鉆井液用高效抗磨潤滑劑范文

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摘要:長水平井段高摩阻扭矩及深井高溫高壓環境，對鉆井液潤滑劑的潤滑抗磨能力提出了更高的要求。傳統鉆井液用潤滑劑難以滿足上述技術要求?；凇肮?液”協同高效潤滑技術思路，優選改性植物油MVO-3、改性可膨脹石墨GIC，結合分散劑、乳化劑的優選及制備條件的優化，研制出了一種高效抗磨潤滑劑SDL-1。評價結果表明，5%淡水基漿、4%鹽水漿中加入0.5%SDL-1時，其潤滑系數降低率分別為不小于85%、大于70%。SDL-1與現場鉆井液的配伍性良好，抗溫達150℃，起泡率低，且熒光級別小于5級。銷-盤式摩擦磨損實驗結果表明，SDL-1的抗磨耐磨效果優良，潤滑持效性較好，可有效緩解或解決復雜井高摩阻扭矩技術難題，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞:鉆井液；潤滑劑；改性植物油；改性可膨脹石墨；抗磨耐磨

隨著水平井、深井超深井等特殊工藝井的廣泛應用，長水平井段高摩阻扭矩、深井高溫等復雜工況對鉆井液用潤滑劑提出了較高的技術要求[1-3]?，F場實踐表明，傳統鉆井液潤滑劑大多存在潤滑性不理想、抗磨耐磨持效性差、熒光級別高等復雜問題，無法滿足高摩阻扭矩鉆井工況的技術需求[4-8]。而且，現有鉆井液潤滑劑大多適用于較低溫度（≤120℃）、較低密度（≤1.3g/cm3）環境，高溫、高密度條件下潤滑劑的作用效能顯著降低，且存在起泡率較高等問題；同時，當前潤滑劑制備原材料大多采用礦物油、植物油等，普遍存在熒光級別高的問題，且高溫條件下液相油膜的抗磨耐磨效果普遍不理想，需要不斷加入大量潤滑劑以維護鉆井液潤滑性能，增加了作業成本；此外，現有潤滑極壓劑大多含硫磷等元素，對環境影響較大，限制了推廣使用[9-17]，因此迫切需要研制一種適用于高摩阻扭矩、高溫環境的高效抗磨型鉆井液用潤滑劑。針對目前鉆井液潤滑劑普遍存在的抗磨性能不理想、持效性差等問題，基于“固相-液相”協同潤滑增效的研究思路，室內通過多種基礎油性能綜合評價、石墨類固體潤滑材料特性分析及環保型潤滑改性劑實驗的優選，在制備工藝條件優化基礎上，研制出了低熒光、高效抗磨型鉆井液復合潤滑劑SDL-1，為解決高摩阻扭矩、高溫復雜條件下安全高效鉆井提供技術支撐。

1潤滑劑SDL-1的制備

植物油通常具有雙重吸附特性，可形成“物理邊界膜-化學反應膜”而起到良好的潤滑效果，但其存在抗溫、承載能力不足的缺點。普通石墨材料廣泛用作鉆井液潤滑劑，通常具有承載能力強的特點，但單一使用時仍存在潤滑性能不理想、易篩除等不足?；谥参镉秃褪滔酀櫥牧系奶攸c，將優選出的改性植物油和可膨脹石墨復配，通過分散劑（分光光度法）、乳化劑（HLB法）優選及制備條件優化，制備出復合乳化潤滑劑SDL-1。

1.1基礎油的優選室內選取了多種植物油脂MVO，經過高溫改性處理后，按照相關參數測試方法，考察了其主要性能（見表1）。由表1可知，改性植物油MVO-3的流動性較好，閃點較高，熒光級別低，且具有良好的自潤滑性，綜合性能較優，因此優選MVO-3作為制備潤滑劑的基礎油。

