馮福平，董樂園，張健偉，于 洋，譚躍龍，張勝業(yè)，張朝琪

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318；2.中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司鉆井工藝研究院，吉林松原 138000；3.大慶鉆探工程公司鉆井四公司，黑龍江大慶 163318）

0 前言

大位移井和水平井是非常規(guī)儲(chǔ)層和海上油田開發(fā)的主要方式，隨著井斜角的增加和水平段的增長，管柱在重力作用下與下井壁的接觸面積增大，進(jìn)而導(dǎo)致水平段摩阻高、扭矩大、卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大、井眼軌跡控制難等問題，嚴(yán)重影響了大位移井和水平井的鉆井安全和延伸極限，管柱摩阻問題已經(jīng)成為制約大位移井和水平井鉆井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一［1］。尤其是泥巖地層，水基鉆井液的潤滑性一般，隨著水平段的延長，鉆井液中無法震動(dòng)篩除的固相含量逐漸增多，井壁泥餅的光滑度下降，鉆具與井壁泥餅之間的摩阻問題變得更為突出。因此，加入潤滑劑改善井壁泥餅光滑性是降低水平段摩阻的有效途徑［2］。

鉆井液潤滑劑主要分為固體潤滑劑和液體潤滑劑兩大類，固體潤滑劑主要為石墨、塑料小球、玻璃微珠、堅(jiān)果圓粒以及合成類固體粉末潤滑劑等，液體潤滑劑主要含礦物油、瀝青、柴油、原油等物質(zhì)。液體潤滑劑一般存在易起泡、穩(wěn)定性差、影響鉆井液流變性和具有熒光效應(yīng)等缺點(diǎn)，而固體潤滑劑相較液體潤滑劑具有熱穩(wěn)定性好、無熒光、運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì)［3-5］。但固體潤滑劑中較大的粒徑在操作過程中易被設(shè)備篩除或被擠壓變形導(dǎo)致破碎［6］，潤滑效果一般，加量為1%～3%時(shí)泥餅的黏滯系數(shù)僅降低了20%～30%［7］。盡管可以通過改性或復(fù)合的手段改善固體潤滑劑的泥餅潤滑性能，但其成本卻是一些傳統(tǒng)潤滑劑的兩倍以上［8］。因此，現(xiàn)有鉆井液固體潤滑劑難以兼顧聚合物鉆井液體系下高效降摩阻、無毒且低成本的施工需求［4，9］。為了進(jìn)一步提高固體潤滑劑的潤滑效果并降低使用成本，本文研究了一種低成本的固體粉末狀聚合物鉆井液泥餅潤滑劑RHGXJ-3，評(píng)價(jià)了該潤滑劑對(duì)聚合物鉆井液泥餅的潤滑效果，考察了泥餅潤滑劑與鉆井液的配伍性，研究了泥餅潤滑劑的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚羧酸接枝共聚物（主鏈帶羧酸基團(tuán)，接枝側(cè)鏈帶聚醚基團(tuán)，固體粉狀），工業(yè)級(jí)，天津偉合科技發(fā)展有限公司；針狀硅酸鹽（主要成分為偏硅酸鈣，固體針狀粉末，2～10 μm），工業(yè)級(jí)，上海創(chuàng)宇化工新材料有限公司；超細(xì)聚丙烯微粉（熱塑性樹脂，惰性固體微粉，1～2 μm），工業(yè)級(jí)，南京天詩新材料科技有限公司。膨潤土、碳酸鈉、聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型復(fù)合銨鹽、聚丙烯酸鉀KPA、降濾失劑聚合鋁JS-2、防塌封堵劑乳化瀝青YK-H、低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ-1、消泡潤滑劑RH-5，由吉林油田分公司鉆井工藝研究院提供；石墨類潤滑劑GD-2，工業(yè)級(jí)，河北光大石化有限公司；塑料小球類潤滑劑HZN-102，工業(yè)級(jí)，河北華運(yùn)鴻業(yè)化工有限公司。

NZ-3A 型黏滯系數(shù)測定儀，青島廣正信石油儀器有限公司；ZNN-D6B 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、YM-2型鉆井液密度計(jì)、MN-4型馬氏漏斗黏度計(jì)、GGS-42型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；ΣIGMA 型熱場掃描電子顯微鏡，德國Zeiss 公司；SmartLab SE 型智能X 射線衍射儀，日本理學(xué)株式會(huì)社。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）鉆井液及固體潤滑劑的制備

