一种钻井液用环保润滑剂的制备及性能评价

桑峰军

（中石化中原石油工程有限公司工程服务管理中心，河南 濮阳 457001）

石油天然气资源是目前国内外最常用也是最重要的能源之一，油气钻探的重要性不言而喻。随着常规油气资源的不断勘探开发，人们逐渐将目光聚焦于非常规能源（页岩气、水合物等），特殊井（深井、超深井及水平井）的应用也随之增多[1-3]。深井超深井通常具有高温、高摩阻扭矩的特点；水平井中钻杆与井壁的接触面积及几率大幅增加，也存在高摩阻扭矩的问题[4,5]。高摩阻扭矩问题如果不及时有效解决，容易引起卡钻、托压等复杂井下事故，进而导致作业成本增加，严重情况下会导致弃井。现场通常采用混入原油或柴油等手段，以期提高钻井液的润滑性能，进而降低摩阻扭矩。但该方法一方面作用效果有限，需要大量使用，另一方面其高荧光特点容易干扰荧光录井，且最终加大了废弃钻井液处理难度。固体润滑剂可吸附在井壁-钻杆等摩擦界面改变井壁-钻杆直接摩擦的状态，进而起到润滑减磨效果。但其吸附能力较弱，润滑效果较差，且泥浆循环过程中已被振动筛筛除，此外还存在现场施工人员吸入的风险，因此其使用大大受限。由此可见，液体类润滑剂是目前钻井液润滑剂的主要发展方向[6-8]。

近年来，国内外相关学者基于如何改善高摩阻扭矩条件下钻井液润滑性能的技术难题，开发了较多液体类钻井液润滑剂。这些润滑剂主要包括早期的精制矿物油（白油、原油蒸馏中间产物等）、聚α-烯烃（PAO）及聚亚烷基二醇（PAG）等，到后来的酯类润滑剂（天然脂肪酸酯、合成脂肪酸酯等）、醇类润滑剂（聚乙二醇、多元醇等），到现在的环保油类、乳液类及纳米类润滑剂[9-13]。不同种类的润滑剂针对的现场工况及技术难题都不同，作用效果也千差万别。总体来说，基于目前高温高压、高密度等复杂工况下的高摩阻扭矩技术难题，优良的钻井液润滑剂应同时具备环保性好、抗高温、润滑性能优良等主要特点。

通过现场钻井资料分析及文献调研可知，动植物油下脚料油通过一系列改性（酯化、交联等）可制备出流动性、环保性等均较好的基础油，这些基础油可直接用作钻井液润滑剂的基础油；通过考察基础油的环保性、流动性及自润滑性等性能，优选出综合性能较优的基础油；在此基础上，考察不同表面活性剂加入基础油中的润滑性能改善效果，优选出性能较优的复合表面活性剂，并在制备工艺条件优选基础上，最终制得综合性能较优的理想钻井液润滑剂。

1 环保润滑剂QLH-1 的实验制备

1.1 基础油实验优选

现在市场上通常选用柴油、白油、植物油或者下脚料油作为钻井液润滑剂用基础油，但这些基础油多少存在着低温流动性不好、荧光级别高及润滑效果不佳等问题。因此，性能优良的基础油需要同时兼备低/无荧光、低温流动性良好及自润滑性强等特点。基于上述目的，室内调取了多类基础油样品进行了评价，实验结果见表1。

表1 钻井液用基础油性能对比评价实验结果

从表1结果可看出，采用下脚料油化学改性得到的环保型基础油BBO-2 的低温流动性较好（-10 ℃条件下仍能正常流动），荧光级别仅为1～2 级，且在4%膨润土基浆中加入0.5% BBO-2 的润滑系数降低率达到59.75%，自润滑效果良好。因此，优选基础油BBO-2 作为钻井液润滑剂制备用基础油。

1.2 润滑剂配方及制备条件优化

液体类润滑剂通常由基础油、表面活性剂及极压添加剂等构成，单一基础油无法有效满足现场技术需求。因此，室内通过考察不同种类的润滑添加剂（如表面活性剂、极压剂等）与基础油的配伍性及润滑性能改善程度，最终优选出了复合表面活性剂EMA（由非离子表面活性剂EMA-1 和阴离子表面活性剂EMA-2 组成）。在此基础上，基于正交试验方法，考察了原材料配比、反应温度、反应时间的影响，最终确定了环保型润滑剂QLH-1 的较优配方和制备条件：96%～98% 基础油+ 0.5%～1.0% EMA-1 + 1.5%～2.0% EMA-2，反应温度为 55～ 60 ℃，反应时间为4～6 h。

