陳 強(qiáng) 侯珊珊 吳 宇 由福昌

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 天津 300459；2.荊州嘉華科技有限公司 湖北荊州 434000）

隨著海洋勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，渤海油田大位移井的開(kāi)采逐年遞增，而由于水平井的特殊井身結(jié)構(gòu)，鉆井液潤(rùn)滑不足極易引起高摩阻、高扭矩問(wèn)題，同時(shí)水平段地層泥頁(yè)巖遇水膨脹，容易引起井眼縮徑，起下鉆困難，壓差卡鉆情況概率變高，增大了鉆進(jìn)阻力。如渤海南部海域墾利區(qū)塊前期完鉆的KL10-1-A5、A18、A33、B40等井鉆遇目的層時(shí)多次出現(xiàn)倒劃眼憋壓、蹩扭矩等復(fù)雜情況。另外海洋地區(qū)嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)也對(duì)鉆井液潤(rùn)滑劑提出了較高的技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鉆井液潤(rùn)滑劑在保證良好潤(rùn)滑及抗磨能力的同時(shí)難以兼顧其環(huán)保能力，無(wú)法滿足海洋作業(yè)要求[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的潤(rùn)滑劑仍多以礦物油為主，雖然其潤(rùn)滑效果顯著，但毒性大，生物降解能力差，對(duì)環(huán)境危害影響較大。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出的多功能型環(huán)保潤(rùn)滑劑價(jià)格昂貴、環(huán)保不達(dá)標(biāo)等，限制了其在渤海海域的推廣使用。因此，亟需研制出一種適用于高摩阻、高扭矩、安全無(wú)毒的環(huán)保鉆井液潤(rùn)滑劑。本文通過(guò)對(duì)植物油改性，在滿足具備傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑性能基礎(chǔ)上引入雙吸附基表面活性劑和納米微粒，最終研制出環(huán)保無(wú)毒[4-9]、潤(rùn)滑效果優(yōu)異的鉆井液潤(rùn)滑劑BIOLUBE，并成功在墾利2口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用劑及儀器

實(shí)驗(yàn)用劑：植物油、聚醚、脂肪酸、低碳醇、催化劑、實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土、無(wú)水碳酸鈉、氫氧化鈉、PFPAC-LV、PF-JHVIS、PF-XC（H）、KCl、NaCl、PFJLX-C、PF-GRA、HTC。

實(shí)驗(yàn)儀器：ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、中壓濾失儀、XGRL-4A高溫滾子加熱爐、NZ-3A粘滯系數(shù)測(cè)定儀、變頻高速攪拌機(jī)、Fann21200極壓潤(rùn)滑儀、KMY201-1A抗磨試驗(yàn)機(jī)、BOD5測(cè)定儀、CODcr測(cè)定儀。

1.2 潤(rùn)滑劑的制備

將植物油、低碳醇和催化劑按30∶15∶2的質(zhì)量比依次加入反應(yīng)釜中，攪拌均勻后升溫至80～90℃反應(yīng)1～2 h后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫至130℃，緩慢加入一定量脂肪酸酰胺和聚醚的混合物，升溫至160～180℃反應(yīng)2 h，加入納米材料，繼續(xù)反應(yīng)1h，通冷卻水循環(huán)冷卻至室溫，過(guò)濾后即得目標(biāo)產(chǎn)物棕黃色液體。

1.3 潤(rùn)滑劑性能評(píng)價(jià)

1.3.1 極壓潤(rùn)滑系數(shù)和抗磨能力測(cè)定

使用Fann21200極壓潤(rùn)滑儀，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094—94《鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序》進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。利用式（1）、（2）計(jì)算鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)K和潤(rùn)滑系數(shù)降低率Kf：

使用KMY201-1A抗磨試驗(yàn)機(jī)，在一定外力下，鉆井液在鋼珠與磨輪之間互相摩擦運(yùn)動(dòng)，在增加負(fù)荷的條件下，也就是在不斷增加砝碼的過(guò)程中，以最終油膜破裂，摩擦鋼珠和磨輪抱死的最多砝碼數(shù)量為依據(jù)，來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑抗磨性能的優(yōu)異，每塊砝碼質(zhì)量為800 g。

