寧新軍，姬文鈺，潘謙宏，都偉超，劉雄雄

(1.西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710068；2.西安石油大學(xué)，陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3. 西安石油大學(xué)，油氣田化學(xué)陜西省高校工程研究中心，陜西 西安 710065)

中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2019 年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》表明，我國(guó)原油的進(jìn)口比重持續(xù)增加，2019 年我國(guó)原油進(jìn)口量為50572 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)9.5%，對(duì)外依存度高達(dá)70.8%；天然氣進(jìn)口量為1373 億m3，同比增長(zhǎng)6.9%，對(duì)外依存度達(dá)43%[1-2]。鑒于此，在保證現(xiàn)有油氣井?dāng)?shù)量與產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，必須大力開(kāi)發(fā)新的油氣資源，增加油氣鉆探數(shù)量，強(qiáng)化油氣供應(yīng)保障的能力，構(gòu)建油氣安全保障體系[3-4]。

在油氣鉆探領(lǐng)域，使用常規(guī)井和非常規(guī)井來(lái)開(kāi)采石油和天然氣，具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。相比常規(guī)井，超長(zhǎng)水平井﹑叢式井和大位移井等非常規(guī)井，具有產(chǎn)量和采收率更高﹑適用性更廣泛的優(yōu)勢(shì)，因而在油氣鉆探中的數(shù)量和比重在逐年增加[5-6]。但在鉆探過(guò)程中，這些井易出現(xiàn)坍塌﹑卡鉆和鉆頭泥包等問(wèn)題。例如在井斜角增大時(shí)，鉆具與井壁之間的接觸面積也會(huì)增大，引起鉆井的摩阻和扭矩增大，導(dǎo)致鉆井液的潤(rùn)滑性能變差，并出現(xiàn)托壓﹑卡鉆等情況，影響工程進(jìn)度，也會(huì)提高相應(yīng)的鉆井成本[7-9]。如何解決鉆進(jìn)過(guò)程中高摩阻和高扭矩的問(wèn)題，是目前鉆探過(guò)程中的研究重點(diǎn)。有研究者認(rèn)為，降低鉆井液的摩阻和扭矩最有效的方法，是在鉆井液中加入鉆井液潤(rùn)滑劑，以降低鉆桿﹑套管﹑鉆具與井壁的摩擦系數(shù)，提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，從而預(yù)防甚至減少或避免托壓﹑壓差卡鉆﹑鉆頭泥包等工程事故的發(fā)生，壓縮鉆井工程周期，降低鉆井成本[10-11]。在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)高摩阻的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）隨著鉆探深度增加，為了防止發(fā)生井噴以及平衡地層之間的壓力，必須提高鉆井液的密度，以維持壓差平衡。但鉆井液密度增大的同時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致鉆井液和地層壓力之間形成壓差并逐漸增大，泥餅變厚，鉆具和泥餅的接觸面積增大，鉆井液的摩阻增大；

2）水平段地層的泥頁(yè)巖易水化造漿，引起鉆井液增稠，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)滑性能減弱，鉆進(jìn)阻力增大；

3）隨著鉆探深度增加，井內(nèi)溫度逐漸升高，抗溫能力不足的鉆井液潤(rùn)滑劑會(huì)逐漸失效，導(dǎo)致鉆井液潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果逐漸變差，鉆井液的摩阻增大；

4）水基鉆井液潤(rùn)滑劑的持續(xù)潤(rùn)滑時(shí)間短。處理劑加入井漿2h 后，潤(rùn)滑系數(shù)的降低率通常會(huì)比剛加入時(shí)降低40%~50%，持效性較差。

