钻井液用环保润滑剂的研究与应用

竹学友（大庆钻井工程技术研究院）

为了提高钻速、降低井下摩阻，润滑剂被大量应用于水平井和定向井的钻井作业中[1-3]。为了降低成本，减轻环保压力，利用工业油脂的副产物制备润滑剂已成为钻井行业研究的重点方向之一[4-9]。大豆酸化油是精炼豆油的副产物，传统生产工艺将酸化油通过酸催化酯化和碱催化酯交换等一系列工艺制备成生物柴油，进而作为燃料、工业溶剂和润滑剂使用，生产工艺相对复杂并且产生大量的工业废水[10-11]。相对于其他应用领域，钻井行业对钻井液用润滑剂的纯度、色泽等要求较为宽松，可以在满足使用要求的前提下对合成工艺进行适当优化。因此，以大豆酸化油和乙醇为主要原料，使用自制催化剂，使用一步法合成，在大幅度简化生产工艺的前提下，研制了一种生产工艺更为环保、配伍性和润滑效果均较好的环保型润滑剂。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

大豆酸化油；无水乙醇；复合催化剂；无水碳酸钠、分析纯；膨润土。

HQC-501B 反 应 釜；FE28-STANDARD 酸 度计、PL6001E 电子天平；GJSS-B12K 高频高速搅拌机、XGRL-4A 高温滚子炉；21200 极压润滑仪、35SA 六速旋转黏度计；EUROSTAR 20 数显电动搅拌器。

1.2 合成方法

将大豆酸化油、乙醇和自制催化剂按照一定的质量比混合后倒入带有搅拌器、温度计、回流冷凝器和分水器的反应设备中，升温至指定温度后开始计时，反应至所需时间后提高反应温度至100 ℃蒸馏过量的乙醇，待乙醇完全蒸馏出来后停止反应，即可得到具有一定黏度、外观为黑褐色的环保改性润滑剂。为表述方便，使用DRH-1 作为该润滑剂的代号。

1.3 基浆配制

取5 000 mL 水加入200 g 钠基膨润土和10 g 无水碳酸钠，使用配浆机搅拌1 h，在（20±5）℃下养护24 h，即为实验用评价基浆。

1.4 评价方法

润滑性及流变性：取400 mL 基浆加入质量分数为1%的DRH-1，在高速搅拌机上以100 000 r/min搅拌20 min，然后使用极压润滑仪和六速旋转黏度计来测量该样品的润滑系数和流变性。

2 润滑剂性能评价

2.1 物理化学性质

对合成的DRH-1 进行物理化学性质的测定，其外观为黑褐色黏稠液体，凝固点为-14 ℃，密度为0.92 g/cm3，pH值为7.4，荧光级别为2级。

2.2 润滑剂加量的优选

随着润滑剂DRH-1 加量的增大。润滑系数降低率逐渐增大，润滑剂DRH-1优选见图1。在加量为1%时，即可达到较好的润滑效果，继续增大用量，润滑性能改善不明显，因此推荐加量为1.00%。

图1 润滑剂DRH-1优选

2.3 润滑剂的抗温性能评价

DRH-1 的抗温性能评价见表1。由表1 可知，随温度的升高DRH-1 的润滑性有所降低，但降低幅度不大。当温度达到150 ℃时，体系的起泡现象较为严重，可能是在高温条件下润滑剂发生了皂化反应，从而导致体系起泡。

表1 DRH-1的抗温性能评价

2.4 润滑剂与钻井液的配伍性评价

在室内配制高性能钻井液、硅基阳离子钻井液和盐水钻井液，分别加入1%的DRH-1，测试其对钻井液体系流变性和润滑性的影响。DRH-1 在钻井液体系中的性能评价见表2。

表2 DRH-1在钻井液体系中的性能评价

由表2 可知，DRH-1 对三种常用钻井液体系的黏度和失水影响均较小，能有效提高润滑性，具有良好的应用价值。

2.5 性能对比实验

实验中选择国内常用的几种环保型润滑剂RH4、RDH、JTR 进行对比实验，采用高性能钻井液作为基浆，润滑剂的加量均为1%。不同润滑剂性能对比实验见表3。

表3 不同润滑剂性能对比实验

由实验结果可知，DRH-1 在荧光级别、润滑性能和对钻井液性能影响等方面均优于同类润滑剂。

3 现场试验

利用DRH-1 在大庆油田XS 区块的2 口水平井上进行了现场试验。施工井段钻遇地层依次为嫩江组、姚家组和青山口组，其中嫩江组和姚家组含大量泥岩易发生缩径和造浆等复杂情况，青山口组容易发生剥落、掉块和井塌等风险。试验井的水平段在800～1 000 m，使用高性能钻井液体系，DRH-1加量为1%～2%。试验井与邻井同井段的应用效果对比见表4。试验井在水平段钻进过程中，泥饼黏附系数、扭矩和摩阻均明显小于邻井，水平段钻进过程中没有明显的拖压和卡阻现象发生。

与邻井相比，2 口井共计缩短建井周期3.5 天，节省润滑剂4.6 t，节约润滑剂使用费76 440元，具有良好的降本增效作用。

表4 试验井与邻井的应用效果对比

4 结论

1）利用工业油脂的副产物酸化油，使用自制催化剂合成了一种环保型润滑剂DRH-1，该润滑剂的合成原料广泛、合成工艺简单。

2）润滑剂DRH-1具有低荧光、低凝点、抗温能力强、与钻井液体系配伍性好等优点。

3）现场试验表明，该润滑剂有效地提高了钻井液润滑性，降低了润滑剂用量，缩短了钻井周期，适用于水平井的钻井施工，可产生良好的社会效益及经济效益。