劉智勤，管申，許明標，吳嬌

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

北部灣盆地未開發(fā)的邊際油田群地質(zhì)儲量高達1.05 億m3，整個邊際油田呈“整體分散、局部富集”的特點，具有客觀的開采價值。北部灣盆地存在上部易垮塌地層與下部儲層同井段、泥頁巖斷層發(fā)育、地層強度高可鉆性差等地層特性，儲層段黏土礦物含量為36%～62.7%，主要以伊蒙間層與伊利石為主，具有一定的水化膨脹性，分散性強，剝落掉塊為主要井壁失穩(wěn)方式。目前北部灣盆地W 區(qū)塊已作業(yè)的40 多口井中，60%的井采用水基鉆井液，40%采用油基或合成基鉆井液，水基鉆井液在鉆進儲層段時，由于泥巖含量高、摩阻大、井下事故頻發(fā)，經(jīng)常出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定問題，起下鉆遇到阻卡、縮徑等復(fù)雜情況，嚴重影響了該區(qū)域的勘探開發(fā)速度；而采用油基或合成基鉆井液作業(yè)時，雖然上述難題明顯得到緩解，但是不能滿足當(dāng)前環(huán)境保護的需求。因此，需要開發(fā)高性能的水基鉆井液和水基外加劑來保證井壁穩(wěn)定、降低摩阻，保障該區(qū)塊油氣井穩(wěn)定高效的開發(fā)。

分析國內(nèi)外井壁的失穩(wěn)機理，約90%的井壁失穩(wěn)問題與頁巖有關(guān)[1-2]，W 區(qū)塊儲層段黏土礦物含量高，井壁失穩(wěn)風(fēng)險大，常規(guī)的水基鉆井液不能滿足其開發(fā)的需求。考慮到硅酸鹽鉆井液具有優(yōu)秀的“封固”特性，能夠通過堵塞頁巖孔隙和微裂縫，抑制頁巖中黏土礦物水化膨脹和分散的性能較好，具有類似油基鉆井液的強防塌性能和強抑制性能[3-7]，后期開發(fā)中希望引入硅酸鹽鉆井液進行鉆進。該鉆井液目前在塔里木油田、大慶油田、大港油田和海上油井等進行了廣泛應(yīng)用，防塌效果明顯。但硅酸鹽鉆井液的強堿性使得鉆井液添加劑的配伍性差，如常規(guī)潤滑劑極易失效，同時常規(guī)潤滑劑主要功能體現(xiàn)在降低摩阻方面，抑制能力較弱，不能有效地抑制黏土的水化膨脹。盡管國內(nèi)外學(xué)者在優(yōu)化硅酸鹽鉆井液的潤滑性能方面做了大量的研究和測試[8-11]，但其在潤滑性方面仍存在較多的難題[12-13]。

為了解決北部灣盆地井壁不穩(wěn)定性和使用硅酸鹽鉆井液與潤滑劑不配伍的難題，室內(nèi)研發(fā)了一種具有潤滑性能好、抑制性強的ALM 多功能潤滑劑。與常規(guī)潤滑劑主要依靠乳化劑吸附（即在鉆具與井壁之間形成油膜降低鉆具與井壁之間的摩擦）不同，ALM 多功能潤滑劑主要是依靠大量分子化學(xué)吸附，使得鉆具與井壁呈現(xiàn)出一種完全隔離的狀態(tài)從而降低摩阻。ALM 多功能潤滑劑與硅酸鹽鉆井液配伍性良好，高堿性環(huán)境下不會水解失效，不易起泡。同時，該潤滑劑抑制性強，能抑制W 區(qū)塊儲層段巖石的水化膨脹，降低了鉆井過程中出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的風(fēng)險。

1 多功能潤滑劑合成及機理分析

1.1 ALM多功能潤滑劑的制備

在室溫下將環(huán)狀酸酐化合物、三乙醇胺和催化劑按照40∶20∶5 的質(zhì)量比依次加入到反應(yīng)釜中，攪拌升溫至80～90 ℃反應(yīng)3 h，此過程中環(huán)狀酸酐化合物水解反應(yīng)的產(chǎn)物與三乙醇胺發(fā)生酯化反應(yīng)，生成含雙酯鍵的有機物。在氮氣保護下升溫至160 ℃，加入一定量的太古油和乙二醇，繼續(xù)升溫至170～180 ℃反應(yīng)2 h，降溫至90 ℃后，轉(zhuǎn)入調(diào)和釜，加入納米聚四氟乙烯微粉，繼續(xù)反應(yīng)2 h，循環(huán)過濾冷卻至室溫[14]，得到的棕黃色液體即為ALM 多功能潤滑劑。

