鄒鵬，王文山，楊艷昌，劉林，劉春龍，劉松，解同川

（中國(guó)石油渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283）

0 引言

對(duì)于大斜度井或具有長(zhǎng)水平段的水平井，連續(xù)油管受水平段長(zhǎng)度、井眼軌跡、井斜角等影響，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)油管下入“鎖定”現(xiàn)象。即在連續(xù)油管入井過程中，由于連續(xù)油管自身的屈曲使其在水平段推進(jìn)過程中與套管內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生阻力，阻力達(dá)到一定程度就發(fā)生自鎖，無論給連續(xù)油管施加多大推力都無法推進(jìn)。針對(duì)這一問題，使用連續(xù)油管金屬減摩劑降低連續(xù)油管外壁與套管內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)是可行的方法。目前應(yīng)用于鉆井領(lǐng)域的減摩潤(rùn)滑劑主要包括固體潤(rùn)滑劑[1-4]、醇類潤(rùn)滑劑[5-6]、酯類潤(rùn)滑劑[7-8]、油類潤(rùn)滑劑[9-11]及乳液類潤(rùn)滑劑5 類[12-13]，但考慮鉆井液用潤(rùn)滑劑使用的液體環(huán)境與井下作業(yè)環(huán)境存在較大差異，特別是酸堿環(huán)境及配伍性，鉆井液用潤(rùn)滑劑能否直接應(yīng)用于井下作業(yè)連續(xù)油管領(lǐng)域需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

在井下作業(yè)領(lǐng)域與連續(xù)油管配套使用的金屬減摩劑相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較少，貝克休斯報(bào)道了一種金屬減摩劑EasyReach[14]，在實(shí)驗(yàn)溫度20～70 ℃下，其可將金屬間的摩擦系數(shù)降低40%～60%，緩解連續(xù)油管與井筒間的“自鎖”問題，增加下入深度，但未見該產(chǎn)品具有無毒環(huán)保性的研究介紹。為了提高金屬減摩劑的耐溫性、摩擦系數(shù)降低率及環(huán)保性，研制了一種環(huán)保型連續(xù)油管金屬減摩劑，同時(shí)開展了系統(tǒng)的減摩及環(huán)保性能評(píng)價(jià)，為該金屬減摩劑后期推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1）主要材料。改性植物油（磺酸化改性和酯化改性），自制；TO-8 表面活性劑，乙二醇，氯化鈉，氫氧化鈉；MTT 試劑，胰蛋白酶；PBS 緩沖液，SD 大鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

2）主要儀器。UMT 型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MCO-15AC 型CO2恒溫培養(yǎng)箱，SW-CJ-1FD 型潔凈工作臺(tái)，XDS-18 型生物倒置顯微鏡，TE2000 型倒置熒光顯微鏡，Neofuge 15R 型離心機(jī)，Rt2100c型酶標(biāo)檢測(cè)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 連續(xù)油管金屬減摩劑微乳液的制備方法

室溫下，量取一定量的清水，高速攪拌（攪拌速度10 000 r/min）條件下，加入一定量的TO-8表面活性劑，高速攪拌5 min，加入一定量的改性植物油，攪拌15 min，加入一定量的乙二醇，繼續(xù)高速攪拌5 min，得到水包油型連續(xù)油管金屬減摩劑微乳液。

1.2.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)方法

1）鋼塊預(yù)處理。選用P110 鋼塊、N80 鋼塊和Cr-13 鋼塊3 種基底，分別用400 目、800 目、1000 目的砂紙對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼塊表面進(jìn)行打磨，再進(jìn)行拋光處理，使基底表面光滑無劃痕。隨后依次在去離子水、無水乙醇中超聲清洗10 min，干燥備用。

2）摩擦磨損測(cè)試。多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能夠在不同速度和載荷下測(cè)量摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的情況。實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)單元，點(diǎn)接觸形式。實(shí)驗(yàn)時(shí)，上試樣采用直徑 6.35 mm 的氮化硅陶瓷球，將預(yù)處理的鋼塊作為下試樣通過定位螺釘固定在旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)上，上端的力傳感器控制加載力的大小，底部的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)工作臺(tái)做旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)。測(cè)試結(jié)果通過頂部的雙通道力傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并計(jì)算其比值得到摩擦系數(shù)，由計(jì)算機(jī)自帶的軟件進(jìn)行處理記錄。每種減摩劑分別在不同的表面上測(cè)試5 次，以保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。加載力50 N，試驗(yàn)時(shí)間10 min。圓盤狀鋼塊試樣尺寸為：直徑70 mm，厚度 6.5 mm。

