不同类型润滑剂在钻井液中的作用效果研究

王林林

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413）

1 概述

在钻井过程中，由于由钻柱和井壁、套管相互作用产生的摩擦力和扭矩会导致拖压和卡钻等情况发生。此外，在套管内部，由于钻柱和套管之间的金属—金属表面接触形成的摩擦也会导致套管磨损。在大位移井、水平井、大斜度定向井的钻进过程中，由于狗腿度过大、井眼轨迹不规则等原因，这种情况尤其严重，经常会引发钻井过程中扭矩过大、拖压严重等问题。

与水基钻井液相比，油基和合成基钻井液在钻井过程中具有更低的摩擦力和扭矩，但是由于使用成本和环境保护问题，油基钻井液和合成基钻井液的使用受到严重限制。

在使用水基钻井液过程中，为了解决钻井过程中的摩阻和扭矩问题，通常会在水基钻井液中加入固体润滑剂和液体润滑剂[1-2]。其中固体润滑剂的作用类似于滚珠轴承，一般为惰性物质，通常不影响钻井液的性能，但固体润滑剂在特定情况下可能会导致井下钻具出现故障。液体润滑剂的作用机理是在钻具和井壁表面之间形成一层润滑薄膜，润滑膜的厚度大于接触面的粗糙层厚度，并且其强度可以抵抗接触压力，从而最大限度地减少摩擦表面的直接接触面积，起到降低摩擦力和扭矩的目的[3-4]。由于润滑剂与钻井液中的其他物质之间产生相互作用，润滑效果和润滑剂的浓度密切相关。

学者Tyldsley 研发了一种商品名称为SSP的植物油基改性润滑剂，该润滑剂能很好地克服钻井时产生的扭矩和摩阻问题。他的研究结果表明，在加入SSP后，实钻过程中的扭矩值降低了30%。此外，SSP还可以通过降低API 滤失量来帮助稳定水基钻井液体系。但是，现场应用结果表明，SSP 提高了钻井液的动切力。此外，重晶石和岩屑等固相也会影响钻井液的摩阻，1999年Quigley 使用钻井液润滑性测试仪分析了分散和不分散钻井液体系中的多种钻井液用液体润滑剂的摩擦系数。用于研究的钻井液密度从1.00 g/cm3到1.68g/cm3不等。得出的结论为：部分润滑剂在降低扭矩和阻力的同时，可以降低钻头泥包发生的概率，提高泥饼质量，可以帮助稳定井壁。他还指出，低密度钻井液具有更低的摩擦系数。因此，在进行钻井液乳化剂性能评价时，应该考虑在高pH 值、高钙离子含量、高氯化物含量和高密度钻井液样品中检验润滑剂的性能测试。

在本研究中，主要考察了改性植物油类润滑剂、合成酯类润滑剂、醇醚类润滑剂这三类常用的商业润滑剂在钻井液中的润滑效果和对钻井液流变性、滤失量、密度和润滑性的影响，以期确定润滑性能好、成本低的润滑剂。

选择现场最为普遍的聚合物钻井液作为本次研究的评价用钻井液。该钻井液的配方为：3%膨润土+0.2%PAC-LV+0.4%抑制剂+1%聚合物降滤失剂+0.1%XC+2%磺化沥青。在进行润滑剂评价前，首先将配制的钻井液在100℃条件下进行16h 的老化，从而更好地模拟现场实际情况。

2 实验程序

2.1 所需原料

膨润土、PAC-LV、黄原胶、抑制剂、聚合物降滤失剂、磺化沥青、重晶石均为现场取样。实验中用于评价的改性植物油类润滑剂、合成酯类润滑剂、醇醚类润滑剂 分 别 用 代 号DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3 表示。用于进行评价抗盐性评价的氯化钠也为工业品。

2.2 润滑性测试

当两个直接接触的物体之间存在相对运动时，阻碍相对运动的摩擦力就会发挥作用。润滑剂是为了减少钻井过程中产生的摩擦力，为了在实验室条件下更为准确的测试润滑剂的润滑性能，需要模拟钻柱的旋转速度和钻柱对井壁或套管的压力。本实验研究中，使用Fann极压润滑仪来测量钻井液体系的润滑性，并预测钻井液造成的井下机械钻具的磨损情况。

2.3 钻井液性能测试

主要测试钻井液的pH 值、盐含量、密度、粘度、动切力、塑性粘度、失水、起泡性等常规性能。

3 结果讨论

3.1 润滑剂对钻井液常规性能的影响实验

将不同浓度的DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3分别加入到聚合物钻井液中，其性能见表1。

表1 润滑剂对钻井液性能的影响

从表1 中数据可以得知，改性植物油类润滑剂DQLU-1具有良好的配伍性和润滑性，其加量为2%时即可起到显著的润滑效果，可将基浆的润滑系数从0.249 下降到0.095，下降幅度为52%。DQLU-1 对钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力和初终切影响均较小，DQLU-1加入钻井液中也没有起泡现象，说明该润滑剂对钻井液的流变性没有负面影响。加入DQLU-1 后，体系的失水略有降低，这可能是因为润滑剂和钻井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，从而提高了滤饼质量降低了失水。此外，在实验过程中发现，加入DQLU-1后，形成的泥饼更为致密，表面更为光滑，说明润滑剂DQLU-1有助于提高泥饼质量。

