高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100的研究与应用

刘 胜

（中海油田服务股份有限公司上海分公司，上海 200035）

0 引言

近年来，随着东海勘探开发逐渐向深层油气资源推进，钻探难度不断增加，钻遇多种复杂地层，钻完井难度极大[1]。尤其是面对硬脆性泥页岩的大斜度井、水平井深井作业，钻井过程中的磨阻扭矩过大，成为困扰钻井作业顺利的难题之一[2]。常用的润滑剂无法满足硬脆性泥页岩地层金属与岩石之间的磨阻问题，而国外的高效抗磨减阻剂价格昂贵，无法推广使用，因此该文研发了一种高效的抗磨减阻的极压润滑剂，可有效解决硬脆性泥页岩与钻具之间的磨阻问题，对东海地区实现高效安全钻井具有十分重要的战略意义。

1 抗磨减阻剂类型与机理

1.1 抗磨减阻剂类型

抗磨减阻剂主要以分子中的官能团吸附在钢铁或岩石表面，形成牢固坚硬的极压膜，来降低摩擦、减少损耗，因此，根据其官能团的不同，大致可以将抗磨减阻剂分为以下几个类别。

1.1.1 有机氯化物

以氯化石蜡为代表的有机氯化物是最早的抗磨减阻剂之一，其优势是原料来源广泛、成本低。但是由于形成的极压膜熔点较低，当摩擦升温时膜容易脱附，导致失效。同时由于有机氯化物在碱性条件的水中容易水解，因此在水基钻井液中的应用十分受限[3]。

1.1.2 有机硫化物

有机硫化物的作用机理与有机氯化物较为相似，但是硫化铁极压膜熔点在750℃以上，因此具有较高的抗温性能，缺点是其没有氯化铁的层状结构，润滑减摩效果较差[4]。

1.1.3 含磷化合物

含磷化合物兼具有机氯化物和有机硫化物的优点，但是由于过量的磷排放会导致水体富养化，目前受到了国家的严格管控[5]。

1.1.4 有机金属盐

有机金属盐是目前应用最广泛的抗磨减阻剂，有机锌类（ZDDP）是机油的重要添加剂，钼盐在与其他种类的减阻剂一同使用时会生成硫化钼等强度极高的层片状膜，具有非常优良的抗磨减阻性能，缺点是价格昂贵，成本太高[6]。

1.1.5 纳米固相

纳米固相主要作为其他抗磨减阻剂的“添加剂”，可以在摩擦发生时成为摩擦副之间的“轴承”，进而将滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低摩阻。但是其自身密度与常规抗磨减阻剂密度差异较大，长时间放置时容易团聚沉降，影响了抗磨减阻剂的保质期[7]。

1.2 抗磨减阻剂类型

各类型润滑剂润滑机理主要包括以下几个方面。

1.2.1 固体类润滑剂

主要为圆球状刚性小球，将两个粗糙的摩擦面进行物理分离，将面-面接触产生的滑动摩擦转变为点-面接触产生的滚动摩擦，大幅降低摩擦阻力。

1.2.2 液体类润滑剂

主要通过化学键吸附在钻柱和岩石等摩擦面的表面，将摩擦面的不平整处进行覆盖，使原本固体之间的接触摩擦转变为润滑剂的非极性端的相对运动，造成油膜剪切流动，降低摩阻。

1.2.3 沥青类润滑剂

由于地层的渗透性，钻井液中液相会有一部分渗入地层，这部分的液相之前所分布的固体会残留在地层外形成泥饼。泥饼是实际钻井过程中钻杆与地层之间的分隔带，是钻井摩阻的主要来源。沥青的加入一方面可以降低滤失量，形成薄而韧的泥饼；另一方面可以改善泥饼质量，提高泥饼的润滑性能。

1.3 抗磨减阻技术对策

通过对抗磨减阻剂机理的调研与研究，该文突出以下几方面的技术措施：1）表面润湿改性技术。合成含有不饱和双键的大分子酯，通过化学反应接入含氯、硫、磷的具有极压抗磨能力的化学元素，提高抗磨减阻剂在钻井表面的吸附能力，改变润湿性，形成疏水隔离膜。2）纳米涂层技术。引入有机钼化合物，在高温高压下分解成纳米级的二硫化钼，以层状微晶结构叠置于金属表面，形成膜覆盖在抗磨损层上，从进达到减摩、抗磨、润滑的作用。3）固液纳米复合润滑技术。以微小液珠颗粒、纳米固体润滑颗粒降低金属-金属、金属-岩石界面摩擦阻力。

