大位移井高温水基钻开液用抗高温润滑剂的研制与应用

2023-03-04彭三兵何斌段国庆陈昆鹏

当代化工研究 2023年24期

＊彭三兵何斌段国庆陈昆鹏

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部塘沽作业公司天津 300452）

钻井液的润滑性能对钻井工作影响很大。特别是在钻探定向井、水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅提高，从而导致各种井下复杂情况发生并影响作业时效[1]。因此使用润滑性能好的钻井液对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻井起着至关重要的作用。

钻井液中润滑剂按照产品形态分为固体润滑剂和液体润滑剂。固体润滑剂包括石墨润滑剂和塑料小球润滑剂，主要用于解决常规井高磨阻问题；液体润滑剂产品类别较多，根据其适用井型，可分为适用于常规井的普通液体润滑剂和大位移井的极压润滑剂。液体润滑剂主要通过物理吸附作用或摩擦化学反应在钻具金属表面形成润滑膜来降低摩擦系数，钻井液中的盐及其它材料均影响润滑剂的物理吸附或化学反应，从而影响润滑剂在不同钻井液中功效的发挥。特别是钻开液，为满足储层保护要求，一般用可溶盐加重提高钻井液密度，其盐浓度较高，导致大多数液体润滑剂在钻开液中失去润滑效果。同时对于深井钻开液，井底温度高，这对钻开液润滑剂的抗温性也提出更高的要求。

针对上述问题，基于润滑剂作用机理分析，通过油性剂组分和极压抗磨组分的筛选，开发了一款耐高温适用于大位移井高温钻开液的润滑剂，在实验室内通过采用符合API标准的极压润滑仪和润滑模拟评价装置（LEM）验证了其润滑性能，并在海上油田进行现场应用。

1.实验部分

(1)材料与仪器

SO，大豆油，工业级；OA，油酸，工业级；MEOA，油酸甲酯，工业级；ETOA，油酸乙酯，工业级；EGOA，乙二醇油酸酯，工业级；JY-1，硫型挤压抗磨剂，工业级；JY-2，磷型极压抗磨剂，工业级；JY-3，氯型极压抗磨剂，工业级；JY-4，硼型极压抗磨剂，工业级；JY-5，硫-硼型极压抗磨剂，工业级；其余材料均为市售品。

六速旋转黏度计，OFITE公司（美国）；高速搅拌器，探矿工程技术研究所（北京）；极压润滑仪，OFITE公司（美国）；MS-10A型四球摩擦磨损试验机，天机自动化有限公司（厦门）；LEM-4100润滑模拟评价装置，Core lab/Temco公司（美国）。

(2)实验操作

①抗高温润滑剂LUBE HT的研制

通过前期实验筛选几款常用的油性剂和极压抗磨剂，分别以在高温水基钻开液中的摩擦系数和极压抗磨性为指标，研选出合适的油性剂和极压抗磨剂组分，将研选的油性剂和极压抗磨剂组分以一定配比添加复配，再加入2.5%司班80，2.5%吐温20，1.0%EL-10及1.0%消泡剂，常温下搅拌20min，制备出抗高温润滑剂LUBE HT。

②高温水基钻开液基浆的配制

高温水基钻开液基浆配方为：海水+0.3%烧碱+0.4%纯碱+1.5%聚合物降滤失剂（PF-DFL180）+1.5%聚合物降滤失剂（PF-DFL200）+3%模拟钻屑（REVDUST），甲酸钾加重至1.15g/cm3，高搅下按配方顺序加料，总共高搅60min。

③评价方法

A.钻井液流变和极压润滑性能。使用六速旋转黏度计测定流变数据；使用极压润滑仪测量扭矩读数，计算摩擦系数，评价润滑性能。

B.抗磨性能。参照《SH/T 2004润滑脂抗磨性能测定法》，润滑剂的抗磨性能。

C.润滑性模拟评价（采用LEM4100装置）。基于前期研究[2]，采用LEM-4100评价润滑剂在高温高压条件下的润滑效果。

2.结果与讨论

(1)抗高温润滑剂LUBE HT的作用机理

钻井液用润滑剂用于降低钻井液中钻具-套管、钻具-泥饼和钻具-岩石间摩擦系数，其作用机理主要是在钻具金属表面形成润滑膜，将摩擦副间边界润滑转变为流体润滑，从而降低摩擦系数。常用润滑组分按照润滑膜形成机理，可分为油性剂组分和极压抗磨剂组分[3]。油性剂或称为减摩剂，主要在低负荷下能通过吸附在金属表面形成物理吸附膜来减少摩擦和磨损的添加剂，在中等负荷及速度下，摩擦面温度升高，油性剂发生脱附从而会丧失吸附能力失去减摩功效；极压抗磨剂，主要在中高负荷下，在摩擦面上能与金属发生摩擦化学反应生产润滑膜。对于大位移井钻井，扭矩和磨阻是整个井段摩擦力的综合体现，上部垂直井段，钻具和套管间作用力低，属于低载荷摩擦范畴，下部造斜甚至水平井段，钻具和套管间作用力高，属于中高载荷摩擦范畴。基于以上分析，大位移井钻井液用抗高温润滑剂组分除具备抗温性能外，还应该由油性剂和极压抗磨剂组成。下面从油性剂和极压抗磨剂组分两方面选择开发抗高温润滑剂LUBE HT。

