樊好福，司西強(qiáng)，王中華

(1.中石化中原石油工程公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

在油氣鉆探過程中，隨著深井、超深井、大斜度井、定向井及水平井等復(fù)雜井的增多，對(duì)井下摩阻控制提出了更高要求[1]。例如，大量加重材料的存在導(dǎo)致高密度鉆井液的潤滑性能較差，高摩阻已成為新形勢下制約水基鉆井液發(fā)展的核心難題之一[2]。而混油會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，隨著世界環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，混油措施已被嚴(yán)格禁止。在這種形勢下，在鉆井液中添加綠色高性能潤滑劑來降摩阻、提鉆速、降成本，是實(shí)現(xiàn)綠色、安全、高效鉆井的最有效手段之一[3]。近年來，鉆井液用綠色高效潤滑劑得到快速發(fā)展[4-5]。本文對(duì)鉆井液用綠色潤滑劑的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期對(duì)鉆井液研究人員具有一定啟發(fā)作用。

1 水基鉆井液用綠色潤滑劑研究進(jìn)展

1.1 醇醚類潤滑劑

醇醚類潤滑劑由天然生物質(zhì)與環(huán)氧化合物縮合得到，外觀為白色至棕褐色的粘稠液體，密度<1.00 g/cm3，與水的混溶性差，可在水面上迅速分散并形成一層分散膜，并具有明顯的濁點(diǎn)效應(yīng)，使用溫度對(duì)其性能影響較大。當(dāng)在低于醇醚類潤滑劑的濁點(diǎn)溫度使用時(shí)，潤滑效果較差，反之，其潤滑效果較好。

許明標(biāo)等[6]研制了一種主要成分為天然物質(zhì)的烷氧基化產(chǎn)物的新型多元醇醚，評(píng)價(jià)了其在各種鉆井液中的潤滑性能。加量2.0%的該醇醚潤滑劑對(duì)淡水、鹽水、海水鉆井液流變性的影響很小，可使3種鉆井液的潤滑系數(shù)降低率分別為97%，71%，71%。在海水鉆井液中加量為0.5%～3.0%時(shí)，在80～120 ℃高溫滾動(dòng)后，潤滑系數(shù)降低率為53.5%～96.8%；加量為2.0%時(shí)，在140 ℃高溫滾動(dòng)后，潤滑系數(shù)降低率仍達(dá)68.6%；pH值為7.0～11.0時(shí)，在120 ℃高溫滾動(dòng)后，潤滑系數(shù)降低率為74.3%～83.3%。該多元醇醚潤滑劑無生物毒性，推薦使用溫度≤120 ℃，pH值<11。

呂開河等[7]研發(fā)了一種由環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷共聚得到的聚醚多元醇潤滑劑SYT-2，外觀為白色至淡黃色粘稠液體，密度(0.95±0.10)g/cm3，閃點(diǎn)>70 ℃，有效物含量約80%。該產(chǎn)品能有效吸附在鉆具、套管表面和井壁巖石上，形成穩(wěn)定且強(qiáng)度高的潤滑膜，改善泥餅質(zhì)量，大幅降低鉆具與井壁之間的摩阻，避免壓差卡鉆。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，SYT-2產(chǎn)品抗溫達(dá)120 ℃；加量為0.5%～1.0%時(shí)，可使6%淡水漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)83.3%～86.5%，極壓膜強(qiáng)度由30.2 MPa升至153～203 MPa；加量為1.0%～3.0%時(shí)，可使4%鹽水漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)72.9%～82.5%；加量為1.0%～5.0%時(shí)，可使35%鹽水漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)18.2%～68.4%。該產(chǎn)品無熒光，EC50值>1.0×105mg/L，無生物毒性，易生物降解。在輪南3-6H井加入1.0%～3.0%的該潤滑劑，泥餅粘附系數(shù)從0.13降至 0.05，極壓潤滑系數(shù)從0.35降至0.11，起下鉆阻力從120 kN降至70 kN，實(shí)現(xiàn)了較低的扭矩和起下鉆阻力。

肖穩(wěn)發(fā)等[8]研發(fā)了綠色環(huán)保的聚合多元醇潤滑劑Silicon-1。將起始劑多元醇抽入聚合反應(yīng)器中，升溫至100～120 ℃，抽真空脫除輕組成及水分；按多元醇總量的0.5%～3.0%加入催化劑，加熱至130～150 ℃，抽真空并通入高純氮?dú)獗Ｗo(hù)，同時(shí)計(jì)量泵入氧乙烯化試劑，控制加料速度，溫度不超過150 ℃，壓力<0.35 MPa，加料完畢后，保溫降壓至0.2 MPa，認(rèn)為剩余原料反應(yīng)完全；再計(jì)量泵入氧丙烯化試劑，待氧丙烯化試劑加完后，保溫30 min；在反應(yīng)完全的物料中，按聚合多元醇物料量的3.0%～15.0%加入有機(jī)硅改性劑，通氮?dú)?，升溫?0 ℃加入一定量催化劑，控制反應(yīng)溫度不超過100 ℃；當(dāng)反應(yīng)混合液澄清透明后，繼續(xù)在90～100 ℃保溫一定時(shí)間，降溫出料，即為改性聚合多元醇水基潤滑劑Silicon-1產(chǎn)品。Silicon-1產(chǎn)品外觀呈淡黃色液體，含水0.2%，密度1.054 7 g/cm3，1%水溶液pH值為8.6，濁點(diǎn)為48.5 ℃。1.0%～3.0%的Silicon-1產(chǎn)品可使6%膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)71.51%～83.8%，潤滑性能優(yōu)良，不起泡，無熒光，環(huán)境可接受性好。

1.2 酯類潤滑劑

單酯、雙酯、多元醇酯等合成酯可作為潤滑劑基礎(chǔ)油使用，其分子內(nèi)含有羰基，在較高溫度和水相條件下易水解成有機(jī)酸和醇，導(dǎo)致其在高溫地層的應(yīng)用受到限制。

陳馥等[9]以長鏈脂肪酸與多羥基醇為原料制得一種合成酯潤滑劑HCZ。將油酸與混合脂肪醇按一定比例混勻，70 ℃熔化完全，在酯化催化劑存在下，升溫至185 ℃，常壓反應(yīng)7.0 h，得到產(chǎn)品。其加量為0.3%時(shí)，泥餅粘附系數(shù)降低率>50%；該產(chǎn)品在180 ℃高溫下仍具有較好潤滑性能。該產(chǎn)品對(duì)發(fā)光桿菌的抑制發(fā)光率<18%，為低毒產(chǎn)品，不會(huì)對(duì)環(huán)境和生物造成不利影響。該產(chǎn)品在四川磨溪008-8-XX井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆井液為高密度聚磺鉆井液體系，現(xiàn)場井漿中HCZ產(chǎn)品加量<1.5%時(shí)，泥餅黏附系數(shù)降低率為47.6%，較好地滿足了現(xiàn)場綠色、安全、高效鉆井的技術(shù)要求。

孫金聲等[10]制備得到了一種高分子量的聚酯潤滑劑GXRH，是一種含高分子脂肪酸和脂化劑的聚酯化合物。以合成脂肪酸釜?dú)垶樵?，在脂化劑作用下，?15～130 ℃下反應(yīng)1.0～3.0 h，合成得到。該產(chǎn)品在密度為2.04 g/cm3的高密度鉆井液中，潤滑系數(shù)降低率達(dá)79.0%，扭矩降低率為40.2%，降摩阻性能優(yōu)良。該產(chǎn)品合成工藝簡單，成本低，產(chǎn)品無熒光，無毒性，可降解達(dá)到環(huán)保要求。

