郝志強(qiáng)

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163000）

鉆井液中添加潤(rùn)滑劑可以降低鉆柱和井壁之間產(chǎn)生的摩阻和扭矩，性能優(yōu)良的潤(rùn)滑劑可以在井下極端的高溫和高壓條件下增加鉆柱和井壁表面觸點(diǎn)的潤(rùn)滑性能[1-2]。另一方面，如果鉆井液的潤(rùn)滑較差則會(huì)導(dǎo)致鉆頭軸承磨損、套管磨損、脫扣、扭矩問(wèn)題和壓差卡鉆等問(wèn)題出現(xiàn)。雖然液柱壓力和地層壓力之間的差值被認(rèn)為是造成鉆具拖壓和卡鉆的主要原因，但潤(rùn)滑不良和濾餅虛厚也是主要原因之一（在鉆井過(guò)程中混入鉆井液中的巖屑等固相是導(dǎo)致濾餅變厚的原因之一）。目前潤(rùn)滑劑主要應(yīng)用于水基鉆井液中，水基鉆井液因其無(wú)毒、相對(duì)便宜和可生物降解等特性而成為鉆井作業(yè)中使用的主要鉆井液體系[3]。然而，當(dāng)水基鉆井液不能夠達(dá)到所需的潤(rùn)滑性時(shí)，通常會(huì)使用合成基泥漿來(lái)代替水基鉆井液。少量的潤(rùn)滑劑就可以為鉆井液提供足夠的潤(rùn)滑性[4-5]。通常1%的潤(rùn)滑劑可以降低20%的扭矩，而潤(rùn)滑劑的平均最佳濃度一般為1%～3%。

鉆井液中常用的潤(rùn)滑劑有油、石墨、粉末、表面活性劑和脂類(lèi)。其中受到關(guān)注的聚α烯烴（PAO）流體特別有利于井筒清潔、頁(yè)巖穩(wěn)定以及鉆頭潤(rùn)滑和冷卻。但PAO的缺點(diǎn)主要是粘度范圍小和極性低；而聚亞甲基乙二醇（PAG）的主要缺點(diǎn)是其在其他油中的混溶性差。

已有的研究證實(shí)，廢棄的石油基潤(rùn)滑油對(duì)人體健康和環(huán)境具有較大影響，并且降解緩慢。而植物油的可生物降解、來(lái)源廣泛且無(wú)毒等特性，可以作為鉆井液潤(rùn)滑劑的有效原料。本論文概述了生物可降解潤(rùn)滑劑在鉆井液中的最新研究、發(fā)展和應(yīng)用情況。

1 天然植物油潤(rùn)滑劑的研究進(jìn)展

蓖麻油、棕櫚油、椰子油、牛脂油、大豆油、橄欖油、向日葵油和菜籽油都可以用作生物潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油。天然植物油的可生物降解和可再生特性是其在鉆井液中的應(yīng)用基礎(chǔ)。植物油中的甘油三酯可以提供與金屬表面相互作用的潤(rùn)滑膜，這種相互作用越強(qiáng)，摩擦和磨損的減少就越大。未經(jīng)處理的植物油在鉆井液中極易水解，從而使鉆井液粘度增加。由于植物油的低溫流動(dòng)性差、熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性低，它們?cè)谑豌@井中的應(yīng)用也受到限制。盡管植物油不適宜直接用于鉆井液，但不同類(lèi)型的植物油脂肪酸對(duì)于設(shè)計(jì)生物潤(rùn)滑劑很有幫助。例如，含有大量油酸、亞油酸或亞麻酸或其他不飽和成分的油被氫化飽和后，不但具有油脂的特性還可以在鉆井液中使用。

2 有機(jī)酯類(lèi)的研究進(jìn)展

從大豆油、花生油、玉米油、亞麻籽油和大米油中提取的有機(jī)酯可以被用作鉆井液中礦物油的替代品。

2.1 二元酯

二元酯可由含有二羧基的二元酸和一元醇制備，其中潤(rùn)滑性較好的二元酯是支鏈伯醇與直鏈二羧酸的形成的酯或直鏈伯醇與支鏈二羧酸的形成的酯。

2.2 多元醇酯

與二元酯相比，多元醇酯具有較寬分布的運(yùn)動(dòng)粘度，目前多元醇酯已被用于各種潤(rùn)滑領(lǐng)域，例如曲軸箱發(fā)動(dòng)機(jī)油（即乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油、重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油和乘用車(chē)柴油）、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)油、彈射器油、液壓油和鉆井液。

