环保型水基钻井液润滑剂的研究进展

魏佳怡，李月红，于文婧，高 艳，吴 雪，刘雄雄,2，张 洁

（1.西安石油大学，陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，陕西 西安 710065；2.中国石油安全环保技术研究院，石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206）

1 钻井过程中摩阻及扭矩增大的原因

中国石油经济技术研究院发布的《2019年国内外油气行业发展报告》表明，我国原油的进口比重持续增加，2019年我国原油进口量50572万t，同比增长9.5%，对外依存度高达70.8%；天然气进口量1373亿m3，同比增长6.9%，对外依存度达43%[1-2]。鉴于此，在保证现有油气井数量与产量的基础上，必须大力开发油气资源，增加油气钻探数量，强化油气供应保障的能力，构建油气安全保障体系[3-4]。

在油气钻探领域，常使用常规井和非常规井开采石油和天然气，且两者具有各自的特点和优势。相比常规井，超长水平井、丛式井和大位移井等非常规井具有更高的产量、采收率以及更广泛的适用性，使得其在油气钻探中的数量和比重逐年增加[5-6]。但这些井在钻探过程中易出现坍塌、卡钻、钻头泥包等问题。例如井斜角增大时，钻具与井壁之间的接触面积也会增大，引起钻井摩阻和扭矩的增大，导致钻井液的润滑性能变差，并出现托压、卡钻等情况，影响工程进度，提高了相应的钻井成本[7-9]。解决钻进过程中的高摩阻和高扭矩问题，是目前钻探过程的关键。有研究者认为，降低钻井液摩阻和扭矩最有效的方法，是在钻井液中加入钻井液润滑剂，以降低钻杆、套管、钻具与井壁的摩擦系数，提高钻井液的润滑性能，从而预防、减少或避免托压、压差卡钻、钻头泥包等工程事故率，以压缩钻井工程周期，降低钻井成本[10-11]。在钻进过程中出现高摩阻的原因主要有以下几点：

1）随着钻探深度增加，为了防止发生井喷以及平衡地层之间的压力，必须提高钻井液的密度，以维持压差平衡。但钻井液密度增大的同时，又会导致钻井液和地层压力之间形成压差并逐渐增大，泥饼变厚，增大了钻具和泥饼的接触面积，钻井液的摩阻随之增大；

2）水平段地层的泥页岩易水化造浆，引起钻井液增稠，进而导致润滑性能减弱，钻进阻力增大；

3）随着钻探深度增加，井内温度逐渐升高，抗温能力不足的钻井液润滑剂逐渐失效，导致钻井液润滑剂的润滑效果逐渐变差，钻井液的摩阻增大；

4）水基钻井液润滑剂的持续润滑时间短，处理剂加入井浆2h后，润滑系数降低率通常会比刚加入时降低40%～50%，持效性较差。

2 钻井液润滑剂概述

2.1 钻井液的润滑类型

润滑是在相互接触的两物体之间加入润滑剂，以隔开摩擦表面，防止两物体直接接触造成磨损。在钻井液中，润滑分为两类[12]，一种是边界润滑，即在摩擦面上存在一层吸附薄膜或润滑薄膜，其具有较好的强度和韧性，以此来改善钻井液的润滑性能，降低钻具和套管的磨损。另一种是流体润滑，是指在一定的条件下，两摩擦表面被一层具有一定厚度的黏性流体分开，黏性流体的压力平衡了摩擦零件所受的外载荷。

2.2 影响钻井液润滑性能的主要因素

评价钻井液润滑剂在钻井液中的润滑性能，主要是测定泥饼的黏滞系数和钻井液的润滑系数，二者均可反映钻井液的润滑性能。影响钻井液润滑性能的主要因素有以下一些[13-14]：钻井液中的固相含量[15]、钻井液的pH值、钻井液的滤失性、钻井液的密度、钻井液添加剂尤其是有机高分子添加剂、钻井液的黏度、垂直井深及井内温度、井身结构、不同的盐以及盐的加量。

2.3 国内外的研究现状

目前，国外应用的钻井液润滑剂种类多达180种，其中钻井液润滑剂的使用量大约占钻井液处理剂使用量的6%。随着时代的发展，超深井、大位移井、长水平井及大斜度井技术日新月异，对钻井液润滑剂也提出了更高的要求，使得钻井液润滑剂更新换代的脚步逐渐加快。随着环保政策越来越严格，井场的批复也越发困难。为避免钻井对水源保护区和动植物保护区等造成污染，同时也为了提高油气的产量和采收率，运用大位移井和长水平段水平井，成为开采油气的首要选择，其对钻井液性能要求的提高，尤其是对钻井液润滑性能要求的提高，最终迫使钻井液润滑剂更新换代的速度逐渐加快。研发人员陆续开发出高性能的固体润滑剂、极压润滑剂、环保润滑剂及纳米润滑剂等多种新型且环保的钻井液润滑剂，其中部分产品因其优异的润滑性能已被大规模使用。

