噻唑类缓蚀润滑剂研制及其对氯化钾聚合物钻井液性能的影响

2022-03-30由福昌吕季隆周书胜

钻采工艺 2022年1期

曾佳，由福昌，李杰，吕季隆，周书胜

1荆州学院 2长江大学 3荆州嘉华科技有限公司 4中国石油长庆油田分公司页岩油产能建设项目组 5中国石油长庆油田分公司第十一采油厂

0 引言

氯化钾聚合物钻井液(以下简称：PF-PLUS/KCl钻井液)具有强抑制性、良好的造壁性和剪切稀释性，且满足环境友好性的要求，因此广泛运用在各类钻井平台[1- 3]。该钻井液中KCl含量高，可有效地抑制井壁岩石吸水膨胀以及钻屑水化分散[4]，其中Cl-会增强金属表面电子的运输，且穿透能力强[5]，使钻具、套管等产生小蚀坑。另外，PF-PLUS/KCl钻井液中KCl使其润滑性变差，增大了钻具与井眼之间的摩阻，缩短金属使用寿命[6]。为了延长金属设备的使用寿命，笔者合成一种噻唑类缓蚀润滑剂(以下简称：ZJ),噻唑杂环化合物与Fe原子生成稳定的配合物或螯合物[7]，可阻止腐蚀进一步发生，起到缓蚀作用；而分子中带有的N、S等原子可在金属表面形成致密的有机吸附膜(润滑膜)，降低金属表面、钻具与井壁的接触面积，起到润滑作用[8- 9]。采用失重法、电化学方法、极压润滑仪等研究了该缓蚀润滑剂在PF-PLUS/KCl钻井液中对N80钢的缓蚀性能以及PF-PLUS/KCl钻井液的润滑性能，并成功在南海珠江口盆地大位移井进行了现场应用。

1 试验部分

1.1 钻井液体系

模拟现场PF-PLUS/KCl钻井液配方：400 mL海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.2%PF-XC-H+0.3%PF-PLUS+10%NaCl+5%KCl+2%FLOTROL+0.4%PAC-LV+0.3%PF-VIS+重晶石加重至密度1.2 g/cm3。

1.2 ZJ的合成

在装有温度计、冷凝管、搅拌器的三口烧瓶中，以无水乙醇作溶剂，依次加入一定摩尔比的2-氨基噻唑、苯乙酮和苯甲醛，采用浓盐酸调节pH值至3～4，升温至70～80 ℃下反应6～8 h，完成曼尼希反应，最后加入氯乙酸钠对其进行季铵化反应，搅拌回流，反应6～8 h后，除去溶剂得到初产品，采用苯溶剂进行重结晶提纯，真空干燥后得最终产物，即缓蚀润滑剂ZJ。

1.3 失重法测试钻井液腐蚀性能

按照标准SY/T5273—2000《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》，采用失重法测定钢片在PF-PLUS/KCl钻井液中的腐蚀速率。试验步骤为：将钢片放入装有一定浓度ZJ的PF-PLUS/KCl钻井液的广口瓶中密封，在指定温度条件下浸泡168 h，计算腐蚀速率和缓蚀效率。

1.4 电化学法测试钻井液腐蚀性能

电化学法测试采用CHI660电化学工作站的三电极体系测量PF-PLUS/KCl钻井液的极化曲线[10]。自制N80钢工作电极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，试验温度为40 ℃，极化曲线扫描范围为-300～-600 mV(相对开路电位)，电位扫描速率为5 mV/s。

1.5 极压润滑仪测试钻井液润滑系数

按照标准SY/T 6094—1994《钻井液用润滑剂评价程序》中润滑系数降低率的评价方法，采用EP极压润滑仪测定PF-PLUS/KCl钻井液和PF-PLUS/KCl钻井液加ZJ后的润滑系数。试验步骤为：EP极压润滑仪预热20 min后测试1.03 MPa下蒸馏水的摩阻系数D水和钻井液的摩阻系数D钻井液。每测一个样品时应用蒸馏水校准一次，蒸馏水的摩阻系数在28～38，否则应继续磨合[11]，计算润滑系数K和润滑系数降低率RK。

2 结果与讨论

2.1 产物结构表征

从图1中可以看出，噻唑五元环上含有C=N，在1 520.38 cm-1处为C=N的伸缩振动峰；694.26 cm-1处出现的峰为C-S键的伸缩振动峰；3 010.2 cm-1处为=C-H结构中的C-H伸缩振动峰；在3 342.12 cm-1和1 493.66 cm-1处出现的中等强度吸收峰分别为仲胺伸缩振动和弯曲振动吸收峰；1 615.61 cm-1处出现苯环的骨架振动吸收峰; 在778.39 cm-1、721.74 cm-1处有苯环弯曲振动双峰；1 747.15 cm-1处左右出现季铵盐上—CH2COO—中C=O的特征峰。以上分析表明，合成产物即为目标产物。

图1 ZJ的红外光谱图

2.2 加量对腐蚀速率的影响

将盛装加有不同浓度梯度(0、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%)ZJ的PF-PLUS/KCl钻井液的容器全部放置于温度设置为40 ℃的恒温鼓风干燥箱中，挂片168 h后取出试片N80钢，处理后得出腐蚀速率见表1。