1.3.2 起泡性、水溶性、抗凍性評(píng)價(jià)

1）起泡性：老化后的鉆井液以8 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌5 min后，再以3 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌5 min，測(cè)定鉆井液密度，通過(guò)樣漿與空白漿之間的變化來(lái)衡量潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液的起泡情況，密度越低，潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液的起泡影響越嚴(yán)重。

2）水溶性：取數(shù)滴潤(rùn)滑劑樣品滴入清水中，觀察樣品在水溶液中的分散情況。

3）抗凍性：將潤(rùn)滑劑樣品放置于冰箱冷凍室，設(shè)置一定的冷凍溫度，保持48 h，觀察潤(rùn)滑劑的流動(dòng)狀態(tài)。

1.3.3 配伍性能評(píng)價(jià)

將待測(cè)樣品加入鉆井液中，高速攪拌10 min，在80、120℃實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行老化16 h，然后于室溫下攪拌5 min，測(cè)定鉆井液的流變參數(shù)和濾失量。

1.3.4 生物毒性評(píng)價(jià)

依據(jù)GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性第二部分：檢測(cè)方法》中的鹵蟲(chóng)法測(cè)定潤(rùn)滑劑的生物毒性。

1.3.5 生物降解性評(píng)價(jià)

依據(jù)GB11914—89《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法》測(cè)定潤(rùn)滑劑的CODCr，依據(jù)GB7488—87《水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定稀釋與接種法》測(cè)定潤(rùn)滑劑的BOD5，通過(guò)計(jì)算BOD5/CODcr值得出樣品的生物降解性。

1.3.6 鉆井液配制

1）6%淡水基漿：在400 m L蒸餾水中加入24 g膨潤(rùn)土、1 g Na2CO3，在8 000～10 000 r/min下高速攪拌20 min，密閉養(yǎng)護(hù)24 h。

2）6%海水基漿：配制12%淡水基漿，養(yǎng)護(hù)24 h；取200 m L模擬海水，加入200 m L預(yù)水化的12%膨潤(rùn)土漿中，10 000 r/min下攪拌10 min。

3）模擬現(xiàn)場(chǎng)PEM鉆井液體系：2%海水搬土漿+0.5%NaOH+0.3%Na2CO3+0.6%PF-PAC-LV+0.3%PF-JHVIS+0.1%PF-XC（H）+6%KCl+12%NaCl+3%PF-JLX-C+0.5%PF-GRA+5%HTC。

2 結(jié)果分析

2.1 潤(rùn)滑劑性能分析

2.1.1 潤(rùn)滑性能

室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)了潤(rùn)滑劑BIOLUBE和現(xiàn)場(chǎng)常用潤(rùn)滑劑PF-1＃、PF-2＃在淡水基漿、海水基漿以及現(xiàn)場(chǎng)PEM鉆井液體系中的潤(rùn)滑性；其中現(xiàn)場(chǎng)PEM鉆井液體系配方，分別于80、120℃條件下老化16 h后進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在淡水基漿和海水基漿中分別加入2%BIOLUBE后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)分別由0.5左右降低至0.02、0.03，潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別達(dá)到了96.7%和94.1%，明顯優(yōu)于PF-1＃、PF-2＃潤(rùn)滑劑；在PEM鉆井液體系中加入2%BIOLUBE后，不同溫度老化后鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)均由0.17左右降低至0.08，潤(rùn)滑系數(shù)降低率均達(dá)到50%以上，潤(rùn)滑效果顯著。

圖1 潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)Fig.1 Lubrication performance evaluation of each lubricant sample

2.1.2 抗磨性能

室內(nèi)同時(shí)對(duì)比評(píng)價(jià)了潤(rùn)滑劑BIOLUBE和現(xiàn)場(chǎng)常用潤(rùn)滑劑PF-1＃、PF-2＃在淡水基漿、海水基漿以及現(xiàn)場(chǎng)鉆井液PEM體系中的抗磨性能，如圖2所示。無(wú)論是在淡水基漿、海水基漿還是PEM鉆井液體系中加入2%BIOLUBE后，鉆井液的抗磨均達(dá)到8 kg砝碼以上，且磨痕微小均勻，表明所研制BIOLUBE潤(rùn)滑劑抗磨效果優(yōu)于其他2種潤(rùn)滑劑。

