缓蚀润滑剂在水基钻井液中的性能评价

陈志阳

缓蚀润滑剂在水基钻井液中的性能评价

陈志阳

（中国石化西北油田公司， 新疆 乌鲁木齐 830000）

钻井过程中，钻具与裸眼井壁、金属套管之间的磨损以及钻井液中高浓度无机盐对金属设备造成点蚀，缩短了金属设备的使用寿命，以二乙醇胺，甲醛，苯乙酮，氯乙酸钠为原料合成了曼尼希碱季铵盐缓蚀润滑剂ZE，应用在钻井液中起到保护金属的作用。采用失重法评价缓蚀润滑剂ZE在钻井液中对N80钢的缓蚀性能。采用极压润滑仪、四球摩擦仪评价缓蚀润滑剂ZE对钻井液的润滑性能的影响。实验表明，随缓蚀润滑剂ZE加量增加，使N80钢在钻井液中的腐蚀速率以及钻井液润滑系数逐渐降低，当其加量为2%时，N80钢的腐蚀速率低于0.012 mm·a-1，钻井液润滑系数仅为0.084，可有效降低金属与金属之间的摩擦阻力，且与该钻井液具有良好的配伍性能。

季铵盐； 缓蚀机理； 曼尼希反应；水基钻井液

随着国内工业迅速发展，对能源资源的需求日益增加，尤其是油气资源[1]。多年来对常规油气资源的开发使其逐渐衰竭，定向井、水平井、大位移井所占开采井的比例越来越高[2]，此类井对钻井液的润滑性能、携岩性能要求高[3-4]。油基钻井液具有优异的润滑性能，但其剪切稀释性能较差，无法有效保证钻屑在井筒内及时返出，另外油基钻井液的高成本，且不符合环境保护要求限制其使用[5-6]。因此需要提高水基钻井液用润滑剂性能，能有效降低钻具与裸眼井壁、金属套管之间的磨损。对于泥页岩或黏土（蒙脱石、伊利石）含量较高的地层，钻进过程中需提高钻井液的抑制性能，避免其水化膨胀引起井眼应力改变，进而导致井壁失稳、掉块卡钻等[7]。此外，钻屑在钻井液水化分散，造成钻井液粘度增长过快、不易调控，引起钻井激动压力过大，不利于井壁稳定以及开泵困难。提高水基钻井液的抑制性能常加入无机盐氯化钾[8-9]，其成本小，且抑制效果良好，但其加量较大，使钻井液中的氯离子含量过高，易造成套管、钻具发生点蚀[10]。基于以上分析，笔者以二乙醇胺，甲醛，苯乙酮，氯乙酸钠为原料合成了缓蚀润滑剂，起到一剂多效的作用，可降低钻井成本，简化现场施工。

1 实验部分

1.1 缓蚀润滑剂的合成及表征

在装有温度计、球形冷凝管、搅拌器的圆底三口烧瓶中依次加入1.5 g二乙醇胺、1 g甲醛、1 g苯乙酮和100 mL无水乙醇（溶剂）, 搅拌30 min使其混合充分，将其加热至80 ℃，滴加浓盐酸（催化剂）使反应体系pH为5，恒温、搅拌条件下反应6 h，使其发生曼尼希反应，再加入1.5 g氯乙酸钠，恒温、搅拌条件下反应8 h，使其发生季铵盐反应，反应完后冷却至室温，通过减压蒸馏除去溶剂和未参加反应的原料，并采用丙酮溶剂重结晶提纯，置于温度为70 ℃的恒温烘箱中干燥4 h，即缓蚀润滑剂ZE。将最终的产品与KBr晶体混合并制成压片，采用Nicolet710傅里叶变换红外光谱仪分析其结构。

1.2 缓蚀性能评价

采用静态挂片失重法测定N80钢片在含有不同浓度缓蚀润滑剂ZE的现场常用水基钻井液中的腐蚀速率，评价缓蚀润滑剂ZE对N80钢的缓蚀效果。具体步骤为将N80钢浸泡含有不同浓度缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液中，置于温度为80 ℃的恒温烘箱中，浸泡时间为168 h，参考国标SY/T5273—2000。水基钻井液配方为：400 mL海水+2.5%膨润土+0.25%Na2CO3+0.20%NaOH+3.5%降滤失剂FLO-LT+ 0.3%流型调节剂XC+1.0%抑制剂UH-1+5%KCl+重晶石加重至密度1.2 g·cm-3。