泥餅潤滑劑RHGXJ-3的制備：將聚羧酸接枝共聚物、針狀硅酸鹽、聚丙烯微粉按一定配比混合均勻后制得泥餅潤滑劑RHGXJ-3，顆粒粒徑為1～15 μm。

膨潤土漿的制備：將水、膨潤土、碳酸鈉按照質(zhì)量比500∶25∶0.25 混合，高速攪拌30 min，室溫下密封放置24 h后待用。

聚合物鉆井液的制備：在膨潤土漿中加入2%聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型復(fù)合銨鹽、1%聚丙烯酸鉀KPA、2%降濾失劑聚合鋁JS-2、3%鉆井液用防塌封堵劑乳化瀝青YK-H、3%低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ-1、7%消泡潤滑劑RH-5，高速攪拌30 min，室溫下密封放置24 h后待用。

（2）鉆井液配伍性測定

將泥餅潤滑劑RHGXJ-3 直接加入制備好的鉆井液中，高速充分?jǐn)嚢?5 min，使得泥餅潤滑劑均勻分散。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783—1997《水基鉆井液現(xiàn)場測試程序》，分別測定鉆井液的黏度、濾失量、pH 和鉆井液流變性參數(shù)，考察泥餅潤滑劑與鉆井液的配伍性。

（3）泥餅黏滯系數(shù)測定

采用NZ-3A 黏滯系數(shù)測定儀測定泥餅的黏滯系數(shù)。首先，將鉆井液置于高速攪拌器中充分?jǐn)嚢?5 min，然后將攪拌好的鉆井液裝入高溫高壓靜態(tài)濾失儀中，在3.5 MPa、90 ℃下濾失30 min，制備泥餅。將制備好的泥餅放在泥餅黏滯系數(shù)測定儀工作滑板平面上，將滑塊輕輕放在泥餅上并靜置，使工作滑板帶動(dòng)長方體滑塊慢慢翻轉(zhuǎn)。當(dāng)滑塊隨著工作滑板的翻轉(zhuǎn)開始滑動(dòng)時(shí)，讀取顯示窗的角度值，讀數(shù)對(duì)應(yīng)的正切函數(shù)值，記為泥餅的黏滯系數(shù)。

（4）泥餅的微觀表征

將泥餅在常溫（25 ℃）干燥24 h，取微量泥餅樣品，使用ΣIGMA 熱場掃描電子顯微鏡和SmartLab SE 智能X 射線衍射儀于常溫環(huán)境下（25 ℃）進(jìn)行SEM 電鏡掃描分析和XRD 衍射分析，觀察鉆井液加入潤滑劑前后泥餅的微觀結(jié)構(gòu)及組成變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑劑RHGXJ-3配方優(yōu)選

為提升泥餅的潤滑性和鉆井液配伍性，泥餅潤滑劑需要實(shí)現(xiàn)高效降低泥餅黏滯系數(shù)，改善泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性，并與鉆井液的配伍性良好。為降低復(fù)配成本和運(yùn)輸成本，泥餅潤滑劑還需要滿足原料成本低、復(fù)配方法簡單、無毒害、不易燃爆的條件。聚羧酸接枝共聚物JSS-1在堿性環(huán)境下水解變?yōu)殡x子型化合物，從而可避免初期被黏土吸附，能夠提高固相顆粒的分散度，改善流體流變性。針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2溶解后可與黏土顆粒水化反應(yīng)，加快硅酸鹽凝膠物質(zhì)的生成速度，改變泥餅內(nèi)部固相顆粒的膠態(tài)穩(wěn)定性。聚丙烯微粉JBXF-1 可填充在泥餅顆?？障吨g，提高泥餅的致密性，同時(shí)利用其自身的彈性，增強(qiáng)泥餅的變形性。采用聚羧酸接枝共聚物JSS-1、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2、聚丙烯微粉JBXF-1 復(fù)配制備泥餅潤滑劑。制備原料主要來源于石油行業(yè)的衍生產(chǎn)品或者來自類似的地質(zhì)資源，綠色環(huán)保、無毒無害。

基于前期的單因素濃度篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，確定聚羧酸接枝共聚物JSS-1加量水平值（0.4%、0.5%、0.6%）、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2 加量水平值（0.55%、0.70%、0.85%）、聚丙烯微粉JBXF-1水平值（0.05%、0.10%、0.15%），以泥餅靜置1 min 時(shí)測得的泥餅黏滯系數(shù)f1min為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，靜置10 min 時(shí)測得的泥餅黏滯系數(shù)f10min為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。最佳組合為A2B1C2（試驗(yàn)4 組），即JSS-1 加量為0.50%、GSYJX-2加量為0.55%、JBXF-1加量為0.10%，泥餅靜置1 min、10 min 時(shí)的泥餅黏滯系數(shù)分別為0.052和0.088，泥餅潤滑效果最好。因此潤滑劑RHGXJ-3 中JSS-1、GSYJX-2、JBXF-1 的最佳質(zhì)量配比為10∶11∶2。