劉娜娜等[11]通過二乙二醇與地溝油發(fā)生酯交換反應(yīng)生成直鏈酯，直鏈酯再與單質(zhì)硫反應(yīng)生成網(wǎng)狀酯，再與石墨復(fù)配得到一種代號(hào)為RH-B的潤滑劑。具體制備方法如下：①將二乙二醇、精制地溝油和乙醇胺攪拌均勻，130 ℃反應(yīng)2 h，生成淡黃色液體；加入6%的硫磺，150 ℃反應(yīng)5 h，生成深黃色粘稠狀液體；②復(fù)配加入總量為20%的石墨粉和油溶性樹脂，80 ℃溫度下攪拌均勻，即得RH-B潤滑劑。1%的該產(chǎn)品可使淡水鉆井液的潤滑系數(shù)降低率>86%；2%的該產(chǎn)品可使海水鉆井液的潤滑系數(shù)降低率>63%；該產(chǎn)品對(duì)鉆井液流變性和濾失量基本無影響；無毒無污染，熒光級(jí)別低。

祁亞男等[12]以廢棄植物油脂與小分子醇進(jìn)行酯化或者酯交換反應(yīng)，生成長鏈的脂肪酸酯，并經(jīng)過表面活性劑和抗高溫處理，制得一種新型植物油鉆井液潤滑劑。在常溫下，6%膨潤土漿中加入1%該潤滑劑后，極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)88.0%，黏附系數(shù)降低率達(dá)86.0%；該潤滑劑抗溫達(dá)140 ℃，抗鹽達(dá)10%，EC50值>50 000 mg/L，與聚合物、聚磺鉆井液配伍性好。在勝利油田樁23區(qū)塊使用該潤滑劑后，避免了混入原油，井深3 900 m的試驗(yàn)井平均建井周期從33.55 d縮短為29.11 d，縮短了10%以上；在勝利油田萊87區(qū)塊井深為3 100 m的試驗(yàn)井，平均建井周期縮短了22.10%，鉆井液成本降低了9.8%。

1.3 酰胺類潤滑劑

植物油雖然自身潤滑性能好，但易皂化氧化，影響鉆井液性能，不能直接作為潤滑劑使用。通過對(duì)植物油進(jìn)行酰胺化反應(yīng)，得到植物油酰胺類潤滑劑，具有較好的潤滑性能和環(huán)保性能。

逯貴廣等[13]針對(duì)目前鉆井液常用植物油潤滑劑潤滑長效性差以及抗溫性能有待提高的問題，以油酸和聚醚胺作為原料，經(jīng)酰胺化反應(yīng)，制得鉆井液潤滑劑NH-HPL。具體制備方法如下：在反應(yīng)釜中加入一定量油酸，用氮?dú)庵脫Q釜內(nèi)空氣，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫至120 ℃，緩慢加入適量聚醚胺，加完后升溫至140～200 ℃，反應(yīng)2.0～5.0 h，即得NH-HPL潤滑劑。常溫下，在5%膨潤土漿中加入1.0%的NH-HPL，潤滑系數(shù)降低率達(dá)92.2%；抗溫達(dá)160 ℃；EC50值為9.57×104mg/L，無生物毒性，對(duì)鉆井液流變性和濾失性無明顯影響。

孔凡波等[14]對(duì)植物油進(jìn)行胺解，使合成產(chǎn)物中含有酰胺基團(tuán)，然后用低碳酸與其反應(yīng)，從而合成得到改性植物油酰胺。具體制備方法如下：將植物油和多胺按照一定比例混合均勻，在100～110 ℃下反應(yīng)1.0 h；然后緩慢加入定量低碳酸，繼續(xù)加熱反應(yīng)一定時(shí)間，待反應(yīng)完全后，停止反應(yīng)，便得到具有一定黏度、棕色蠟狀的植物油酰胺產(chǎn)品；通過對(duì)植物油酰胺進(jìn)行乳化，得到乳液型潤滑劑。該潤滑劑在鉆井液中加量為0.5%時(shí)，潤滑系數(shù)降低率達(dá)87.9%；并且該潤滑劑抗溫抗鹽能力強(qiáng)，配伍性好。

1.4 乳液類潤滑劑

乳液類潤滑劑在鉆井液、金屬軋制和切削等領(lǐng)域應(yīng)用較多。乳液類潤滑劑是將基礎(chǔ)油經(jīng)過充分乳化，形成的一種性質(zhì)穩(wěn)定、成分均一的乳狀液，主要成分包括基礎(chǔ)油、水、乳化劑。按照內(nèi)外相的不同可分為油包水乳液和水包油乳液；按照乳液液滴的粒徑可分為粗乳液、細(xì)小乳液以及微乳液。其中，粗乳液是一種不穩(wěn)定分散體系，細(xì)小乳液和微乳液分別是動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定的乳化體系。

張文等[15]以棉籽油、多乙烯多胺、低碳酸為原料合成得到植物油酰胺，以植物油酰胺為主要原料，油酸鈉作乳化劑，添加一定量的硅膏、煤油和高粘度羧甲基纖維素鈉CMC-HV，制備得到水包油(O/W)型乳液潤滑劑。該產(chǎn)品用量在0.5%時(shí)，鉆井液潤滑系數(shù)降低率超過80%，且不影響鉆井液的流變性和密度。經(jīng)170 ℃高溫老化，在15%鹽水鉆井液中，鉆井液潤滑系數(shù)<0.10，表明該潤滑劑具有良好的耐溫抗鹽性能。

夏曄等[16]制備得到了一種微乳型潤滑劑，由礦物油或精煉地溝油、表面活性劑、無機(jī)鹽、正丁醇和水組成。制備方法是：首先將水倒入反應(yīng)釜中，在2 000～3 000 r/min的攪拌速度下將表面活性劑緩慢加入反應(yīng)釜中，待混合均勻后，緩慢加入無機(jī)鹽，完全溶解后，加入正丁醇和精煉地溝油，靜置5～10 h，反應(yīng)制得微乳型潤滑劑。該產(chǎn)品能有效降低鉆井液摩阻系數(shù)和泥餅粘附系數(shù)，粘附系數(shù)降低率達(dá)52.3%，配伍性好，綠色環(huán)保。

1.5 納米材料潤滑劑

近年來，納米材料在鉆井液中開始得到初步應(yīng)用，如納米封堵劑、納米潤滑劑等。鉆井液用納米材料已成為鉆井液處理劑研發(fā)的熱點(diǎn)之一。

王偉吉等[17]針對(duì)目前鉆井液用常規(guī)潤滑劑存在的極壓膜強(qiáng)度低、抗溫性差、毒性大等突出問題，采用硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)納米SiO2進(jìn)行超聲表面改性，然后將其與表面活性劑S1、菜籽油、穩(wěn)定劑復(fù)配混勻，制備得到納米潤滑劑SD-NR。1%的SD-NR產(chǎn)品極壓膜強(qiáng)度高，可使鉆井液潤滑系數(shù)降低率>85%，抗溫>180 ℃，不影響鉆井液流變性，降濾失和抑制效果較好，熒光級(jí)別低。

羅春芝等[18-19]針對(duì)油基潤滑劑環(huán)保性差和常規(guī)的水基潤滑劑持效性差、起泡嚴(yán)重、不抗溫等問題，室內(nèi)研制出一種低熒光抗高溫水包油型納米乳液潤滑劑NMR。NMR是一種含有納米級(jí)高分子材料和S、P活性元素的潤滑劑，密度為0.94 g/cm3，表觀黏度為15.5 mPa·s，放置40 d不分層。2%產(chǎn)品可使膨潤土漿的極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)80%以上。產(chǎn)品可使現(xiàn)場聚合物井漿的極壓潤滑系數(shù)降低60%，且潤滑持久性好，抗溫達(dá)180 ℃，不影響鉆井液流變性，略有降濾失作用，不起泡，與現(xiàn)場常用的正電膠鉆井液、聚合物鉆井液、磺化鉆井液的配伍性好。

球形碳材料表面光滑，耐高溫性能好，尺寸小且強(qiáng)度高，在鉆井液體系中不易被清除或拍打破碎，可作為潤滑劑用于鉆井液中。楊芳等[20]制備得到了兩種納米碳球潤滑劑。一種是以間苯二酚-甲醛聚合而成的納米碳球，粒徑在500 nm左右，抗溫400 ℃；另一種是以葡萄糖為原料制成的納米碳球，粒徑在700～900 nm范圍內(nèi)分布，抗溫250 ℃。這兩種納米碳球均能滿足高溫地層的潤滑要求。間苯二酚-甲醛聚合成的納米碳球加量為0.4%時(shí)，180 ℃高溫滾動(dòng)16 h，鉆井液潤滑系數(shù)降低率達(dá)22.8%，濾餅粘附系數(shù)降低率達(dá)20.1%，但經(jīng)高溫老化后，鉆井液的黏切增大，對(duì)鉆井液流變性產(chǎn)生影響?；谄咸烟堑募{米碳球?qū)︺@井液具有很好的剪切稀釋作用，高溫老化前后，鉆井液的黏切下降，當(dāng)加量為0.5%時(shí)，180 ℃高溫滾動(dòng)16 h，鉆井液潤滑系數(shù)降低率達(dá)25.2%，但此時(shí)其濾餅粘附系數(shù)跟鉆井液基漿相比，卻反而升高了6.9%?？偟膩碚f，合成的兩種納米碳球潤滑劑可作為固體潤滑劑用于鉆井液中，降低鉆井液潤滑系數(shù)。

1.6 其他潤滑劑

1.6.1 DFL潤滑劑 美國倚科能源有限公司研發(fā)了一種代號(hào)為DFL的新型鉆井液潤滑劑[21]。該產(chǎn)品可大幅提高鉆井效率，在鉆探井深和鉆井成本等方面帶來革命性變化。3%DFL產(chǎn)品可使鉆井扭矩和阻力降低75%，滑動(dòng)機(jī)械鉆速增加100%。該產(chǎn)品通過改變鉆井液的界面渦流來降低摩阻，且不影響鉆井液流變性。該產(chǎn)品用量僅為其他潤滑劑的1/2～2/3，成本優(yōu)勢明顯。該產(chǎn)品已在世界范圍內(nèi)500余口井應(yīng)用，摩擦阻力降低率高達(dá)80%，減少了鉆機(jī)動(dòng)力能耗及鉆頭磨損，利于提高鉆井速度，配伍性好，無毒環(huán)保。

1.6.2 蓖麻油硼酸酯潤滑劑 蓖麻油是一種天然生物質(zhì)材料，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉。通過對(duì)蓖麻油進(jìn)行化學(xué)改性可制備得到高效環(huán)保的改性蓖麻油潤滑劑。吳超等[22]制備得到了一種蓖麻油硼酸酯水基潤滑劑。將適量蓖麻油加熱攪拌到一定溫度，滴加25%的NaOH溶液皂化一定時(shí)間，向上述反應(yīng)物中加入適量有機(jī)醇胺，繼續(xù)反應(yīng)至完全皂化，降溫，加入適量硼酸，繼續(xù)反應(yīng)一定時(shí)間，得到淡黃色透明粘稠的蓖麻油硼酸酯產(chǎn)品。該產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)中含有硼和蓖麻油長碳鏈，其中，硼元素充分發(fā)揮極壓性，蓖麻油長碳鏈在金屬表面強(qiáng)吸附，從而發(fā)揮出優(yōu)良潤滑性能。

1.6.3 砜醛樹脂潤滑劑 蔣德強(qiáng)等[23-24]根據(jù)目前鉆井液用潤滑劑存在的不足，采用苯酚、甲醛、硫酸等常見原材料，制備得到一種新型的二苯酚砜甲醛樹脂潤滑劑，簡稱砜醛樹脂潤滑劑。該產(chǎn)品是一種新型水溶性高分子材料，其分子結(jié)構(gòu)中含有硫酰基(砜)，使分子結(jié)構(gòu)具有較好的柔韌性，潤濕性、附著性、抗腐蝕性能優(yōu)良，比水溶性酚醛樹脂性能更優(yōu)。0.1%砜醛樹脂可使鉆井液潤滑系數(shù)由基漿的0.489降至0.205，潤滑系數(shù)降低率>58%；高溫條件可促進(jìn)該產(chǎn)品潤滑性能的充分發(fā)揮，故該潤滑劑可用于高溫地層；砜醛樹脂可使鹽水鉆井液潤滑系數(shù)降低率達(dá)50%，可用于高礦化度地層。

2 水基鉆井液用綠色潤滑劑發(fā)展趨勢

目前，水基鉆井液用綠色潤滑劑主要集中在醇醚類、酯類、酰胺類、乳液類、納米材料類等多個(gè)研究方向，對(duì)現(xiàn)場的高摩阻問題提供了很好的解決辦法，但對(duì)高溫高密度鉆井液的潤滑性能控制問題一直未能有效解決。另外，綠色潤滑劑的成本問題也是制約其在現(xiàn)場大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸。據(jù)前期本研究團(tuán)隊(duì)室內(nèi)研究表明，自主研發(fā)的一種烷基糖苷衍生物產(chǎn)品——聚醚胺基烷基糖苷NAPG具有較好的潤滑效果[25]，當(dāng)其在鉆井液中的加量提高至20%以上時(shí)，可使高溫高密度水基鉆井液的潤滑系數(shù)降至0.062，潤滑系數(shù)降低率達(dá)81.76%。如果對(duì)該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，制備得到低成本的烷基糖苷衍生物產(chǎn)品，減小其作為高溫高密度鉆井液潤滑劑使用時(shí)的加量，同時(shí)保證高潤滑性能，將會(huì)是目前高溫高密度水基鉆井液潤滑劑研究的一個(gè)突破口。

除此之外，2017年以來，中石化中原石油工程公司針對(duì)目前高溫高密度水基鉆井液對(duì)潤滑劑的抗高溫、高密度下潤滑效果好、綠色環(huán)保等技術(shù)要求，開展了磺化胺基烷基糖苷潤滑劑的研制。具體研究思路如下：①為更好地實(shí)現(xiàn)潤滑劑的潤滑、環(huán)保性能，選用長鏈烷基糖苷為原料；②為解決烷基糖苷吸附能力弱，引入胺基，提高分子吸附量，胺基同時(shí)具有抑菌殺菌作用，基團(tuán)位阻大，可提高分子抗溫性；③為進(jìn)一步提升烷基糖苷潤滑和配伍性能，引入長鏈磺酸基，分子由非離子型轉(zhuǎn)變?yōu)殛庪x子型，提高分子配伍性，同時(shí)具有較好的抗鹽和潤滑性能。目前磺化胺基烷基糖苷潤滑劑產(chǎn)品的研制已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，正在進(jìn)一步開展深入研究。

總的來說，未來水基鉆井液用綠色潤滑劑的研究方向聚焦在如何解決高溫高密度鉆井液的高摩阻控制上，而且必須保證產(chǎn)品的低成本、綠色環(huán)保性能，實(shí)現(xiàn)高溫高壓地層的綠色、安全、高效鉆井，提高機(jī)械鉆速，降低鉆井綜合成本。