1.3 润滑性能评价

将上述水基钻井液中加入2%缓蚀润滑剂ZE，装入老化罐中，置于温度为80 ℃的GW300高温滚子加热炉中，热滚16 h，待水基钻井液冷却至室温下，采用Fan212极压润滑仪EP分别测定未加、加2%缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液的润滑系数，并对比性能较优的常用钻井液润滑剂PURELUB、JXH。其润滑系数按照Q/SH10250512—2007《钻井液用润滑剂通用技术条件》进行评价。

未加、加2%缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液的润滑抗磨效果通过AFB-1型自动四球法抗磨试验仪进行评价，讨论缓蚀润滑剂ZE对水基钻井液抗磨性能的影响。测试温度为80 ℃，测试时间为60 min，测试速度为1 200 r·min-1，负荷为147 N。

2 结果与讨论

2.1 ZE分子结构表征

缓蚀润滑剂ZE的红外光谱图见图1，从图1可知，3 348.50 cm-1处出现羟基的宽又强的伸缩振动峰，脂肪酮羰基的特征峰为1 715 cm-1，由于苯环的存在，使酮羰基伸缩振动吸收峰出现在1 685.28 cm-1，1 498.40 cm-1处出现苯环中=C-H的伸缩振动峰，1 415.89 cm-1处出现-N+-CH2的吸收峰，表示该分子中存在季铵盐离子结构，1 785.32 cm-1处出现游离态羧基振动特征峰，表明曼尼希反应和季铵化反应均已完成，合成产物即为缓蚀润滑剂ZE。

图1 ZE的红外光谱图

2.2 缓蚀性能评价

置于含有不同浓度缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液中的N80钢的腐蚀速率见表1，从表1可知，随着缓蚀润滑剂ZE加量增加，使处于水基钻井液中N80钢的腐蚀速率逐渐降低，当未加缓蚀润滑剂时，N80钢的腐蚀速率较大，难以满足现场钻井要求，缓蚀润滑剂ZE的加量为2%时，其腐蚀速率仅为0.011 8 mm·a-1，其缓蚀率可高达79.33%，曼尼希季铵盐缓蚀润滑剂ZE属于典型的吸附性缓蚀剂，且分子中含有N、O原子以及苯环，与金属表面形成配位键，形成化学吸附[11]，另外缓蚀润滑剂分子含有正电荷，可通过静电吸引力，加强缓蚀润滑剂的吸附能力。再提高缓蚀润滑剂的加量，其缓蚀率趋于稳定，其原因为缓蚀润滑剂ZE在金属表面吸附饱和，无法进一步有效提高其缓蚀性能。因此建议水基钻井液用缓蚀润滑剂ZE加量为2%。

表1 缓蚀润滑剂ZE在水基钻井液中的缓蚀性能评价

2.3 润滑性能评价

润滑剂对水基钻井液的润滑性能影响见表2，从表2可知，2%缓蚀润滑剂ZE加入水基钻井液中，使钻井液的润滑系数为0.084，对比空白，其润滑系数降低率为47.50%，可有效降低一定压力下金属与金属之间的摩擦阻力，其原因为缓蚀润滑剂ZE分子中含有O、N原子以及苯环，使其分子可稳定吸附在金属表面，形成一层致密的油膜。另外，其分子中含有酯基和羟基，可提高润滑吸附膜的韧性，到达润滑作用[12]。对比其他两种润滑剂而言，ZE更能有效提高水基钻井液的润滑性能。

表2 润滑剂对水基钻井液的润滑性能影响

未加、加入2.0%缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液的抗磨润滑性能见图2，从图2可以看出，未加缓蚀润滑剂的水基钻井液的抗磨润滑效果较差，钢球表面出现了剥落情况，其直径为0.99 mm，而加入2.0%缓蚀润滑剂ZE可使钢球表面剥落直径缩小至0.641 mm，表明缓蚀润滑剂ZE可显著地提高水基钻井液的抗磨润滑效果。

图2 钢球磨损形貌图

2.4 配伍性能评价

未加、加入2.0%缓蚀润滑剂ZE的水基钻井液在80 ℃下热滚16 h，参考GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》，评价该钻井液热滚前后的流变性、滤失性见表3，从表3可知，水基钻井液在热滚前后性能变化较小，具有良好的流变性能，其FLAPI仅为4.2 mL。当水基钻井液中加入2.0%缓蚀润滑剂ZE后，基本上对其流变性能无影响，且降低其滤失量，表明缓蚀润滑剂与水基钻井液具有良好的配伍性。

