水基钻井液防泥包润滑剂的性能评价与机理分析

2022-12-05于洪江张美画杜春保高明慧常紫汐

西安石油大学学报（自然科学版） 2022年6期

于洪江，张美画，杜春保，高明慧，常紫汐

（西安石油大学化学化工学院，陕西西安 710065）

引言

随着油气资源勘探过程中钻探地层深度的不断增加，钻探遇到的地层复杂程度加大，深井、水平井、大位移井、小眼井等特殊井位逐渐增多，时常钻遇泥页岩易水化地层，引起钻具泥包，诱发众多问题［1-2］。目前主要采取添加混油或增加油基润滑剂投放量的方法［2-3］，油起到了涂层的作用，可在钻头表面形成油膜，来防止钻头泥包，延长钻井配件的使用寿命，但残留油易给环境带来污染［4-5］。

分子烃链不带支链且有足够长的双亲结构的阴离子表活剂，其极性基团含有的S、N、O等活性元素可通过配位吸附在钻具表面形成极压吸附膜，非极性基团朝外，在钢铁表面形成致密油膜，从而提高摩擦表面的润滑性，并防止钻头泥包，同时可减缓腐蚀［6-9］；较大的吸附基团密度，可提高其与黏土颗粒间的吸附能力，并在黏土表面形成水化膜，增加黏土的分散力［10］。本文在磺酸盐表面活性剂中引入具有强吸附基团的多羟基、氨基、酰胺基和季铵型阳离子，制备了具有双亲结构的多吸附位点的低分子聚合物型防泥包润滑剂FNBJ。研究了FNBJ的润滑性能、耐温性能、防泥包性能及缓蚀性能，并对其进行机理分析。

1 实验部分

1．1 实验药品及仪器

钙基膨润土（工业品，安丘膨润土厂）、FNBJ（实验室自制）、无水碳酸钠（分析纯，天津市红岩化学试剂厂）、N80钢片。

数显式高速搅拌机（GJ-3C，青岛宏祥石油机械制造有限公司）、数显旋转黏度计（ZNN-D12，青岛宏祥石油机械制造有限公司）、多联中压滤失仪（SD，青岛海通达专用仪器厂）、变频高温滚子加热炉（GW300，青岛同春石油仪器邮箱公司）、极压润滑仪（EP-B，青岛石油设备股份有限公司）、接触角测量仪（上海中晨数字技术设备有限公司）、全自动表面张力仪（美国Thermo Fisher Scientific）、XPS光电子能谱仪（英国Kratos）。

1．2 FNBJ的制备

在装有搅拌回流装置的三口烧瓶中加入适量丙烯酰胺、对苯乙烯磺酸钠及实验室自制三羟乙基烯丙基氯化铵溶液，匀速搅拌至溶解，并水浴加热至70℃后滴加适量的引发剂过硫酸铵，恒温搅拌9 h，通过控制单因素变量由润滑系数降低率确定最佳反应条件，从而得到防泥包润滑剂FNBJ产品。

1．3 基浆制备与性能测试

1．3．1 基浆的制备

取500 mL蒸馏水于搅拌杯中，加入25．0 g钻井液专用膨润土和1．0 g无水碳酸钠，在高速搅拌机中搅拌1 h，并密封在玻璃容器中老化24 h后备用。

1．3．2 润滑性能评价

根据SY／T 6094—1994《钻井液用润滑剂评价程序》标准［11］，采用极压润滑仪对钻井液的润滑性能进行测定。

1．3．3 耐温性能测定

采用高温滚子炉热滚，并根据 SY／T 6094—1994《钻井液用润滑剂评价程序》标准［11］，对钻井液体系的流变性、滤失量及润滑性进行测定。

1．3．4 防泥包性能测定

将现场浆及模拟钻头（钢棒）放入老化罐中，利用滚子加热炉，在60℃下热滚30 min后观察模拟钻头的泥包情况，并通过称量钢柱表面泥包黏土的质量评价FNBJ的防泥包性能。

1．3．5 缓蚀性能测定

根据SY／T 5273—2000《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》标准［12］，通过静态挂片模拟实验研究FNBJ的缓蚀性能。

2 结果与讨论

2．1 FNBJ的润滑性评价

在5．0%的钙土基浆中加入0．5%的水基防泥包润滑剂FNBJ，并与油田现场用油基润滑剂Ultrafree及838进行摩阻系数对比分析，结果如图1所示。

图1 基浆中加入FNBJ、Ultrafree及838后的摩阻系数对比Fig．1 Com parison of friction coefficients after adding lubricant FNBJ，ultrafree and 838 separately to base slurry

室温下，加入防泥包剂后基浆的摩阻系数较空白基浆的摩阻系数明显降低，而加入FNBJ的基浆，其摩阻系数低于一般油基Ultrafree及838的摩阻系数。这是因为Ultrafree及838在钻头表面的吸附能力（位点）有限，不易产生持久性的润滑减阻效应，而FNBJ的吸附基团密度较大，具有多点吸附特性，FNBJ的亲水基团含有的S、N、O等活性元素可通过配位作用稳定地吸附在钻头表面，形成致密油膜，提高钻头表面的润滑性。另外FNBJ为水基润滑剂，相较于Ultrafree和838等油基润滑剂具有价格低廉、无污染等优点。

2．2 FNBJ的耐温性能评价

向老化好的基浆中分别加入质量分数为1．0%、2．0%的FNBJ，在120℃、160℃和180℃下热滚16 h，待基浆冷却至室温后，其表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）、API滤失量（FLAPI）及摩阻系数的变化见表1。

