陳 磊，張小平，藺文潔

（1.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018）

近年來(lái)，隨著油氣勘探中深井水平井開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，水平段不斷延伸，鉆進(jìn)過(guò)程中摩阻、扭矩急劇增加，施工過(guò)程對(duì)潤(rùn)滑劑的抗溫性能和環(huán)保性能要求日益提高。隨著新環(huán)保法的實(shí)施，包括石油行業(yè)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域都在積極推進(jìn)清潔化生產(chǎn)及廢棄物資源化利用。本技術(shù)針對(duì)新形勢(shì)下的環(huán)保要求，研發(fā)出以生物基礎(chǔ)油（植物油與動(dòng)物油）為原料的潤(rùn)滑劑，不但可以解決深井及長(zhǎng)水平段水平井的安全鉆進(jìn)技術(shù)難題，而且可以為實(shí)現(xiàn)廢棄食用油資源化再利用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐[1-3]。

1 技術(shù)難點(diǎn)

生物油脂（地溝油脂）作為基礎(chǔ)油制備潤(rùn)滑劑主要存在以下技術(shù)難題：（1）穩(wěn)定性不強(qiáng)：隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)，尤其是夏季高溫下放置，潤(rùn)滑劑穩(wěn)定性變差、易分層；（2）易皂化：由于其羧酸脂的結(jié)構(gòu)，對(duì)鈣鎂離子等的抵抗性比較差，在使用中易產(chǎn)生皂化現(xiàn)象；（3）易發(fā)泡：生物油潤(rùn)滑劑受到高溫、現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)中氧化等作用下分解，常規(guī)的生物油潤(rùn)滑劑僅適用于低密度、低堿性、較低溫的鉆井液中，為將生物油潤(rùn)滑劑更好應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外深井（及超深井）、高溫井，需要解決潤(rùn)滑劑原材料選擇、抗溫、抗鹽抗鈣和成本控制等技術(shù)難題[4-6]。

2 研制思路及基礎(chǔ)油參數(shù)確定

2.1 研制思路

（1）原料綠色化、低成本：采用無(wú)毒無(wú)害和可生物降解的生物油脂（地溝油）為原料，其無(wú)毒、來(lái)源廣泛、黏度指數(shù)適中、生物降解性好。

（2）提高生物油高溫分散與穩(wěn)定：選擇表面活性劑時(shí)，既要保證生物油在水基泥漿中的有效分散，又要具有好的抗溫穩(wěn)定性，無(wú)毒環(huán)保。

（3）提高潤(rùn)滑劑穩(wěn)定性與抗鹽抗鈣性能：為克服原生物油水基潤(rùn)滑劑，乳液穩(wěn)定性問(wèn)題（產(chǎn)品長(zhǎng)期儲(chǔ)存，存在乳液生霉，變質(zhì)分層），將原水基乳液產(chǎn)品優(yōu)化為全油基生物油潤(rùn)滑劑產(chǎn)品，優(yōu)選抗鹽性好的乳化劑和分散劑。

（4）利用添加劑改善生物油性能：一是選擇合適的高溫穩(wěn)定劑，提高生物油的高溫穩(wěn)定性，二是通過(guò)對(duì)部分生物油的改性，合成潤(rùn)滑添加劑，提高生物油本身的穩(wěn)定性及潤(rùn)滑性，達(dá)到抗溫的目的。

2.2 基礎(chǔ)油的優(yōu)選及參數(shù)確定

根據(jù)前期研究基礎(chǔ)，綜合考慮作為全油基鉆井液用潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油的生物油技術(shù)要求，通過(guò)室內(nèi)驗(yàn)證，確定出鉆井液用潤(rùn)滑劑生物油的基本技術(shù)指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

2.3 生物油潤(rùn)滑劑的制備

2.3.1 配方組成 全油基生物油潤(rùn)滑劑是以用地溝油制備的可生物降解的生物燃料油為基礎(chǔ)油，主要成分為帶吸附基團(tuán)的長(zhǎng)鏈酯化物等組成的鉆井液用潤(rùn)滑劑。主要組成配方（見(jiàn)表2）。

表2 基本組成配方

2.3.2 制備工藝

（1）在密閉反應(yīng)釜中加入一定量的生物油開(kāi)始攪拌，攪拌速度100 r/min，并且逐漸開(kāi)始升溫至120 ℃，加溫至目標(biāo)溫度后繼續(xù)攪拌0.5 h；

（2）調(diào)整攪拌速度至200 r/min，0.5 h 內(nèi)加入催化劑，然后緩慢加入抗氧劑，加入完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)0.5 h；

（3）加入潤(rùn)濕劑繼續(xù)攪拌0.5 h；

（4）攪拌降低反應(yīng)釜溫度至70 ℃，然后緩慢加入殺菌劑及極壓劑，繼續(xù)攪拌1 h；

（5）降低攪拌速度至100 r/min，直至反應(yīng)釜內(nèi)溫度降低至常溫。

最終形成的棕黃色黏稠狀液體即為制備的全油基生物油潤(rùn)滑劑產(chǎn)品。

3 生物油潤(rùn)滑劑的評(píng)價(jià)

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法對(duì)全油基生物油潤(rùn)滑劑（G316）進(jìn)行了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

3.1 在基漿中的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)配制水化膨潤(rùn)土漿，分別測(cè)試G316 產(chǎn)品在120 ℃，150 ℃、170 ℃和180 ℃下的潤(rùn)滑效果（見(jiàn)表3～表6）。