圖2 潤(rùn)滑劑抗磨能力對(duì)比Fig.2 Comparison of lubricant wear resistance

2.1.3 配伍性和起泡性

室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)PEM鉆井液體系，評(píng)價(jià)了不同加量下BIOLUBE與PEM鉆井液體系的配伍性和起泡性，結(jié)果見(jiàn)表1。隨著B(niǎo)IOLUBE加量的增加，BIOLUBE對(duì)該鉆井液體系的黏切影響很小，有輕微降濾失作用，潤(rùn)滑劑加入前后鉆井液體系密度不變；BIOLUBE加量為3%時(shí)，鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，潤(rùn)滑系數(shù)降低率已達(dá)到62%，效果明顯，從而說(shuō)明BIOLUBE與PEM鉆井液體系配伍性良好，不起泡，可滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井要求。

表1 潤(rùn)滑劑在鉆井液中配伍性和起泡性評(píng)價(jià)Table1 Evaluation of compatibility and foaming of lubricants in drilling fluids

2.1.4 水溶性和抗凍性

在清水中滴加數(shù)滴BIOLUBE樣品，水溶液表面無(wú)浮油，潤(rùn)滑劑均勻分散在水相中。將BIOLUBE于-18℃下靜止放置48 h后，該潤(rùn)滑劑依然具有較好的流態(tài)，表明其抗凍點(diǎn)低于-18℃，滿足渤海地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

2.2 潤(rùn)滑劑機(jī)理研究

2.2.1 磨痕顯微分析

室內(nèi)使用KMY201-1 A抗磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后通過(guò)顯微鏡對(duì)抗磨實(shí)驗(yàn)后的鋼球進(jìn)行了磨痕顯微分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3磨痕可知，經(jīng)鉆井液抗磨實(shí)驗(yàn)后，1＃鋼球表面紋理由橫向呈現(xiàn)縱向，2＃鋼球呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的縱向不規(guī)則溝壑，3＃鋼球縱向呈均勻細(xì)紋理（與光滑鋼球表面紋理較為接近），4＃鋼球縱向呈現(xiàn)明顯不規(guī)則溝壑，表明潤(rùn)滑劑BIOLUBE能有效減輕金屬表面間的摩擦力，可有效改善鉆井液的潤(rùn)滑效果，降低摩阻。

圖3 鋼球顯微磨痕分析Fig.3 Analysis of steel ball wear scar

2.2.2 紅外波譜表征

采用紅外光譜儀對(duì)潤(rùn)滑劑BIOLUBE的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，如圖4所示。由圖4可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物紅外光譜測(cè)定的伸縮振動(dòng)吸收峰值包含3 316.74 cm-1處的酰胺基團(tuán)N—H鍵、1 642.99 cm-1處的酰胺基團(tuán)C=O鍵、1 246.66 cm-1和1 117.50 cm-1處的醚鍵—O—、1 550.61 cm-1處的胺基N-H鍵、1 708.77 cm-1處的羧基C=O鍵，上述極性基團(tuán)表明反應(yīng)產(chǎn)物是所需要的目標(biāo)產(chǎn)物BIOLUBE，具有在巖石和鉆具表面上形成定向分子層、吸附基團(tuán)多、吸附層致密，從而形成高韌性的潤(rùn)滑油膜特性。

