王琳， 董曉強(qiáng)， 楊小華， 薛玉志， 李濤（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

王琳等.高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1的研制及性能評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：28-32.

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高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1的研制及性能評(píng)價(jià)

王琳， 董曉強(qiáng)， 楊小華， 薛玉志， 李濤
（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

王琳等.高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1的研制及性能評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：28-32.

摘要針對(duì)高密度鉆井液對(duì)潤(rùn)滑性能的要求，采用多元醇、含雙鍵的長(zhǎng)鏈脂肪酸、礦物原料等為原料合成一種高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1，其為一種接入具有極壓抗摩能力化學(xué)元素的大分子酯。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，潤(rùn)滑劑SMJH-1加量為1%、2%和3%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率為24.2%、33.6%、38.3%，具有良好的潤(rùn)滑性，抗溫達(dá)180 ℃，抗鹽達(dá)30%，對(duì)密度為1.4～2.0 g/cm3的高密度鉆井液在150 ℃、16 h老化前后流變性能影響較小，并有助于高溫高壓濾失量的控制。SMJH-1通過(guò)物理化學(xué)吸附作用和側(cè)向黏附力在鋼質(zhì)表面形成固態(tài)膜，增強(qiáng)表面的疏水性，控制流動(dòng)界面內(nèi)的固有渦流，減少摩阻壓力。該潤(rùn)滑劑在元陸601H和元陸31井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，取得較好的潤(rùn)滑效果。

關(guān)鍵詞高密度鉆井液；潤(rùn)滑劑；鉆井液添加劑；高溫；抗鹽；合成

Development and Evaluation of a High Density Drilling Fluid Lubricant

WANG Lin, DONG Xiaoqiang, YANG Xiaohua, XUE Yuzhi, LI Tao
(Research Institute of Petroleum Engineering, Sinopec, Beijing 100101,China)

Abstract A high density drilling fluid lubricant, SMJH-1, was developed using polyalcohol, long-chain fatty acids with double bonds in their molecules, and natural minerals. SMJH-1 is a high molecular weight ester with ability to reduce extreme pressure friction. Drilling fluids treated with 1%, 2% and 3% SMJH-1 have coefficient of friction reduced by 24.2%, 33.6% and 38.3%, respectively. SMJH-1 functions at 180 ℃ and in drilling fluids contaminated with 30% salt. SMJH-1 reduces the HTHP filter loss of drilling fluids with density between 1.4 g/cm3and 2.0 g/cm3, while only slightly affects their rheology. SMJH-1 can spread on the surface of steel, forming a solid film by physico-chemical adsorption and lateral adhesion, hence enhancing the hydrophobicity of the surface and controlling the vortices in the flowing fluid. In this way the friction between fluid and solid surface is reduced. SMJH-1 has been tried in the drilling of the Well Yuanlu-601H and Yuanlu-301, and proved successful.

Key words High density drilling fluid; Lubricant; Drilling fluid additive; High temperature; Salt resistant; Synthesis

隨著大位移井、 水平井以及深井、 超深井的鉆探力度不斷加強(qiáng)， 潤(rùn)滑與井下安全之間的矛盾越來(lái)越突出。在造斜段、水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)摩阻大、托壓嚴(yán)重。特別是鉆井液密度較高時(shí)具有流變性控制難度大、固相含量高、摩阻大的特點(diǎn)[1-3]，其流變性和潤(rùn)滑性能控制不好極易造成鉆井事故。此時(shí)如果不對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性能進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，會(huì)給安全鉆進(jìn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患[4]。常規(guī)潤(rùn)滑劑在高密度鉆井液中易造成體系黏度增大，在高密度鉆井液中潤(rùn)滑效果出現(xiàn)明顯下降。因此研制一種對(duì)體系黏度影響小、潤(rùn)滑效果優(yōu)良的潤(rùn)滑劑對(duì)高壓地層的安全鉆進(jìn)尤為重要[5-7]。