2 高效抗磨减阻剂研制与评价

高效抗磨减阻剂的研制，其核心在于减阻剂在金属及岩石表面的吸附性和膜的强度，室内通过大量调研，最终选择以醇、脂等材料在高温条件下通过酯化合成及缩合反应制得产品。其分子式为[CnHnC（O）N（C4H8OH）（C4H8O）]nXnYn。

2.1 高效抗磨减阻剂磨损性能评价

2.1.1 试验流程

试验分为如下5个步骤：1）按配方配制空白及加样钻井液体系，在目标温度（120℃）下热滚老化16h。2）将试验块在105℃下烘干4h，使用分析天平称重，精确至0.1mg，装入抗磨试验机中，加入老化后的待测钻井液。3）利用力臂加压，折算压力加至10kN，启动仪器，设定转速300r/min，使试压块在钻井液的浸泡中磨损10min。4）将试验块取出，洗净表面残留的钻井液，在105℃烘干4h后称重，计算磨失量及磨失速率。5）仪器洗净后更换其他待测钻井液体系，重复以上步骤。

2.1.2 评价结果

由于目前应用井钻井液体系种类繁多，因此挑选有代表性的清水、饱和盐水钻井液以及高密度钻井液分别研究高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100在不同钻井液体系中的抗磨减阻效果。

2.1.2.1 清水无固相钻井液磨损试验

在清水无固相钻井液中加入不同含量的高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100，以考察金属的磨失速率，试验结果见表1。

表1 抗磨减阻剂在清水无固相钻井液中的效果

2.1.2.2 饱和盐水无固相钻井液磨损试验

在饱和盐水无固相钻井液中加入不同含量的高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100，以考察金属的磨失速率，试验结果见表2。

表2 抗磨减阻剂在饱和盐水无固相钻井液中的效果

从表1和表2的试验结果可以看出，在相同条件下，饱和盐水中的磨失速率要高于清水体系，但是加入0.3%～0.5%的高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100后，基浆对金属磨失的速率大幅度降低，表明该产品具有很强的抗磨减阻作用。

2.1.2.3 高密度钻井液磨损试验

高密度钻井液测试基浆配方如下：4.0%钠土浆+0.8%NaOH+0.1%PAC-HV+1.0%SMP-1+1.0%SYP-1+1.0%PSC-2+0.1%SP-80+1.0%XHL+3.0%KCl+铁矿粉和重晶石（3∶1）至2.30g/cm3。在该基浆中加入不同含量的高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100，其磨失量及磨失速率见表3。

从表3与表1、表2的对比可以看出，在完整的泥浆体系中，由于其他钻井液处理剂的吸附干扰，因此高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100的作用效果要比在清水及盐水体系中差，但在1%加量时仍能降低磨损速率至空白的1/5。

表3 抗磨减阻剂在高密度钻井液中的效果

2.2 高效抗磨减阻剂对专业仪器磨损性能评价

室内评价高效抗磨减阻剂在专业仪器上对钻杆、套管组合和耐磨带下的磨损试验，将试验块及磨块更换为专业仪器部件，压力为10kN，转速100r/min。由于仪器部件为工业品，存在差异性，因此平行试验4次，之后求结果的平均值。

评价试验中采用的钻井液基浆配方如下：3.0%土浆+0.7%CMC+2.5%SMP-2+0.3%PAC+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+铁矿粉加重（密度1.97g/cm3）。对S135钻杆及P110套管组合下的磨损试验结果见表4。

表4 抗磨减阻剂对S135钻杆及P110套管组合的效果

从表4可以看出，加入1%ARDRLUBE-100后，平均每小时失重降低至空白基浆作用下的1/3左右。

现场为保护套管，可在钻杆外壁增加耐磨带，因此研究ARDRLUBE-100对耐磨带及P110套管组合下的磨损试验效果，试验结果见表5。

从表5可以看出，耐磨带自身抗磨性能较好，同时能在一定程度上保护P110套管，空白基浆的磨损速率是钻杆与套管磨损速率的大约1/5。但加入抗磨减阻剂后仍具有较为明显的效果，磨损速率能够再进一步降低一半。因此，采用耐磨带和高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100协同作用，能够将专业仪器的磨损速率降至空白条件的1/10，具有十分明显的效果。