圖4 BIOLUBE紅外光譜Fig.4 FT-IR of BIOLUBE

2.2.3 潤(rùn)滑劑機(jī)理分析

通過(guò)磨痕分析和紅外光譜表征可知，潤(rùn)滑劑在金屬與金屬接觸面之間有動(dòng)態(tài)吸附-脫附的作用。當(dāng)鉆井液體系中多種處理劑的各類吸附基團(tuán)較多時(shí)，此時(shí)如果潤(rùn)滑劑為單吸附基團(tuán)，則潤(rùn)滑劑吸附能力明顯受到其他處理劑基團(tuán)的影響。而B(niǎo)IOLUBE引進(jìn)了羧基、醚鍵、酰胺基等極性基團(tuán)，吸附基團(tuán)多，更易吸附在摩擦表面形成致密的潤(rùn)滑薄膜，且吸附層不易脫附，有效改善接觸面間的摩擦阻力[10]；同時(shí)引入納米微粒，可以均勻填充和分散在摩擦副表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，從而降低摩擦表面的磨損。

2.3 生物毒性

室內(nèi)參考標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級(jí)及檢測(cè)方法發(fā)光細(xì)菌法》、GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性第二部分：檢測(cè)方法》對(duì)環(huán)保潤(rùn)滑劑BIOLUBE和PF-1＃、PF-2＃常用潤(rùn)滑劑進(jìn)行了生物毒性檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，3種潤(rùn)滑劑的EC50值均大于2.5×104mg/L標(biāo)準(zhǔn)值，滿足渤海海域生物毒性要求，但潤(rùn)滑劑BIOLUBE的EC50值最大，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值，環(huán)保性更高；潤(rùn)滑劑BIOLUBE的LC50值大于3.0×104mg/L標(biāo)準(zhǔn)值，滿足渤海海域生物毒性要求，但PF-1＃、PF-2＃常用潤(rùn)滑劑的LC50值均小于3.0×104mg/L，不滿足渤海海域生物毒性要求。因此，綜合2種生物毒性評(píng)價(jià)結(jié)果，BIOLUBE的生物毒性優(yōu)于常用潤(rùn)滑劑。

表2 潤(rùn)滑劑生物毒性Table2 Biological toxicity of lubricants

2.4 生物降解性

室內(nèi)根據(jù)上述生物降解性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別測(cè)試了BIOLUBE、PF-1＃、PF-2＃等3種潤(rùn)滑劑的CODcr和BOD5值，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，潤(rùn)滑劑BIOLUBE的BOD5/CODcr值比其他2種潤(rùn)滑劑的比值大，且滿足大于10%的標(biāo)準(zhǔn)要求，生物降解性良好。

表3 潤(rùn)滑劑生物降解性Table3 Biodegradability of lubricants

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

BIOLUBE在墾利區(qū)塊大位移井進(jìn)行了應(yīng)用，以KL10-1-B62、KL10-4-A21等2口井為例，分別與未使用BIOLUBE的鄰井KL10-1-B20、KL10-4-A2相同井段的扭矩及ROP（機(jī)械鉆速）進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4可知，使用潤(rùn)滑劑BIOLUBE的KL10-1-B62、KL10-4-A21井鉆進(jìn)中的平均扭矩值均小于鄰井（扭矩降低率大于16%），平均ROP值均高于鄰井（ROP值提高率大于30%），有效地提高了鉆井時(shí)效。鉆進(jìn)至完鉆井深，KL10-1-B62、KL10-4-A21井倒劃眼短起鉆期間鉆井參數(shù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)憋扭矩、倒劃眼困難等情況，潤(rùn)滑劑BIOLUBE應(yīng)用效果良好，具有可推廣應(yīng)用價(jià)值。

表4 潤(rùn)滑劑BIOLUBE應(yīng)用效果Table4 Application effect of lubricant BIOLUB

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)植物油改性、引入雙吸附基表面活性劑和納米微粒，研發(fā)了環(huán)?？山到鉂?rùn)滑劑BIOLUBE，性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，所研發(fā)的潤(rùn)滑劑BIOLUBE具有良好的潤(rùn)滑性、抗磨性、配伍性、生物毒性，2%BIOLUBE可使淡水基漿和海水基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)90%以上、PEM鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)50%以上，抗磨達(dá)到8 kg砝碼質(zhì)量，生物毒性和生物降解性滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2）研發(fā)的潤(rùn)滑劑BIOLUBE在渤海墾利區(qū)塊2口大位移井進(jìn)行了成功應(yīng)用，大幅降低了摩阻扭矩、縮短了鉆井周期、提高了鉆井效率，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。