1 鉆井液潤(rùn)滑劑概述

1.1 潤(rùn)滑類型

摩擦是相互接觸的兩物體之間存在凹凸不平的表面，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的相互磨損，潤(rùn)滑則是在相互接觸的兩物體之間加入潤(rùn)滑劑，以隔開(kāi)摩擦表面，防止兩物體直接接觸而造成磨損。良好的潤(rùn)滑效果可以提高機(jī)械效率，保證長(zhǎng)時(shí)間的可靠工作，減少不必要的浪費(fèi)。潤(rùn)滑效果較差時(shí)，輕則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械效率下降，重則導(dǎo)致機(jī)械損壞。因此潤(rùn)滑的作用非常重要。鉆井液中的潤(rùn)滑分為2 種[12]，一種是邊界潤(rùn)滑，即摩擦面上存在1 層吸附薄膜或潤(rùn)滑薄膜，薄膜具有較好的強(qiáng)度和韌性，以此來(lái)改善鉆井液的潤(rùn)滑性能，降低鉆具和套管的磨損；另一種是流體潤(rùn)滑，是在一定的條件下，兩摩擦表面被1 層具有一定厚度的黏性流體分開(kāi)，黏性流體的壓力可以平衡摩擦零件所受的外載荷。

1.2 影響鉆井液潤(rùn)滑性能的主要因素

評(píng)價(jià)鉆井液潤(rùn)滑劑在鉆井液中的潤(rùn)滑性能，主要是測(cè)定泥餅的黏滯系數(shù)和鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，二者均可反映鉆井液的潤(rùn)滑性能。影響鉆井液潤(rùn)滑性能的主要因素有以下一些[13-15]：1）鉆井液中的固相含量；2）鉆井液的pH 值；3）鉆井液的濾失性；4）鉆井液的密度。即在高密度情況下，如何保持鉆井液潤(rùn)滑性能的穩(wěn)定；5）鉆井液添加劑，尤其是有機(jī)高分子添加劑；6）鉆井液的黏度；7）垂直井深及井內(nèi)溫度；8）井身結(jié)構(gòu)；9）鹽的種類及加量。

1.3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外應(yīng)用的鉆井液潤(rùn)滑劑種類有180 多種，鉆井液潤(rùn)滑劑的使用量大約占鉆井液處理劑使用量的6%。隨著時(shí)代的發(fā)展，超深井﹑大位移井﹑長(zhǎng)水平井及大斜度井技術(shù)的發(fā)展日新月異，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑劑的性能也提出了更高的要求。此外，隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，為避免鉆井對(duì)水源保護(hù)區(qū)﹑動(dòng)植物保護(hù)區(qū)造成污染，也為了提高油氣產(chǎn)量和采收率，采用大位移井和長(zhǎng)水平段水平井，已成為油氣開(kāi)采的首選，但其對(duì)鉆井液的性能要求，尤其是對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能的要求很高，促使鉆井液潤(rùn)滑劑更新?lián)Q代的速度逐漸加快。為此，研究人員陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了高性能的固體潤(rùn)滑劑﹑極壓潤(rùn)滑劑﹑環(huán)保潤(rùn)滑劑及納米潤(rùn)滑劑等多種新型且環(huán)保的鉆井液潤(rùn)滑劑，其中部分產(chǎn)品因具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，已在實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模使用。

Epergne J L 等人[16]制備了一種適用于長(zhǎng)水平井和深井鉆探的水基鉆井液潤(rùn)滑劑。該潤(rùn)滑劑的芳烴含量低，28d 后的生物降解性好，潤(rùn)滑效果好。Pober K W 等人[17]研發(fā)了一種適用于高pH 鉆井液體系的潤(rùn)滑劑組合物，能夠在高pH 鉆井液體系中（pH＝7~14）發(fā)揮良好的潤(rùn)滑效果，避免了常規(guī)潤(rùn)滑劑在堿性條件下因水解而導(dǎo)致潤(rùn)滑作用失效，最終導(dǎo)致鉆井液潤(rùn)滑性能減弱的問(wèn)題。Zhang H J 等人[18]制備了基于磷脂的﹑改性的乙氧基化蓖麻油基化學(xué)物質(zhì)，該物質(zhì)對(duì)鹽水鉆井液而言是非常有效且環(huán)保的潤(rùn)滑劑。

