抗高温润滑剂HTLube的研制与应用

夏小春，胡进军，孙 强，项 涛

(中海油田服务股份有限公司油田化学研究院)

钻井液的润滑性能对钻井工作影响很大。特别是在钻探深井、定向井、水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅提高，从而导致各种井下复杂情况发生并影响钻井时效［1－2］。因此使用润滑性能好的钻井液对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻井起着至关重要的作用［3－5］。同时，随着钻探井深增加，高温高压钻井液技术成为钻井主要挑战之一［6］，这对钻井液常用功能材料润滑剂的抗温性提出了更高的要求。但是目前常用润滑剂的某些组分往往达不到抗高温的要求，限制了它们在高温高压井钻探中的应用。

针对以上问题，通过筛选抗高温、环境友好的植物油、抗高温的表面活性剂和其它协同增效组分，制备了一种抗高温润滑剂HTLube，并采用极压润滑仪以及润滑评价模拟装置(LEM)评价了其在淡水基浆、盐水基浆、海水基浆和海水聚合物钻井液中润滑性能。

一、实验部分

1．材料与仪器

ZWY，植物油脂，主要成分为植物油酸甲酯;ZWY4，植物油脂，主要成分为四聚植物油酸甲酯;HZWY，磺化植物油;HL，磺化矿物油;T1021，水基硼化合物;T406E，脂肪胺双唑衍生物;T3011，含氮硼化硫磷酯;均为工业品。其它材料均由天津中海油服化学有限公司提供。

六速旋转黏度计，极压润滑仪，美国OFITE公司;LEM－4100润滑评价模拟装置，美国Core lab/Temco公司。

2．实验方法

2．1基浆和钻井液配制

2．1．1淡水基浆

向浆杯中加300 mL蒸馏水，使用高速搅拌器在11 000 r/min下搅拌，缓慢加入36 g钠膨润土，持续搅拌20 min，在密闭的容器中室温养护至少16 h，配制成预水化膨润土浆;向浆杯中加150 mL蒸馏水、150 mL(或159．75 g)预水化膨润土浆，使用高速搅拌器在11 000 r/min下搅拌20 min，即为淡水基浆。

2．1．2盐水基浆

向浆杯中加150 mL蒸馏水、150 mL(或159．75 g)预水化膨润土浆、12 g NaCl，使用高速搅拌器在11 000 r/min下搅拌20 min，即为盐水基浆。

2．1．3海水基浆

向浆杯中加150 mL模拟海水(21．86 g/L NaCl，3.23 g/L Na2SO4，4．53 g/L MgCl2，0．93 g/L CaCl2，0.64 g/L KCl，0．17 g/L NaHCO3，0．02 g/L Na2CO3)、150 mL(或159．75 g)预水化膨润土浆，使用高速搅拌器在11 000 r/min下搅拌20 min，即为海水基浆。

2．1．4海水聚合物钻井液

2%海水膨润土浆+0．2%NaOH+0．2%Na2CO3+0．3%PF－PAC LV+0．3%PF－XC+3%钙土，重晶石加重至1．20 g/cm3。

2．1．5 THERM钻井液

1%淡水膨润土浆+0．2%NaOH+0．2%Na2CO3+0．5%PF－SMP+2%PF－SPNH HT+2%PF－LSF+0．5%聚合物降滤失剂+3%1 000目碳酸钙+10%甲酸钾，重晶石加重至2.2 g/cm3。

2．2评价方法

将测试样品分别加入不同基浆和钻井液中，高速搅拌20 min，室温养护4 h后用黏度计测定流变数据，用极压润滑仪测量扭矩;然后在一定温度下滚动老化16 h，冷却至室温，高速搅拌5 min后用黏度计测定流变数据，用极压润滑仪测量扭矩。

