抗高温全油基生物油润滑剂研制与应用

陈 磊，张小平，蔺文洁

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；2.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西西安 710018）

近年来，随着油气勘探中深井水平井开发规模不断扩大，水平段不断延伸，钻进过程中摩阻、扭矩急剧增加，施工过程对润滑剂的抗温性能和环保性能要求日益提高。随着新环保法的实施，包括石油行业在内的各个领域都在积极推进清洁化生产及废弃物资源化利用。本技术针对新形势下的环保要求，研发出以生物基础油（植物油与动物油）为原料的润滑剂，不但可以解决深井及长水平段水平井的安全钻进技术难题，而且可以为实现废弃食用油资源化再利用提供关键技术支撑[1-3]。

1 技术难点

生物油脂（地沟油脂）作为基础油制备润滑剂主要存在以下技术难题：（1）稳定性不强：随着放置时间的增长，尤其是夏季高温下放置，润滑剂稳定性变差、易分层；（2）易皂化：由于其羧酸脂的结构，对钙镁离子等的抵抗性比较差，在使用中易产生皂化现象；（3）易发泡：生物油润滑剂受到高温、现场循环中氧化等作用下分解，常规的生物油润滑剂仅适用于低密度、低碱性、较低温的钻井液中，为将生物油润滑剂更好应用于国内外深井（及超深井）、高温井，需要解决润滑剂原材料选择、抗温、抗盐抗钙和成本控制等技术难题[4-6]。

2 研制思路及基础油参数确定

2.1 研制思路

（1）原料绿色化、低成本：采用无毒无害和可生物降解的生物油脂（地沟油）为原料，其无毒、来源广泛、黏度指数适中、生物降解性好。

（2）提高生物油高温分散与稳定：选择表面活性剂时，既要保证生物油在水基泥浆中的有效分散，又要具有好的抗温稳定性，无毒环保。

（3）提高润滑剂稳定性与抗盐抗钙性能：为克服原生物油水基润滑剂，乳液稳定性问题（产品长期储存，存在乳液生霉，变质分层），将原水基乳液产品优化为全油基生物油润滑剂产品，优选抗盐性好的乳化剂和分散剂。

（4）利用添加剂改善生物油性能：一是选择合适的高温稳定剂，提高生物油的高温稳定性，二是通过对部分生物油的改性，合成润滑添加剂，提高生物油本身的稳定性及润滑性，达到抗温的目的。

2.2 基础油的优选及参数确定

根据前期研究基础，综合考虑作为全油基钻井液用润滑剂基础油的生物油技术要求，通过室内验证，确定出钻井液用润滑剂生物油的基本技术指标（见表1）。

2.3 生物油润滑剂的制备

2.3.1 配方组成 全油基生物油润滑剂是以用地沟油制备的可生物降解的生物燃料油为基础油，主要成分为带吸附基团的长链酯化物等组成的钻井液用润滑剂。主要组成配方（见表2）。

表2 基本组成配方

2.3.2 制备工艺

（1）在密闭反应釜中加入一定量的生物油开始搅拌，搅拌速度100 r/min，并且逐渐开始升温至120 ℃，加温至目标温度后继续搅拌0.5 h；

（2）调整搅拌速度至200 r/min，0.5 h 内加入催化剂，然后缓慢加入抗氧剂，加入完毕后继续搅拌反应0.5 h；

（3）加入润湿剂继续搅拌0.5 h；

（4）搅拌降低反应釜温度至70 ℃，然后缓慢加入杀菌剂及极压剂，继续搅拌1 h；

（5）降低搅拌速度至100 r/min，直至反应釜内温度降低至常温。

最终形成的棕黄色黏稠状液体即为制备的全油基生物油润滑剂产品。

3 生物油润滑剂的评价

按照相关标准及评价方法对全油基生物油润滑剂（G316）进行了评价实验。

3.1 在基浆中的评价实验

按标准配制水化膨润土浆，分别测试G316 产品在120 ℃，150 ℃、170 ℃和180 ℃下的润滑效果（见表3～表6）。

表3 120 ℃热滚前后的润滑性能评价

表4 150 ℃热滚前后的润滑性能评价

表5 170 ℃热滚前后的润滑性能评价

表6 180 ℃热滚前后的润滑性能评价

由实验结果可以看出，生物油润滑剂样品在50～170 ℃热滚后的润滑系数明显提高，在180 ℃热滚后的全油基生物油润滑剂样品有明显的异味，且热滚后的润滑效果有明显降低，表明该润滑剂抗温不超过180 ℃。

