钻井液用极压润滑剂PF-EXLUBE的开发及应用

薛 森，狄明利，夏小春，曾祥聪，汪国辉

（1.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部深圳作业公司，广东深圳 518000；2.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊 065201）

钻井液的润滑性能对钻井工作影响很大。特别是在钻探难度高的定向井、水平井时，欠佳的润滑性能会促使钻柱的旋转阻力和提拉阻力大幅地提高，从而导致各种井下复杂情况发生并影响作业时效[1-2]。因此，使用润滑性能好的钻井液对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻井起着至关重要的作用[3]。

随着世界能源需求的增加，油气开采深度与广度都逐步增加，在海上钻探大位移井、水平井日益增多[4]。由于钻进大位移井、水平井时，钻柱的重量部分地作用在井壁上，致使钻柱和井壁间作用力相比于钻进直井要增大，钻井旋转扭矩因而增大（随着井深加深则急剧增大）。例如，我国南海大位移井、水平井钻进在不利工况下的扭矩高达40～60 klbf·ft，严重影响钻井作业安全和作业时效[5]。润滑剂的润滑作用机理是：常规润滑剂主要通过在钻柱、岩石和套管金属等表面吸附形成油膜，从而降低钻柱和井壁间的摩擦阻力，但是在钻进大位移井和水平井时的高负荷条件下，通过物理吸附形成的油膜极易被破坏，以致失去润滑效果[6]。因此需要开发在高负荷条件下仍有效的极压润滑剂，以降低钻进大位移井、水平井时旋转扭矩和起下钻摩阻，保证作业顺利进行。

针对以上问题，通过大量的资料调研和有关室内实验，开发了一种极压润滑剂PF-EXLUBE，采用极压润滑仪、四球摩擦机和润滑评价模拟装置（LEM）评价了其使用在海水聚合物钻井液、饱和氯化钠钻井液和甲酸钾钻井液中的润滑性能，然后在南海东部某水平井试用，取得了预期的成效。

1 室内实验

1.1 材料与仪器

PETO，植物油高级醇酯；BMS，磺化植物油；BMO，植物油；JY34，硫化烯烃；JY41，有机钼减磨剂；JY12，磷之星极压抗磨剂；JY46，多功能极压添加剂；T2011，二烷基二硫代磷酸锌；JY1022，水性极压润滑剂；JY4011，硼酸酯极压剂；JY4210，特种齿轮油复合剂。

PF-XC，黄原胶；PF-PAC LV，低黏度聚阴离子纤维素；PF-PLH，部分水解聚丙烯酰胺；PFFloTrol，淀粉类降滤失剂；PF-LPF、PF-LSF、PFNRL，沥青类封堵剂；PF-UHIB，防泥包剂；PFEZFLOW HT，抗高温淀粉；PF-EZVIS，流型调节剂；PF-EZCARB，级配碳酸钙封堵剂；PFEZCARB F，超细碳酸钙封堵剂（本段落中所列材料用于配制钻完井工作液）。

上述材料均由天津中海油服化学有限公司提供。其余材料均为市售产品。

六速旋转黏度计，美国OFITE公司；极压润滑仪，美国OFITE公司；LEM-4100润滑评价模拟装置，美国Core lab/Temco公司；MRS-10A型四球摩擦磨损试验机，济南益华摩擦学测试技术有限公司。

1.2 实验方法、流程

1.2.1 钻井液配制

（ 1）海水聚合物钻井液配方：264.8 mL海水+65.5 g 12%预水化膨润土浆+0.2%氢氧化钠+0.2%碳酸钠+0.3% 黄原胶+0.3% 聚阴离子纤维素+75.8 g重晶石+3% 钙土。在高速搅拌（11 000 rpm）下按配方顺序加料，总搅拌时间为60 min，即得密度为1.2 g/cm3海水聚合物钻井液[7]。

