钻井液用环境友好型减摩降阻剂性能评价及应用*

封心领

（中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京210048）

随着石油天然气勘探开发领域的扩大和深入，大斜度井、大位移井和水平井逐渐增多，钻井摩阻问题尤为突出［1-3］。作业时钻具在重力作用下与套管、井壁直接接触，摩擦陡然增大并产生瞬间高温，普通的润滑剂由于极压膜强度低，耐温性不足，很容易被破坏掉，失去润滑作用，导致钻具的磨损以及卡钻，造成严重的井下事故。极压润滑剂由于含有一些特殊的元素，能在钻具表面形成高强度的极压膜［4］，在高温、高负荷条件下依然能维持良好的润滑性能，在一定程度上满足了大斜度井、大位移井和水平井钻井需求，成为当前研究的热点，部分产品也得到了一定的应用［5-8］。但这些极压润滑剂通常会加入大量的矿物油，会对环境以及人体造成危害。有关具有优异抗磨减摩效果的环境友好型极压润滑剂的报道较少，尤其是在高固相钻井液体系中应用的报道更少。高固相钻井液体系固相含量高，摩阻大，若润滑剂吸附能力不足或形成的油膜强度不高很容易失去效果，造成钻井事故；且一些润滑剂在高固相钻井液中易造成体系黏度增大，润滑性能明显下降。因此研制一种低生物毒性、对体系黏度影响小、润滑效果优良的润滑剂对大斜度、大位移定向井和水平井的安全钻进尤为重要［9-11］。本文向长链的多元醇胺中引入多种活性元素及金属元素，将得到的产物与脂肪酸反应，最后加入复配乳化剂，制得一种强吸附性的减摩降阻剂NH-JZ。研究了其润滑性能、抗磨减摩性能、起泡性能、抗温性能、荧光级别、生物毒性以及与钻井液的配伍性，并在中石化、中石油共17口井进行了现场应用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

无水碳酸钠、氢氧化钠、甲酸钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；钠膨润土，胜利博友泥浆技术有限责任公司；聚丙烯酰胺（PAM）、两性离子包被剂（FA367）、磺酸盐共聚物、两性离子磺甲基酚醛树脂（CSMP），濮阳鑫源聚合物有限公司；抗高温降滤失剂（KFT）、低黏羧甲基纤维素钠（CMC-LV、CMC-HV）、磺化酚醛树脂、乳化沥青、改性沥青、磺化沥青、纳米乳液，濮阳市诚信钻采助剂有限公司；胺基聚醇，聚合醇，山东得顺源石油科技有限公司；重晶石，石家庄钰蕴矿产品有限公司；润滑剂RH220，成都西油华巍科技有限公司；聚胺NH-1、减摩降阻剂NH-JZ，自制。实验所用钻井液配方如下：（1）4%膨润土浆配方：300 mL蒸馏水+0.42 g无水碳酸钠+12.0 g钠膨润土，25℃（下同）下的密度为1.05 g/cm3；（2）高密度基浆配方：4%膨润土+0.14%Na2CO3+0.15%CMC-HV+适量重晶石；密度2.05 g/cm3；（3）聚胺聚合物钻井液配方：3%钠膨润土+0.3% Na2CO3+0.3%聚胺NH-1+0.3% FA367+2%CSMP+0.3% CMC-LV+适量重晶石，密度1.15 g/cm3；（4）聚磺钻井液配方：4%钠膨润土+0.3%PAM+0.3%胺基聚醇+0.5%NaOH+3%KFT+1%磺化酚醛树脂+3%改性沥青+1%磺酸盐共聚物+适量重晶石，密度1.25 g/cm3；（5）有机盐钻井液配方：4.5%钠膨润土+10%甲酸钾+1.7%聚合醇+2.5%纳米乳液+1.7%磺化沥青+2.5%乳化沥青+适量重晶石，密度1.62 g/cm3。