3.2 在钻井液体系中的效果评价

3.2.1 在长庆区域二开强抑制聚磺钻井液体系中的评价 润滑剂加量1.0%～3.0%时，加入润滑剂RYH 样品后，热滚前平均润滑系数降低率为35.54%，热滚后为41.08%；加入全油基生物油润滑剂G316 样品后，热滚前平均润滑系数降低率为42.1%，热滚后为68.26%，且加量2%时润滑系数降低率达到80%以上（见表7）。

表7 全油基生物油润滑剂G316 聚磺加重体系中性能评价

润滑剂的加入提高了聚磺加重钻井液体系热稳定性，同时也说明研发的全油基生物油润滑剂在高碱性条件下热滚后，其应用效果不但没有降低，反而增强了。

3.2.2 在长庆区域水平井无土相钻井液中实验 根据现场常用钻井液体系的组成、密度、pH 等性能，并与现用的植物油润滑剂RYH 进行比较（见表8～表10）。

表8 全油基生物油润滑剂G316 与RYH 润滑效果对比

表9 AV 实验数据分析

表10 API FL 实验数据分析

两种润滑剂的润滑效果相当，加量2%时润滑系数降低率均达到70%以上，且G316 热滚后对体系有一定的稳定和降失水的作用。

3.2.3 环保指标检测 全油基生物油润滑剂G316 的生物毒性为无毒，荧光级别为2 级，不影响地质录井，生物降解性具有良好的环保性能（见表11）。

表11 钻井液用润滑剂环保指标

4 全油基生物油润滑剂现场试验应用

2020-2021 年生物油润滑剂G316 在壳牌长北CB-1 井、CB-2 等28 口井进行了现场试验。与现场钻井液配伍性良好，加入后现场钻井液无絮凝、结块现象。现场应用加量维持在1.0%～3.0%，泥饼滑块摩阻系数实际控制在0.026 2～0.061 2，极压润滑系数低于0.05，扭矩、摩阻、泥饼润滑系数得到有效降低，扭矩平均降低率达到58.3%，摩阻降低率达41.2%，滑块摩阻系数降低率达到58.6%，无荧光，保持了岩屑真实性，应用效果良好。

4.1 CB-1 井水平段应用情况

该井从三开水平段3 411 m 开始加入全油基生物油润滑剂G316，现场加量0.5%～3.0%，使之在井壁及钻具表面形成抗压润滑膜，有效降低摩阻、扭矩。在第一分支1 300 m 水平段和第二分支1 920 m 的钻进期间的扭矩控制在31 kN·m 以内（见表12、图1）。

图1 CB-1 井G316 加量与扭矩关系

表12 CB-1 井生物油润滑剂加量数据

4.2 CB-2 井二开井段应用情况

该井从二开斜井段2 420 m 开始加入全油基生物油润滑剂G316，现场加量0.3%～0.5%，加入钻井液后平均润滑系数降低率大于40.2%，扭矩在13～19 kN·m，钻井液性能稳定，无发泡等现象（见图2）。

图2 CB-2 井G316 加量与扭矩关系

5 结论与建议

（1）全油基生物油润滑剂G316 抗温达170 ℃，生物毒性无毒，可降解，环保性和润滑效果良好。

（2）全油基生物油润滑剂G316 在聚磺钻井液体系和无土相钻井液体系中润滑效果明显好于现用的低荧光润滑剂RYH，说明相对高温条件下更有利于润滑剂G316 的分散，更能发挥其润滑等应用效果。

（3）全油基生物油润滑剂G316 与现场钻井液配伍性好，在大斜度井段和长水平段施工中扭矩平均降低率达58.3%，摩阻降低率达41.2%，滑块摩阻系数降低率58.6%，润滑减阻效果显著，可以为深井超深井及长水平段水平井的施工提供关键技术支撑。