二、结果与讨论

1．HTLube的配方优化

通过大量润滑性能评价实验，确定抗温润滑性能较好的植物油ZWY、磺化矿物油HL为产品主要组分，在海水聚合物钻井液中评价了二者的协同增效效果，实验结果见图1。

图1加入2%不同ZWY/HL配比材料海水钻井液的润滑系数

由图1可知，在海水钻井液中加入2%HL，并不能降低钻井液的润滑系数;加入2%ZWY，可将海水钻井液的润滑系数由0．17降至0．08，将二者按一定比例复配后，能进一步降低海水钻井液的润滑系数。当ZWY/HL质量比为6/4～4/6时，润滑系数最低，约为0．03，这说明ZWY和HL有协同增效作用。这主要是HL的主要成分为磺化矿物油，在水基钻井液中分散性不是很好，与ZWY复配后，能增强其在水基钻井液中的分散性，易于吸附在金属表面，降低金属－金属的摩擦系数。

综上所述，确定开发的抗高温高效润滑剂HTLube的配方为质量比为5/5的ZWY和HL复配物，并加入适量HZWY，保证产品的储存稳定性。最终产品外观为褐色均匀液体，密度0．88±0．05，闪点＞90℃，pH值:6～8，荧光级别≤5。

2．HTLube的性能

2．1生物毒性

根据GB 18420．1－2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性》(第1部分:分级)和GB/T 18420．2－2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性》(第2部分:检验方法)检测了HTLube的生物毒性，检测结果表明，HTLube裸项栉鰕虎鱼的96 h半致死浓度大于32 000 mg/L，对凡纳滨对虾仔虾的96 h半致死浓度大于64 000 mg/L，符合国标生物毒性要求。这说明HTLube可在海上油田使用。

2．2润滑性能

分别在淡水基浆、盐水基浆和海水基浆中加入1%HTLube，分别测试其润滑系数，于180℃/200℃热滚冷却后，再测试其润滑系数，同时与市场商品高效润滑剂LubeMI和LubeRT进行对比实验，实验结果见图2～图4。

图2加入1%HTLube和对比材料的淡水基浆的润滑系数

图3加入1%HTLube和对比材料的盐水基浆的润滑系数

图4加入1%HTLube和对比材料的海水基浆的润滑系数

由图2可知，在淡水基浆中加入1%HTLube，可将其润滑系数由0．54降至0．03，体现出优良的润滑效果。对比结果表明，HTLube的润滑效果与国外产品LubeMI相当，优于国内产品LubeRT。180℃/200℃热滚后，加入HTLube淡水基浆的润滑系数与滚前相当，这说明HTLube能抗200℃的高温。

由图3、图4可知，高温热滚前后，HTLube的润滑效果与LubeMI和LubeRT相当，热滚后的润滑系数均约为0．03。

为了评价HTLube对高密度钻井液流变性影响及润滑效果，在海上油田使用的THERM钻井液(2.2 g/cm3)中加入2%HTLube，测试其热滚前后的流变性和润滑系数，同时做空白对比实验，实验结果见表1。

表1HTLube在THERM钻井液中性能

由表1可知，在THERM钻井液中加入2%HTLube，180℃高温热滚前后流变性变化不大，这说明HTLube对钻井液的流变性影响小;热滚后钻井液润滑系数从0．25降至0．14，降低了44%，体现出高效润滑效果和抗温能力。

2．3 LEM测试结果

LEM模拟评价研究结果表明，与金属—金属摩擦阻力相比，金属—滤饼间摩擦阻力对于总的摩擦阻力的贡献较大，应该在钻井液中添加能有效地降低金属—滤饼间摩擦阻力的润滑剂，以降低钻井过程中钻柱的扭矩［7］。因此，采用LEM法对HTLube在金属－滤饼间润滑性能进行了评价。

实验用玻璃胶将标准Berea砂岩块(TEMCO公司提供，19．0×101．6×63．5 mm)密封在底座上，待其凝固后安装在测试釜中的吊篮上，固定对角两个螺丝。将海水聚合物钻井液或者事先混有2%润滑剂的海水聚合物钻井液注入LEM系统，设置泵流量为5 000 mL/min并开启泵，使钻井液在装置内循环。设置温度为65℃，待温度稳定后，用高压N2源给系统加压至690 kPa，打开测试釜下部接收器阀门，并用量筒接受滤液，让滤饼在砂岩块上形成。滤失30 min后进行金属转子—滤饼摩擦试验。实验条件为:转速90 r/min、接触力220 N左右(气缸压力69 kPa)。实验结果见图5。