1　高密度鉆井液潤(rùn)滑劑SMJH-1研制

1.1 研制思路

高密度鉆井液固相含量高，且流變性不易控制，要求潤(rùn)滑劑在鉆具、井壁及套管上強(qiáng)吸附，形成抗壓能力強(qiáng)的潤(rùn)滑膜，有效降低摩擦系數(shù)，而且對(duì)鉆井液流變性影響要小。基于以上要求，潤(rùn)滑劑組分及分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路為：①合成含有不飽和雙鍵的大分子酯，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接入具有極壓抗摩能力的化學(xué)元素，以提高在鋼質(zhì)鉆具表面的吸附能力，在鉆具表面形成一定厚度的疏水性隔離膜，減小鉆井液流動(dòng)阻力，且在高極壓下能夠發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，以形成金屬皂形式的固態(tài)極壓潤(rùn)滑膜。②優(yōu)選一定HLB值的復(fù)合乳化劑，并加入降低乳化劑起泡性的組分以及具有稀釋能力的組分，使極壓潤(rùn)滑組分在鉆井液中均勻分散，減低對(duì)高密度鉆井液流變性的影響[8-10]。

1.2 合成

高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1采用多元醇、含雙鍵的長(zhǎng)鏈脂肪酸、 礦物原料、 乳化劑、 消泡劑等為原料。第一步制備含有不飽和雙鍵的大分子酯， 第二步對(duì)制備的大分子酯進(jìn)行改性反應(yīng)， 接入具有極壓抗摩能力的化學(xué)元素， 然后加入復(fù)合乳化劑、 消泡劑等原料， 制得深棕紅色液體的潤(rùn)滑劑SMJH-1。在合成過(guò)程中用氮?dú)獯祾吒獌?nèi)， 防止反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生氧化交聯(lián)。

2　室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

1）原料：鈉膨潤(rùn)土，勝利油田博友泥漿技術(shù)有限責(zé)任公司；重晶石，四川安縣華西礦粉有限公司，密度4.2 g/cm3。

2）儀器：DQJ型攪拌機(jī)，青島同春石油儀器有限公司；Fann 35SA型六速黏度計(jì)、21200型極壓潤(rùn)滑儀，美國(guó)Fann公司；GNF型高溫高壓黏附儀、SD-4型中壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器廠。

3）按照標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1088—2012《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》計(jì)算潤(rùn)滑系數(shù)、潤(rùn)滑系數(shù)降低率以及黏附系數(shù)降低率。

2.2 SMJH-1對(duì)鉆井液流變性和潤(rùn)滑性的影響

在密度為1.40、 1.70、 2.00、 2.30和2.60 g/cm3的高密度鉆井液基漿中加入2%潤(rùn)滑劑SMJH-1（用量以高密度基漿或鉆井液的體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，下同），考察其對(duì)不同密度鉆井液流變性和潤(rùn)滑性的影響。高密度基漿配方：2%鈉膨潤(rùn)土+0.5%PAC-LV+適量重晶石。在5種不同密度基漿中，2.30 g/cm3基漿+ SMJH-1體系以及2.60 g/cm3基漿的表觀黏度大于150 mPa·s，在圖中未能標(biāo)出。除此之外，與未加潤(rùn)滑劑的基漿相比，加入潤(rùn)滑劑后未老化的體系黏度出現(xiàn)不同程度的增加，而高溫老化后體系的黏度基本相近。為了室內(nèi)模擬研究潤(rùn)滑劑在鉆桿與套管之間的潤(rùn)滑作用，利用極壓潤(rùn)滑儀考察兩鋼表面之間的潤(rùn)滑系數(shù)。潤(rùn)滑系數(shù)值越小表示2者之間的摩阻越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1　2%SMJH-1在不同密度基漿中的流變性能（150 ℃、 16 h）

圖2　2%SMJH-1在不同密度基漿中的流變性能（150 ℃、 16 h）

圖3　2%SMJH-1在不同密度基漿中的潤(rùn)滑性能

如圖3所示，SMJH-1在不同密度基漿中的潤(rùn)滑效果可以看出，老化前潤(rùn)滑劑在不同密度基漿中的潤(rùn)滑性能較穩(wěn)定；老化后的潤(rùn)滑系數(shù)隨著基漿密度的升高出現(xiàn)明顯下降，相應(yīng)的潤(rùn)滑系數(shù)降低率也出現(xiàn)明顯升高，這說(shuō)明潤(rùn)滑劑SMJH-1在高密度鉆井液體系中具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。