CoF 降低率計(jì)算公式為：CoF 降低率（清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)測(cè)得的摩擦系數(shù)-金屬減摩劑作為潤(rùn)滑介質(zhì)測(cè)得的摩擦系數(shù)）/清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)測(cè)得的摩擦系數(shù)×100%

1.2.3 毒性評(píng)價(jià)

1）細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)方法。采用MTT 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)步驟為：①細(xì)胞種板。將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞用胰蛋白酶消化，配制成細(xì)胞懸液，按3000～5000 細(xì)胞每孔接種于96 孔板，每孔加100 μL，置于CO2（5%）培養(yǎng)箱中37 ℃下培養(yǎng)過夜貼壁，邊緣孔用無菌PBS 填充。②按實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定金屬減阻劑濃度進(jìn)行加藥處理，每個(gè)樣本濃度設(shè)3～5 個(gè)重復(fù)。③MTT 反應(yīng)：所有孔中分別加入20 μL MTT 溶液（5 mg/mL），培養(yǎng)箱中孵育4 h。④DMSO 溶解甲臜：小心地吸除上清液，每孔加150 μL DMSO，在搖床低速（120～140 r/min）振蕩10 min 使結(jié)晶物充分溶解。（5）測(cè)吸光度值：使用酶標(biāo)儀測(cè)定490 nm 吸光度值，按下列公式計(jì)算藥物對(duì)細(xì)胞的增殖率。

增殖率＝（A2-A0）/（A1-A0）×100%式中，A2、A1、A0分別為：實(shí)驗(yàn)組細(xì)、對(duì)照組和空白組DMSO 溶液的吸光度值。

2）急性毒性評(píng)價(jià)方法。配制0.1%和1%的金屬減阻劑溶液，對(duì)實(shí)驗(yàn)鼠進(jìn)行灌胃，觀察SD 大鼠生長(zhǎng)存活情況，觀察期30 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬減摩劑減摩性能評(píng)價(jià)

2.1.1 金屬減摩劑加量對(duì)不同材質(zhì)鋼塊減摩性能的影響。

為了貼近連續(xù)油管井下作業(yè)實(shí)際，選擇N80、P110 和Cr-13 鋼塊作為摩擦實(shí)驗(yàn)基體材料，考察以不同加量的金屬減摩劑與清水混合后制備的連續(xù)油管減摩工作液作為潤(rùn)滑介質(zhì)的減摩效果，金屬減摩劑濃度依次為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%與1.0%，同時(shí)評(píng)價(jià)了清水（對(duì)應(yīng)金屬減摩劑濃度為0）對(duì)3 種鋼塊的摩擦系數(shù)（CoF）以作為對(duì)比，并計(jì)算了摩擦系數(shù)降低率，如表1 所示。

表1 金屬減摩劑加量對(duì)3 種材質(zhì)鋼塊摩擦系數(shù)（CoF）的影響

表1 表明，在50 N 載荷下，N80 鋼塊在清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)下，CoF 為0.42，當(dāng)金屬減摩劑作為潤(rùn)滑介質(zhì)且隨著加量從0.1%增加至1.0%時(shí)，N80、P110 和Cr-13 三種鋼塊的CoF 表現(xiàn)出先減小后趨于平緩的趨勢(shì)。金屬減摩劑的核心減摩成分為親水改性的植物油，其極性親水基團(tuán)（磺?；Ⅳ然┡c極性金屬表面通過范德華力發(fā)生吸附作用并形成有機(jī)分子潤(rùn)滑膜以實(shí)現(xiàn)管壁間的減摩效果，隨著金屬減摩劑加量增加，金屬表面強(qiáng)極性吸附層逐漸形成且厚度增加，CoF 逐漸降低；而隨著加量進(jìn)一步增加，表面吸附接近飽和，CoF 趨于平緩。在金屬減摩劑加量為0.5%時(shí)，減摩效果最優(yōu)，3 種材質(zhì)鋼塊的CoF 降低率分別達(dá)到了71.4%、66.3%及84.7%。

2.1.2 礦化度對(duì)金屬減摩劑減摩性能的影響

井下復(fù)雜液體環(huán)境具有一定礦化度，會(huì)對(duì)減摩工作液減摩性能產(chǎn)生影響，以0.5%金屬減摩劑的減摩工作液作為基礎(chǔ)液，分別配制不同鹽溶液作為潤(rùn)滑介質(zhì)，P110 鋼塊作為摩擦基體，考察礦化度對(duì)金屬減摩劑減摩性能的影響，結(jié)果見圖1 和表2。