2 环保润滑剂QLH-1 特性评价

2.1 主要基础性能

基于Q/SY1088-2016《钻井液用液体润滑剂技术规范》、Q/SY111-2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法 发光细菌法》及国家环保标准HJ505-2009《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定 稀释与接种法》等技术标准，对润滑剂QLH-1的主要常规性能进行了系统评价（包括密度、凝点、黏度、荧光级别、静置沉降稳定性、生物毒性及生物降解性等），实验结果见表2。实验结果表明，新研制的润滑剂QLH-1 润滑剂外观为淡黄色均匀液体，无刺激性气味，荧光级别仅为1～2 级，无生物毒性，且生物可降解性较好；按照标准加量加入膨润土浆后的密度变化值仅为0.04～0.06 g/cm3，静置180 天后无明显分层。上述结果说明新研制的润滑剂QLH-1 的主要基础性能均满足现场钻井液润滑剂使用的基本要求。

表2 润滑剂QLH-1 主要基础性能实验评价结果

2.2 加量优选

基于Q/SY1088-2016《钻井液用液体润滑剂技术规范》，首先考察了润滑剂QLH-1 的较优加量和抗温效果，然后选取市售的同类应用效果较好的润滑剂产品进行对比。

基础实验浆：4%淡水膨润土浆 + 润滑剂QLH-1。分别向基础实验浆中加入0.3%～3.0%的润滑剂QLH-1，考察实验浆的密度、流变性、滤失性能及润滑性能，实验结果见图1。

图1 润滑剂QHL-1 较优加量实验优选

从图1中结果可看出，随着润滑剂QLH-1 加量的不断增加，实验浆的润滑系数降低率显著升高；当润滑剂QLH-1 加量达到1.5%时，实验浆的润滑系数降低率达到88.64%。同时，此时实验浆的密度变化值为0.066 g/cm3，滤失量为19.6 mL，均满足现场钻井液润滑剂使用要求。因此，推荐润滑剂QLH-1 的较优加量为1.5～2.0%，且可根据现场钻井工况适时调整。

2.3 抗温效果评价

选取润滑剂QLH-1 的加量为1.5%，采用上述基础实验浆，分别考察加入润滑剂实验浆在100℃/16h、120℃/16h、140℃/16h 及160℃/16h 热滚条件下的主要性能，实验结果见表3。表3结果表明，随着热滚温度的升高，实验浆的密度逐渐降低，表观黏度逐渐升高，API 滤失量总体呈下降趋势，润滑系数先增加后降低；当热滚温度达到140 ℃时，实验浆的密度变化值为0.043g/cm3，表观黏度变化值为2.5，润滑系数降低率达到89.45%，均满足使用要求，热滚温度继续增加至160 ℃后，实验浆的密度变化值显著增大，润滑系数降低率明显降低，说明润滑剂此时已经造成了实验浆起泡，润滑失效。因此，可认为润滑剂QHL-1 可抗温140 ℃。

表3 润滑剂QLH-1 的抗温效果评价结果

2.4 润滑性能对比

为考察自制润滑剂QHL-1 与现有常用效果较好润滑剂产品的优劣，分别选取了市售应用效果较好的多种润滑剂产品，对比考察了润滑剂的润滑效果，实验评价结果见图2。

图2 不同润滑剂的润滑性能对比评价结果

基础实验浆：4%淡水膨润土浆 + 1.5% 润滑剂。从图2结果可看出，相同加量条件下，加入QHL-1 实验浆的润滑系数降低率达到88.64%，均高于其他几种润滑剂，结果说明自制环保润滑剂QHL-1 的润滑性能优良。

3 结 论

（1）针对现场钻进过程中存在的高扭矩摩阻技术难题，室内通过优选环保型基础油、复合表面活性剂，制备出了环保型钻井液润滑剂QHL-1，该润滑剂低温流动性较好，荧光级别低，起泡率低，无生物毒性，且可生物降解，静置沉降180 天后无明显分层，满足现场钻井液使用基本需求。

（2）润滑剂QHL-1 的较优加量为1.5%～2.0%，可抗温140 ℃，且其润滑性能较大多数现有市售润滑剂要好，该润滑剂具有深入研究及推广应用前景。