表1 不同温度下FNBJ对基浆流变性、滤失性及润滑性的影响Tab．1 Effect of FNBJ on rheology，filtration and lubricity of base slurry at different tem peratures

由表1可知，随着温度升高，加入FNBJ后的基浆体系，其表观黏度、塑性黏度、动切力变化不大，滤失量有所减小，说明FNBJ基本不影响钻井液的流变性，同时还能降低滤失量。当热滚温度为180℃时，加入FNBJ的基浆体系仍保持较好的润滑性，润滑系数降低率始终保持在80%以上。这是因为FNBJ的分子结构中含有耐高温的磺酸基，所以在高温条件下其结构比较稳定，具有较好的润滑性。

2．3 表面张力测定

不同浓度的FNBJ水溶液的表面张力变化如图2所示。

图2 不同浓度的FNBJ水溶液的表面张力曲线Fig．2 Relationship between surface tension and mass fraction of FNBJ aqueous solution

由图2可知，随着FNBJ质量分数从0增大到0．2%，其表面张力不断降低。当FNBJ质量分数为0．09%时，表面张力为25．9mN／m。FNBJ具有较低的表面张力时，可在短时间内润湿钻头表面，将摩擦面由高能表面降为低能表面，阻止钻屑和泥饼在钻头表面黏附［7］。此外，FNBJ较低的表面张力有利于降低页岩孔隙对水的吸附，使钻井液更容易进入页岩孔隙，减小持压，防止压力过大造成井喷［10］。

2．4 防泥包性能

模拟钻头（钢棒）在不同钻井液中的泥包质量如图3所示。

图3 不同基浆对钢柱表面泥包质量的影响Fig．3 Comparison ofmass ofmud bags formed on the surface of steel column in different slurry

由图3可知，热滚后的空白基浆泥包非常严重，钢柱表面泥包质量达172．45 g，当加入1．5%的FNBJ后，泥包黏土量为6．73 g，泥包降低率达96．1%，加入 3．0%FNBJ，泥包黏土量为 0．51 g，泥包降低率达99．7%，防泥包效果显著。同时，由图4可知，未加FNBJ的钢柱经热滚后表面黏附一层厚而密的黏土，当加入FNBJ后钢柱表面黏土量显著降低，故该防泥包润滑剂FNBJ具有较好的预防泥包效果。

图4 不同钻井液中的泥包情况Fig．4 Mud bags formed in different drilling fluids

2．5 缓蚀性能评价

将N80钢片分别置于含不同浓度FNBJ的4%蒙脱土悬浮液，并置于50℃、70℃、90℃的环境下，静置72 h。通过失重法评价FNBJ的缓蚀性能，结果见表2。

由表2可知，加入FNBJ后，钢片的腐蚀速率明显降低。FNBJ的吸附基团密度较大，且含有耐温的磺酸基，通过多点吸附稳定地吸附在钢铁表面，长链疏水基向外排列，形成致密缓蚀膜，减缓腐蚀。但当FNBJ质量分数达到2%时，缓蚀效果反而降低，这可能是因为FNBJ的浓度越大，吸附在钢铁表面上的FNBJ越多，其吸附速度大于排列速度，导致吸附膜分布不均匀。

表2 FNBJ缓蚀72 h评价Tab．2 Corrosion inhibition effect of FNBJ in 72 h

3 FNBJ吸附机理分析

3．1 接触角测定

为揭示FNBJ的吸附机理，采用接触角测量仪对润滑剂在钢片表面吸附前后的润湿性能进行测定，结果如图5所示。

由于固体表面的润湿性与润滑剂分子在摩擦表面上形成吸附膜有关，所以可以通过测量液体在固体表面上的接触角来评估润湿性。由图5可知，蒸馏水在空白钢片表面的接触角为76．0°，FNBJ水溶液在空白钢片表面的接触角为44．0°，蒸馏水在钢片表面吸附FNBJ水溶液后形成的薄膜接触角为103．8°。表明该润滑处理剂相比于水优先吸附在N80钢片表面使得钢片表面呈现疏水状态。这是由于FNBJ的分子结构中具有羟基、氨基等多种极性基团，通过化学吸附及范德华力牢固地吸附在金属表面。蒸馏水在被FNBJ水溶液浸泡后，钢片表面的接触角明显大于在空白钢片表面，实现了将钢铁表面的润湿性由亲水性转变为疏水性，增强黏土从钻头表面解吸［13-15］，防止钻屑黏附在钻头和钻具上发生泥包，提高钻速。

图5 防泥包润滑剂FNBJ的润湿性Fig．5 W ettability of antimud bag lubricant FNBJ

3．2 XPS光谱分析

采用XPS研究了钢片表面吸附FNBJ前后的化学状态，结果如图6所示。

由图6可知，金属块在没有任何吸附时，Fe2p3／2的结合能在707．2 eV和710．9 eV，表明钢片表面的Fe的化学状态为单质Fe和Fe2O3，主要是由于未吸附FNBJ的金属块与空气中的氧气发生氧化反应。而在钢铁表面吸附FNBJ后的金属块，其XPS谱图发生明显改变，Fe2p3／2的结合能在711．2 eV出现了新峰，为单质Fe与含孤对电子的N／O／S元素的配位结合，说明FNBJ在钢铁表面存在有效吸附。FNBJ首先通过静电力及范德华力吸附在金属表面，其次主要由于S、N、O等原子上的孤对电子与Fe原子的空轨道发生配位结合，引起FNBJ在钢铁表面发生化学吸附［10］。