3 生物可降解潤(rùn)滑劑的理化特性

在鉆井作業(yè)中，生物可降解潤(rùn)滑劑必須具有較好的物理化學(xué)特性，才能保證在鉆井施工惡劣的井筒工況下仍具有良好的潤(rùn)滑性能。這些理化性能主要包括粘度、潤(rùn)滑性、溶解性、熱穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性以及耐水解性，上述這些性能的優(yōu)良與否主要由潤(rùn)滑劑本身的分子結(jié)構(gòu)決定。

3.1 粘度

潤(rùn)滑劑的粘度反映了其在外界環(huán)境下流動(dòng)阻力的大小。潤(rùn)滑劑的粘度與其所處環(huán)境的溫度、壓力和潤(rùn)滑油自身的膜厚度直接相關(guān)，在同樣的外界環(huán)境下，粘度越高表示潤(rùn)滑油的膜越厚，粘度越低則表示潤(rùn)滑油的油膜越薄。由多羥基化合物組成的高粘度多元醇酯在鉆井液有良好的應(yīng)用效果，它們的粘度可以通過(guò)增加羧酸和醇的鏈長(zhǎng)、增加分子量、增加偶極相互作用、使分子支化、降低分子的柔韌性或在分子骨架中包含環(huán)狀基團(tuán)。Ghosh和Das的研究結(jié)果表明，多官能團(tuán)的丙烯酸酯聚合物添加劑，即丙烯酸癸酯聚合物和丙烯酸異辛酯聚合物，在提高潤(rùn)滑油的粘度指數(shù)方面具有良好的效果，此外，由丙烯酸與不同烷基鏈的醇制成的聚合物添加劑也可以有效提高潤(rùn)滑油的粘度指數(shù)。

通常，多元醇酯的運(yùn)動(dòng)粘度在40℃時(shí)為5～225cst，在100℃時(shí)為2～20cst，而二酯的運(yùn)動(dòng)粘度在40℃時(shí)為6～46cst，100℃時(shí)為2～8cst。在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，要求潤(rùn)滑劑的粘度在100℃時(shí)在5～15cst 的范圍內(nèi)。與多元醇酯相比生物油酯具有高粘度指數(shù)和良好的低溫性能。

3.2 潤(rùn)滑性

潤(rùn)滑性是潤(rùn)滑劑最重要的指標(biāo)，酯本身的極性使其可以在酯分子和帶正電的金屬表面之間產(chǎn)生吸引力，從而增加酯的潤(rùn)滑性。當(dāng)高粘度極性酯與低粘度的非極性基液（如PAO）混合時(shí)，極性酯也會(huì)粘附在金屬表面并停留在接觸區(qū)域中。此外，酯類(lèi)形成的潤(rùn)滑膜被認(rèn)為比碳?xì)浠衔镱?lèi)潤(rùn)滑劑或PAO 形成的膜更強(qiáng)。部分酯在高達(dá)180℃的溫度下仍能提供良好的潤(rùn)滑效果。

3.3 穩(wěn)定性

隨著鉆井過(guò)程中鉆井液所處環(huán)境溫度的升高，鉆井液中的化學(xué)成分會(huì)隨時(shí)間發(fā)生一定程度的降解。因此，在使用生物潤(rùn)滑劑時(shí)，必須考慮其穩(wěn)定性和降解速率。正常情況下，所選用的生物潤(rùn)滑劑的熱穩(wěn)定性必須優(yōu)于或接近鉆井液的最高極限溫度。一般來(lái)說(shuō)，酯類(lèi)具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，使其適合用作鉆井液中的生物潤(rùn)滑劑。多元醇酯的熱穩(wěn)定性（熱降解溫度315℃）要優(yōu)于二酯（275℃）。