Fann21200 极压润滑仪、GJS-B12K 型高速变频搅拌机、SD3 中压滤失仪、GW300 型高温滚子加热炉，青岛同春石油仪器有限公司；WT-AUTO-900 智能黏度计，北京探矿工程研究所，美国Fann 公司；LH-YG1500地质荧光仪，山东中煤工矿物资有限公司；KMY201-1A 型抗磨试验机，武汉神州机电有限公司；Sigma 500 高分辨率场发射扫描电镜，德国卡尔蔡司公司；Xflash 5030能谱仪，德国布鲁克公司；DXY-2型生物毒性测定仪，中国科学院南京土壤研究所。

1.2 减摩降阻剂NH-JZ的制备

在一定条件下，多元醇胺水溶液与含有多种活性元素的无机化合物反应，再缓慢加入金属氯化物溶液，生成的反应物再与脂肪酸进行反应，最后加入复合乳化剂得到棕红色黏稠液体，即为减摩降阻剂NH-JZ。

1.3 性能评价

（1）润滑性能。参照中国石化西南油气分公司企业标准Q/SH 1500 0062—2014《钻井液用套管减磨剂技术要求》，采用极压润滑仪测试NH-JZ 在常规基浆以及加重钻井液中的润滑系数，计算润滑系数降低率。

（2）减摩抗磨性能。①承压能力测试：参照中石化集团南京化学工业有限公司企业标准Q/SH 1170 060—2014《NH-EPL1 型钻井液用极压润滑剂》，采用抗磨试验机评价NH-JZ 的承压能力。将砝码托盘置于抗磨试验机长力臂L 处（L 为杠杆倍率，取30），将20.0 mL 待测样品加入抗磨试验机的油盒中，开动电机，在长力臂端添加砝码，至油膜破裂及发出刺耳的噪音，关闭电机，计算所加砝码的总质量 m ，然后用 m 乘以 L 再加上 2 0 kgf（20 为砝码托盘在摩擦点所产生的压力），即得到减摩减阻剂的承压能力，以公斤力（kgf）表示。②磨失量降低率测试：参照中国石化西南油气分公司企业标准Q/SH 1500 0062—2014，采用抗磨试验机，在一定负荷下磨损一定时间后，计算磨柱在加入减摩降阻剂或润滑剂的不同密度的基浆中的磨失量降低率以及磨斑大小，评价减摩降阻剂的抗磨性能。

（3）起泡性能。参照中国石化西南油气分公司企业标准Q/SH 1500 0062—2014，室温下在300 mL基浆中加入1.5 g NH-JZ，在12000 r/min下高速搅拌5 min，搅拌停止后开始计时，在20 s 内将泥浆倒入500 mL量筒，30 s内读取体积，计算起泡率。

（4）荧光等级。参照中国石化西南油气分公司企业标准 Q /SH 1500 0031—2013 测试 N H-JZ 的荧光级别。在洁净烘干的100 mL 烧杯中加入20 mL三氯甲烷，加入1 g待测定荧光级别的试样，摇匀后静置，待澄清后倒出10数15 mL澄清液于干净试管中，在地质荧光仪下观察荧光颜色，并与胜利油田原油配制的标准系列对比确定荧光级别。

（5）生物毒性。参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 111—2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法发光细菌法》测试NH-JZ的生物毒性。

（6）钻井液性能。向聚胺聚合物钻井液、聚磺钻井液和有机盐钻井液中分别加入1% NH-JZ，按照国家标准GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1 部分：水基钻井液》，测定钻井液的六速黏度（Ф600）、高温高压滤失量FL（HTHP）和密度。

2 结果与讨论

2.1 润滑性能

2.1.1 在膨润土浆中的润滑性能

NH-JZ 加量对4%膨润土浆润滑性能的影响见表1。随着NH-JZ 加量增大，膨润土浆的润滑性能逐渐提高。当NH-JZ加量为0.5%时，膨润土浆的润滑系数降低率达到90.41%，体现出NH-JZ具有用量低、润滑能力强的特点。这是由于NH-JZ中含有羟基、酯基、胺基等多种极性基团，极性基团中的价电子与金属表面原子核相互吸引，使极性基团与金属表面产生化学吸附力，分子极性端牢固的吸附在金属表面，非极性端分子朝外形成吸附膜［12］；此外，较长的分子链可以增加吸附膜的厚度，提高吸附膜的稳定性，表现出更好的润滑效果。

表1 NH-JZ加量对膨润土浆、高密度钻井液润滑性能的影响*

2.1.2 在高密度基浆中的润滑性能

由NH-JZ 加量对高密度基浆润滑性能的影响（表1）可见，随着NH-JZ加量增大，高密度基浆的润滑系数逐渐降低。当NH-JZ的加量为2.0%时，高密度基浆的润滑系数降低率为86.87%，说明减摩降阻剂在高密度钻井液中具有优异的润滑性能。

2.1.3 润滑持久性能

目前常用的润滑剂起初加到钻井液中的润滑效果较好，但经过几个循环周或几天后润滑性下降，润滑持效性差，润滑剂补充量较大［13］，因此有必要评价NH-JZ 的润滑持久性能。采用极压润滑仪测定NH-JZ 在4%膨润土浆和高密度基浆中摩擦不同时间下的润滑系数，并考察滑块的发热情况［4］，结果见表2。不加NH-JZ 时，4%膨润土浆和高密度基浆润滑系数随着测试时间的延长而增大，并且滑块发热；当加入0.5%NH-JZ后，4%膨润土基浆润滑系数大幅降低，且随着测试时间延长滑块不发热；同样加入2.0%NH-JZ后，高密度基浆的润滑性能大幅改善，且随测试时间的延长，高密度基浆的润滑性能基本保持不变且滑块不发热，表明NH-JZ具有良好的润滑持效性。一方面是由于NH-JZ 中含有大量的极性基团，形成了牢固的吸附膜；另一方面是由于分子中含有大量的氧、氮等电负性较大的原子，使得分子与分子间可以形成氢键，缩小了分子与分子间的距离，提高了NH-JZ 吸附膜的致密性，增加了吸附膜的强度，使NH-JZ具有较好的润滑持久性。

2.2 抗温性能

向膨润土浆中加入0.5%NH-JZ，在不同温度下老化16 h，冷却至常温后，考察膨润土浆的润滑效果。由表3可见，NH-JZ 具有良好的抗温性能，含NH-JZ 的膨润土浆200℃老化后的润滑系数降低率为93.47%。

表2 加有NH-JZ的不同密度的基浆润滑系数随测试时间的变化

表3 温度对NH-JZ润滑性能的影响

向膨润土浆中加入0.5%NH-JZ，在180℃下老化不同时间，冷却至常温后，膨润土浆的润滑效果见表4。随着老化时间的延长，NH-JZ 依然能保持良好的润滑效果，说明NH-JZ 具有良好的耐温性能，抗温效果持久。

表4 老化时间对NH-JZ润滑性能的影响

2.3 减摩抗磨性能

2.3.1 承压能力

减摩降阻剂或极压润滑剂的油膜强度大小，可以用承压能力来表示，承压能力越高，说明形成的油膜强度越大。用抗磨试验机测得NH-JZ 与市售润滑剂RH220 的承压能力分别为360、80 kgf，NH-JZ 的承压能力远高于润滑剂RH220，说明NH-JZ能形成高强度的极压膜。

2.3.2 抗磨性

减摩降阻剂或极压润滑剂具有优良的抗磨减摩作用。由表5可见，磨柱在膨润土浆和高密度基浆中磨损后形成椭圆形的磨斑，加入市售润滑剂RH220后形成的磨斑缩小，加入NH-JZ后形成的磨斑最小。在高密度基浆中，NH-JZ 的抗磨效果远好于市售润滑剂RH220。这是由于NH-JZ 通过极性基团很快在金属表面吸附形成致密的吸附膜，随着测试时间的延长，温度不断升高，磨柱表面吸附的有机膜被破坏，NH-JZ中的主要成分在高温、高压条件下分解，产生高活性元素，这些元素与金属表面元素发生反应，形成高强度的化学反应膜，阻止了金属与金属的直接接触，减少金属间的磨损，起到了良好的抗磨减摩效果。

表5 磨失量降低率及磨斑大小*

2.4 起泡性能

钻井液起泡会导致钻井液密度降低，当井内钻井液液柱压力低于地层压力时，就会导致井涌或井喷；此外，起泡严重还会影响泥浆泵的上水效率导致泵压降低，对整个钻井工程造成影响，这就要求减摩降阻剂不能起泡或具有较低的起泡率。参照标准 Q/SH 1500 0062—2014，评价了 NH-JZ 起泡率。在300 mL 5%膨润土浆中加入1.5 g NH-JZ，高速搅拌5 min后，膨润土浆的体积为305 mL，计算得出NH-JZ在膨润土浆的起泡率为1.7%，满足标准Q/SH 1500 0062—2014规定的起泡率≤10%的要求。

2.5 荧光级别

将NH-JZ 与以胜利油田原油配制的荧光级别为2 级的标准溶液进行对比，测得减摩降阻剂的荧光亮度明显小于2级，可应用于探井钻井作业施工。

2.6 生物毒性

参照Q/SY 111—2007，测得NH-JZ 的半有效浓度（EC50）为 2.52×105mg/L，大于 2.5×104mg/L。NH-JZ无毒，符合环保要求。

2.7 钻井液性能

NH-JZ对钻井液流变性和高温高压滤失量的影响见表6。加入NH-JZ后，聚胺聚合物钻井液、聚磺钻井液、有机盐钻井液的塑性黏度、动切力变化较小，滤失量均有不同程度的下降，润滑性能得到显著提高，说明NH-JZ 与3 种钻井液体系的配伍性良好，能显著改善钻井液润滑性能。加入NH-JZ高速搅拌后体系密度没有改变，说明NH-JZ不会造成钻井液起泡。

表6 NH-JZ对钻井液流变性、滤失量及润滑性的影响*

2.8 减摩抗磨机理

将一定量膨润土分别加入去离子水及含有0.5%NH-JZ 的水溶液中，于180℃热滚16 h 后常温下晾干，用扫描电子显微镜进行形貌分析（在NH-JZ水溶液中老化后的膨润土在进行形貌分析前用去离子水反复清洗）。从图1（a）可以看到膨润土的层状结构，从图1（b）中能看出膨润土表面覆盖一层膜，使得膨润土表面比较光滑，说明NH-JZ 能很好地吸附在膨润土表面。NH-JZ主要成分的分子结构中含有强极性基团以及长链的非极性基团，极性基团借助物理或化学作用吸附在膨润土的表面，非极性基团向外伸展形成疏水膜，阻止钻井液中的水向地层渗透，降低失水量，有利于维护井壁稳定。此外，在钻井过程中由于钻具、套管、岩石表面憎水膜的存在，使钻具与套管、钻具与岩石的直接接触变成了憎水膜之间的接触，从而降低了摩擦系数［6］。

采用能谱仪分析了磨柱在0.5%NH-JZ 基浆中磨损一定时间后，磨斑表面的元素组成（测试前用石油醚多次清洗磨柱，冷风吹干后方可进行测试），并与相同材质的磨柱在不含NH-JZ 的基浆中磨损一定时间后磨斑表面的元素进行对比，结果见表7、表8。与在未加NH-JZ的基浆中磨损后形成的磨斑相比，磨柱在含有0.5%NH-JZ基浆中磨损后形成的磨斑表面的元素含量及种类均发生变化。其中1号、2号、4号元素含量大幅提高，同时还出现磨柱本身不具有的3号元素。这些元素均来自减摩降阻剂NH-JZ，验证了NH-JZ中含有的活性元素在高温、高压条件下与磨柱中的金属元素发生了化学反应，形成了一种化学反应膜覆盖在磨柱表面。该化学反应膜强度非常高，即使在高温高压条件下该化学反应膜依然保持较高的强度，使金属与金属之间的干摩擦变成边界摩擦，从而减少磨柱进一步的磨损。

图1 膨润土在清水（a）和0.5% NH-JZ溶液（b）中的形貌

表7 磨柱在基浆中磨损后磨斑表面的元素组成*

表8 磨柱在含0.5% NH-JZ的基浆中磨损后磨斑表面的元素组成

2.9 现场应用

NH-JZ 在渤海渤中区块多口大斜度井、水平井得到应用。渤中25-1-C38H井是渤中区块的一口重点水平井，设计井深4735 m，水平位移1935 m，井底温度超过150℃。该井四开钻进至4236 m 时，采用有机盐钻井液体系开始水平段钻进，由于钻速快，岩屑未能及时返出形成岩屑床，同时多次发生井漏，上提摩阻和扭矩陡然增大。此时钻井液密度1.62 g/cm3，FL（HTHP）为9.2 mL，上提摩阻平均约为25 t，加入1.0%NH-JZ循环24 h后，密度不变，FL（HTHP）为9.0 mL，上提摩阻（平均约为13 t）显著降低，钻进过程中摩阻和扭矩始终保持在较低的范围内。后期的钻进过程中仅补充了1 t 0.3%NH-JZ以保证钻井液的润滑性，表明NH-JZ具有较好的稳定性。钻井液优良的润滑性能保证了该井的顺利完钻。邵23-3 井位于江苏省扬州市邵伯镇运河村窑塘组，属于高邮凹陷深凹带黄珏构造黄-邵结合部邵23断块。该井位于长江经济带，环保压力大。该井设计井深3178 m，实际完钻井深3160 m。该井于400 m定向造斜，最大井斜54°，位于井深3154 m，最大井底位移1912.37 m，属于一口大斜度大位移定向井。采用复合金属离子聚合物润滑防塌钻井液体系，使用陈浆开钻，钻井液固相经过长时间研磨后变得很细，固控设备很难完全清除，固相含量偏高，而这些细颗粒固相对井下摩阻影响很大。该井在井深2800 多米时上提摩阻上升至38 t，钻具在井内的摩阻极难控制，加之常用润滑剂KD-21C 效果不理想，给钻井生产带来极大风险。加入0.3 t 0.2%NH-JZ后，摩阻降至约22 t，摩阻降低率达到42.1%，钻井液润滑性能得到显著改善。现场应用效果表明，NH-JZ 不会对钻井液性能产生影响，不起泡，荧光级别达到勘探开发的要求，特别适合定向滑动钻进，有效降低托压，提高机械钻速明显。该井在如此高难度下全井平均机械钻速达到13.76 m/h，缩短了钻进周期。

减摩降阻剂NH-JZ 在中石化、中石油大位移井、水平井（包括页岩气水平井阳105H1-2）中得到了推广应用。在17口井的使用过程中，NH-JZ能有效避免或减少定向滑动钻进中的托压，显著降低井下摩阻，实验井平均摩阻降低率38.91%，施工井均实现井下复杂故障为零。使用过程中具有加量小、减摩降阻效果良好、配伍性好、不起泡、荧光低的特点。

3 结论

NH-JZ 具有优异的润滑性能和抗磨减摩性能，极压膜强度高，承压能力360 kgf，抗温达200℃，荧光级别低，无生物毒性，是一种环保型的钻井液添加剂。NH-JZ与钻井液体系的配伍性良好，不起泡，不增黏，具有一定的降失水作用。现场应用表明，NH-JZ 能满足高密度钻井液的润滑需求，润滑效果显著，能有效降低钻柱扭矩和起下钻阻力，减少卡钻事故的发生，可以满足大斜度、大位移定向井、水平井等复杂结构井的钻井需求。