2.3 SMJH-1抗溫性能評(píng)價(jià)

將2%SMJH-1加入密度為2.0 g/cm3的鉆井液基漿中， 測(cè)定經(jīng)過(guò)120、 150和180 ℃老化16 h后的黏度和潤(rùn)滑性能， 如表1所示?；鶟{配方如下。

1#1.7%膨潤(rùn)土+2%SMP-2+2%SMC+2% SMS-19 +2.5%SML-4+1%KOH+重晶石，密度為2.0 g/cm3

由表1可知， 與高密度鉆井液基漿性能相比，加入2%SMJH-1經(jīng)高溫老化前后的表觀黏度和塑性黏度均有所下降；且隨老化溫度的增加，體系的潤(rùn)滑系數(shù)也逐漸下降， 這說(shuō)明潤(rùn)滑劑SMJH-1具有良好的高溫潤(rùn)滑性能， 而且對(duì)該密度下的鉆井液不產(chǎn)生增黏作用。

2.4 SMJH-1濃度對(duì)高密度鉆井液性能的影響

在密度為2.0 g/cm3的基漿中加入不同濃度的潤(rùn)滑劑SMJH-1，考察不同加量SMJH-1對(duì)高密度鉆井液流變性和潤(rùn)滑性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖4。

體系的潤(rùn)滑效果用極壓潤(rùn)滑系數(shù)和濾餅的黏附系數(shù)降低率來(lái)評(píng)價(jià)。體系流變性測(cè)試結(jié)果可以看出，在1.0%～3.0%SMJH-1濃度范圍內(nèi)，含潤(rùn)滑劑的高密度鉆井液基漿的表觀黏度和塑性黏度與未加潤(rùn)滑劑的基漿相比出現(xiàn)略微降低，而且體系的中壓和高溫高壓濾失量隨潤(rùn)滑劑的加入有所降低，表明潤(rùn)滑劑不會(huì)對(duì)高密度鉆井液基漿產(chǎn)生增黏作用，而且有助于濾失量的控制。從圖4潤(rùn)滑測(cè)試結(jié)果可以得出，高密度鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)隨SMJH-1濃度的增加而逐漸下降，濾餅的黏附系數(shù)降低率也迅速升高，繼續(xù)增大SMJH-1加量至3%時(shí)，體系的潤(rùn)滑系數(shù)迅速降低，說(shuō)明潤(rùn)滑劑在高密度鉆井液體系中具有優(yōu)良的潤(rùn)滑效果。

表2　SMJH-1加量對(duì)高密度鉆井液性能的影響

圖4　SMJH-1濃度對(duì)高密度鉆井液潤(rùn)滑效果的影響

2.5 SMJH-1抗鹽性能評(píng)價(jià)

進(jìn)一步考察了潤(rùn)滑劑SMJH-1在10%NaCl以及30%NaCl鉆井液中的性能，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，分別向10%以及30%NaCl鉆井液中加入2%SMJH-1后，體系黏度略微增加，但中壓失水和極壓潤(rùn)滑系數(shù)均明顯減小，表明SMJH-1具有良好的抗鹽能力。

表3　SMJH-1在含鹽高密度鉆井液體系中效果評(píng)價(jià)