Saffari H R M 等人[19]制備了適用于水基鉆井液的納米硼酸鹽潤(rùn)滑劑（鎂﹑鋅﹑鋁和鈦的硼酸鹽）。研究表明，水基鉆井液中加入納米硼酸鹽后，在極端條件下，該潤(rùn)滑劑可在接觸表面上生成穩(wěn)定且牢固的保護(hù)膜（摩擦膜），從而降低鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，提高潤(rùn)滑性能。在所有制備的納米添加劑中，硼酸鈦的生物降解性好，能顯著改善鉆井液的摩擦學(xué)性能。

Chang Z Y 等人[20]將ZDDP 與其它鉆井液潤(rùn)滑劑（如脂肪酸酯﹑石墨﹑植物油等）復(fù)配，再將復(fù)配的潤(rùn)滑劑加入硅酸鹽鉆井液體系中。研究表明，復(fù)配少量ZDDP 后，ZDDP 會(huì)在鉆桿上形成1 層抗壓﹑抗剪切﹑具有一定強(qiáng)度和韌性的極壓潤(rùn)滑膜，從而降低了硅酸鹽鉆井液的摩擦系數(shù)。Albrecht M S 等人[21]將十六烷基糖苷﹑脂肪醇聚醚和淀粉復(fù)配后，制備了適用于硅酸鹽鉆井液體系的潤(rùn)滑劑。

Nunes 等人[22]對(duì)非離子甘油單酸酯表面活性劑(C8﹑C10﹑C12﹑C16 和C18 碳鏈)在水中的潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行研究后得出結(jié)論：甘油單酸酯在水中的濃度超過(guò)0.5wt%，即可大大降低水中的摩擦系數(shù)，原因是隨著甘油單酸酯的烴鏈長(zhǎng)度增加，甘油單酸酯可更好地吸附在金屬表面，并形成潤(rùn)滑膜，從而明顯降低摩擦系數(shù)。結(jié)果還表明，甘油單酸酯在XG 膠液中可進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，原因是其可能會(huì)與多糖形成復(fù)合物，從而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。此外，形成的多糖-表面活性劑復(fù)合物可以提高潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，原因是它有助于將很難溶解的潤(rùn)滑劑分散到水中，從而在金屬表面進(jìn)行進(jìn)一步吸附。

Gerhard 等人[23]研究了多種脂肪化合物的潤(rùn)滑性，發(fā)現(xiàn)脂肪化合物比烴具有更好的潤(rùn)滑性，原因是它們擁有極性的O 原子。通過(guò)研究各種含氧的C10化合物，得到可增強(qiáng)潤(rùn)滑性的含氧基團(tuán)的順序?yàn)椋篊OOH ＞CHO ＞OH ＞COOCH3＞C＝O ＞C-O-C。對(duì)帶有NH2﹑OH 和SH 基團(tuán)的純凈的C3化合物的研究結(jié)果表明，相比氮和硫，氧更能提高潤(rùn)滑性。甄劍武[24]以長(zhǎng)鏈脂肪酸植物油為原料，通過(guò)酯化反應(yīng)和硫化反應(yīng)合成了RHJ-1 潤(rùn)滑劑。將該潤(rùn)滑劑加入密度為2.1kg?L-1的鉆井液中，潤(rùn)滑系數(shù)可降至0.105，抗溫性可達(dá)150℃。