表5 抗磨减阻剂对耐磨带及P110套管组合的效果

2.3 与国外同类产品的对比评价

2.3.1 试验流程

使用EP-极压润滑仪对比评价高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100与国外同类产品，具体流程如下：1）使用清水作为待测液，设定试验仪器参数转速为60r/min，利用力臂在滑块上增加不同的载荷，读取扭矩。2）更换待测液为基浆+3%LUBE167，保持转速不变，测量不同载荷下扭矩。3）利用清水扭矩对体系扭矩进行校正，公式为校正扭矩=体系扭矩×34/清水扭矩，最后使用校正后的扭矩计算摩阻系数。

以上试验的优点是在每次测试体系摩阻系数之前都使用清水进行测量，然后再校正，最大限度降低了试验环境误差对试验结果的影响，因此是国外公认的润滑减阻试剂评价方法。

2.3.2 评价结果

将抗磨减阻剂ARDRLUBE-100与国外常用的LUBE167进行对比，在不同载荷下的扭矩及摩阻系数见表6。从表6可以看出，ARDRLUBE-100在各载荷下的摩阻系数均要小于LUBE167，说明ARDRLUBE-100已达到同类产品的国际先进水平。

表6 ADARLUBE-100与LUBE167摩阻系数对比

2.4 高效抗磨减阻剂室内评价结果

不同体系下对不同摩擦副进行抗磨减阻剂ARDRLUBE-100的效果评价显示，ARDRLUBE-100在清水中效果最好，在0.3%的加量下能将磨失速率降至原先的1‰左右；在饱和盐水中官能团性质稳定，不会出现热滚后水解行为；在钻井液体系中因其他处理剂的吸附干扰，效果略有降低，但仍能将磨失速率降低至空白对照组的1/5。

抗磨减阻剂ARDRLUBE-100对现场仪器中钻杆、耐磨带、套管接触面均具有明显的降低磨失速率的效果。对比国外样品，其在不同载荷下的扭矩均小于同类产品，润滑性能良好。

从室内评价结果看，抗磨减阻剂ARDRLUBE-100效果明显，但是由于钻井过程的复杂性，无法在室内完全反应现场条件，其具体应用效果还需要通过现场试验进行证明。

3 现场应用

M区块A4H井组合三开8-3/8″井眼钻具，钻完水泥塞后开始三开钻进。钻进过程中扭矩逐渐增大，钻遇泥岩段扭矩不断增大，划眼困难。钻进至4530m时扭矩增大至55kN·m，超过钻杆上扣扭矩，现场开始向循环池逐步加入ARDRLUBE-100抗磨减阻剂。

抗磨减阻剂ARDRLUBE-100于4530m开始逐渐加入井浆，加入量为4.0t（近1.5%），正常钻进排量为2400L/min，迟到时间60min。将取样测性能与加入后取样测性能进行对比，结果见表7。

从表7可以看出，在循环系统中按照1.5%左右的加量加入ARDRLUBE-100后，钻井液性能几乎没有变化。加入抗磨减阻剂前后钻井参数见表8。

表7 ADARLUBE-100加入前后钻井液性能对比

表8 ADARLUBE-100加入前后钻井参数对比

从表8可以看出，在钻压、钻速等其余钻井参数均没有变化的情况下，扭矩由46kN·m～51kN·m降低至34kN·m～37kN·m，降低幅度为25%，平均钻速提高了1m/h～5m/h，显示出良好的抗磨减阻效果。加入抗磨减阻剂ARDRLUBE-100后，划眼顺利，起下钻正常。

4 结论

该文通过对高效抗磨减阻剂ARDRLUBE-100的研究得出如下结论：1）室内通过文献调研和理论分析，确定高效抗磨减阻剂的作用机理，采用表面润湿改性、纳涂层、固液复合三大技术手段，确保抗磨减阻剂优良的作用效果。2）通过酯化和缩聚反应合成抗磨减阻剂ARDRLUBE-100，其在清水无固相、饱和盐水无固相、高密度钻井液中均能够明显降低钢材的磨失速率。在钻井液中加入抗磨减阻剂能够降低钻杆及套管4/5的磨失速率。3）和国际上常用的润滑剂LUBE167在不同载荷下的摩阻系数进行对比，ARDRLUBE-100在各载荷下均要优于LUBE167，达到国际先进水平。4）现场应用结果表明，在扭矩增大时加入抗磨减阻剂，能够将扭矩降低25%，可确保钻井工作的安全快速进行。