环保型无荧光水基钻井液润滑剂的研究与应用

田逢军，王运功，陈 琪，陶海君，王忠斌

（中国石油集团 川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

随着我国经济水平的发展，对石油的需求量也日渐增加，各油田对钻井液润滑剂需求量也随之增加。但目前，我国钻井液润滑剂产品较少，还存在黏度和切力较高，长时间存放易发酵变臭的问题。因此，研制一种高性能，无毒害，对钻井液没有不良影响的钻井液润滑剂是目前较为重要的一项研究。针对以上问题，国内很多学者也进行了一系列研究，如陈磊[1]以生物油脂（地沟油脂）为基础原料,通过化学改性与配方调试,研发出全油基生物油润滑剂G316。该润滑剂抗高温可达170℃,易生物降解、环境友好,按照标准Q/SY1088-2012评价润滑系数降低可达90%以上,同时对于改善泥饼质量等特点，刘浩然[2]则以大豆油为主要原材料，合成改性了一种新型大豆润滑油，并通过试验证明了该润滑油能有效提升钻井时速。以上学者的研究为钻井液润滑剂的发展提供了一些方法，但并未解决钻井液润滑剂存放易变质的问题。基于此，本文以提纯后回收植物油为主要原料，制备了钻井液回收植物油润滑剂WBL，并对其性能进行研究，为钻井液润滑剂的发展提供理论基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

烧碱（工业级巩义市恒清净水材料销售有限公司）；废弃植物油（自制提纯）；SA-1（工业级 温州市宏州贸易有限公司）；Span-80（工业级 山东鑫九诚化工科技有限公司）。

HWS-12型电热数显恒温水浴锅（邢台有间优宿科技有限公司）；DJ-3型电动搅拌器（北京佳航博创科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 可回收废弃植物油的提纯

（1）在原料池中倒入提前经过沉降分离的植物油原料，然后在泵的作用下，送至提炼罐，打开提炼罐内搅拌装置。搅拌罐内搅拌转速，蒸汽温度和搅拌时间分别为20r·min-1，80℃和3h。

（2）充分液化过后，将成品送到过滤器装置，过滤后将混合物送到分离器中，控制温度为8~15℃，静置沉淀2h，使油水分离。当液面计位器中油水结合面比出料口高时，将排污阀打开，使污水排出，直至油水结合面低于出料口，将排污阀关闭，出料阀打开，将上层半净油脂送至水洗罐。结束后，将罐内剩余污水输送至污水处理器的前置隔油池中，经过处理后送至污水池。

（3）水洗罐的半净油脂通过蒸汽管冲入蒸汽，升温至50~80℃，同时放入比例为5%的食用盐，使之混合均匀。经过2h的吸附，得到净化后油脂。将净化后油脂输送至沉淀罐，控制温度为8~15℃，充分沉淀，沉淀时间为2h，排污阀打开关闭条件与步骤（2）一致，出料后得到钻井液用生物基础油。

具体提炼装置流程见图1。

图1 可回收植物油提炼装置流程图Fig.1 Flow chart of recyclable vegetable oil refining unit

1.2.2 回收植物油坏血改性制备润滑剂

（1）在三口烧瓶中放入一定量的回收植物油，置于HWS-12型电热数显恒温水浴锅中，提升反应温度至50℃，然后打开DJ-3型电动搅拌器搅拌均匀。在搅拌的同时逐滴加入一定比例SA-1，保持该温度反应90min。

（2）停止加热，适当冷却，待温度维持在40℃左右，按比例加入RHJ-10和RHJ-80，继续搅拌10min，然后加入适量清水，继续搅拌20min。加入适量NaOH调节溶液pH值为中性，得到润滑剂WBL。

1.3 技术指标

参照GB/T 13608-2009中对润滑剂相关要求，具体技术指标见表1[3-5]。

表1 技术指标标准要求Tab.1 Technical index and standard requirements

1.4 润滑剂现场应用效果

本试验选择桃2-7-3H井水平段进行润滑剂现场试验。基浆为现场钻井液样品，设置润滑剂添加量为变量，进行润滑剂加量试验。

2 结果与讨论

2.1 制备工艺对润滑剂润滑性能的影响

2.1.1 回收植物油含量对润滑剂润滑性能的影响

表2为不同配方制备的润滑剂的润滑降低系数和产品外观状态。

表2 回收植物油润滑剂配方摸索实验Tab.2 Formula exploration experiment of recovered vegetable oil lubricant

由表2可知，随润滑剂中回收植物油含量的增加，润滑剂的稳定性表现出先增加后降低的趋势。当润滑剂含量为50%时，制备的润滑剂外观呈现出浅咖色，且没有出现分层的现象，同时，润滑系数降低率可达94.2%，继续增加回收植物油含量，产品稳定性降低，同时，润滑系数降低率也相对降低[6]。因此，选择回收植物油的最佳含量为50%，以下试验均以回收植物油含量为50%的润滑剂作为研究对象。

2.1.2 SA-1的加量对润滑性能的影响

图3为制备过程中，SA-1加量对产品润滑剂性能的影响。

图3 SA-1加量对产品润滑剂性能的影响Fig.3 Effect of SA-1 dosage on product lubricant performance

由图3可知，固定其他因素不变，随SA-1添加量的增加，润滑剂润滑系数降低率表现出先增加后降低的趋势[7]。当SA-1的加量为1%时，润滑系数降低率最高可达94.4%，因此，SA-1的最佳加量为1%。