Epergne J L等人[16]制备了一种适用于长水平井和深井钻探的水基钻井液润滑剂，该润滑剂的芳烃含量低，28d后的生物降解性好，润滑效果好。Pober K W等人[17]研发了一种适用于高pH钻井液体系的润滑剂组合物，能够在高pH的钻井液体系内（pH=7～14）发挥良好的润滑效果，规避了常规润滑剂在碱性条件下水解而导致其润滑作用失效，最终导致钻井液润滑性能减弱的问题。Zhang H J等人[18]制备了基于磷脂的改性的乙氧基化蓖麻油基化学物质，该物质对于盐水钻井液而言是非常有效且环保的润滑剂。Saffari H R M等人[19]制备了适用于水基钻井液的纳米硼酸盐润滑剂（镁、锌、铝和钛的硼酸盐），研究结果表明，在水基钻井液中加入纳米硼酸盐后，在极端条件下该润滑剂在接触表面上可产生稳定且牢固的保护膜（摩擦膜），降低了钻井液的润滑系数，润滑性能得到提高。在所有制备的纳米添加剂中，硼酸钛可生物降解且能显著改善钻井液的摩擦学性能。

Chang Z Y等人[20]将ZDDP与其它钻井液润滑剂（脂肪酸酯、石墨、植物油等）复配，并将复配后的润滑剂加入到硅酸盐钻井液体系中。研究结果表明，复配少量ZDDP后，ZDDP会在钻杆上形成一层抗压、抗剪切、具有一定强度和韧性的极压润滑膜，从而降低了硅酸盐钻井液的摩擦系数。Albrecht M S等人[21]将十六烷基糖苷、脂肪醇聚醚和淀粉复配，制备了适用于硅酸盐钻井液体系的润滑剂。Nunes等人[22]对非离子甘油单酸酯表面活性剂(C8、C10、C12、C16和C18碳链)在水中的润滑机理进行探讨并得出结论：甘油单酸酯在水中的浓度超过0.5wt%，即可大大降低水中的摩擦系数，主要原因是甘油单酸酯烃链的长度增加后，可更好地吸附在金属表面，并确保润滑膜的形成，使得摩擦系数的降低更加明显。结果还表明，甘油单酸酯在XG胶液中可进一步降低摩擦系数，是基于其可能与多糖形成了复合物，从而产生了协同效应。此外，多糖-表面活性剂复合物的形成可以提高它们作为润滑剂的润滑效果，因为它有助于将本来很难溶解的润滑剂分散到水中，从而在金属表面发生进一步的吸附。

Gerhard等人[23]研究了多种脂肪化合物的润滑性，结果表明脂肪化合物比烃具有更好的润滑性，因为它们具有赋予极性的O原子。研究了各种含氧的C10化合物，获得了可增强润滑性的含氧部分的顺序：COOH＞CHO＞OH＞COOCH3＞C=O＞C-O-C。对带有NH2、OH和SH基团的纯净C3化合物的研究结果表明，相比氮和硫，氧更能提高润滑性。

甄剑武[24]以长链脂肪酸植物油为原料，通过酯化反应和硫化反应合成了RHJ-1润滑剂，该润滑剂加入密度为2.1kg·L-1的钻井液中，润滑系数可降至0.105，抗温性可达150℃。

桑峰军[25]以基础油BBO-2和复合表面活性剂EMA为原料，通过正交实验优化了反应条件，制备了一种环保型钻井液润滑剂QLH-1。该润滑剂具有较好的流动性、抗温性及配伍性，荧光级别低，无毒且生物降解性好。将其加入4%淡水基浆中，润滑系数降低率达88%。吴迪[26]用环保型液体润滑剂RH-2与聚胺抑制剂JN-1进行复配，形成了一套强抑制高润滑的聚合物钻井液体系。该体系的抑制性好，配伍性和抗温性好，润滑效果明显。

钱晓琳等人[27]以天然脂肪酸和有机多元醇为主要原料，制备了环保型钻井液润滑剂SMLUB-E。该润滑剂耐温可达160℃，流变性、配伍性和环保性能好，现场应用时表现出良好的润滑性能，可避免托压卡钻等现象的产生。在膨润土基浆中加入该润滑剂，摩阻系数有明显降低；在聚磺钻井液中加入该润滑剂，润滑效果优于原油的润滑效果。曹砚锋等人[28]以天然植物油为原料，通过低碳酸酯化反应，制得含C=O官能团的长链脂肪酸脂，再通过复配表面活性剂，研制出一种抗温性、润滑性好，无毒，生物降解性强的环保型钻井液润滑剂。

管申等人[29]以高分子脂肪酸为基本，引入纳米润滑剂和抗温基团，制备了一种抗高温润滑减阻的NC-1钻井液润滑剂。对其进行润滑性能评价之后发现，该润滑剂具有较好的润滑性能和减阻性能，在6%膨润土浆中加入NC-1润滑剂，黏滞系数和润滑系数的降低率高达85%和75%以上。