图5加入2%HTLube和对比材料的海水基浆的润滑系数

由图5可知，在海水聚合物钻井液中金属－滤饼间摩擦系数为0．3左右。加2%HTLube聚合物钻井液的摩擦系数自0．15左右缓慢下降，摩擦30 min后，摩擦系数降至约0．05;加2%LubeRT聚合物钻井液的摩擦系数自0．15左右缓慢下降，摩擦30 min后，摩擦系数降至约0．1;加有2%LubeMI聚合物钻井液的摩擦系数在测试前25 min逐步增大，然后增大至0．4并保持稳定。因此，HTLube和LubeRT均能降低金属－滤饼摩擦系数，其中HTLube的润滑性能优于LubeRT;而LubeMI不仅没有降低金属－滤饼摩擦系数能力，反而增大了摩擦系数。

HTLube加入水基钻井液中，其含有的磺化矿物油组分在植物油和磺化植物油作用下分散在水基钻井液中，并参与滤饼的形成，使滤饼薄而光滑，从而降低金属－滤饼间摩擦系数;其含有的植物油和磺化植物油相互作用，吸附在金属表面并形成油膜，降低金属－金属间摩擦系数。正是基于这种降金属－金属和金属－滤饼间磨阻综合考虑基础上设计出的润滑剂，不仅能显著的降低金属－金属间摩擦系数，而且能降低金属－滤饼间摩擦系数，达到降低综合磨阻的效果。

三、应用

HTLube于2014年8月于南海西部某探井应用。该井段穿越角尾组、下洋组、涠洲组和流沙港组多套地层，其中Ø215.9 mm井段穿越涠洲组三段和流沙港组一段，主要岩性分别为灰色泥质细砂岩与杂色泥岩互层和灰褐色泥岩夹细沙岩、粉砂岩，裸眼井段长898 m，完钻井深3 910 m，压力系数1．0～1.3，井底静止温度为150℃，对钻井液及各种功能处理剂的抗温性提出一定要求。Ø215.9 mm井段使用AQUA－MAX钻井液体系，并向循环系统加入1.5%HTLube，钻井期间实测钻井液性能见表2。

表2加入1．5%HTLube的AQUA－MAX体系性能

由表2可知，加入1．5%HTLube的AQUAMAX钻井液流变和失水性能良好，测试摩擦系数保持在0．1～0．11范围，润滑性能良好。实钻中扭矩维持在6～18 kN·m，波动幅度低，钻具钻头出井干净，钻井液的润滑性能较好。

四、结论

(1)通过配方优化实验，确定抗高温高效润滑剂HTLube的配方为质量比为5/5的ZWY和HL复配物，并加入适量HZWY，保证产品的储存稳定性。

(2)生物毒性检测结果表明，HTLube裸项栉鰕虾虎鱼的96 h半致死浓度大于32 000 mg/L，对凡纳滨对虾仔虾的96 h半致死浓度大于64 000 mg/L，符合国标生物毒性要求。

(3)在淡水基浆、盐水基浆和海水基浆中加入1%HTLube，180℃/200℃热滚后，可将基浆润滑系数由0．5～0．6降至0．03～0．05;在密度2．2 g/cm3的THERM钻井液中加入2%HTLube，180℃热滚后的润滑系数由0．25降至0．14，体现出高效润滑效果和抗温能力。

(4)LEM评价结果表明，海水聚合物钻井液中加入2%HTLube，可将金属－滤饼间摩擦系数由0.3降至0．05，体现出高效降金属－滤饼间磨阻能力。

(5)HTLube于南海西部某井应用，实钻中扭矩维持在6～18 kN·m，波动幅度低，钻具钻头出井干净，钻井液的润滑性能较好。