（2）氯化钾-聚合物海水钻井液配方：328 mL海水+32.7 g 12%预水化膨润土浆+0.3% 氢氧化钠+0.1%碳酸钠+0.2% 黄原胶+0.5% 包被剂+0.8%改性淀粉+8% 氯化钾+8% 氯化钠+2% 高分子羟基成膜剂+1% 沥青树脂+1% 泥饼增韧改良剂+1% 防泥包润滑剂。在高速搅拌（11 000 rpm）下按配方顺序加料，总搅拌时间为60 min，即得氯化钾-聚合物海水钻井液。

（3）饱和氯化钠钻井液配方：299.3 mL自来水+0.3% 氧化镁+1.7% 储保型抗高温改性淀粉+0.3% 增黏剂+3% 复合型暂堵剂1#+3% 复合型暂堵剂2#+104.6 g 氯化钠。在高速搅拌（11 000 rpm）下按配方顺序加料，总搅拌时间为60 min，即得饱和氯化钠钻井液。

（4）甲酸钾钻井液配方：256.4 mL海水+0.3%氧化镁+1.4% 储保型抗高温改性淀粉+0.3% 增黏剂+3% 复合型暂堵剂1#+3% 复合型暂堵剂2#+170.9 g甲酸钾。在高速搅拌（11 000 rpm）下按配方顺序加料，总搅拌时间为60 min，即得甲酸钾钻井液。

1.2.2 评价方法

（1）钻井液流变性能

将待测试润滑剂样品分别加入不同钻井液中，高速搅拌20 min，经室温养护4 h后用黏度计测定其流变参数，用极压润滑仪测量扭矩[8]；然后在一定温度下滚动老化16 h，冷却至室温，高速搅拌5 min后再用黏度计测定流变参数，用失水仪测定API滤失量，极压润滑仪测量扭矩。

（2）最大无卡咬负荷（Pb值）

依据《GB/T 12583润滑剂极压性能测定法》，设定转速1 760 rpm，施加不同载荷，运转时间10 s。将润滑剂纯品加入四球摩擦机油盒中，装好油盒，设定温度50 ℃，待温度达到50 ℃后，启动设备，测试完毕，取下油盒，倒出润滑油，放在显微镜下测试磨斑尺寸。当磨斑尺寸不大于国标规定相应补偿线上磨痕直径的5%，则逐级地加大载荷进行试验，直至磨斑尺寸大于国标规定相应补偿线上磨痕直径的5%，则上一级载荷即为该润滑油的Pb值。

（3）润滑模拟评价方法（LEM法）

基于前期研究[9]所给予的指引，采用LEM-4100评价润滑剂在高温高压条件下的润滑效果。LEM-4100用装在转轴上的金属转子模拟钻柱，以一定的接触力将固定在底座上的套管片（TEMCO公司提供，长4″，标称直径 3″，实际外径约 3.5″，弧长约3″）或Berea砂岩块（TEMCO公司提供，19.0 mm×101.6 mm×63.5 mm）压紧在以一定速度转动的金属转子上进行摩擦实验。接触力是通过调节测试腔室顶部气缸的空气压力来控制。在转速90 rpm、气缸压力16 psi、接触力110/170 lbsf左右、流量5 000 mL/min的测试条件下测试钻井液中金属-金属摩擦系数，测试时间为60 min。

2 实验结果与讨论

2.1 极压润滑剂EXLUBE的开发

在调研基础上，收集一系列的润滑油和单一组分极压剂作为筛选样品，并且在构成上相对简单的海水聚合物钻井液中分别加入1%、3%这些样品，高速搅拌20 min后，用极压润滑仪测试其润滑性能（以为摩擦系数评价依据）[10]。扭力扳手扭矩分别为150 lbf·in、300 lbf·in和450 lbf·in，因为扭力扳手的力臂长度为1.5 in，所以对应的负荷分别为100 lbf、200 lbf和300 lbf。测试了钻井液在三种负荷下的摩擦系数，实验结果见图1。