1.2 ALM潤滑機理和抑制機理

1）ALM 多功能潤滑劑潤滑機理。①ALM 多功能潤滑劑具有層狀結(jié)構(gòu)的雙酯鍵、醚鍵，其分子之間可相對滑動，能在黏土微粒表面產(chǎn)生吸附作用，進而降低黏土微粒在流動過程中產(chǎn)生的滑動摩擦阻力；②羥基、醇羥基等極性基團，能提高潤滑劑和納米聚四氟乙烯粉的親水性和吸附性，使?jié)櫥瑒┰趲r石和鉆具表面上形成定向的分子層，從而形成了高韌性的潤滑吸附膜，吸附膜具有一定的承壓能力，可有效地阻止井壁和鉆具表面的直接接觸，減少摩擦阻力從而起到潤滑作用；且吸附基團位于分子鏈同端，吸附層致密不易脫附；③同時引入納米聚四氟乙烯微粉，可以填充鉆具摩擦表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，降低摩擦表面的磨損，能有效降低壓差卡鉆的風(fēng)險。

2）ALM 多功能潤滑劑的抑制機理。ALM 多功能潤滑劑抑制機理見圖1。

圖1 ALM 多功能潤滑劑抑制機理

如圖1 所示，ALM 多功能潤滑劑中的少量納米聚四氟乙烯微粉填充微裂隙及微孔隙，醇羥基、醚基等多種基團使?jié)櫥瑒┰诘魤K巖石表面形成了高韌性的潤滑吸附膜，與微裂隙及微孔隙巖石的表面鍵合，起到對巖石弱面的膠結(jié)作用，宏觀增強巖石整體強度；同時形成的潤滑吸附膜隔絕了鹽水對巖樣的侵蝕，減緩了巖樣的水化膨脹。層狀結(jié)構(gòu)的雙酯鍵形成類似錨鏈屬性的多點錨鏈，其能夠快速控制最活躍水化點并牢牢的固定在巖石表面及層間，防止黏土顆粒發(fā)生表面水化和滲透水化，雙重作用防止泥巖造漿，并提高井壁穩(wěn)定性。

2 ALM 多功能潤滑劑性能評價

2.1 理化性能

潤滑劑ALM 外觀為棕黃色均勻液體，密度為0.90 g/cm3，熒光級別較低為3 級，參考Q/SY 1088—2012《鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》，對潤滑劑ALM 的主要理化性能進行了評價，ALM的密度為0.9±0.1 g/cm3，密度差為0.05 g/cm3，凝點為-10～-9 ℃，表觀黏度為18 mPa·s，濾失量為13 mL，揮發(fā)分含量為5.2%，潤滑系數(shù)降低率為87.65%，黏附系數(shù)降低率為68.52%。結(jié)果表明，ALM 的理化性能均滿足現(xiàn)場潤滑劑使用基本要求。

2.2 環(huán)保性能

ALM 的主要原材料為環(huán)?？山到獠牧希蓽p輕或避免對環(huán)境的污染。室內(nèi)對多功能潤滑劑的生物降解性和生物毒性進行了測試。

1）生物降解—BOD5/CODCr法：一般行業(yè)要求不低于10%；以重鉻酸鉀法測定潤滑劑的CODCr，稀釋與接種法測定潤滑劑的BOD5，以BOD5/CODCr值表示生物降解性（見表1），BM-1 生物降解性＞25%，屬于易降解物質(zhì)[15]。

表1 ALM 多功能潤滑劑的生物降解能力

2）生物毒性—鹵蟲法。海洋一級海域要求EC50大于30 000 mg/L。依據(jù)Q/SY111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發(fā)光細菌法》，測定ALM 的生物毒性EC50值為61 500 mg/L，遠大于排放標準30 000 mg/L。

環(huán)境保護測試實驗結(jié)果表明，合成的ALM 多功能潤滑劑的生物毒性顯示其對環(huán)境友好，且具有良好的生物降解性，無生物毒性，屬于環(huán)境友好型潤滑劑。

2.3 潤滑性能

室內(nèi)采用抗磨試驗機KMY201-1A 和 E-P 極壓潤滑儀，分別評價了白油、鉆井液中常用的植物油類潤滑劑LUBE-H、聚合醇類潤滑劑PF-LUBE 以及ALM 多功能潤滑劑在清水中不同加量時的抗磨性能和極壓潤滑性能，實驗結(jié)果如表2 所示，抗磨鋼塊上的磨損情況如圖2 所示。