表3 120 ℃熱滾前后的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

表4 150 ℃熱滾前后的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

表5 170 ℃熱滾前后的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

表6 180 ℃熱滾前后的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，生物油潤(rùn)滑劑樣品在50～170 ℃熱滾后的潤(rùn)滑系數(shù)明顯提高，在180 ℃熱滾后的全油基生物油潤(rùn)滑劑樣品有明顯的異味，且熱滾后的潤(rùn)滑效果有明顯降低，表明該潤(rùn)滑劑抗溫不超過(guò)180 ℃。

3.2 在鉆井液體系中的效果評(píng)價(jià)

3.2.1 在長(zhǎng)慶區(qū)域二開(kāi)強(qiáng)抑制聚磺鉆井液體系中的評(píng)價(jià) 潤(rùn)滑劑加量1.0%～3.0%時(shí)，加入潤(rùn)滑劑RYH 樣品后，熱滾前平均潤(rùn)滑系數(shù)降低率為35.54%，熱滾后為41.08%；加入全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 樣品后，熱滾前平均潤(rùn)滑系數(shù)降低率為42.1%，熱滾后為68.26%，且加量2%時(shí)潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到80%以上（見(jiàn)表7）。

表7 全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 聚磺加重體系中性能評(píng)價(jià)

潤(rùn)滑劑的加入提高了聚磺加重鉆井液體系熱穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明研發(fā)的全油基生物油潤(rùn)滑劑在高堿性條件下熱滾后，其應(yīng)用效果不但沒(méi)有降低，反而增強(qiáng)了。

3.2.2 在長(zhǎng)慶區(qū)域水平井無(wú)土相鉆井液中實(shí)驗(yàn) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常用鉆井液體系的組成、密度、pH 等性能，并與現(xiàn)用的植物油潤(rùn)滑劑RYH 進(jìn)行比較（見(jiàn)表8～表10）。

表8 全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 與RYH 潤(rùn)滑效果對(duì)比

表9 AV 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表10 API FL 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

兩種潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果相當(dāng)，加量2%時(shí)潤(rùn)滑系數(shù)降低率均達(dá)到70%以上，且G316 熱滾后對(duì)體系有一定的穩(wěn)定和降失水的作用。

3.2.3 環(huán)保指標(biāo)檢測(cè) 全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 的生物毒性為無(wú)毒，熒光級(jí)別為2 級(jí)，不影響地質(zhì)錄井，生物降解性具有良好的環(huán)保性能（見(jiàn)表11）。

表11 鉆井液用潤(rùn)滑劑環(huán)保指標(biāo)

4 全油基生物油潤(rùn)滑劑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

2020-2021 年生物油潤(rùn)滑劑G316 在殼牌長(zhǎng)北CB-1 井、CB-2 等28 口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配伍性良好，加入后現(xiàn)場(chǎng)鉆井液無(wú)絮凝、結(jié)塊現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用加量維持在1.0%～3.0%，泥餅滑塊摩阻系數(shù)實(shí)際控制在0.026 2～0.061 2，極壓潤(rùn)滑系數(shù)低于0.05，扭矩、摩阻、泥餅潤(rùn)滑系數(shù)得到有效降低，扭矩平均降低率達(dá)到58.3%，摩阻降低率達(dá)41.2%，滑塊摩阻系數(shù)降低率達(dá)到58.6%，無(wú)熒光，保持了巖屑真實(shí)性，應(yīng)用效果良好。

4.1 CB-1 井水平段應(yīng)用情況

該井從三開(kāi)水平段3 411 m 開(kāi)始加入全油基生物油潤(rùn)滑劑G316，現(xiàn)場(chǎng)加量0.5%～3.0%，使之在井壁及鉆具表面形成抗壓潤(rùn)滑膜，有效降低摩阻、扭矩。在第一分支1 300 m 水平段和第二分支1 920 m 的鉆進(jìn)期間的扭矩控制在31 kN·m 以?xún)?nèi)（見(jiàn)表12、圖1）。

圖1 CB-1 井G316 加量與扭矩關(guān)系

表12 CB-1 井生物油潤(rùn)滑劑加量數(shù)據(jù)

4.2 CB-2 井二開(kāi)井段應(yīng)用情況

該井從二開(kāi)斜井段2 420 m 開(kāi)始加入全油基生物油潤(rùn)滑劑G316，現(xiàn)場(chǎng)加量0.3%～0.5%，加入鉆井液后平均潤(rùn)滑系數(shù)降低率大于40.2%，扭矩在13～19 kN·m，鉆井液性能穩(wěn)定，無(wú)發(fā)泡等現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）。

圖2 CB-2 井G316 加量與扭矩關(guān)系

5 結(jié)論與建議

（1）全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 抗溫達(dá)170 ℃，生物毒性無(wú)毒，可降解，環(huán)保性和潤(rùn)滑效果良好。

（2）全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 在聚磺鉆井液體系和無(wú)土相鉆井液體系中潤(rùn)滑效果明顯好于現(xiàn)用的低熒光潤(rùn)滑劑RYH，說(shuō)明相對(duì)高溫條件下更有利于潤(rùn)滑劑G316 的分散，更能發(fā)揮其潤(rùn)滑等應(yīng)用效果。

（3）全油基生物油潤(rùn)滑劑G316 與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配伍性好，在大斜度井段和長(zhǎng)水平段施工中扭矩平均降低率達(dá)58.3%，摩阻降低率達(dá)41.2%，滑塊摩阻系數(shù)降低率58.6%，潤(rùn)滑減阻效果顯著，可以為深井超深井及長(zhǎng)水平段水平井的施工提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。