由图1可知，同不加润滑样品的简单海水聚合物钻井液相比，有些样品的加入反而增大了钻井液的摩擦系数；有些样品降低钻井液的摩擦系数的效果不佳；而BMS和JY4011都能显著地降低钻井液的摩擦系数。BMS加量为3%时，可将钻井液在100 lbf、150 lbf、300 lbf负荷下的摩擦系数由0.2、0.16、0.14降至0.06、0.07、0.08；JY4011加量为1%时，可将钻井液在100 lbf、150 lbf、300 lbf负荷下的摩擦系数将至0.07、0.08、0.08。二者均体现出优良的润滑性能。

图1 不同润滑油和极压剂在简单海水聚合物钻井液中的润滑性能Fig.1 Lubricating properties of different lubricants and extreme-pressure agents in simple seawater polymer drilling fluids

由于同钻进直井相比，钻进大位移井、水平井时，钻柱的重量部分地作用在井壁上，致使钻柱和井壁间作用力增大，从而引发旋转扭矩增大。因此，钻进大位移井、水平井时，对钻井液在超高负荷条件下的润滑性能提出更高的要求，也就是钻井液必须具有较好的抗极压润滑性能。

为了评选样品的上述性能，采用四球摩擦机测试了在海水聚合物钻井液中润滑性能较好的BMS和JY4011的最大无卡咬负荷（Pb值），同时与常用的（成熟应用的）商品润滑剂加以对比。实验结果见图2。

由图2可知，极压剂JY4011的Pb值最高，为1 167 N，远远高于对比的所有商品润滑剂，抗极压性能突出。BMS的Pb值为98 N，较低，可是当处于低负荷时其在海水聚合物钻井液中具有较好的润滑性能。这说明在常规负荷条件下，虽然BMS通过物理吸附在金属等摩擦面吸附形成油膜，就能够产生润滑效果，但是在高负荷条件下，其油膜被破坏，也就失去润滑性能。而极压剂JY4011能在金属等摩擦面形成稳定的抗极压膜，在高负荷条件下抗极压膜依然稳定，因而具有较好的极压润滑性能[11]。

以上述研究、分析作为指导，综合考虑极压润滑剂在常规负荷和高负荷条件下总体上都具有稳恒、优异的润滑性能及成本，由磺化油BMS和硼酸酯极压剂JY4011复合制备极压润滑剂PFEXLUBE[12]。

图2 不同润滑油和极压剂的最大无卡咬负荷（Pb值）Fig.2 Maximum non-clamping load of different lubricants and extreme pressure agents (Pb value)

2.2 极压润滑剂EXLUBE的性能

2.2.1 在氯化钾-聚合物钻井液中性能

在氯化钾-聚合物钻井液中分别加入1%和2%极压润滑剂PF-EXLUBE，测试其热滚前和热滚后的润滑性能，同时对比测试了商品润滑剂的性能。实验结果见图3。

由图3可知，在氯化钾-聚合物钻井液中加入1%PF-EXLUBE，热滚前可将钻井液的摩擦系数由0.21降至0.02，降低了90%；热滚后可将钻井液的摩擦系数由0.18降至0.12，降低了33%。提高PF-EXLUBE的加量至2%，钻井液热滚前后的摩擦系数分别为0.01和0.06，分别降低了95%和67%。同商品润滑剂相比，其润滑性能优于商品润滑剂1，接近商品润滑剂2，但是其成本低于商品润滑剂2，具有良好的经济性。

2.2.2 在饱和氯化钠钻井液中的性能

在饱和氯化钠钻井液中分别加入1%、3%极压润滑剂PF-EXLUBE，测试其80 ℃热滚16 h后于100 lbf和200 lbf负荷下的摩擦系数，同时对比测试了商品润滑剂的性能。实验结果见图4。

图4 极压润滑剂PF-EXLUBE在饱和氯化钠钻井液中的润滑性能Fig.4 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in saturated sodium chloride drill-in fluid

由图4可知，在饱和氯化钠钻井液中加入1%PF-EXLUBE，可将钻井液于100 lbf和200 lbf负荷下的摩擦系数由0.20和0.25降至0.04和0.11，分别降低了80%和56%；提高PF-EXLUBE的加量至3%，于100 lbf和200 lbf负荷下的摩擦系数分别降至0.01和0.02，分别降低了95%和92%。同商品润滑剂相比，其摩擦系数低于对比商品润滑剂。