印树明等人[30]针对高温高密度条件下钻井液在超深井应用时润滑性能较差的问题，考察了润滑剂加量与钻井液润滑性能之间的关系。结果表明，固体和液体润滑剂加量在1%～3%时均可改善钻井液的润滑性能。在钻井液中加入少量石墨，可降低钻井液的润滑系数，但石墨加量较大则不利于钻井液润滑性能的变好。

李斌等人[31]针对大位移井长水平段润滑性能较差的问题，以长链脂肪酸和小分子多元醇为原料，再辅以含硫极压添加剂，制备了高性能水基钻井液用润滑剂SDL-1，并对其进行了润滑性能评价和润滑机理分析。结果表明，在常温下，SDL-1分子中的脂基与羰基官能团通过分子间作用力或范德华力吸附在钻具表面，从而形成物理润滑膜。在高温下，SDL-1中的脂基与极压添加剂反应生成金属皂，在钻具表面形成化学反应膜，达到润滑减摩的效果。

董兵强等人[32]针对液体润滑剂抗温性差、起泡率高等问题，以液态石蜡、司盘80及吐温80等为原料，并结合胶体与界面化学理论，研发出一种高性能油包水型微乳液润滑剂NE，并对其进行了润滑性能评价和润滑机理分析。结果表明，NE加入钻井液中具有较好的润滑性能和抗温性能，无毒易降解。钻井液润滑性能变好的原因是NE加入钻井液后，会形成大量纳米乳液滴，且液滴界面膜上存在带正电的极性基团，易吸附在金属挂片的表面，形成纳米润滑膜，极大地提高了钻井液的润滑性能。

司西强等人[33]以高性能聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）为主剂并复配其它处理剂，构建了新的钻井液体系并进行了配方优化，形成了具有低成本、高性能等特点的环保型NAPG类油基钻井液体系。研究表明，在钻井液中加入NAPG可有效降低钻井液的润滑系数，改善钻井液的润滑性能。对滤液的表面张力进行测定后发现表面张力仅26.60 mN·m-1，主要是由于NAPG类油基钻井液体系中存在聚醚结构和长链有机胺结构，使得NAPG类油基钻井液体系的疏水作用得到加强。

孔凡波[34]利用植物油胺解后产生的酰胺基团与低碳酸进行反应，制备了植物油酰胺。该润滑剂具有很好的抗温抗盐能力和配伍性，质量浓度为0.5%的润滑剂添加在基浆中，润滑系数降低率达87.9%。

2.4 钻井液润滑剂的作用机理

将润滑剂按照相态进行分类，可分为固态润滑剂和液态润滑剂。固态润滑剂主要包括石墨、塑料小球和玻璃微珠等惰性球形圆粒，在水、油及溶液中难以溶解，但是可以较好地分散在液体中，并以粒子的状态存在，因此具有较高的抗压强度，难以变形破碎，具有无毒、对环境友好、在极端环境下也适用等优势[35-36]。主要的润滑机理是其像滚珠一样，镶嵌在两个相互滑动的金属面间，将原有的滑动摩擦变为滚动摩擦，以此来降低摩擦阻力和扭矩阻力，达到润滑减磨的作用[37-38]。但固体润滑剂颗粒较小且易粘附在黏土上，容易被振动筛所清除，导致固态润滑剂的应用受到一定的限制。液态润滑剂主要来源于石油产品的衍生品，包括原油、矿物油和沥青等物质[39]。但基于环保问题，这些润滑剂已逐步被环保型润滑剂取代。环保性较好的润滑剂包括降解性极好的脂肪酸脂、植物油改性、烷基糖苷及生物表面活性剂等[40-42]，其润滑机理主要是分子结构中具有类似表面活性剂的疏水基与亲水基，可以在钻具、套管和井壁（岩石）上吸附上润滑剂，并形成较厚的润滑膜，以此避免钻具与井壁及套管之间的直接接触，达到降低摩擦阻力和扭矩阻力的效果，并起到润滑减摩的作用[43]。所以，液态润滑剂在钻井液中的润滑效果，应当与润滑剂在钻具、套管和井壁（岩石）上的吸附量、所形成的润滑膜的强度及厚度有关。而润滑剂在钻具、套管和井壁（岩石）上的吸附量，以及所形成的润滑膜的强度及厚度，由润滑剂所含的疏水基团和亲水基团的分子结构、碳链的长度及吸附覆盖面大小所决定[44]。

3 展望

目前，随着环保法规的逐渐完善和实施，相关研究机构研发环保性的钻井液润滑剂成为趋势。在高温、高密度、高固相含量等极端条件下，确保钻井液润滑剂持能续发挥作用成为关键，也是科研人员研究的重点。此外，大多数处理剂包括润滑剂都只具有单一的作用，因此可以尝试研发具有多重功能的钻井液处理剂，如以润滑为主、降滤失为辅兼具良好抑制性的处理剂。