新型高效环保润滑剂研制及应用研究

荆 鹏

（天津中海油服化学有限公司，天津 300301）

随着工业高速发展，目前全球的陆地和海上油气田开发，已经逐步向更高温、高压以及复杂地层区块延伸，对于油气开采的难度也在逐步增加，对于钻井液体系中润滑剂的要求也越来越严苛，主要涉及以下几个需求：（1）高效的润滑性能；（2）兼具生物环保特性；（3）抗高温性能；（4）对于不同体系和地层均要有足够的稳定性。

本研究即是针对以上技术关键点，构建并研制一种新型高效环保润滑剂产品，来满足现场作业要求，进一步应用到高难度油气田的开发和应用中，为我国油气田开发业务拓展贡献一部分力量。

1 实验部分

1.1 实验原料

α-烯烃合成基础油（上海孚科狮化工科技有限公司，工业级）；碳酸钠（天津市北方天医化学试剂厂，分析纯）；氯化钠（天津市北方天医化学试剂厂，分析纯）；氯化钾（天津市北方天医化学试剂厂，分析纯）；氢氧化钠（天津市北方天医化学试剂厂，分析纯）；重晶石4.2 g/cm3（广西省桂林市金三华矿粉公司，工业级）；PF-BF1乳化剂（自产）；PF-BF2乳化剂（自产）；去离子水；新疆夏子街钠搬土。

1.2 实验仪器

OFITE式极压润滑仪（OFI测试设备，美国德克萨斯洲休斯顿生产）；变频高速搅拌机（青岛海通达专用仪器厂）；滚子加热炉（青岛胶南分析仪器厂）；ZNN-D6型六速旋转黏度计（青岛胶南分析仪器厂）；GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；高温高压失水仪（青岛宏煜琳石油仪器有限公司）。

1.3 实验原理

新型高效环保润滑剂采用α-内烯烃合成基础油，作为基础油相物质，其在润滑性、耐温性以及稳定性等方面都有着十分突出的应用效果[1-3]；同时在体系中采用自主研发的两种新型乳化剂PF-BF1和PF-BF2为主剂，两种乳化剂采用硼化脂肪胺类共聚物；同时复配一定量的稳定材料和高效乳化材料，最终形成的新型环保润滑剂产品，在抗温性、抗盐性、润滑性以及环保性能等方面都有突出的效果。

主要研制机理是在α-内烯烃合成基础油中引入硼酸脂类化合物：（1）形成摩擦表面的强吸附作用；（2）同时其在摩擦表面生成具有层状结构的氮化硼化合物，低温时发生物理吸附，起到抗磨减阻作用；随着体系温度升高发生化学反应形成氮化硼和硼化铁等抗磨性极强的物质，从而使钻具和井壁表面具有很强的抗磨减磨性能和很好的热稳定性。

1.4 实验数据测定方法

润滑系数值和扭矩降低率是按照石油天然气标准SY/T6615-2005进行测定；泥浆流变性能是按照ASTM C1752-2011进行；泥浆抗污染实验按照GB/T15541-1995进行。

2 结果与讨论

2.1 新型高效环保润滑剂添加剂研究

新型高效环保润滑剂采用α-内烯烃作为基础油[4]，对比传统油基润滑剂采用矿物油、酯类、聚烯烃、溶剂油或复合酯类等材料，α-内烯烃在耐温和稳定性方面都有较大优势，常规基础油类物质（见图1），其黏温曲线波动较大，黏度随温度变化较明显，α-内烯烃基本在0～70℃范围内都保持稳定的黏度。

图1 不同基础油黏温曲线

新型高效环保润滑剂采用新型硼酸脂类化合物作为润滑剂主剂（主剂加量为2%），对其在普通矿物油中润滑系数进行测定，并与常规油脂润滑剂（同时采用矿物油作为基础油，同时成本相当）进行对比。常规油脂润滑剂摩擦系数随时间的变化，呈现不断上升的趋势，润滑性能在逐渐降低。而采用新型硼酸脂类化合物复配矿物油，其摩擦系数随时间的变化，呈现平滑稳定的趋势，润滑性能持续稳定在较低的区间内波动。

