高性能环保水基钻井液润滑剂的研制及应用

张 强

中国石化石油工程技术服务股份有限公司，北京 100020

随着深井、长裸眼段水平井和页岩气井等复杂井的相继开发，对减小井下摩阻提出了更高的要求［1-2］。在井身结构方面，水平段越来越长，三维定向井不断增多，钻具同井壁接触面积大，对摩阻控制要求高；在工艺工具方面，为提高目的层钻遇率，部分区块全程使用旋转导向，该工具刚性强、直径大，钻进过程中对摩阻控制要求高；在地层方面，页岩气井地层压力系数越来越大，必须使用高温高密度钻井液，该类钻井液的润滑性控制成为难题之一。钻井工程和地质的新变化都会造成井下摩阻增大，摩阻与井下安全之间的矛盾愈发突出，极易造成下钻遇阻、憋扭矩和卡钻等井下复杂，严重影响钻井效率［3-4］。油基钻井液由于其优良的润滑性能成为该类地层的首选，但近年来随着国家环保要求越来越严格，而且前期大量使用油基钻井液引起的油基钻屑处理压力大、新区块探井未能及时配套油基钻屑处理设备等问题，限制了油基钻井液的大规模使用［5-7］，因此满足安全施工需求的高效润滑水基钻井液逐渐成为一个重要选择［8-10］。

目前，向水基钻井液中添加优质润滑剂来降低井下摩阻，是预防和解决钻井安全问题的主要技术手段之一。润滑剂在降低钻具与井壁之间的摩擦、减小钻进扭矩和起下钻摩阻中起到关键作用。从水基钻井液润滑剂的发展现状来看，固体类润滑剂不仅影响固控，而且通常难以降解，容易造成环境污染和储层损害，制约了其在水平井中的应用。对环境污染严重且具有荧光效应的原油和柴油类传统润滑剂的应用受限，同时植物油类润滑剂也存在影响钻井液流变性、易起泡和易消耗等缺点，在高温高密度条件下上述问题尤其突出。因此，基于研发抗高温且配伍性好的环保型高性能液体润滑剂的思路，本研究选择绿色环保的淀粉水解产物葡萄糖为原料，通过适当的分子修饰，保持产品合适的亲水和疏水基团，通过缩合、磺化和胺化等一系列化学反应，使产品在润滑环保的同时，兼顾抗高温、不起泡和配伍性优势［11-15］，以期该材料的发展促进钻井液处理剂升级换代且符合绿色发展的趋势。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

葡萄糖、磺化试剂、钠膨润土均为工业品，四川省达州市普光区块现场；桥接剂、多元醇、多烷基醇胺、催化剂均为分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；JHC-1润滑剂，郑州晶元化工公司。

ZNCL-TS 型恒温磁力搅拌器，河南爱博特科技公司；六速旋转黏度计、XGRL-4A 型高温滚子加热炉、GJS-B12K 变频高速搅拌机、EP-2A 型极压润滑仪，青岛海通达专用仪器厂。

1.2 制备方法

按一定比例将葡萄糖、醇和催化剂在一定温度条件下反应后得到中间产物1。中间产物1 和一定比例的桥接剂、多元醇和磺化试剂加入配有冷凝回流装置和搅拌装置的四口烧瓶中，升温至90～105 ℃，反应1.0～2.0 h 后，继续在上述反应液中加入一定比例多烷基醇胺，搅拌混合均匀后，在70～90 ℃下反应3.0～5.0 h，降至室温，得到红褐色黏稠状液体，即为高性能环保润滑剂产品。