表1 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 潤滑劑對(duì)泥餅的潤滑效果

為考察潤滑劑RHGXJ-3對(duì)泥餅的潤滑效果，將RHGXJ-3 以0%～1.8%的加量加入聚合物鉆井液中，加量為0的實(shí)驗(yàn)組作為空白對(duì)照組，制備泥餅并測定泥餅黏滯系數(shù)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，測得的泥餅黏滯系數(shù)取均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2 可以看出，隨著RHGXJ-3 加量的增大，泥餅黏滯系數(shù)顯著降低；當(dāng)加量為0.9%時(shí)，泥餅靜置1 min、10 min 后的泥餅黏滯系數(shù)均明顯降低，相較于空白對(duì)照組潤滑性能分別提升了55.4%和45.1%。當(dāng)RHGXJ-3 加量進(jìn)一步增大后，泥餅內(nèi)部包被、吸附、置換、分散作用加劇電解質(zhì)的生成，膠體顆粒的擴(kuò)散雙電層厚度會(huì)隨電解質(zhì)濃度增大而變小，粒子間靜電斥力減?。?0］，從而導(dǎo)致膠體聚沉，泥餅黏滯系數(shù)升高，泥餅潤滑性變差。因此，泥餅潤滑劑RHGXJ-3 在聚合物鉆井液中的加量以鉆井液質(zhì)量的0.9%為宜。

表2 不同RHGXJ-3加量下泥餅的潤滑效果

通過對(duì)比加入泥餅潤滑劑RHGXJ-3 前后鉆井液所形成泥餅的外觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，鉆井液中添加0.9%RHGXJ-3 后，所形成泥餅的表面更加光滑，厚度也明顯降低，泥餅的光滑度和整體性顯著提升，宏觀上驗(yàn)證了潤滑劑可有效提升泥餅的潤滑性。

2.3 潤滑劑加量對(duì)鉆井液性能的影響

向聚合物鉆井液中加入一定量的潤滑劑RHGXJ-3，RHGXJ-3 加量對(duì)鉆井液性能的影響如表3所示。由表3可知，將泥餅潤滑劑RHGXJ-3加入聚合物鉆井液后，鉆井液的表觀黏度出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，說明潤滑劑能夠改善鉆井液的流變性。鉆井液的動(dòng)切力隨著RHGXJ-3加量的增加而有所降低，動(dòng)塑比也隨之降低，總體上介于正常范圍［0.36～0.48 Pa/（mPa·s）］，這說明鉆井液中加入潤滑劑后依舊具有一定的攜巖能力，滿足鉆進(jìn)要求。當(dāng)泥餅潤滑劑RHGXJ-3加量為0.9%時(shí)，鉆井液的漏斗黏度從146 s降為95 s，動(dòng)切力從21.5 Pa降為18.4 Pa，API濾失量從2.2 mL 降為2.0 mL。這說明泥餅潤滑劑RHGXJ-3 在提升泥餅潤滑性的同時(shí)，還能夠有效改善鉆井液的流變性。

表3 RHGXJ-3加量對(duì)聚合物鉆井液性能的影響

2.4 潤滑劑的溫度敏感性

隨著油井深度的變化，井下的溫度也隨之變化，因此有必要考察鉆井液潤滑劑在不同溫度環(huán)境下的使用效果。向聚合物鉆井液中加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3，在不同溫度下老化16 h 后，測定鉆井液的性能參數(shù)，并利用高溫高壓濾失儀于90 ℃條件下制備泥餅，測定泥餅黏滯系數(shù)，結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，在聚合物鉆井液中加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3 后，隨著溫度的升高，泥餅黏滯系數(shù)呈上升的趨勢(shì)。在120 ℃條件下熱滾16 h 后的漏斗黏度為146 s，動(dòng)切力為21.5 Pa，API濾失量為2.2 mL，壓縮系數(shù)為1.58，鉆井液流變性參數(shù)仍低于或接近對(duì)照組。120 ℃條件下熱滾16 h后鉆井液靜置1 min、10 min后的泥餅黏滯系數(shù)分別為0.088和0.145，低于對(duì)照組的泥餅黏滯系數(shù)0.092和0.153。這表明潤滑劑RHGXJ-3 在30～120 ℃下具有良好的泥餅潤滑性，且與鉆井液的配伍性良好。