2.2 新型高效环保润滑剂产品评价

新型高效环保润滑剂，通过对其润滑性能、耐温性能、环保性能等基础性能进行评价[5-7]，其结果如下：

2.2.1 润滑性能评价 采用新型高效环保润滑剂产品，分别对其淡水搬土浆、天然海水搬土浆以及10%NaCl水溶液搬土浆进行润滑性能测定，具体数据（见表1）。从表中数据可以了解到，新型高效环保润滑剂产品加量0.5%时，在不同基浆体系中均有很好的润滑性能，扭矩降低率都在90%以上。

表1 不同润滑剂产品在不同搬土浆中润滑性能对比

2.2.2 耐温性能评价 采用淡水和海水6%搬土浆作为基浆，在1%加量条件下，测定不同润滑剂产品在不同老化温度后的扭矩降低率，具体结果（见图2和图3）。新型环保润滑剂产品在温度80℃～220℃范围内均保持较好的润滑效果，对比国外几款高端润滑剂产品在180℃后，润滑性能都有开始衰减，200℃以后明显下降。该现象表明，采用硼酸脂类化合物，其老化后在金属表面形成抗磨性极强的物质，在高温作用下，仍然能够起到稳定的润滑效果。

2.2.3 加重性能评价 采用磺化体系钻井液作为基浆，在不同密度范围内（1.2 g/cm3～2.4 g/cm3），考察新型高效环保润滑剂产品对体系润滑性能的影响，结果（见图4）。从图4可知，在润滑剂加量范围从0.5%～3.0%，加重密度不断增大，其体系整体的润滑系数降低率基本保持不变。

2.2.4 环保性能评价 通过对新型高效环保润滑剂产品环保性能测定，其数据（见表2）。从表2中数据可以了解到，新型高效环保润滑剂生物毒性指标满足国家对于钻井液单剂材料一级海域排放标准，环保效果突出，更便于现场使用。

2.3 新型高效环保润滑剂产品体系评价

2.3.1 不同体系润滑性能评价 采用不同常规基础水基泥浆体系：氯化钾聚合物体系、有机盐体系、阳离子体系以及抗温三磺体系。分别考察新型高效环保润滑剂产品在其中起到的润滑效果，结果（见表3）。从表3数据可以看出，在常规钻井液体系中，其本身润滑性就已经很低，再通过加入新型高效环保润滑剂产品，仍然能降低体系的润滑系数，降低幅度接近60%，显然对于钻井液体系在复杂地层和区块更好的发挥钻井液的整体性能。

图2 淡水浆不同老化温度对润滑剂产品性能影响

图3 海水浆不同老化温度对润滑剂产品性能影响

图4 磺化体系不同密度下润滑剂产品对体系润滑性能的影响

表2 新型高效环保润滑剂生物毒性测定

表3 新型高效环保润滑剂对常规泥浆体系润滑性能的影响

表4 新型高效环保润滑剂对泥浆体系性能的影响

2.3.2 产品综合性能评价 采用新型高效环保润滑剂产品，考察其对泥浆体系流变、失水、密度变化率、起泡性能影响，具体结果（见表4）。

3 结论

（1）通过采用α-内烯烃合成基础油并配新型硼脂类乳化剂，研制的新型高效环保润滑剂产品，在润滑性能，耐温性能、抗盐性能以及环保性能等均具有突出的效果。

（2）新型高效环保润滑剂产品加量0.5%，常规淡水和海水体系，扭矩降低率＞90%，抗温＞220℃；同时达到一级海域环保排放标准。

（3）新型高效环保润滑剂适用于多种体系，密度应用上限可达2.4 g/cm3，对盐敏地层，高温地层都能达到较好的效果，可更好的应用在国内外高温、高压以及复杂地层区块。