1.3 性能评价

对制备得到的产品取样，进行润滑性能、抗温性能、配伍性能和生物毒性的评价。

1）润滑性能：在钠膨润土浆（质量分数为5.0%）中加入不同质量分数的产品，采用EP-2A型极压润滑仪测试其润滑性能。

2）抗温性能：在钠膨润土浆（质量分数为5.0%）中加入1.0%的产品，不同温度老化后，采用EP-2A型极压润滑仪测试其润滑性能。

3）配伍性能：在钠膨润土浆（质量分数为5.0%）中加入不同质量分数的产品，采用六速旋转黏度计等测试其流变性能和滤失性能。

4）生物毒性评价：依据GB/T 15441—1995，采用发光细菌法测试产品的生物毒性［16］。

2 结果与讨论

2.1 润滑性能

在钠膨润土浆（质量分数为5.0%）中加入不同质量分数的高性能环保润滑剂产品，160 ℃加热滚动16 h，测试其润滑性能，结果见图1。由图1 可知：高性能环保润滑剂产品在5.0%钠膨润土浆中表现出较好的润滑性能，随着加量增大，钠膨润土浆的润滑系数呈降低趋势。当产品加量为0.5%时，钠膨润土浆的润滑系数降低率达70%以上；当产品加量为2.0%时，钠膨润土浆的润滑系数降低率达85%以上。

图1 不同加量产品对钠膨润土浆润滑系数降低率的影响

2.2 抗温性能

在不同老化温度条件下，对加量为1.0%的产品在5.0%钠膨润土浆中的润滑性能进行了测试评价，不同温度加热滚动16 h，结果见表1。由表1可知：随着老化温度的升高，产品在5.0%钠膨润土浆中的润滑系数呈逐渐升高趋势，但润滑系数降低率在200 ℃高温老化后仍大于65%。

表1 不同老化温度下产品对钠膨润土浆的润滑系数降低率

2.3 配伍性能

考察不同加量的产品对5.0%钠膨润土浆的流变性能及滤失性能的影响，160 ℃加热滚动16 h，结果见表2。由表2 可知：随着产品加量的增大，表观黏度（AV）基本无变化，中压滤失量（FLAPI）明显降低，说明产品对5.0%钠膨润土浆流变性能影响不大，同时具有明显的降滤失作用。与基浆相比，加入1.0%产品，其表观黏度变化值仅为1.0 mPa·s，中压滤失量降低值达7.0 mL，说明该产品与基浆的配伍性良好，降滤失性能突出。

表2 不同加量产品对钠膨润土浆的流变及滤失性能影响结果

2.4 生物毒性

采用发光细菌法测试产品的生物毒性，测试结果显示，工业化产品样品的半数效应浓度（EC50）为481.4 g/L，远高于排放标准30 g/L（GB/T 15441—1995《水质 急性毒性的测定 发光细菌法》），说明产品无生物毒性，绿色环保。

2.5 现场试验效果

产品在普光和川西等多口井现场试验，表现出良好的润滑效果。以普光区块QXX 平X 井为例，该井完钻井深6 490 m，井底静止温度140 ℃，最大井斜89.58°，钻至茅口组，实钻密度达2.11 g/cm3。利用X 井现场钻井液，评价本产品与现场钻井液的配伍性，结果见表3。由表3可知：常规润滑剂（JHC-1）加入钻井液中会引起黏度升高，导致流型难以控制，加入本研究制备的产品后现场钻井液的流变性能稳定。

表3 现场小型试验结果

本井钻至5 664 m，钻井液密度2.10 g/cm3，井下定向有托压现象，向聚磺井浆中加入1.0%本研究制备的产品，入井前后井浆性能变化见表4。由表4 可知：加入制备的产品后，井浆流变性能稳定，托压现象消除，摩阻和扭矩均有降低，表明产品具有良好的润滑性能。

表4 现场应用测试结果

3 结论

1）克服传统水基钻井液润滑剂的不足，创新研制出了一种水溶性的、配伍性好的高性能环保水基钻井液润滑剂。

2）室内评价结果表明：产品具有突出的抗高温润滑性能，且配伍性好，无毒环保。160 ℃高温老化16 h，添加质量分数为2.0%的产品，润滑系数降低率达85%以上，200 ℃仍有较好的润滑效果，适用于环境敏感区域、高温高摩阻地层的润滑防卡。

3）现场应用结果表明：产品可较好地解决现场施工过程中的定向托压等问题，相同加量下，润滑性能和配伍性能更优，具有较好的推广应用前景。