①油性剂的选择。油性剂通常是油脂类或者烃链末端有极性基团的化合物，其作用机理是通过油性剂自身的极性基团吸附在金属表面，形成分子定向吸附膜，从而降低金属与金属，金属与岩层之间的摩擦。常用的油性剂有动植物油脂、脂肪酸和脂肪酸酯等。使用极压润滑仪分别评价了大豆油SO、油酸OA、油酸甲酯MEOA、油酸乙酯ETOA、乙二醇油酸酯EGOA在高温水基钻开液中的润滑性能，实验结果见图1。

图1 不同油性剂在高温钻开液中摩擦系数

由图1可知，在高温钻开液中，同基浆相比，SO和OA几乎没有减摩效果；MEOA、ETOA和EGOA均有减摩效果，其中EGOA减摩效果最佳，可将基浆摩擦系数由0.22降至0.11，降低了50%。这是由于植物油和油酸甲酯/乙酯分子结构中酯基与金属亲和力弱，形成弱吸附膜，而EGOA分子结构中除含酯基外，含有羟基，与金属间亲和力强，能形成强吸附膜。因此选择EGOA为高温润滑剂的油性剂组分。

②极压抗磨剂的选择。采用MS-10A型四球摩擦磨损试验机测试了硫型极压抗磨剂JY-1、磷型极压抗磨剂JY-2、氯型极压抗磨剂JY-3、硼型极压抗磨剂JY-4、硫-硼型极压抗磨剂JY-5在高温水基钻开液中抗磨性能，实验结果见图2。

图2 不同类型极压抗磨剂在高温钻开液中抗磨性

由图2可知，在高温钻开液中，同基浆相比，抗磨剂JY-2、JY-3四球长磨磨斑直径未减小，无抗磨效果；抗磨剂JY-2金和JY-4四球长磨磨斑直径略有降低，有一定的抗磨效果；抗磨剂JY-5四球长磨磨斑直径最低，为0.619mm，同基浆相比，磨斑直径降低了51%。因此选择硫-硼型极压抗磨剂JY-5为高温润滑剂的极压抗磨剂组分。

(2)抗高温润滑剂LUBE HT的性能

在高温水基钻开液基浆中分别加入1% LUBE HT和2种对比商品油基润滑剂，测试它们的流变性和润滑性能，实验结果见表1。

表1 LUBE HT和商品油基润滑剂在高温水基钻开液中性能

由表1可知，高温钻开液基浆热滚前和热滚后的摩擦系数分别为0.19和0.17；钻开液基浆中加入1% LUBE HT，热滚前和热滚后的摩擦系数分别为0.05和0.03，较基浆比润滑系数分别降低73.68%和82.35%；LUBE HT加入高温钻开液中，对钻开液的流变性和滤失性能没有影响，体现出良好的配伍性。

受限于常规极压润滑仪仅具备常温下测试的功能，无法模拟井下高温条件。因此引入LEM4100装置，模拟不同的井下温度和侧向力，以150℃井下温度和0.7MPa侧向力的试验条件验证LUBE HT的抗温抗压润滑性，实验结果见图3。

图3 150℃高温条件下润滑剂在高温水基钻开液中摩擦系数（LEM法）

由图3可知，在150℃高温条件下，高温钻开液的摩擦系数约为0.3，加入1% LUBE HT，钻开液的摩擦系数降为0.1左右，降低了67%；加入1%的商品润滑剂，钻开液的摩擦系数降为0.13左右。同商品润滑剂相比，LUBE HT高温条件下润滑效果更佳。

3.现场应用

渤海油田渤中区块某井五开6"井段使用高温钻开液钻开太古界潜山储层，钻开液没加LUBE HT前钻进至4810m时，钻进扭矩高达23～25kN·m，空转扭矩高达17～19kN·m，影响作业安全和作业时效，现场加入15kg/m3LUBE HT，钻进扭矩由加入前23～25kN·m降至19～21kN·m，空转扭矩由加入前17～19kN·m降至12～14kN·m，保障了后续作业顺利高效完成，这说明LUBE HT具有优良的降摩减阻性能。