1.2改性可膨脹石墨特性分析1.2.1膨化微觀結構改性可膨脹石墨GIC是在酸性條件下，采用插層制備法得到[18-19]。GIC顆粒尺寸為微米級別，具有較大的比表面積，在一定程度上提高了其在金屬表面的吸附能力，同時由于在酸性條件下制備，呈正電性，可加強在鉆具和黏土表面的吸附成膜作用。GIC膨脹前后的微觀晶體結構見圖1?？芍?，GIC膨脹前呈片層狀石墨結構，片層較薄且致密，在井底溫度條件下可起到片層狀石墨潤滑減磨效果；GIC膨脹后呈現出厚筒狀片層結構，當井下溫壓達到一定程度時，可在管柱井壁接觸面上形成物理吸附膜而起到較好的潤滑作用，提高了潤滑劑的抗溫、耐溫性能。GIC的膨脹性能與溫度密切相關，因此，進一步實驗探究了GIC膨脹性能隨溫度的變化關系。1.2.2膨脹容積隨溫度變化關系參考GB10698—89標準，測定了GIC樣品在不同溫度下的膨脹容積（指單位質量的可膨脹石墨在一定溫度下膨脹后的體積），結果見圖2。圖2改性可膨脹石墨GIC膨脹容積隨溫度的變化關系由圖2可知，隨著膨化溫度的升高，GIC的膨脹容積逐漸增大。在井下循環過程中，GIC微?？呻S著溫度升高而呈現出良好的彈性可膨脹效果，溫度適應性較好。1.2.3分散劑優選采用Bettersize2000激光粒度分析儀測定了GIC微粒的粒度分布。結果表明，GIC粒度D50為61.64μm，粒徑主要分布在40～100μm之間，具有合理的粒度級配，可達到不同的膨脹體積梯度，有利于形成致密極壓吸附膜。目前，室內常用表征分散劑分散性能的方法主要有沉降體積法、光學測定法、流變性測定法、電鏡法等[20]。由于GIC微粒本身顏色深及著色強度較強，因此采取分光光度法考察不同分散劑對GIC的分散效果（見圖3）。可知，高分子聚合物PMA、CMC對GIC微粒的分散效果較好，且加量較小即可使溶液吸光度趨于穩定。SP20溶液的吸光度值雖然較大，但加量偏大。實驗現象表明，可膨脹石墨GIC在SP20溶液中的分散效果較差，攪拌時間較長。主要是高分子聚合物分子鏈在石墨材料微小顆粒表面呈多點接觸，容易包裹在石墨微粒表面。石墨微粒本身具有較高的表面活性，微粒間引力大于斥力，容易發生團聚。當微粒被高分子包裹后，極性端在微粒表面充分吸附，非極性端在溶劑中伸展，在微粒表面形成一層保護膜，可以較好地避免微粒碰撞團聚和重力沉降現象發生，起到分散穩定作用。而SDA、TW80、TW60等低分子量分散劑由于在石墨微粒表面大多呈單點吸附狀態，從而易被水溶劑分子頂替，對石墨微粒的分散效果也就不如高分子。因此，實驗選取高分子聚合物PMA和高分子CMC作為分散劑，且優選PMA與CMC質量比為1.00～1.25。

1.3潤滑劑制備條件優化1.3.1乳化方式目前常用的乳化方法包括以下幾種：劑在油中法、劑在水中法、瞬間成皂法、混合膜生成法和輪流加液法[21]。根據實驗條件、材料特性及乳化方式的特點，室內選擇“混合膜生成法”，以形成狀態穩定的油包水型乳液。1.3.2乳化HLB值及最佳乳化劑組合乳化劑乳化效果的好壞直接影響著鉆井液用潤滑劑的使用效果。實驗選取HLB值較小的親油性乳化劑SP80（HLB=4.3）和HLB值較大的親水性乳化劑SDA（HLB=40）作為乳化劑組合，探討乳化最佳HLB值。實驗參數如下：MVO-3改性植物油60g，GIC加量為1.5g，一定量的分散劑PMA和CMC。分別測試溶液離心后上層清液的吸光度及分離水量，實驗現象及測試結果見表2。結果表明，當HLB值為13.2時，分離水量相對較小，吸光度較大，乳化效果較好。因此，選取HLB最佳值為13.2。在此基礎上分別選取了多種乳化劑組合，考察了不同乳化劑組合作用下乳液狀態及靜置沉降的穩定性。結果表明，乳化劑組合SDA和SP80質量比為1∶3時的乳化效果較優，且乳化劑加量較?。ㄙ|量分數為25%的SDA溶液8.0mL，SP80為6g）1.3.3乳化制備條件實驗優化對制備潤滑劑的工藝條件如攪拌設備、乳化時間、乳化溫度等進行實驗考察。結果表明，在600～1000r/min攪拌條件下，乳化時間為2～4h、乳化溫度為45～50℃，所制得潤滑劑的穩定性較好，潤滑性能優良。通過室內進行正交實驗進一步優化，得到室內較優潤滑劑SDL-1配方及制備工藝條件：植物油MVO-3與改性可膨脹石墨GIC質量比為38～40、植物油MVO-3與乳化劑組合（SDA與SP80質量比為0.2～0.3）及分散劑組合（PMA與CMC質量比為1.00～1.25）的質量比為60∶8∶0.45；攪拌速度為600～1000r/min，乳化時間為2～4h、乳化溫度為45～50℃。