表2 不同潤滑劑極壓潤滑及抗磨性能評價

圖2 抗磨鋼塊的磨損情況（從左至右依次為15%ALM多功能潤滑劑、PF-LUBE、LUBE-H 和白油）

由實驗結(jié)果可知，白油潤滑性能較好，潤滑系數(shù)為0.036，但抗磨性能較差，可以承載6.5 kg 的重量且鋼塊磨痕很大；多功能潤滑劑ALM 的抗磨和潤滑性能均好，加量15%多功能潤滑劑ALM 的潤滑系數(shù)為0.032，可承載12 kg 的重量，且鋼塊磨痕非常小，潤滑性能及抗磨性能均優(yōu)于白油和其他類型的潤滑劑。

由于部分常規(guī)潤滑劑不抗鈣鎂，在海水膨潤土漿中易起泡，甚至潤滑劑失效，而W 區(qū)塊采用海水鉆進，故該實驗增加了潤滑劑在模擬海水膨潤土漿中的性能評價，結(jié)果見表3。從表3 可以看出，在淡水和海水膨潤土漿中，ALM 多功能潤滑劑的抗磨性能和潤滑性能均優(yōu)于潤滑劑LUBE-H 和PFLUBE。

表3 在膨潤土漿中加入0.5%潤滑劑的性能評價

2.4 抗溫性能

潤滑劑的抗溫性能是其在鉆井液中持續(xù)發(fā)揮功效關(guān)鍵，室內(nèi)采用5%的海水膨潤土漿中加入0.5%ALM，測試不同溫度下（100～180 ℃）潤滑劑老化16h 后摩阻系數(shù)變化規(guī)律，考察ALM 的抗溫性能，實驗結(jié)果如表4 所示。實驗結(jié)果表明，隨著老化溫度從 100 ℃升高至 160 ℃，海水膨潤土漿潤滑系數(shù)降低率變化幅度不大，始終保持在80%以上，溫度升高到180 ℃時，出現(xiàn)了明顯的下降，說明ALM 潤滑劑耐溫可達160 ℃，在高溫下具有較好的潤滑性能。

表4 ALM 多功能潤滑劑在基漿中的抗溫性能

2.5 抑制性能

ALM 多功能潤滑劑的抑制性評價，室內(nèi)通過浸泡實驗，模擬鉆井過程中鉆井液對地層巖石的影響。取W 區(qū)塊儲層潿二段掉塊巖樣放入溶液中，觀察巖樣在恒溫箱中90 ℃恒溫浸泡1、2、24、48 h 的變化，結(jié)果見表5，48 h 巖樣狀態(tài)見圖3，從表5 可以看出，WZ11-1 井掉塊巖樣極易水化膨脹，在淡水中僅浸泡1h 即破碎；配方3 中加入了ALM多功能潤滑劑抑制效果較好，可媲美白油，能有效增強現(xiàn)場掉塊的強度，抑制掉塊水化分散，起到較好的預(yù)防井壁垮塌效果。采用5%ALM 多功能潤滑劑對潿二段現(xiàn)場掉塊巖樣浸泡1 周后的電鏡掃描結(jié)果如圖4 所示。從圖3 可以看出，浸泡1 周后，掉塊本身存在的裂縫未出現(xiàn)發(fā)展延伸、未出現(xiàn)新裂縫，說明ALM 多功能潤滑劑具有良好的抑制泥巖水化膨脹的能力。

表5 不同潤滑劑溶液對巖樣的水化抑制能力評價

圖3 浸泡48 h 時后不同溶液中巖樣狀態(tài)對比

圖4 ALM 多功能潤滑劑浸泡巖樣1 周后電鏡掃描結(jié)果

3 不同鉆井液體系的性能評價

對比評價了北部灣地區(qū)鉆井現(xiàn)場所用的海水聚合物鉆井液（PDF-PLUS/KCl）、PDF-MOM 兩種鉆井液和室內(nèi)研究的硅酸鹽鉆井液的配伍性能、極壓潤滑性能、抗磨性能、四球抗磨性能和抑制性能。鉆井液基本配方如下。