圖1 不同礦化度（mg/L）的0.5%金屬減摩劑工作液作為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)P110 鋼塊摩擦磨損試樣形態(tài)

表2 不同礦化度減摩工作液下P110 鋼塊摩擦系數(shù)

圖1 表明，高礦化度的減摩工作液對(duì)鋼塊磨痕產(chǎn)生腐蝕，銹斑明顯。表2 表明，隨著礦化度的增加，P110 鋼塊的摩擦系數(shù)先降低后增加。摩擦系數(shù)先降低的原因是隨著鹽離子濃度的增加，增強(qiáng)了改性植物油分子親水基團(tuán)的親水性，提高了其在水性環(huán)境下的溶解分散性與極性，表現(xiàn)出鹽溶效應(yīng)，改性植物油分子親水基團(tuán)極性的提高增強(qiáng)了其與極性金屬表面間的范德華力作用，進(jìn)而增加了在金屬表面的吸附作用；摩擦系數(shù)后增加的原因是隨著鹽離子濃度的進(jìn)一步增加，兩親性改性植物油分子發(fā)生鹽析效應(yīng)，高濃度鹽離子抑制了其分散性及在表面的吸附性。表2 還表明，加量為0.5%的金屬減摩劑耐礦化度可達(dá)30 000 mg/L。

2.1.3 pH值對(duì)金屬減摩劑減摩性能的影響

以金屬減摩劑加量為0.5%的減摩工作液作為基礎(chǔ)液，采用稀鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)基礎(chǔ)液pH 值分別至1、2、4、6、7、8、10、12，以P110 鋼塊作為摩擦基體，且以清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)做對(duì)比，考察pH 值對(duì)金屬減摩劑減摩性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。表3 表明，減摩工作液在酸性和中性環(huán)境下，金屬減摩劑改性分子含有磺?；?、羧基等耐酸性基團(tuán)，在酸性環(huán)境下分子穩(wěn)定強(qiáng)，耐水解性強(qiáng)，因此其在 P110 鋼塊摩擦系數(shù)CoF 變化不大，減摩性能基本不受影響，但在堿性環(huán)境下，隨著pH 值的增加，CoF 逐漸增加，減摩性能逐漸降低?？赡茉蚴侵参镉头肿釉趬A性環(huán)境下發(fā)生了水解反應(yīng)（即皂化反應(yīng)）。當(dāng)pH>10 時(shí)，摩擦系數(shù)降低率顯著減小至14.4%，說明強(qiáng)堿性環(huán)境嚴(yán)重影響金屬減摩劑的減摩性能，因此，建議該金屬減摩劑現(xiàn)場(chǎng)施工的液體環(huán)境pH 不超過10，且適應(yīng)于絕大多數(shù)連續(xù)油管井下作業(yè)液體環(huán)境，如壓后鉆塞、沖砂、通洗井、拖動(dòng)酸化、輸送橋塞與射孔槍等工序。

表3 不同pH 值減摩工作液下P110 鋼塊摩擦系數(shù)

2.1.4 溫度對(duì)金屬減摩劑減摩性能的影響

以Cr-13 鋼塊作為摩擦基體，同時(shí)以清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)做對(duì)比，考察了溫度對(duì)加量0.5%減摩工作液減摩效果的影響，見表4。表4 表明，隨溫度從室溫增加至140 ℃，Cr-13 鋼塊摩擦系數(shù)從0.115增加至0.185，仍然顯著高于以清水作為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)Cr-13 鋼塊CoF 值0.75，計(jì)算的摩擦系數(shù)降低率從84.7%減小至73.4%?？梢?，加量0.5%減摩工作液在室溫至140 ℃溫度下減摩效果較好。通過酯交換反應(yīng)在植物油分子鏈上引入酯基，形成的基礎(chǔ)油具有較低的傾點(diǎn)、較高的熱穩(wěn)定性，保證了金屬減摩劑在較高溫度下的減摩潤(rùn)滑性。

表4 減摩工作液在不同溫度下的Cr-13 鋼塊摩擦系數(shù)CoF

2.2 金屬減摩劑環(huán)保性能評(píng)價(jià)