2.1.3 反应条件对润滑剂润滑性能的影响

图4为反应温度对润滑剂润滑性能的影响。

图4 反应温度对润滑剂润滑性能的影响Fig.4 Effect of reaction temperature on lubricant lubrication performance

由图4可知，随反应温度的增加，润滑剂润滑系数降低率表现出先增加，后降低，然后达到平衡的趋势。同时，随反应温度的增加，产品稳定性降低，流动性较差，综合考虑，制备润滑剂最适宜的温度为50℃。

图5为反应时间对润滑剂润滑性的影响。

由图5可知，随反应时间的增加，润滑剂润滑系数降低率表现出先增加，后趋于平衡的趋势。当反应时间达到90min时，润滑剂润滑系数降低率最高，达到了94.6。继续增加反应时间，润滑剂润滑系数降低率不再发生改变，因此，制备润滑剂最优反应时间为90min。

图5 反应时间对润滑剂润滑性能的影响Fig.5 Effect of reaction time on lubricant lubrication performance

2.2 技术指标

以原油为对照组，对制备的润滑剂样品相关技术指标进行测试，具体测试结果见表3。

表3 技术指标测试结果Tab.3 Test results of technical indicators

由表3可知，原油的润滑系数降低率仅有47%，低于GB/T 13608-2009中的相关要求。而本文制备的润滑剂样品各个性能皆满足GB/T 13608-2009中相关要求，可用于实际工程使用。

2.3 现场应用效果

2.3.1 回收植物油润滑剂加量试验结果

表4为回收植物油润滑剂加量试验结果。

表4 回收植物油润滑剂加量试验结果Tab.4 Test results of lubricant dosage of recovered vegetable oil

由表4可知，随着润滑剂加量的增加，泥饼摩阻系数缓慢降低，直至趋于平缓。当润滑剂加量为2%时，与水平段钻井液配伍性较好，没有絮凝和结块现象出现。当润滑剂加量超过3%时，密度降低，失水加大，考虑是因为润滑剂带来的水分导致的，因此，需要通过降失水的补充和材料的加重进行维护[8,9]。综合考虑，选择润滑剂的加量为2%。但由于现场施工原因，润滑剂和钻井液都维持在动态消耗的状态[10]。同时，井眼轨迹、泥饼厚度和滑动钻进时间皆可对润滑效果产生影响，因此，需要随时根据实际情况调整润滑剂加量，一般润滑剂加量维持在2%~3%之间。

2.3.2 现场施工情况 根据现场施工情况，钻井至井深3720m，此时水平段长为100m，遇见泥岩，钻井液密度提升，继续增加井深至4258m，此时水平段长632m，累计钻穿泥岩140m，此时上提摩阻从8t增加至12t，下放摩阻从6t增加至10t。根据当时润滑剂消耗情况和泥浆循环体积，将2t回收植物油润滑剂（井浆＋最佳比例WBL）一次性倒入钻井，循环3周后，上提摩阻和下放摩阻皆恢复正常。

图6~8分别表示随井深的增加，水平段扭矩、kf和摩阻的变化情况。

图6 水平段扭矩随井深的变化情况Fig.6 Variation of torque in horizontal section with well depth

图7 水平段k f随井深的变化情况Fig.7 Variation of horizontal section k f with well depth

图8 水平段摩阻随井深的变化情况Fig.8 Variation of horizontal section friction with well depth

由图6~8可知，该钻井水平段完钻时，井深约为4832m，水平段总段长为1214m。添加了WBL回收植物油润滑剂后，泥饼滑块摩阻系数约为0.34~0.52，扭矩约为3~9kN·m，上提下放摩阻均低于12t，下完井管串没有遇阻现象出现，证明本文制备的润滑剂润滑减阻效果良好。

桃2-7-3H井水平段井深为4832m，水平段总长为1214m，根据施工需求，井下完井管串前需要替入高润滑性泥浆。表5为高润滑性封闭液（为提高润滑需求，本试验使用井浆＋1.0%WBL）试验数据，润滑剂加入总量为3%~3.5%。

表5 高润滑性封闭液试验数据Tab.5 Test data of high lubricity sealing fluid

由表5可知，根据试验结果，提前倒入配制好的高润滑性泥浆，然后下入完井套管，套管顺利达到预定位置，完成施工。

实验室制备的回收植物油润滑剂用于实际施工时，需要根据比例添加一定量防腐剂，抗氧剂和极压抗磨剂，搅拌均匀，然后进行避光保存。一个月后观察润滑剂形态没有出现变质、分层和发臭的现象。用于施工现场时，没有变臭现象出现。

3 结论

本文以提纯后回收植物油为主要原材料，合成了钻井液用无荧光润滑剂WBL。首先，对制备工艺进行优化，然后，将其运用于施工现场，检验润滑剂的实用情况。得到的具体结论如下：

（1）回收油润滑剂WBL最佳制备工艺为：回收植物油的最佳含量为50%，SA-1的最佳加量为1%，制备润滑剂最适宜的温度为50℃，最佳反应时间为90min。制备的回收植物油润滑剂WBL相关性能满足GB/T 13608-2009中相关要求。

（2）WBL加量为2%~3%时，配制的润滑剂能有效降低上提摩阻和下放摩阻，泥饼滑块摩阻系数约为0.34~0.52，扭矩约为3~9kN·m，减阻效果良好。

（3）保存一个月后的润滑剂，没有发臭分层和变质现象出现。