2潤滑劑SDL-1性能實驗評價

2.1理化性能參考Q/SY1088—2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》，評價了SDL-1的主要理化性能，結果見表3。結果表明，SDL-1的理化性能均滿足現場潤滑劑使用基本要求，且熒光級別較低。此外，SDL-1的主要原材料為環保、可降解材料，可有效減輕或避免對環境的污染。

2.2潤滑性能對比評價室內選取常用性能較優的聚合醇類RHJ-1、植物油類RH-2、礦物油類RHJ-3及復合表面活性劑類RH-4及可膨脹石墨GIC等5種鉆井液潤滑劑，采用EP極壓潤滑儀和GNF高溫高壓黏附系數測定儀，對比評價不同潤滑劑在淡水基漿和4%鹽水基漿中的潤滑性能（見表4）。由表4可知，淡水基漿或4%鹽水漿中加入0.5%SDL-1后潤滑性能均滿足現場鉆井液潤滑劑使用基本要求；而且相同潤滑劑加量條件下，SDL-1的潤滑性能優于其他潤滑劑。

2.3抗溫性能評價由表5可知，加入0.5%SDL-1后，實驗基漿熱滾前的流變性能較基漿變化較小，密度變化值僅為0.02g/cm3，表明SDL-1與膨潤土漿的配伍性較好；隨著熱滾溫度的升高，實驗漿的潤滑系數降低率呈下降趨勢，但150℃、16h熱滾后實驗漿的潤滑系數降低率仍大于80%，表明SDL-1可抗溫150℃；此外，加入SDL-1實驗漿熱滾前后的API濾失量較基漿均有所降低，說明SDL-1兼顧一定的降濾失效果。

2.4抗磨減摩性能室內采用MMW-1萬能摩擦磨損試驗機，基于銷-盤摩擦副結構，模擬鉆井液浸泡條件下[22]，考察了不同摩擦磨損時間下實驗漿的摩擦系數。實驗條件：摩擦副均采用N80鋼材（套管鋼），實驗載荷為100N，測試溫度為80℃，轉速為450r/min。結果見圖4。結果表明，隨著摩擦磨損時間的增加，加樣漿的摩擦系數變化較小，長磨60min后實驗漿的摩擦系數仍能穩定為0.072～0.084；而基漿的摩擦系數則顯著增大，長磨60min后基漿的摩擦系數大于0.250。加入SDL-1實驗漿的摩擦系數降低率可達65%，潤滑減摩效果顯著，持效性優良。按照體積磨損率計算公式[23]（見式（1）），計算長磨60min后基漿和實驗漿的盤磨損率。式中，I為磨損率，mm3/（N•m）；Δm為盤的質量變化值，g；ρ為盤的密度，g/cm3；F為載荷，N；D為滑動摩擦距離，m。計算結果表明，膨潤土基漿浸泡條件下，盤長磨60min后的磨損率達到8.53×10-11mm3/（N•m），而加樣漿浸泡條件下盤的磨損率僅為5.48×10-13mm3/（N•m），磨損率降低率達到99.36%。由此可看出，SDL-1具有顯著的抗磨減摩效果，現場試驗過程中可有效減小鉆柱磨損，起到良好的抗磨減摩效果。

3結論

1.改性植物油MVO-3具有良好的雙重吸附特性，流動性較好，且具有良好的自潤滑性；改性膨脹石墨GIC具有復合片層狀結構，比表面積小，吸附能力強，在井底溫度和壓力下易形成彈性膨化片層，進而吸附在金屬表面形成致密膨化潤滑膜，可起到良好的協同增效潤滑效果。2.基于優選的改性植物油MVO-3和改性可膨脹石墨GIC為主要原材料，采用“混合膜生成法”，研制出了高效抗磨型鉆井液用潤滑劑SDL-1，潤滑性能優于常用同類潤滑劑產品，熒光級別低，起泡率較小，可抗溫150℃，且環保性能好。3.潤滑劑SDL-1加量僅為0.5%時，相同實驗條件下加樣漿的摩擦系數降低率即可達65%以上，長磨60min后盤的磨損率降低率超過99%，表現出了優異的高效抗磨減摩特性，尤其適用于高摩阻扭矩及高溫深井復雜工況條件下的鉆井作業。

作者：劉云峰 邱正松 楊鵬 鐘漢毅 黃維安 趙欣 單位：中國石油大學