从表1 中可以看出，合成酯类润滑剂DQLU-2 同样具有良好的配伍性和润滑性，其加量在2%时即可起到一定的润滑效果，可将基浆的润滑系数从0.249下降到0.168，下降幅度为33%，略低于DQLU-1。加入DQLU-2后钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力均略有增高，DQLU-2加入钻井液中也没有起泡现象，该润滑剂对钻井液的流变性影响较小，产生的影响是在现场应用过程中可以接受的。加入DQLU-2后，体系的失水降低幅度较小，这可能是因为润滑剂和钻井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，从而提高了滤饼质量降低了失水。此外，在实验过程中发现，加入DQLU-2后，形成的泥饼也较为致密，表面较为光滑，说明润滑剂DQLU-2 有助于提高泥饼质量。

加入的醇醚类润滑剂DQLU-3 和钻井液体系也具有良好的配伍性，但润滑性相对较差，其加量在2%时可将基浆的润滑系数从0.249 下降到0.204，下降幅度为18%，为三种润滑剂中润滑效果最差的一种。加入DQLU-3 后钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力变化不大，DQLU-3 加入钻井液中也没有起泡现象，说明该润滑剂对钻井液的流变性影响较小，产生的影响是在现场应用过程中可以接受的。加入DQLU-3后，体系的失水基本没有变化，说明该润滑剂没有降低失水的作用。此外，在实验过程中发现，加入DQLU-2后，形成的泥饼质量低于前两种润滑剂，说明润滑剂DQLU-3的整体性能较差。

3.2 氯离子对钻井液性能和润滑性的影响实验

在聚合物钻井液基浆中加入3%的氯化钠来测试氯离子对钻井液性能和润滑性的影响实验，实验数据见表2。

表2 氯离子对钻井液性能和润滑性的影响

从表2 中数据可以看出。氯离子的存在会对润滑剂和钻井液的各项性能产生负面影响。加入氯化钠后，含2%润滑剂的三种钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力和初终切均发生明显变化，尤其是初终切的变化值较大，过高的切力将严重影响钻井液在施工过程中的开泵泵压，对整个施工环节产生不利影响。氯化钠的存在也在一定程度上增加了失水。此外，氯化钠的存在使润滑剂的润滑性能也受到了负面影响，润滑系数降低率也明显下降。在实验过程中还发现，含盐钻井液形成的滤饼质量也差于之前不含盐的滤饼，并有明显的虚泥饼存在。

3.3 pH值对钻井液性能和润滑性的影响实验

使用适量的NaOH 将聚合物钻井液基浆的pH 值从之前的9左右调整到11左右，考察pH对钻井液性能和润滑性的影响，实验数据见表3。

表3 pH值对钻井液性能和润滑性的影响

从表3 中数据可以看出。将pH 值增加到11 以后会对润滑剂和钻井液的各项性能产生一定影响。提高pH后，含2%润滑剂的三种钻井液体系的表观粘度、塑性粘度和动切力均有所增加，终切显著增大，上述变化不利于钻井液体系的现场使用。失水略有降低，润滑能力基本没有受到影响。说明所评价的三种润滑剂的润滑效果基本不受pH值变化的影响。

3.4 密度对钻井液性能和润滑性的影响实验

在钻井液基浆中按照重量/体积百分比分别加入3%、6%、9%、15%和20%的重晶石粉，然后分别加入2%的三种润滑剂，考察密度对钻井液性能和润滑性的影响。通过对实验数据分析可以得出，仅增加钻井液密度不会改变钻井液的润滑性能。但随着密度的增加，钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力和初终切均逐步增大。

4 结论和建议

本研究对钻井液液体润滑剂的性能进行了分析。实验了三种不同类型的商用润滑油（改性植物油类润滑剂、合成酯类润滑剂、醇醚类润滑剂）在钻井液中的润滑效果和对钻井液流变性、滤失量、密度和润滑性的影响。同时还分析了氯离子含量、pH值和密度等条件对钻井液性能和润滑剂润滑效果的影响，获得如下结论。

（1）三种润滑剂在聚合物钻井液体系中都具有较好的配伍性，其中改性植物油类润滑剂DQLU-1的润滑性最好，在2%加量下即可起到显著的润滑效果，可将基浆的润滑系数从0.249下降到0.095，润滑系数降低率为52%；合成酯类润滑剂DQLU-2的润滑系数降低率为33%；醇醚类润滑剂DQLU-3效果最差，下降幅度为18%

（2）氯离子的存在会对润滑剂的润滑效果和钻井液的流变性产生负面影响。在钻井液体系中加入3%氯化钠后，钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力和初终切均发生明显变化，其中初终切的增幅较大，会对施工环节产生较为严重的不利影响。氯化钠的存在使润滑系数降低率也明显下降。

（3）提高pH值后，钻井液体系的表观粘度、塑性粘度和动切力均有所增加，终切显著增大，但润滑剂的润滑能力没有受到明显影响。

（4）增加钻井液密度不会改变钻井液的润滑性能。但随着密度的增加，钻井液体系的表观粘度、塑性粘度、动切力和初终切均逐步增大，这一趋势与其他实验相符合。