表1 不同浓度的ZJ在PF-PLUS/KCl钻井液中的缓蚀能力

从表1可知，随着ZJ浓度的增加使得N80钢在PF-PLUS/KCl钻井液中的腐蚀速率逐渐降低，当ZJ的加量达到了整个体系的2.0%时，这时N80钢的腐蚀速率约为0.01 mm/a，其缓蚀效率为70.11%。当ZJ的加量达到了整个腐蚀体系的3.0%时，此时N80腐蚀速率约为0.009 5 mm/a,这时的腐蚀速率下降并不明显，原因为当ZJ加量超过2.0%后，N80钢表面吸附ZJ分子达到饱和状态。

2.3 温度对腐蚀速率的影响

考察不同温度条件下PF-PLUS/KCl钻井液对N80钢腐蚀速率的影响，试验时间为168 h，见表2。

从表2可知，随温度的升高，N80钢在PF-PLUS/KCl钻井液体系中的腐蚀速率逐渐增大，腐蚀程度加剧，体系温度为150 ℃时，其腐蚀速率为 0.103 5 mm/a(大于 0.076 mm/a)，难以满足工程要求[12]，加入2% ZJ后，其腐蚀速率仅为 0.051 mm/a，ZJ对N80钢的缓蚀效率超过50%，表明ZJ在温度较高的情况下仍能发挥出优异的缓蚀性能。

表2 不同温度下ZJ在PF-PLUS/KCl钻井液中的缓蚀性能

2.4 缓蚀性能机理分析

缓蚀性能机理可通过量子化学计算、分子动力学模拟、交流阻抗法和极化曲线法进行研究，本文采用极化曲线测试不同浓度下ZJ的缓蚀效果。对N80钢在PF-PLUS/KCl钻井液体系中腐蚀过程的电化学行为进行测试。测试温度为40 ℃，ZJ浓度分别为0、0.5 %、1.0%、2.0%、3.0%，以极化电位E为横坐标、极化电流密度的对数lg|I|为纵坐标进行作图，其极化曲线见图2，相关电化学参数见表3。

图2 PF-PLUS/KCl钻井液中缓蚀润滑剂ZJ不同加量下N80的极化曲线

从图2、表3可知，随着ZJ浓度的增大，使阴、阳极极化曲线均向低电流方向移动，腐蚀电流密度显著降低，表明ZJ对金属的阳极溶解和阴极析氢均具有阻碍作用[13]。对照空白组，加入ZJ后，N80钢自腐蚀电位负向移动，表明ZJ属于阴极抑制型缓蚀剂。随着ZJ加量增大，N80钢腐蚀速率逐渐降低，与失重法得出的结论一致。

表3 PF-PLUS/KCl钻井液中ZJ不同加量下N80钢的极化曲线电化学参数

2.5 加量对润滑性能的影响

研究不同加量的ZJ对PF-PLUS/KCl钻井液润滑性的影响，测试温度为40 ℃，在极压润滑仪加压1.03 MPa稳定5 min后读数，其结果见表4。对比性能较优的常用钻井液润滑剂PF-LUBE、LUB167、RT101，并测试了三种钻井液润滑剂对PF-PLUS/KCl钻井液的影响。其结果见表5。

表4 ZJ加量对PF-PLUS/KCl钻井液润滑性能的影响

表5 不同润滑剂对PF-PLUS/KCl钻井液的润滑性能与腐蚀性能的影响

从表4可知，随着ZJ用量增加，PF-PLUS/KCl钻井液的极压润滑系数逐渐下降，加入2%ZJ的PF-PLUS/KCl钻井液的润滑系数仅为0.07，其润滑性能方面与油基钻井液(润滑系数0.05～0.1)相当，表明ZJ具有较好的润滑能力，其原因为ZJ可稳定地吸附钢珠在磨轮上，降低金属之间的接触面积，达到极压润滑的作用[14]。从表5可知，2%ZJ在PF-PLUS/KCl钻井液中表现出的润滑性均优于相同加量条件下的其他三种润滑剂，PF-LUBE、RT101对N80腐蚀反应的抑制作用并不明显，LUB167润滑剂反而促进了N80腐蚀反应。试验表明，ZJ能有效地解决腐蚀和润滑问题。

2.6 温度对润滑性能的影响

在不同温度条件下热滚16 h，研究不同热滚温度对加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl钻井液性能的影响，数据见表6。

表6 ZJ在PF-PLUS/KCl钻井液中的抗温性能

从表6可知，加入2.0%ZJ的PF-PLUS/KCl钻井液在不同温度下热滚后，钻井液的各性能(塑性黏度、动切力、Φ6/Φ3等)变化很小，ZJ与PF-PLUS/KCl钻井液有良好的配伍性。随着热滚温度的升高，PF-PLUS/KCl钻井液的润滑系数呈上升趋势，但150 ℃、16 h热滚后PF-PLUS/KCl钻井液的润滑系数仍小于0.1，表明ZJ具有良好的抗温性能。

3 现场应用

2020年3月17日， PF-PLUS/KCl钻井液应用于南海珠江口盆地大位移井X-1、X-2井Ø311.15 mm、Ø234.95 mm井段，其中X-2井钻进过程中，PF-PLUS/KCl钻井液加入1.0%～1.5%ZJ，对比X-1井、X-2井相同井段的扭矩、机械钻速、钻具腐蚀速率(采用腐蚀环法，参照SY/T5390—1991标准《钻井液腐蚀性能检测方法钻杆腐蚀环法》)，数据见表7。