页岩气水基钻井液用抗高温环保润滑剂的研制及应用

宋海 ，龙武 ，邓雄伟

（1.中国石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石化销售股份有限公司西藏分公司，西藏 拉萨 850000）

0 引言

水平井和大位移井是页岩气勘探开发最常用的钻井方式。在页岩储层长水平段钻井过程中，钻具与井壁或套管之间的摩擦阻力较大，正常钻进时的摩阻和扭矩较高，容易发生起下钻遇阻、憋扭矩或黏附卡钻的现象，从而严重影响钻井效率[1-3]。因此，要求钻井液必须具备很好的润滑性能，以达到降低摩阻的目的。油基钻井液有着优良的润滑性能，一直是页岩气水平井水平段钻井时的首选，但近年来环保要求越来越严格，研究高性能水基钻井液，满足页岩气储层水平段钻井的需要，已成为一种趋势，而高效润滑剂的研制又是页岩气高性能水基钻井液技术研究的关键[4-8]。

目前，国内外水基钻井液中常用的润滑剂主要包括矿物油、惰性固体颗粒、合成酯、醇醚、乳液以及纳米材料等，但仍存在较多的问题[9-18]。其中：矿物油由于荧光级别较高且对环境的污染较大，已逐渐被淘汰；惰性固体颗粒会增大钻井液中的固相含量，并且不容易降解，限制了其大规模的推广应用；合成酯由于分子结构中含有羰基，在高温条件下容易发生水解，因而不适应用高温储层。醇醚由于具有较强的浊点效应，受温度的影响较大，致使其应用受限；乳液存在与钻井液体系配伍性方面的问题，容易影响钻井液的整体性能，而且其耐温性能同样有待提高；纳米材料是近年来研究的热点之一，但通常由于其成本问题，不适合大规模现场推广应用。

针对上述问题，以改性植物油、有机多元醇、复合表面活性剂以及有机硼极压抗磨剂为原料，制备了一种抗高温环保润滑剂GWHB-11，对其综合性能进行了评价，并成功在威远地区某页岩气井区进行了现场应用。

1 GWHB-11的研制

1.1 研制思路

抗高温环保润滑剂应同时具有良好的润滑性能、抗高温性能和环保性能。因此，润滑剂的研制思路为：首先，选择荧光级别低、低温流动性好、稳定性强以及基础润滑性能优良的改性植物油为制备润滑剂的基础油。改性植物油通过植物油在高温下经过催化反应制得，其分子结构中不含苯环等多芳香烃类物质，具有低荧光、低毒、易生物降解等特点，环保性能优良。其次，为提高润滑剂的抗高温性能，将改性植物油与有机多元醇进行反应制得多元聚合酯，并加入含有大量极性吸附基团的表面活性剂，不仅可以提高润滑剂的水溶性和分散性，还可以使润滑剂分子在油水界面上形成紧密的润滑膜，增强其润滑性能和耐温性能。最后，为了增强润滑剂在高负荷压力条件下的润滑性能，加入了可以在极压条件下能与金属表面形成物理或者化学吸附沉积膜的极压抗磨剂。为满足润滑剂环保性能的要求，避免引入含硫、磷以及氯元素的极压抗磨剂，选择了有机硼类极压抗磨剂。该抗磨剂不仅具有优良的极压抗磨性能，还能在高温条件下保持良好的稳定性，不会对金属产生腐蚀。

1.2 制备

首先，将改性植物油和有机多元醇以及催化剂按一定的比例加入到反应釜中，在通入氮气的情况下，升高温度至70～90℃，反应1～3 h，继续升高温度至150～170℃，反应3～5 h。然后，在反应产物中加入复合表面活性剂和有机硼极压抗磨剂，即得到GWHB-11。

2 GWHB-11的性能评价

2.1 润滑性能

室内对比评价了GWHB-11和页岩气井现场常用的润滑剂RH-1和RH-2在淡水基浆和盐水基浆中的润滑性能（见图1、图2）。主要评价参数为润滑系数降低率和泥饼黏附系数降低率。实验仪器为FANN21200型极压润滑仪和NF-2泥饼黏附系数测试仪，淡水基浆配方为4.0%膨润土浆+0.2%Na2CO3，盐水基浆配方为4.0%膨润土浆+0.2%Na2CO3+4.0%NaCl，润滑剂加量均为2.0%。

图1 润滑系数实验结果

图2 泥饼黏附系数实验结果

由图1、图2可以看出，GWHB-11在淡水基浆和盐水基浆中的润滑系数降低率分别为95.4%和92.1%，泥饼黏附系数降低率分别为84.8%和76.7%，明显高于常用的RH-1和RH-2，说明研制的GWHB-11具有良好的润滑性能。

2.2 抗磨性能

使用四球摩擦试验机测定了GWHB-11的抗磨性能，并与RH-1和RH-2进行了对比（见表1），基浆配方同2.1。

表1 润滑剂抗磨性能评价结果

由表1可以看出，无论是在淡水基浆，还是在盐水基浆中，GWHB-11的烧结负荷均明显高于RH-1和RH-2，而磨斑直径均明显小于RH-1和RH-2。这说明GWHB-11具有良好的抗磨性能，形成的润滑膜具有较高的承压能力，可以在高负荷条件下表现出良好的润滑能力。