在高溫條件下潤(rùn)滑劑的氧化可能導(dǎo)致其自身聚合并增加粘度。Erhan 和Perez 的研究結(jié)果表明，由于脂肪酸鏈上存在雙烯丙基結(jié)構(gòu)，未經(jīng)處理的植物油的氧化穩(wěn)定性通常較差，這些活潑的雙鍵容易受到自由基攻擊，隨后發(fā)生氧化降解形成極性含氧化合物。酯交換和化學(xué)改性（即環(huán)氧化）是提高植物油氧化穩(wěn)定性的主要方法之一。例如，蓖麻油經(jīng)過(guò)甲酯或乙酯修飾后，其氧化穩(wěn)定性從7.92h增加到13.51h，而當(dāng)其中存在含量較高的不飽和甲酯時(shí)，氧化穩(wěn)定性還會(huì)降低。低分子量多元醇（新戊二醇或三羥甲基丙烷）可用于酯交換，用以生產(chǎn)具有優(yōu)異氧化穩(wěn)定性的生物潤(rùn)滑劑。

4 生物可降解潤(rùn)滑劑在鉆井液中的應(yīng)用

4.1 在水基鉆井液中的應(yīng)用

2013年帕特爾等人研發(fā)了用于水基鉆井液的改性乙氧基蓖麻油潤(rùn)滑劑，并進(jìn)行了一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，當(dāng)加入該潤(rùn)滑劑后，鉆井液的摩阻系數(shù)會(huì)顯著降低，鉆井液在100℃、16h 老化后，與基漿相比，含2%潤(rùn)滑劑的鉆井液摩阻系數(shù)降低了11%～17%。在另一項(xiàng)工作中，已提出磺化蓖麻油及其衍生物可作為井下流體的潤(rùn)滑劑，并且隨著溫度的變化，添加了磺化蓖麻油潤(rùn)滑劑的鉆井液的摩阻系數(shù)也基本保持不變。此外，磺化蓖麻油潤(rùn)滑劑的作用時(shí)效長(zhǎng)，加入2周后潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果與剛加入樣品的摩阻系數(shù)相似。

2013年Snmez等人研究了不同商業(yè)潤(rùn)滑劑在高鈣離子含量、高pH 值、高氯化物含量和高密度水基鉆井液中的潤(rùn)滑性能。實(shí)驗(yàn)的潤(rùn)滑劑包括：甘油三酯、植物油基潤(rùn)滑劑、脂肪酸、甘油酯基潤(rùn)滑劑和聚丙二醇基潤(rùn)滑劑、重油和柴油。研究結(jié)果表明，重油和柴油會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑性能下降并改變鉆井液的流變性能。重油、柴油、甘油三酯和植物油潤(rùn)滑劑可以減少鉆井液的API濾失量。鈣含量和pH值不會(huì)對(duì)潤(rùn)滑性造成顯著影響，但隨著氯化物含量的增加會(huì)降低潤(rùn)滑性，增加鉆井液密度以及潤(rùn)滑劑用量會(huì)提高潤(rùn)滑性。

2014 年Nunes 等人研究了改性甘油酯的潤(rùn)滑機(jī)理。他的研究成果認(rèn)為：當(dāng)水溶性降低時(shí)，甘油單酯潤(rùn)滑劑性能反而會(huì)提高。C6衍生物表現(xiàn)較低的潤(rùn)滑性，可能是因?yàn)槠湓谒械娜芙舛容^高。當(dāng)加入黃原膠后，由于黃原膠可以起到更好的懸浮作用，潤(rùn)滑效果會(huì)隨之增加。此外，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)或多個(gè)游離-OH 基團(tuán)時(shí)，它們會(huì)吸附在金屬表面上，也有利于提高潤(rùn)滑性。Nunes的研究還表明，植物油基潤(rùn)滑劑具有的熒光效應(yīng)不利于地質(zhì)錄井，但是在酯類(lèi)潤(rùn)滑劑中加入濃度分別為4%（wt/wt）或9%（wt/wt）的液態(tài)硝酸或固態(tài)硝酸并保持1～2h待反應(yīng)完成后，可以得到一種新型的低熒光脂基鉆潤(rùn)滑劑。