2.2.1 細(xì)胞毒性

毒性評(píng)價(jià)能夠反映藥劑的環(huán)保性能優(yōu)劣。圖2研究了連續(xù)油管金屬減摩劑濃度與細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)間對(duì)細(xì)胞增殖率的影響規(guī)律見圖2 和圖3。可知，在金屬減摩劑同一濃度下，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，細(xì)胞增殖率增加，細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好；所有樣品的細(xì)胞增殖率在95%～150%之間，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16175—1996 推薦評(píng)價(jià)細(xì)胞毒性分級(jí)的方法，增殖率≥100%時(shí)為0 級(jí)，75%～99%時(shí)為1 級(jí)，0 級(jí)與1 級(jí)毒性反應(yīng)均為合格。說明金屬減摩劑在使用濃度為0.1%～1%范圍內(nèi)沒有表現(xiàn)出細(xì)胞毒性。

圖2 連續(xù)油管金屬減摩劑濃度與共培養(yǎng)時(shí)間對(duì)細(xì)胞增殖率的影響規(guī)律

圖3 1%濃度金屬減摩劑溶液的細(xì)胞生長(zhǎng)顯微圖

2.2.2 急性毒性與病理學(xué)評(píng)價(jià)

將受試動(dòng)物分成3 組，進(jìn)行不同劑量的金屬減摩劑灌胃實(shí)驗(yàn)，并觀察和記錄生長(zhǎng)狀態(tài)、癥狀與存活情況，以確定半致死濃度LC50。急性毒性實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明LC50約為55 000 mg/L，說明金屬減摩劑具有無毒環(huán)保的特性。

3 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣井壓后鉆塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

寧216HX-X 井原始人工井底5058.20 m，水平段全長(zhǎng)2300 m，該井前期對(duì)水平井段2748～5058 m 分40 段進(jìn)行密切割體積壓裂改造，壓后需進(jìn)行連續(xù)油管鉆塞作業(yè)。鉆塞作業(yè)所用連續(xù)油管入井工具串為：鉚釘連接器+馬達(dá)總成+水力振蕩器+震擊器+馬達(dá)+磨鞋。

鉆塞施工經(jīng)過：連續(xù)油管鉆完第4 至40 段橋塞后，連續(xù)油管下至井深4930.3 m 遇阻，無憋泵顯示。連續(xù)油管多次上提下放，無法通過，無憋泵顯示，判斷連續(xù)油管發(fā)生自鎖。連續(xù)油管下至井深4920 m 洗井，配制0.5%金屬減摩劑40 m3；連續(xù)油管鉆磨通過4942 m 第3 段底界橋塞，純鉆時(shí)間8 min，井口壓力19.2 MPa，泵注排量420 L/min，循環(huán)壓力49.1 MPa，返排使用φ7 mm 油嘴控制，出口排量430 L/min（泵入金屬減摩劑）。連續(xù)油管鉆磨通過5013 m 第2 段底界橋塞，純鉆時(shí)間3 min，井口壓力19.4 MPa，泵注排量420 L/min，循環(huán)壓力49.2 MPa，返排使用7 mm 油嘴控制，出口排量430 L/min（泵入金屬減摩劑）。連續(xù)油管下至人工井底5058.2 m 遇阻，復(fù)探3 次位置無變化。

效果分析：在不使用金屬減摩劑的條件下，采用馬達(dá)+水力振蕩器的機(jī)械工具組合，連續(xù)油管下至井深4930.3 m 遇阻，發(fā)生自鎖現(xiàn)象，使用金屬減摩劑后，解除連續(xù)油管自鎖，順利鉆完第2 段和第3 段底界橋塞并下至實(shí)際人工井底，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)油管鉆塞試驗(yàn)體現(xiàn)了金屬減摩劑明顯的減摩效果。

4 結(jié)論

1.研制的連續(xù)油管金屬減摩劑，在加量0.5%時(shí)，使N80 鋼塊摩擦系數(shù)降低至0.12，與清水比較，CoF 降低率達(dá)到71.4%；使P110 鋼塊摩擦系數(shù)降低至0.16，與清水比較，CoF 降低率達(dá)到66.3%；使Cr-13 鋼塊摩擦系數(shù)降低至0.115，與清水比較，CoF 降低率達(dá)到84.7%。

2.連續(xù)油管金屬減摩劑耐溫達(dá)到140 ℃，適用pH 值范圍1～10，耐礦化度30 000 mg/L。

3.連續(xù)油管金屬減摩劑細(xì)胞增殖率在95%～150%之間，半致死濃度LC50約為55 000 mg/L，無細(xì)胞毒性和動(dòng)物毒性，表現(xiàn)出環(huán)保性。

4.連續(xù)油管金屬減摩劑在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣成功開展壓后鉆塞施工，解決了長(zhǎng)水平段水平井采用機(jī)械振蕩工具仍無法解除自鎖的技術(shù)難題，安全環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊。