白財(cái)遠(yuǎn) 毛馨悅 李建輝 楊定橋

摘 要：在石油鉆井作業(yè)中，不同工況作業(yè)下鉆頭、鉆具與井壁產(chǎn)生各種摩擦，造成設(shè)備磨損、摩阻增大，進(jìn)一步增加井下風(fēng)險(xiǎn)。為了減少、井下風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)械零部件在運(yùn)行中因摩擦而產(chǎn)生的能量損失及設(shè)備損壞，世界各國積極研制各種用以降低摩擦阻力、減緩其磨損的潤滑介質(zhì)，即鉆井液潤滑劑，以達(dá)到潤滑減阻的目的。

關(guān)鍵詞：鉆井液；減阻；潤滑劑；鉆井工藝

1 摩擦的概述

當(dāng)物體與另一物體沿接觸面的切線方向運(yùn)動(dòng)或有相對運(yùn)動(dòng)的摩擦趨勢時(shí)，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運(yùn)動(dòng)的作用力，這種力叫摩擦力。接觸面之間的這種現(xiàn)象或特性叫“摩擦”。摩擦有利也有害，但在多數(shù)情況下是不利的，例如，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦，造成能量的無益損耗和機(jī)器壽命的縮短，并降低了機(jī)械效率。因此常用各種方法減少摩擦。

2 造成摩阻的因素

在鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象較為復(fù)雜，影響因素涉及到：

（1）鉆柱、套管、地區(qū)、井壁泥餅表面的粗糙度；

（2）表面的塑性；

（3）施加的負(fù)荷；

（4）流體的粘度；

（5）流體內(nèi)固相顆粒的大??；

（6）不同流體滲透過壓力表面所承受的負(fù)荷；

（7）井壁泥餅的潤滑性；

（8）井斜角；

（9）鉆柱部分重量；

（10）靜態(tài)與動(dòng)態(tài)濾失效應(yīng)等。

可以認(rèn)為，鉆井工程中的摩擦是混合摩擦，即部分接觸面為邊界摩擦，另一部分為流體摩擦。在高負(fù)荷表面上，塑性表面的邊界摩擦更為突出。影響阻力的因素有10多種，但其大小主要取決于鉆具和井壁的接觸面積。

3 鉆井液用潤滑劑

3.1鉆井液潤滑劑概述

鉆井液潤滑劑（Lubricant for drilling fluid）主要用來降低鉆井液的流動(dòng)阻力和濾餅?zāi)ψ柘禂?shù)，減少鉆頭扭矩井提高其水馬力，以防粘卡的處理劑。

根據(jù)美國石油協(xié)會（API）2006年鉆井液處理劑分類方法，可知鉆井液處理劑分為：降濾失劑、增黏劑、乳化劑、頁巖抑制劑、堵漏材料、降黏劑、腐蝕抑制劑、表面活性劑、潤滑劑/解卡劑、加重劑、殺菌劑、消泡劑、泡沫劑、絮凝劑、除鈣劑、pH控制劑、高溫穩(wěn)定劑、水合物控制劑。鉆井液潤滑劑在所有的鉆井液處理劑中，就其性質(zhì)及所起作用而言，屬于獨(dú)立性相對較強(qiáng)的一類添加劑。它能有效地提高泥漿的潤滑性能和防卡能力，減少巖屑摩阻及縮徑卡鉆等引起的鉆進(jìn)阻力，減輕鉆機(jī)負(fù)荷，延長鉆機(jī)壽命，機(jī)械鉆速快，起下鉆暢通和完井作業(yè)正常等作用。

常用的鉆井液潤滑劑有原油、高分子脂肪酸類、氧化乙烯和脂肪酞胺、硫化植物油、硫化脂肪酸、脂肪醇混合物、磺化物等。

3.2 鉆井液潤滑劑的作用

鉆井液潤滑劑的主要功用是降低泥餅的摩擦、減少粘附卡鉆和扭矩傳遞損失。改善鉆井液的潤滑性能可降低水力摩阻、泥餅粘滯系數(shù)、鉆柱轉(zhuǎn)矩、軸向阻力、能耗，縮短起下鉆時(shí)間，以及減小鉆頭工作阻力，延長鉆頭壽命，從而提高鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，有深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)于防止粘卡鉆。對其是否有防止粘卡的作用有兩種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，鉆井液潤滑劑降低了鉆柱與泥餅、地層、之間的摩擦阻力和鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩，從而能有效地減少粘附卡鉆發(fā)生的幾率；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于與摩擦系數(shù)是在物體有相對運(yùn)動(dòng)特征的條件下所測定的，所以粘附卡鉆一旦發(fā)生，粘卡力的大小即與摩擦系數(shù)值無關(guān)。當(dāng)井眼偏斜時(shí)，這種情形更嚴(yán)重。