2.2.3 在甲酸钾钻井液中的性能

在甲酸钾钻井液中分别加入1%、3%极压润滑剂PF-EXLUBE，测试其150 ℃热滚16 h后于100 lbf和200 lbf负荷下的摩擦系数，同时对比测试了商品润滑剂的性能。实验结果见图5。

由图5可知，在甲酸钾钻井液中加入1%PFEXLUBE，可将钻井液于100 lbf负荷下的摩擦系数由0.15降至0.06，降低了60%；提高PF-EXLUBE的加量至3%，钻井液的摩擦系数进一步降低。同商品润滑剂相比，其摩擦系数低于对比商品润滑剂。

图5 极压润滑剂PF-EXLUBE在甲酸钾钻井液中的润滑性能Fig.5 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in potassium formate drill-in fluid

由于使用常规极压润滑仪只能测试常温摩擦系数，而不能测试高温高压条件下的摩擦系数。因此采用LEM法测试甲酸钾钻井液于150 ℃、100 psi条件下的摩擦系数。实验结果见图6。

由图6可知，在110 lbf负荷下，水的摩擦系数约为0.4，甲酸钾钻井液的摩擦系数约为0.15，在甲酸钾钻井液中加入1%PF-EXLUBE，钻井液的摩擦系数约为0.02，摩擦系数降低约80%；在170 lbf负荷下，水的摩擦系数约为0.45，甲酸钾钻井液的摩擦系数约为0.25，在甲酸钾钻井液中加入1% PF-EXLUBE，钻井液的摩擦系数约为0.1，摩擦系数降低约60%。这说明PF-EXLUBE能在高温高压条件下降低钻井液的摩擦系数，体现出优良的润滑性能。

图6 极压润滑剂 PF-EXLUBE 在甲酸钾钻井液中的润滑性能Fig.6 Lubricating properties of extreme-pressure lubricant PF-EXLUBE in potassium formate drill-in fluid

3 现场应用

2020年9月，极压润滑剂PF-EXLUBE在南海东部某水平井试用。该井设计井深5 391 m，垂深2 594 m，水平段长655 m，预测水平段钻进摩阻大，扭矩高。钻进至5 170 m，扭矩维持在35～37 klbf·ft居高不下，决定开始向循环系统加入极压润滑剂PF-EXLUBE，总加量为20 kg/m3。加入前后钻进参数和钻井液性能见表1，6″井段钻进扭矩曲线见图7。

表1 加PF-EXLUBE前后钻进参数和钻井液性能Table1 Drilling parameters and drilling fluid performance before and after adding PF-EXLUBE

由表1和图7可知，加入PF-EXLUBE后，钻井液流变性能几乎无变化，这说明PF-EXLUBE对钻井液流变性能无不利影响；钻进扭矩由35～36.5 klbf·ft降至28～31 klbf·ft，后续钻进过程，扭矩一直维持在波动范围内，直至完钻，扭矩改善效果明显且持续有效的时间长。

图7 水平段钻进期间扭矩曲线Fig.7 Torque curve during drilling in horizontal section

4 结论

（1） 通过润滑性能和抗极压性能筛选法，由硼酸酯和磺化植物油复配制备了一种极压润滑剂PF-EXLUBE。

（2） 实验室摩擦系数测试结果表明，极压润滑剂PF-EXLUBE能显著地降低氯化钾-聚合物钻井液、饱和氯化钠钻井液和甲酸钾钻井液的摩擦系数。

（3） 采用LEM法测试了PF-EXLUBE在甲酸钾钻井液中150 ℃、100 Psi条件下的摩擦系数。测试结果表明，加入1% PF-EXLUBE，在110 lbf负荷下，摩擦系数降低率约80%，在170 lbf负荷下，摩擦系数降低了约60%，这体现出其优良的降摩阻效果。

（4） PF-EXLUBE在南海东部某水平井试用，试用结果表明，在钻井液中加入2% PF-EXLUBE，钻进扭矩降低了15%～20%，且有效作用维持时间长，这些都是良好降扭矩效果的体现。