2.6 SMJH-1潤(rùn)滑機(jī)理分析

SMJH-1中具有表面活性的組分通過(guò)物理吸附和化學(xué)吸附到鉆具的表面并在表面聚集，分子中的極壓元素與鋼鐵表面的鐵原子間以配位鍵形式形成強(qiáng)吸附，其極性端借助范德華力吸附在鋼制的鉆具表面，潤(rùn)滑劑中油類組分的碳?xì)滏湻菢O性端鏈間由于側(cè)向黏附力形成強(qiáng)的固態(tài)膜[11-12]。在經(jīng)過(guò)2%鈉膨潤(rùn)土漿及含有1%SMJH-1潤(rùn)滑劑的鈉膨潤(rùn)土漿浸泡后，水在鋼表面的接觸角由31.0°升高至70.0°，表明潤(rùn)滑劑SMJH-1造成鋼片表面疏水性程度增大，該結(jié)果表明潤(rùn)滑劑SMJH-1具有較強(qiáng)的使鋼質(zhì)表面疏水性增強(qiáng)的能力。這種能力是由SMJH-1的有效成分在金屬表面形成附著的疏水烴化物層造成的。通過(guò)形成疏水的邊界層，改變鉆井液的流動(dòng)界面，使鉆井液在鉆桿、套管和地層表面流動(dòng)時(shí)管道流動(dòng)界面內(nèi)的固有渦流得到控制，從而減少摩阻壓力。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 在元陸601H井的應(yīng)用

元陸601H井是中石化在川東北九龍山背斜西翼近軸部的一口開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)水平井。該井四開(kāi)鉆至斜深為5 480 m，垂深為4 578.05 m提前完鉆，井斜86°。該井高密度鉆井液具有流變性控制和維護(hù)處理難度大、潤(rùn)滑性要求高的特點(diǎn)。如表4所示，向現(xiàn)場(chǎng)密度為2.20 g/cm3的高密度鉆井液中添加1%高密度鉆井液分散劑SMS-19和2%潤(rùn)滑劑SMJH-1后，體系漏斗黏度由67 s降為61 s和65 s，濾失量由2.6 mL降為2.0 mL和1.8 mL，加SMJH-1前后井漿的潤(rùn)滑系數(shù)由0.11降至0.08，體系的流變性能、濾失量以及潤(rùn)滑性能均得到了顯著改善。

表4　元陸601H井高密度鉆井液性能

3.2 在元陸31井的應(yīng)用

元陸31井是中石化南方公司部署在川東北元壩中部斷褶帶九鎮(zhèn)構(gòu)造一口預(yù)探井，井深為5 220 m，三開(kāi)自流井組鉆井液密度高、 流變性差、摩阻大。在鉆遇自流井組東岳廟段， 鉆井液密度為2.18 g/cm3，用0.5%分散劑SMS-19和1.5%高密度鉆井液潤(rùn)滑劑SMJH-1處理鉆井液，鉆井液性能見(jiàn)表5。如表5所示，循環(huán)后鉆井液塑性黏度從39 mPa·s降低至35 mPa·s，鉆井液摩擦系數(shù)從0.15降低至0.12，鉆井液的流變性和潤(rùn)滑性得到顯著改善，而其他性能沒(méi)有受到不良影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得良好效果。

表5　元陸31井高密度鉆井液性能

4　結(jié)論

1.采用多元醇、含雙鍵的長(zhǎng)鏈脂肪酸、礦物原料、乳化劑、消泡劑等為原料，在高溫下反應(yīng)制備出高密度鉆井液用潤(rùn)滑劑SMJH-1。

2.潤(rùn)滑劑SMJH-1通過(guò)物理和化學(xué)吸附作用在鉆具表面聚集，同時(shí)組分中的碳?xì)滏溚ㄟ^(guò)側(cè)向黏附力形成固態(tài)膜，增強(qiáng)鋼質(zhì)表面的疏水性，控制流動(dòng)界面內(nèi)固有渦流，減少摩阻壓力。

3.研制的潤(rùn)滑劑SMJH-1在高密度鉆井液中具有良好的潤(rùn)滑作用，對(duì)體系的流變性能影響較小，且具有一定的抗高溫及抗鹽能力，在元陸601H井和元陸31井取得較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期（2015-9-15；HGF=1506M10；編輯 馬倩蕓）

作者簡(jiǎn)介：第一王琳， 高級(jí)工程師， 1970年生， 1995年畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院有機(jī)合成專業(yè)， 2004年獲中國(guó)科學(xué)院物理化學(xué)博士學(xué)位， 主要從事鉆井液及處理劑的研究工作。電話 （010）84988202；E-mail：wanglin.sripe@sinopec.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油化工股份有限公司科技部項(xiàng)目“改善高密度鉆井液流變性關(guān)鍵技術(shù)研究”（P11049）資助。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.006

中圖分類號(hào)：TE254.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）01-0028-05