PDF-PLUS/KCl 體系配方：海水+0.25%NaOH+0.2%Na2CO3+2%膨潤土（9%預(yù)水化膨潤土漿）+0.7%PF-PAC-LV+3%PF-LSF+3%PF-NRL+5%KCl+0.5%PF-PLUS+0.2%PF-XC+3%PF-LUBE+2%PF-UHIB+重晶石加重至1.4 g/cm3

硅酸鹽鉆井液基本配方：65%淡水+1.0%NaOH+0.3%PAV-HV+0.3%XC+3%pH 值穩(wěn)定劑+10%液體流型調(diào)節(jié)劑+1.5%降濾失劑+2%FT-2+5%硅酸鈉+1%KCl+重晶石加重至1.4 g/cm3

現(xiàn)場PDF-MOM 體系配方：3#湛江白油+2%1699+1%1767+3%PF-MOALK+2%有機土+30%CaCl2鹽水+2%PF-MORLF+5%PF-MOLSF+重晶石加重至1.4 g/cm3，油水比為85∶15

3.1 與鉆井液的配伍性能

室內(nèi)分別選取北部灣地區(qū)鉆井現(xiàn)場所用的海水聚合物鉆井液（PDF-PLUS/KCl）和硅酸鹽鉆井液進行測試，結(jié)果如表6 所示。

表6 ALM 多功能潤滑劑與鉆井液配伍性能評價

實驗結(jié)果表明，加入潤滑劑后，2 種體系的密度變化值均小于0.02 g/cm3，隨著潤滑劑加量的增大，兩種體系的流變性基本保持穩(wěn)定，API 失水和高溫高壓失水均出現(xiàn)下降趨勢，pH 值基本無變化，尤其是對要求較為嚴格的硅酸鹽鉆井液體系基本無影響。潤滑劑加量增加，體系的潤滑系數(shù)降低明顯，體現(xiàn)了良好的潤滑性能，說明ALM 潤滑劑與聚合物鉆井液和硅酸鹽鉆井液配伍性良好。ALM 潤滑劑推薦加量為5%，后續(xù)的3種體系對比實驗中，硅酸鹽鉆井液中均加入了5%ALM 潤滑劑。

3.2 四球抗磨性能評價

采用微控全自動四球摩擦試驗機對比評價了硅酸鹽、PDF-PLUS/KCl、PDF-MOM 三種鉆井液體系的抗磨性能。實驗結(jié)果表明，PDF-PLUS/KCL體系的四球抗磨磨斑為1.072 mm，PDF-MOM 體系的四球抗磨磨斑為0.780 mm，硅酸鹽體系四球抗磨磨斑為0.662 mm，磨斑最小，為0.662 mm，硅酸鹽體系抗磨效果比PDF-MOM 和PDF-PLUS/KCl 體系強，ALM 多功能潤滑劑中加入的納米聚四氟乙烯微粉，可以填充鉆具摩擦表面的微滑痕處以及由摩擦引起的凹槽，有效降低摩擦表面的磨損。

3.3 抑制性能評價

分別取儲層段1630～1645 m 和2982～2992 m 鉆屑，對3 種鉆井液體系進行抑制性能評價。根據(jù)圖5 結(jié)果顯示，塑性黏度表征鉆井液內(nèi)摩擦力，3 種鉆井液在儲層段1630～1645 m 和流二段2982～2992 m 鉆屑的抑制實驗中，從塑性黏度增長率看，老化后PLUS/KCl 鉆井液較MOM 油基鉆井液的塑性黏度值增加小，硅酸鹽鉆井液和PLUS/KCl 鉆井液的塑性黏度值增長率相當(dāng)，硅酸鹽具有較好的抗鉆屑污染能力。

圖5 3 種鉆井液的抑制性能

4 結(jié)論

1.含有雙酯鍵、醚鍵和醇羥基等多種基團與納米聚四氟乙烯微粉的ALM 多功能潤滑劑，無論是ALM 多功能潤滑劑單劑，還是在淡水或海水膨潤土漿中均具有優(yōu)秀的抗磨性能和極壓潤滑性能。

2.研究合成的ALM 多功能潤滑劑具有較強的抑制能力，能抑制W 區(qū)塊儲層段掉塊巖樣的水化分散。

3.ALM 多功能潤滑劑與硅酸鹽潤滑劑配伍性良好，對體系流變性能無影響，能降低硅酸鹽鉆井液的摩阻、提高封堵性能和四球抗磨性能。

4.ALM 多功能潤滑劑能提高現(xiàn)場PDF-PLUS/KCl 鉆井液的潤滑性能和抗磨性能。