新型环保润滑剂的制备及其在页岩气水基钻井液中的应用

耿 月，刘洪山，何振涛，李晓宏，高红茜

1长江大学石油工程学院2中国石油青海油田井下作业公司3中国石油青海油田采气三厂4中国石油青海油田采油二厂5中国石油青海油田采油三厂

0 引言

页岩气的开发大多以大位移井和水平井为主，由于页岩储层具有裂缝发育以及黏土矿物含量较高的特点，在水平段钻井过程中，不仅容易出现井壁垮塌、漏失以及井眼清洁困难等井下复杂问题，而且由于页岩气水平井的水平段过长，还经常会出现摩阻较高、蹩钻、卡钻以及起下钻遇阻等复杂事故。因此，在页岩气水平井钻井过程中，不仅要求钻井液体系具有良好的抑制性和封堵性，还要具有良好的润滑性能，所以研究高性能润滑剂成为页岩气水基钻井液技术开发的一项重要工作［1-7］。

目前水基钻井液中常用的润滑剂大多使用矿物油或植物油为原料制备而来，虽然具有良好的润滑效果，但其荧光级别通常较高，并且抗磨、耐温性能稍差，影响其大规模推广应用［8-10］。因此，研制开发润滑性能优良、环保效果较好的新型润滑剂成为未来研究的重点。本文使用工业废弃植物油中的长链脂肪酸和有机多元醇进行反应，合成了脂肪酸酯类聚合物，并在此基础上，引入了有机硼极压抗磨剂和非离子表面活性剂，增强其耐磨和耐温性能，研制了一种新型环保润滑剂HBR-12，室内评价了其润滑性能、与钻井液的配伍性以及环保性能，分析了润滑剂的作用机理，并成功在四川盆地某页岩气区块进行了现场应用。

1 实验部分

1.1 主要实验药品及仪器

长链脂肪酸（工业废弃植物油中的长链脂肪酸）、有机多元醇、有机硼极压抗磨剂、非离子表面活性剂等均为工业品；氢氧化钠、碳酸钠和氯化钾等无机盐均为分析纯；醇醚类润滑剂A、植物油脂类润滑剂B、乳液类润滑剂C，均为工业品；钠膨润土、重晶石，工业品。

美国OFI数显式极压润滑仪；NF-2滤饼黏附系数测定仪；HTD-GL8型高温滚子加热炉；ZNN-D6S型数显六速旋转黏度计；SD3型多联中压滤失仪；GGS71型高温高压滤失仪。

1.2 新型环保润滑剂的制备

将长链脂肪酸和有机多元醇按照一定的比例进行混合，搅拌均匀后在150～180℃下反应5～6 h，然后在反应产物中加入一定量的有机硼极压抗磨剂和非离子表面活性剂，继续在80～90℃下反应3～5 h即得到新型环保润滑剂HBR-12产品。

1.3 实验方法

1.3.1 润滑性能

（1）润滑系数以及滤饼黏附系数的测定。参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 17088—2016《钻井液用液体润滑剂技术规范》中的规定进行测定。

（2）极压膜强度的测定。使用美国OFI数显式极压润滑仪测定，采用极压膜强度测试专用的滑块组合进行实验。

1.3.2 与钻井液的配伍性

按现场页岩气水基钻井液配方设计配制钻井液体系，然后加入不同加量的新型环保润滑剂HBR-12，测定钻井液体系老化前后的流变性能、滤失量和润滑系数，以此评价润滑剂与钻井液的配伍性。水基钻井液配方为：3.0%膨润土浆+0.15%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%LV-PAC+2.0%聚合物降滤失剂+1.5%聚胺抑制剂+5.0%超细碳酸钙+3.0%纳米封堵剂+5%KCl+重晶石粉加重至1.5 g/cm3。

1.3.3 环保性能

（1）参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 17088—2016《钻井液用液体润滑剂技术规范》测定润滑剂的荧光级别。

（2）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》测定润滑剂生物毒性。

（3）参照石油天然气行业标准SY/T 6788—2010《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》评价润滑剂的生物降解性。

2 结果与讨论

2.1 润滑性能

2.1.1 润滑系数和滤饼黏附系数

参照1.3.1中的实验方法，测定了基浆中加入不同浓度的新型环保润滑剂HBR-12后的润滑系数和滤饼黏附系数，并计算润滑系数降低率和滤饼黏附系数降低率。基浆配方为：5%淡水膨润土浆+0.2%Na2CO3，实验结果见图1和图2。

由图1和图2结果可知，在基浆中加入不同浓度的新型环保润滑剂HBR-12后，润滑系数和滤饼黏附系数均出现明显的下降现象，当HBR-12加量为1.0%时，基浆的润滑系数和滤饼黏附系数分别为0.075和0.054，润滑系数降低率达到85%以上，滤饼黏附系数降低率达到70%以上，说明研制的新型环保润滑剂HBR-12具有良好的润滑性能。

图1 润滑剂HBR-12加量对润滑系数的影响

图2 润滑剂HBR-12加量对滤饼黏附系数的影响

2.1.2 极压膜强度

参照1.3.1中的实验方法，测定了基浆中加入不同浓度的新型环保润滑剂HBR-12后的极压膜强度，基浆配方同2.1.1，实验结果见图3。

由图3结果可知，随着新型环保润滑剂HBR-12加量的增大，极压膜强度逐渐增大，当HBR-12加量为1.0%时，极压膜强度可以达到200 MPa以上。说明研制的新型环保润滑剂HBR-12可以形成强度较大的极压膜，在较高的压力条件下仍能保持良好的润滑性能。

图3 润滑剂HBR-12加量对极压膜强度的影响

2.1.3 与其他常用润滑剂的性能对比

参照1.3.1中的实验方法，对比评价了醇醚类润滑剂A、植物油脂类润滑剂B、乳液类润滑剂C和新型环保润滑剂HBR-12的润滑性能，在基浆中加入不同类型的润滑剂（加量均为1.0%），分别测定润滑系数降低率、滤饼黏附系数降低率和极压膜强度，基浆配方同2.1.1，实验结果见表1。

表1 不同润滑剂的润滑性能对比结果

由表1结果可知，在基浆中加入相同加量的润滑剂后，新型环保润滑剂HBR-12的润滑效果最好，润滑系数降低率、滤饼黏附系数降低率和极压膜强度三项参数均明显高于其他润滑剂，说明研制的新型环保润滑剂HBR-12综合润滑性能优良。此外，新型环保润滑剂HBR-12的合成原料使用的是工业废弃植物油中的长链脂肪酸，原料来源较广，成本较低，与同类型润滑剂相比，具有一定的价格优势。

2.1.4 润滑剂作用机理

新型环保润滑剂HBR-12的作用机理主要包括以下两点：①吸附膜润滑机理。新型环保润滑剂HBR-12含有较多的酯基、羧基、羰基以及酰胺基等极性吸附基团，可以通过其强大的吸附作用在金属的摩擦表面形成一层吸附润滑薄膜，且由于润滑剂分子链较长，其所形成的吸附膜比较稳定，不易脱附，使其能够保持良好的润滑性能。此外，新型环保润滑剂HBR-12中的非离子表面活性剂物质能够提高其乳化性能，使润滑剂稳定分散在钻井液中，从而提高其润滑效果；②化学反应极压膜润滑机理。新型环保润滑剂HBR-12中含有的有机硼极压抗磨剂成分，使其在一定的温度和压力条件下能够紧紧吸附在金属和地层岩石表面，并且在极压条件下可以产生化学反应，生成一层化学反应极压膜，其与吸附膜不同，化学反应极压膜的熔点较低，能够牢固的吸附在金属表面，保护金属表面不发生黏着磨损。并且在摩擦过程中当极压膜被磨去后可以快速生成一层新膜，可以有效防止金属摩擦面之间的直接接触，达到降低磨损和摩阻的目的。

2.2 与钻井液的配伍性

参照1.3.2中的实验方法，在水基钻井液中加入不同加量的新型环保润滑剂HBR-12，测定其对钻井液体系老化的流变性能、滤失量以及润滑性能的影响，钻井液老化条件为100℃×16 h，高温高压滤失量实验条件为100℃×3.5 MPa，实验结果显示，随着新型环保润滑剂HBR-12加量的增大，水基钻井液体系的流变性能基本没有变化，而API滤失量和HTHP滤失量均有所降低，润滑系数降低率和滤饼黏附系数降低率均有所增大。当润滑剂HBR-12加量为1.0%时，钻井液体系的润滑系数降低率可以达到80%以上，滤饼黏附系数降低率可以达到65%以上，起到了良好的润滑效果。由此可以看出，研制的新型环保润滑剂HBR-12与现场用水基钻井液体系具有良好的配伍性，不会对钻井液体系的流变性能造成影响，且可以有效降低钻井液体系的润滑系数和滤饼黏附系数。

2.3 环保性能

参照1.3.3中的实验方法，对新型环保润滑剂HBR-12的荧光级别、生物毒性以及生物降解性进行了测定，实验结果看出，新型环保润滑剂HBR-12的荧光级别为1～2级，可以达到标准要求，不会影响地质录井作业质量；EC50值为125 300，属于无毒油田化学处理剂；BOD/CODCr值为29.8%，属于易降解油田化学处理剂。说明研制的新型环保润滑剂HBR-12具有良好的环保性能，处理剂本身不会对生态环境和生物造成毒性伤害，符合环保要求。

3 现场应用

新型环保润滑剂HBR-12在四川盆地某页岩气区块的X-1井进行了现场应用试验，X-1井的设计井深为4 355 m，水平段长度为1 150 m，地层温度在95℃左右。该区块前期水平段钻进时主要采用复合润滑剂（酰胺类润滑剂和表面活性剂复配），现场施工过程中润滑效果不理想，表现为摩阻和扭矩较高，经常出现钻井托压、起下钻遇阻等复杂情况。因此，在X-1井水平段钻井施工时加入了新型环保润滑剂HBR-12，钻井液润滑性能得到了明显改善，现场钻井液润滑系数和滤饼黏附系数下降明显，与同区块内使用复合润滑剂的Y-1井和Y-2井相比，起下钻摩阻大幅降低（见表2）。X-1井水平段钻井施工过程中未出现钻井托压、卡钻以及起下钻遇阻等井下故障，取得了良好的施工效果。

表2 润滑剂HBR-12现场应用效果

4 结论

（1）使用长链脂肪酸、有机多元醇、有机硼极压抗磨剂和非离子表面活性剂为原料，制备了一种新型环保润滑剂HBR-12。

（2）润滑剂HBR-12综合性能评价结果表明，HBR-12加量为1.0%时，可使基浆润滑系数和滤饼黏附系数显著下降，极压膜强度较高，润滑性能优于其他常用润滑剂；HBR-12对钻井液流变性能影响较小，可使滤失量稍微降低，并可以显著降低钻井液体系的润滑系数和滤饼黏附系数，与钻井液的配伍性较好；润滑剂HBR-12还具有良好的环保性能。

（3）润滑剂HBR-12在四川盆地某页岩气区块X-1井水平段钻井时成功进行了应用，与前期使用复合润滑剂的Y-1井和Y-2井相比，表现出更好的润滑性能，润滑系数、滤饼黏附系数和起下钻摩阻均显著下降，钻井施工过程顺利。