滑剂。室内优选了改性植物油BO-3、润滑改性剂（包括非硫磷有机硼酸酯YJP-1、油溶性荧光屏蔽剂YP-1及表面活性剂XP-1），实验优化了制备工艺条件，最终研制出了综合性能较优的钻井液润滑剂HPRH，并成功进行了现场试验。

1 润滑剂研制

1.1 基础油优选

常规植物油虽然具有可保护环境、低荧光特性，但其抗温能力普遍较差；矿物油虽然抗温效果好，但荧光级别较高，无法满足环境保护要求；而基础油的黏度、闪点、芳烃含量等参数直接关系到润滑剂成品的性能[12-15]。室内选取了多类废弃植物油脂，经过高温改性处理，测试了不同基础油的基本参数，结果见表1。

表1 不同基础油主要参数测试结果

由表1可知，BO-3具有良好的自润滑性，流动性好，荧光级别低，闪点较高，综合性能较优。因此选取改性植物油BO-3作为基础油。

1.2 润滑剂改性剂优选及配方的确定

为改善基础油的润滑性能、抗磨减磨性能及抗泡抑泡性能，分别优选了非硫磷有机硼酸酯YJP-1、油溶性荧光屏蔽剂YP-1及非离子表面活性剂XP-1。基于单因素正交实验，确定了较优的组分及加量，反应温度为75～80 ℃，反应时间为4～6 h，制备出润滑剂HPRH，配方如下。

97.5 %BO-3+0.8%YJP-1+1.2%XP-1+0.5%YP-1

2 润滑剂HPRH综合性能评价

2.1 物理性能

润滑剂HPRH的物理性能评价结果见表2。由表2可知，HPRH的稳定性好，起泡率低，无荧光，满足现场润滑剂使用基本要求，且制备HPRH的原材料均为环保、可降解材料，能够满足环保要求。

表2 润滑剂HPRH物理性能评价结果

2.2 HPRH加量的优选

由图1可知，随着HPRH加量的升高，实验浆的润滑系数降低率逐渐增大；当HPRH加量为0.5%时，实验浆的润滑系数降低率为93.75%，润滑效果显著，且继续增加润滑剂加量，润滑系数降低率变化不大。因此，推荐HPRH的较优使用浓度为0.5%。

图1 润滑剂HPRH加量优选实验结果

2.3 润滑性能

选取国内外应用效果较好的聚合醇类RH-1、矿物油类RH-2、植物油类RH-3及复合表面活性剂类RH-4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，依据SY/T 1088—2012《钻井液用液体润滑剂技术规范》，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，结果见表3。由表3可知，HPRH在淡水基浆及4%盐水基浆中的润滑性能均高于其他润滑剂。而且，制备HPRH的主要原材料为改性废弃植物油，来源广泛，成本低廉。

表3 不同润滑剂的润滑性能对比评价（加量为0.5%）

2.4 抗温性能

由表4可知，加入0.5%HPRH后，实验浆热滚前的流变参数较基浆无明显变化，说明润滑剂对钻井液流变性影响较小；实验浆在不同温度热滚前后的API滤失量较基浆有所降低，且小于25 mL，说明HPRH兼顾一定的降滤失作用；随着热滚温度的升高，实验浆的润滑性能虽然有所降低，但160 ℃热滚16 h后，其润滑系数降低率仍不小于80%，说明HPRH具有优良的抗温性能。

表4 润滑剂HPRH抗温性能评价

2.5 与钻井液配伍性

选取现场常用的不同类型密度均为1.6 g/cm3的钻井液，考察HPRH加量对其性能的影响。实验结果见表5。由表5可知，加入0.5%HPRH即能显著改善加重钻井液的润滑性能，且加样浆的泥饼黏附系数降低率均大于60%，说明HPRH在高密度钻井液中仍具有较好的润滑性能；同时HPRH对钻井液流变性影响较小。由此可见，HPRH适用于高密度钻井液，配伍性较好。

表5 HPRH与钻井液配伍性评价（ρ=1.6 g/cm3）

2.6 抗摩减磨性能

采用MMW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，测试不同摩擦磨损时间下实验浆的摩擦系数，考察了HPRH的抗摩减磨性能，结果见图2。实验条件为：销-盘均为N80钢，模拟载荷为120 N，温度为80 ℃，转速为500 r/min。由图2可知，随着摩擦磨损时间的延长，加入0.5%HPRH实验浆的摩擦系数变化幅度较小，长磨60 min后，实验浆的摩擦系数仍稳定为0.078～0.086；而膨润土基浆的摩擦系数随着磨损时间的增加而大幅增大，长磨60 min后的摩擦系数达到0.199。由此可看出，HPRH的润滑效果显著，持效性优良。

在此基础上，计算60 min长磨后盘的体积磨损率，体积磨损率计算式如下[16-17]。

图2 不同磨损时间下实验浆的摩擦系数测试结果

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。

结果表明，加入0.5%HPRH实验浆浸泡条件下，长磨60 min后盘的体积磨损率仅为6.92×10-13mm3/（N×m）；而膨润土基浆浸泡条件下，盘的体积磨损率达到7.54×10-11mm3/（N×m）。由此可见，HPRH能大幅降低钻柱摩擦磨损，抗摩减磨效果显著。这主要是由于经过高温改性后的植物油抗温效果较好，在高温下仍能在金属表面形成较强的吸附油膜，油膜之间摩擦大大减轻了金属磨损；而且，有机硼酸酯极压剂在井底动态极压条件下，能够及时在金属和井壁表面有效吸附，并形成物理、有机、聚合物等多层复合膜，对摩擦磨损粗糙面及时起到修复作用，从而达到优良的降摩减阻效果。

3 现场试验

HPRH在塔里木油田LN区块2口评价井水平段中进行了现场试验。试验井水平段主要以泥页岩为主，试验水平段井深约5 960 m，井下温度为160～180 ℃。现场水平段前期主要采用聚合物钻井液体系，钻进过程中高摩阻扭矩问题较为突出，常出现托压、卡钻等复杂事故，因此在水平段应用了HPRH，应用水平段长约500 m，润滑剂加量为0.5%～1.0%。试验井段钻井液泥饼黏附系数和邻井相同井段泥饼黏附系数变化见图3。由图3可知，在试验水平井段，评价井A和评价井B的钻井液泥饼黏附系数保持在0.05～0.08，润滑性能较好，且较邻井有较大幅度改善。结果表明，HPRH能改善钻井液润滑性能，在水平段钻井中起到良好的降摩减阻效果。由表6可以看出，试验水平井段钻井液润滑剂用量较邻井同井段减少了50%以上，同时钻井扭矩降低率达到30%以上，摩阻降低率大于25%，表明HPRH具有优异的降摩减阻效果。此外，现场施工过程中没有发生明显托压、卡钻等复杂情况，应用效果良好。