此外，大多數(shù)含油脂、脂肪酸成分的鉆井液潤滑劑均能起到消泡、抗泡的作用。

3.3潤滑劑的優(yōu)選

為保證鉆井液的潤滑及抗磨性能適應(yīng)各種不同的鉆井條件和工藝技術(shù)，潤滑劑的選擇十分重要。綜合考慮諸多因素，添加到鉆井液的潤滑劑應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜和次生結(jié)構(gòu)。

（2）應(yīng)與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產(chǎn)生不良影響。

（3）不降低巖石破碎的效率。

（4）具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性。

（5）不腐蝕金屬，不損壞密封材料。

（6）不污染環(huán)境，易于生物降解，價(jià)格合理，且來源充足。鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標(biāo)外，還應(yīng)不影響對地層資料的分析和評價(jià)，即潤滑劑應(yīng)具有低熒光或無熒光性質(zhì)。因此，潤滑劑基礎(chǔ)材料的選擇應(yīng)注意盡量不用含苯環(huán)，特別是多芳香烴的有機(jī)物質(zhì)，而原油，尤其是重餾分、釜?dú)埼?、瀝青等因含熒光物質(zhì)較多，也應(yīng)盡量少用。

基于以上要求，一般植物油類，既無熒光和毒性，又易于生物降解，且來源較廣，較適合作潤滑材料?？蛇x用的植物油有蓖麻油、亞麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸，而脂肪酸則是潤滑劑所需要的表面活性物質(zhì)。經(jīng)化學(xué)改性后，其表面活性可進(jìn)一步提高。如磺化棉子油就可以作為抗溫抗擠壓的極壓潤滑劑使用?；腔拮佑瓦€可增加礦物油的活性，使其潤滑效果得以提高。

3.4應(yīng)用實(shí)例

常用的液體潤滑劑分為油基和水基潤滑劑。水基潤滑劑環(huán)保性好，因其具有很強(qiáng)的吸附基團(tuán)，易被鉆屑和井壁黏土顆粒吸附，但需要隨時(shí)補(bǔ)充，用量大，成本較高；油基潤滑劑短時(shí)間內(nèi)作用效果明顯，但持效性差，需隨時(shí)補(bǔ)加，用量大，而且環(huán)保性、安全性差，綜合成本也較高。

納米乳液潤滑劑是近兩年來發(fā)展起來的一種潤滑劑，不僅潤滑性好，而且環(huán)保性也好，只是成本較高，現(xiàn)場只用于水平井鉆井。因此，有必要研制一種成本適中，能廣泛推廣應(yīng)用的納米乳液潤滑劑。納米乳液不僅具有很強(qiáng)的井壁穩(wěn)定能力，而且還具有較高潤滑和油氣層保護(hù)性能。納米乳液潤滑劑與普通乳液潤滑劑相比，顆粒尺寸較小，比表面積較大，這樣就大大增加了與井壁吸附反應(yīng)的機(jī)會和程度。由于納米處理劑呈正電性，它在井壁上的吸附能降低井壁的負(fù)電性，能部分阻止水化極強(qiáng)的金屬陽離子靠近井壁，這樣乳液滴更易在井壁上吸附，使井壁翻轉(zhuǎn)為親油表面。同理，由于鉆柱表面也是親水性的（因有氧化膜），它也可以吸附表面活性劑后翻轉(zhuǎn)為親油表面。這樣就使油相在鉆柱和井壁表面形成油膜，強(qiáng)化了油滴的潤滑作用。

4 結(jié)束語

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是深井、超深井及特殊工藝井鉆探越來越多，對鉆井液提出了更高的要求。通過對鉆井液潤滑劑基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，掌握潤滑劑的作用以及選用的標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到降低阻力、減緩其摩擦力的作用。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中國石油西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司）