表3 缓蚀润滑剂ZE对钻井液性能的影响

3 结 论

1）随着缓蚀润滑剂ZE加量增加，使处于水基钻井液中N80钢的腐蚀速率逐渐降低，缓蚀润滑剂ZE的加量为2%时，其腐蚀速率仅为0.011 8 mm·a-1，其缓蚀率可高达79.33%，使钻井液的润滑系数为0.084，其润滑系数降低率为47.50%，由于缓蚀润滑剂ZE分子中含有N、O原子以及苯环，与金属表面形成配位键，在金属表面形成致密的油膜，可有效隔离腐蚀介质，并起到抗磨润滑作用。

2）水基钻井液中加入2.0%缓蚀润滑剂ZE，对水基钻井液的流变性能无影响，且降低其滤失量，表明缓蚀润滑剂与水基钻井液具有良好的配伍性，缓蚀润滑剂起到一剂多效的作用，可降低钻井成本，简化现场施工。

［1］王英伟,伍顺伟,覃建华,等.超临界CO2浸泡对玛湖不同黏土矿物含量砂砾岩储层渗透率影响[J].油气藏评价与开发, 2021, 11 (06): 837-844.

［2］曹华庆,冯云春,杨以春,等.松辽盆地南部油气田钻井取心关键技术[J].钻探工程,2021,48(11):49-55.

［3］赵远远,周书胜,严锐,等.国内抗高温乳化剂研究进展与应用[J].辽宁化工,2021,50(11):1715-1717.

［4］陈新勇,付潇,李亮亮,等.廊固凹陷安探地区复杂深井钻井关键技术[J].石油机械,2021,49(12):36-41.

［5］童维.国内外钻井液技术的新进展综述[J].西部探矿工程, 2019, 31 (05): 79-80.

［6］宋海,龙武,邓雄伟.页岩气水基钻井液用抗高温环保润滑剂的研制及应用[J].断块油气田,2021,28(06):761-764.

［7］樊永涛,张照鸿,贺泽阳,等.延长气田致密砂岩区块高效防塌钻井液体系研究[J].当代化工,2021,50(11):2652-2655.

［8］梁文利.环保型聚合物钻井液抗温增效剂的研制与性能评价[J].油田化学,2020,37(02):191-196.

［9］倪晓骁. 超疏水/双疏纳米流体的制备及其在岩石表面的自清洁特性研究[D].中国石油大学(北京),2020.

［10］仇朝军,周小杰,施曾宝,等.渤海某井蒸汽吞吐管线断裂原因分析[J].涂层与防护,2019,40(05):16-26.

［11］杨婷,邓子健,石东坡,等.苄叉丙酮曼尼希碱的合成及其缓蚀性能研究[J].精细石油化工,2019,36(04):10-14.

［12］艾俊哲,王欢,段立东.噻唑衍生物的缓蚀润滑性能及其在N80钢表面的吸附行为[J].腐蚀科学与防护技术,2019,31(05):501-507.

Performance Evaluation of Corrosion Inhibiting Lubricant in Water-based Drilling Fluid

（Sinopec Northwest Petroleum Company, Urumqi Xinjiang 830000, China）

During the process of drilling, metal equipments were subject to friction and wear between drilling tools and open hole walls,metal casing, and high concentration of inorganic salts in drilling fluid caused pitting of metal equipments, to shorten the service life of the metal equipments. The quaternary ammonium Mannich base corrosion inhibiting lubricant ZE was prepared from diethanolamine, formaldehyde, acetyl ketone and sodium chloroacetate, it was used to protect the metal in drilling fluid. Weight loss method was used to evaluate the corrosion inhibition performance of ZE for N80 steel in drilling fluid. The influence of ZE on the lubrication performance of drilling fluid was evaluated by extreme pressure lubrication instrument and four-ball friction instrument. The experimental results showed that the corrosion rate of N80 steel in drilling fluid and lubrication coefficient of drilling fluid decreased gradually with the increase of ZE dosage. When ZE dosage was 2%, the corrosion rate of N80 steel was lower than 0.012mm·a-1, and the lubrication coefficient of drilling fluid was only 0.084, which could effectively reduce the friction resistance between metals. And it had good compatibility with the drilling fluid.

Quaternary ammonium salt; Corrosion inhibition mechanism; Mannich reaction; Water-based drilling fluid

2022-01-02

陈志阳（1983-），男，湖南省岳阳市人，工程师，2007年毕业于长江大学，研究方向：钻井液技术研究与应用。

TE254

A

1004-0935（2022）06-0766-03