2011 年Amorim 等人研究了生物潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性對(duì)粘附卡鉆的影響。得出的結(jié)論是生物潤(rùn)滑劑可以防止粘附卡鉆。在高堿性水基硅酸鹽鉆井液中，由于脂肪醇具有至少12 個(gè)碳原子的直鏈或支鏈，濃度為1%的以脂肪醇為基礎(chǔ)的潤(rùn)滑劑就能夠防止不同程度的粘附卡鉆并顯著改善潤(rùn)滑性。

2011 年Mueller 等人研究了環(huán)保型生物潤(rùn)滑劑和粘附卡鉆之間的關(guān)系。所實(shí)驗(yàn)的潤(rùn)滑劑包括水溶性植物油基潤(rùn)滑劑、水不溶性短鏈酸酯，以及從植物油中提取的水不溶性潤(rùn)滑脂的混合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有偶極和電荷的水溶性生物潤(rùn)滑劑可以在金屬表面形成薄膜，這種發(fā)生在薄膜層上的潤(rùn)滑作用比普通潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果更好，可以降低粘附卡鉆的可能性。

4.2 在合成基泥漿中的應(yīng)用

大多數(shù)情況下合成基鉆井液本身已經(jīng)具有良好的潤(rùn)滑特性。然而，在某些特殊情況下，如井眼軌跡頻繁變化的大斜度井，使用合成基鉆井液時(shí)也會(huì)有非常高的摩阻和扭矩。此外，在海上平臺(tái)鉆井也對(duì)合成基鉆井液有更高的潤(rùn)滑性要求。

國(guó)外學(xué)者對(duì)大豆油磺酸鹽、甘油單脂磺酸鹽、硫酸磺化蓖麻油和甘油單脂酸鹽在合成基鉆井液中的潤(rùn)滑特性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用烯丙基甘油酯以及硫酸磺化蓖麻油與單烯丙基酸甘油酯的組合可顯著降低合成基鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)。

Alessandro 等在2003年研究了甲基葡糖苷和聚甘油合成的復(fù)合多元醇潤(rùn)滑劑，并在墨西哥灣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。通過(guò)添加多元醇可以提高井筒穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。當(dāng)加入碳酸鉀后，該鉆井液的頁(yè)巖穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。這可能是由于多元醇降低了水的活度，并在頁(yè)巖表面形成了一層屏蔽膜，阻止了鉆井液和頁(yè)巖之間的離子擴(kuò)散。迪亞斯等在2015 年的研究表明，月桂酸乙烯基酯和玉米淀粉經(jīng)化學(xué)改性后，在反相乳化鉆井液中具有優(yōu)良的降濾失效果。

5 結(jié)論

（1）潤(rùn)滑劑作為鉆井液添加劑，可以大幅度提高鉆井液的潤(rùn)滑效果從而最大限度地減少摩擦。

（2）植物油基潤(rùn)滑劑的最大特點(diǎn)是其可生物降解性和低毒性，適用于海上鉆井應(yīng)用。隨著環(huán)保法規(guī)對(duì)鉆井液處理劑要求的不斷增加，油服企業(yè)不得不使用環(huán)保性更好的潤(rùn)滑油。

（3）植物油中的甘油三酯可以提供與金屬表面相互作用的潤(rùn)滑膜，這種相互作用越強(qiáng)，摩擦和磨損的減少就越大。未經(jīng)處理的植物油在鉆井液中極易水解，從而使鉆井液粘度增加。由于植物油的低溫流動(dòng)性差、熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性低，它們?cè)谑豌@井中的應(yīng)用也受到了限制。

（4）大多數(shù)情況下合成基鉆井液本身已經(jīng)具有良好的潤(rùn)滑特性。然而，在某些特殊情況下，如井眼軌跡頻繁變化的大斜度井，使用合成基鉆井液時(shí)也會(huì)有非常高的摩阻和扭矩。此外，海上平臺(tái)鉆井也對(duì)合成基鉆井液有更高的潤(rùn)滑性要求。