表4 RHGXJ-3泥餅潤滑劑溫度敏感性測試

2.5 潤滑劑潤滑泥餅的機(jī)理

聚合物鉆井液的組分比較復(fù)雜，為排除其它處理劑對(duì)潤滑作用機(jī)理研究的干擾，在膨潤土漿中研究泥餅潤滑劑的潤滑機(jī)理。將0.9%泥餅潤滑劑RHGXJ-3加入膨潤土漿中，所形成泥餅的表面更加平整光滑，韌性和整體完整性明顯提高。圖1和圖2分別為加入RHGXJ-3 前后所形成泥餅的SEM、XRD 圖。加入潤滑劑后泥餅內(nèi)部有大量硅酸鹽水化物凝膠生成。這些凝膠類物質(zhì)附著在泥餅表面并填充在固體顆粒之間，吸附不同粒徑的礦物微粉，改變黏土粒子的膠態(tài)穩(wěn)定性，結(jié)合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性，增加了泥餅的韌性和光滑度。

圖1 加入潤滑劑前后鉆井液所生成泥餅的XRD曲線

圖2 加入潤滑劑前后鉆井液所生成泥餅的SEM照片

基于潤滑劑RHGXJ-3 各成分自身的結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)，總結(jié)其潤滑機(jī)理，見圖3。膨潤土中的蒙脫石由晶層堆積而成，晶層彼此組合形成層疊體，一個(gè)晶層由兩個(gè)硅氧四面體夾著鋁氧八面體結(jié)合而成［11］，晶層之間存在水分子（自由水、結(jié)合水）、金屬離子和其他有機(jī)分子等。聚羧酸接枝共聚物JSS-1中的極性基團(tuán)羥基（—OH）具有較強(qiáng)的親水性和吸附性，極易通過氫鍵作用吸附在膨潤土顆粒的端面上，—OH 通過層間吸附不斷增大膨潤土顆粒晶層之間的靜電斥力；另外羧基（—COOH）具有高價(jià)陽離子絡(luò)合作用，可以絡(luò)合膨潤土中的Ca2+、Mg2+等，這些陽離子的存在提高了膨潤土的水化膨脹能力，增加水化膜厚度從而填充泥餅孔隙，提升泥餅潤滑性。

圖3 泥餅內(nèi)部微觀組成結(jié)構(gòu)示意圖

針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2 具有較強(qiáng)的電負(fù)性和易水化性，硅酸鹽的大量硅酸根離子（SiO32-）與羧基絡(luò)合的Ca2+進(jìn)一步反應(yīng)生成硅酸鹽水化物凝膠，使得鉆井液的膠態(tài)穩(wěn)定性發(fā)生變化。同時(shí)，SiO32-的存在能夠降低鉆井液內(nèi)固相顆粒如石英等微觀礦物的表面電位，增強(qiáng)顆粒間靜電斥力，從而阻礙混合礦常發(fā)生的異相團(tuán)聚行為。從分子結(jié)構(gòu)單元角度分析，Si—O 鍵的結(jié)合能為337 kJ/mol，蒙脫土片層之間分子作用力小于10 kJ/mol［12］，因此較強(qiáng)的鍵能導(dǎo)致構(gòu)成晶層的單層晶體結(jié)構(gòu)單元穩(wěn)定，層間A13+不斷被RHGXJ-3中的金屬陽離子置換，使得晶體端面形成負(fù)電保護(hù)。為了平衡負(fù)電保護(hù)，層間吸附了大量補(bǔ)償陽離子，水化陽離子的過程中在顆粒表面形成具有護(hù)膠能力的溶劑化水膜，對(duì)鉆井液中的固體顆粒產(chǎn)生包被、吸附、置換、分散等作用，阻止固體顆粒的聚沉，減少了固體顆粒之間的吸附能力并破除顆粒之間的結(jié)構(gòu)力，有利于促使顆粒以小尺寸堆積，提升了泥餅表面的光滑度。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 中的聚丙烯微粉JBXF-1可填充在泥餅顆?？障丁@具摩擦表面的微滑痕以及由摩擦引起的凹槽處，在提高泥餅的致密性的同時(shí)利用其自身的彈性，增強(qiáng)泥餅的變形性，提高泥餅的可壓縮性，減少鉆具與井壁的剛性接觸，降低鉆具磨損和壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，潤滑劑RHGXJ-3主要是通過在泥餅表面和內(nèi)部生成溶劑化水膜、凝膠類物質(zhì)，結(jié)合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性和致密性，降低鉆具與井壁之間的摩阻。