2.3 耐温性能

在淡水基浆和盐水基浆中分别加入2.0%的GWHB-11，并在不同温度下老化16 h后，测定其润滑系数和泥饼黏附系数，计算润滑系数降低率和泥饼黏附系数降低率（见图3）。

图3 GWHB-11耐温性能实验结果

由图3可以看出，随着老化温度的升高，GWHB-11在淡水基浆和盐水基浆中的润滑系数降低率和泥饼黏附系数降低率均呈现逐渐减小的趋势，但减小的幅度均不大。当老化温度达到180℃时，淡水基浆和盐水基浆中的润滑系数降低率分别为90.2%和87.6%，泥饼黏附系数降低率分别为80.4%和70.9%，仍能保持良好的润滑性能。这说明GWHB-11具有较好的耐温性能，可以在高温地层条件下使用。

2.4 配伍性能

室内模拟配制页岩气井现场用水基钻井液体系，并加入不同加量的GWHB-11，评价其对现场钻井液性能的影响（见表2）。现场钻井液体系的具体配方为：4.0%膨润土+0.2%Na2CO3+0.3%聚阴离子纤维素+0.6%流型调节剂+2.5%聚合物降滤失剂+2.0%聚胺抑制剂+4.0%超细碳酸钙+3.0%柔性封堵剂+1.5%纳米封堵剂+5.0%KCl，重晶石粉加重至1.4 g/cm3。钻井液体系老化条件为120℃下，老化16 h。

表2 GWHB-11对现场钻井液性能的影响

由表2可以看出，随着GWHB-11在现场钻井液体系中加量的逐渐增大，钻井液体系的流变性能基本没有变化，滤失量稍有降低，而润滑系数和泥饼黏附系数则明显降低。当GWHB-11的加量为2.0%时，钻井液体系的润滑系数和泥饼黏附系数分别降低至0.081和0.072，与不加GWHB-11时相比，润滑系数降低了80%以上，泥饼黏附系数降低了70%以上，起到了良好的润滑效果。这说明研制的GWHB-11与现场钻井液体系具有较好的配伍性，在提高体系润滑性能的基础上，不会对钻井液的其他性能产生较大的影响。

2.5 环保性能

参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 111—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》，测定润滑剂GWHB-11，RH-1，RH-2的生物毒性，并参照国家环境保护标准HJ 505—2009《水质 五日生化需氧量（BOD5）的测定 稀释与接种法》和HJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸钾法》分别测定3种润滑剂的生物降解性，实验结果见表3。

表3 不同润滑剂的环保性能测试结果

由表3可以看出，在生物毒性方面，3种润滑剂的EC50值均可以达到标准要求的25 000 mg/L，但GWHB-11的EC50值更高，环保性能更优；GWHB-11的LC50值大于标准要求的30 000 mg/L，而RH-1和RH-2的LC50值则达不到此要求，说明GWHB-11具有较低的生物毒性。在生物降解性方面，GWHB-11的BOD5/CODCr值为26.5%，可达到标准要求的10.0%，属于易降解处理剂，而RH-1和RH-2的LC50值均达不到标准要求，说明GWHB-11具有更好的生物降解性。综合来看，GWHB-11具有较低的生物毒性和较好的生物降解性，环保性能优于其他常用润滑剂，能够满足页岩气水基钻井液对环保性能的要求。

3 现场试验效果

GWHB-11在威远地区某页岩气井区进行了现场施工试验，该区块内水平井的水平段长度均在1 000 m以上，储层温度在120℃以上。以水平井W-1井、W-2井为例，并与同区块内前期使用其他常用润滑剂（RH-1和RH-2）的2口邻井的施工效果进行了对比（见表4）。

表4 GWHB-11现场应用效果

由表4可以看出，使用GWHB-11后，W-1井和W-2井的平均起下钻摩阻值均明显小于使用其他润滑剂的邻井，而平均机械钻速均明显高于邻井，钻井效率明显提高。钻至完钻井深，W-1井、W-2井的各项钻井参数均未出现明显波动，没有出现倒划眼困难、起下钻遇阻以及憋扭矩等井下复杂情况。这说明GWHB-11具有良好的润滑性能，现场应用效果好，能够满足页岩气井使用水基钻井液钻进时对润滑性能的要求。

4 结论

1）润滑剂室内性能评价结果表明：在淡水基浆和盐水基浆中，GWHB-11均具有良好的润滑性能、抗磨性能和耐温性能，并且对现场钻井液的流变性影响较小，具有较好的配伍性；生物毒性较低，生物降解性良好，可以满足环保要求。

2）GWHB-11在威远地区2口页岩气水平井成功进行了现场应用，与使用其他常用润滑剂的邻井相比，有效地降低了起下钻摩阻，提高了机械钻速，取得了良好的现场施工效果，具有推广应用价值。