2.6 現(xiàn)場井漿實(shí)驗(yàn)情況

與實(shí)驗(yàn)室配制的聚合物鉆井液相比，井漿的成分更為復(fù)雜。為了評(píng)價(jià)泥餅潤滑劑RHGXJ-3 對(duì)現(xiàn)場井漿泥餅的潤滑效果，并與其它常見固體潤滑劑進(jìn)行潤滑效果對(duì)比，在鉆井中后期井漿中分別加入0.9%的泥餅潤滑劑RHGXJ-3、石墨類潤滑劑GD-2或塑料小球類潤滑劑HZN-102后制備泥餅，測定泥餅的黏滯系數(shù)和井漿的性能參數(shù)，結(jié)果如表5和表6所示。由表5可知，0.9%的RHGXJ-3鉆井液所生成的泥餅靜置1、10 min后，測得泥餅黏滯系數(shù)分別為0.0496 和0.0907，潤滑性提升幅度分別比空白組提升了48.65%和40.37%。將鉆井液中添加了不同潤滑劑的泥餅樣品宏觀形貌進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于添加了RHGXJ-3所生成的泥餅，添加了石墨類潤滑劑GD-2 所生成泥餅的空隙較多，泥餅強(qiáng)度變差；而添加了塑料小球類潤滑劑HZN-102 的泥餅雖然較為密實(shí)，但厚度大且可壓縮性差，對(duì)井壁穩(wěn)定和油層保護(hù)不利。在井漿中加入潤滑劑RHGXJ-3后，泥餅的表面變得光滑平整，可壓縮性和完整性更好。因此，潤滑劑RHGXJ-3 可顯著改善泥餅的潤滑性，其潤滑效果是同類固體潤滑劑（石墨類固體潤滑劑和塑料小球類潤滑劑）的1.6～2.2倍。

表5 潤滑劑在井漿中的性能評(píng)價(jià)

表6 潤滑劑對(duì)鉆井液主要性能的影響

從表6可知，泥餅潤滑劑RHGXJ-3不會(huì)影響井漿的密度，但會(huì)顯著降低井漿的漏斗黏度，提高井漿的流變性，且RHGXJ-3對(duì)井漿的流變性改善效果高于石墨類固體潤滑劑GD-2和塑料小球類潤滑劑HZN-102。由此可見，泥餅潤滑劑RHGXJ-3不但可以提高泥餅的潤滑性能，還能降低井漿的流動(dòng)摩擦阻力，減少鉆具與井漿之間的摩阻。

石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102的單價(jià)分別約為18 000、15 000元/噸，而泥餅潤滑劑RHGXJ-3的單價(jià)約為7600元/噸，RHGXJ-3比石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102的成本分別降低了57.8%、49.3%。在相同加量下，潤滑劑RHGXJ-3 與石墨類潤滑劑GD-2、塑料小球類潤滑劑HZN-102相比，潤滑效果好且經(jīng)濟(jì)適用性較好。

3 結(jié)論

固體粉末狀聚合物水基鉆井液泥餅潤滑劑RHGXJ-3，由聚羧酸接枝共聚物JSS-1、針狀硅酸鹽粉末GSYJX-2、超細(xì)聚丙烯微粉JBXF-1 按質(zhì)量比10∶11∶2 復(fù)配制得，RHGXJ-3 在聚合物鉆井液中的加量以鉆井液質(zhì)量的0.9%為宜，適用井下溫度為30～120 ℃。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 主要通過聚合物在泥餅表面和內(nèi)部生成溶劑化水膜、凝膠類物質(zhì)，結(jié)合空隙填充、壓縮性提升等途徑提高泥餅的潤滑性和致密性。在潤滑劑加量為0.9%的條件下，井漿的漏斗黏度低于50 s，靜置1 min 測得泥餅黏滯系數(shù)相較于加劑前從0.0966 降為0.0496，泥餅潤滑效果是同類固體潤滑劑的1.6～2.2倍。

泥餅潤滑劑RHGXJ-3 與鉆井液具有良好的配伍性，并可改善鉆井液的流變性。該固體潤滑劑復(fù)配方法簡單、原料低廉易運(yùn)輸，相比石墨類和塑料小球類固體潤滑劑，成本可降低50%左右。