桑峰軍[25]以基礎(chǔ)油BBO-2 和復(fù)合表面活性劑EMA 為原料，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，最終制備了一種環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑QLH-1。該潤(rùn)滑劑具有較好的流動(dòng)性﹑抗溫性及配伍性，熒光級(jí)別低，無(wú)毒，生物降解性好。將其加入4%淡水基漿中，潤(rùn)滑系數(shù)的降低率達(dá)88%。吳迪[26]將環(huán)保型液體潤(rùn)滑劑RH-2 與聚胺抑制劑JN-1 進(jìn)行復(fù)配，形成了一套強(qiáng)抑制高潤(rùn)滑的聚合物鉆井液體系。該體系的抑制性好，配伍性和抗溫性好，潤(rùn)滑效果明顯。錢(qián)曉琳等人[27]以天然脂肪酸和有機(jī)多元醇為主要原料，制備了環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑SMLUB-E。在膨潤(rùn)土基漿中加入SMLUB-E 潤(rùn)滑劑，摩阻系數(shù)有明顯降低；在聚磺鉆井液中加入該潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑效果優(yōu)于原油；耐溫可達(dá)160℃，流變性﹑配伍性和環(huán)保性能好?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能，可避免托壓﹑卡鉆等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

曹硯鋒等人[28]以天然植物油為原料，通過(guò)低碳酸酯化反應(yīng)，制得了含C＝O 官能團(tuán)的長(zhǎng)鏈脂肪酸酯，并通過(guò)復(fù)配表面活性劑，制備了一種抗溫性和潤(rùn)滑性好﹑無(wú)毒﹑生物降解性好的環(huán)保型鉆井液潤(rùn)滑劑。管申等人[29]以高分子脂肪酸為基料，引入納米潤(rùn)滑劑和抗溫基團(tuán)，制備了一種抗高溫﹑潤(rùn)滑﹑減阻的NC-1 鉆井液潤(rùn)滑劑，對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，該潤(rùn)滑劑具有較好的潤(rùn)滑性能和減阻性能，在6%膨潤(rùn)土漿中加入NC-1 潤(rùn)滑劑，黏滯系數(shù)和潤(rùn)滑系數(shù)的降低率在85%和75%以上。印樹(shù)明等人[30]針對(duì)高溫﹑高密度條件下鉆井液在超深井應(yīng)用時(shí)潤(rùn)滑性能較差的問(wèn)題，考察了潤(rùn)滑劑加量與鉆井液潤(rùn)滑性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，固體和液體潤(rùn)滑劑加量在1%~3%時(shí)，即可改善鉆井液的潤(rùn)滑性能；在鉆井液中加入少量石墨，可降低鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，但石墨加量較大則不利于改善鉆井液的潤(rùn)滑性能。

李斌等人[31]針對(duì)大位移井長(zhǎng)水平段的潤(rùn)滑性能較差的問(wèn)題，以長(zhǎng)鏈脂肪酸和小分子多元醇為原料，輔以含硫極壓添加劑，制備了高性能水基鉆井液用潤(rùn)滑劑SDL-1，并對(duì)其進(jìn)行了潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)和潤(rùn)滑機(jī)理分析。結(jié)果表明，常溫下，SDL-1 分子中的脂基與羰基官能團(tuán)通過(guò)分子間作用力或范德華力吸附在鉆具表面，形成物理潤(rùn)滑膜。高溫下，SDL-1中的脂基與極壓添加劑反應(yīng)生成金屬皂，在鉆具表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，達(dá)到潤(rùn)滑減摩的效果。董兵強(qiáng)等人[32]針對(duì)液體潤(rùn)滑劑存在的抗溫性差﹑起泡率高等問(wèn)題，以液態(tài)石蠟﹑司盤(pán)80 及吐溫80 等為原料，結(jié)合膠體與界面化學(xué)理論，研發(fā)了一種高性能油包水型微乳液潤(rùn)滑劑NE，并對(duì)其進(jìn)行了潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)和潤(rùn)滑機(jī)理分析。結(jié)果表明，NE 加入鉆井液中，具有較好的潤(rùn)滑性能和抗溫性能，且無(wú)毒易降解。鉆井液潤(rùn)滑性能變好的原因，是NE 加入鉆井液后會(huì)形成大量的納米乳液滴，且液滴界面膜上存在帶正電的極性基團(tuán)，易吸附在金屬掛片的表面形成納米潤(rùn)滑膜，從而極大提高了鉆井液的潤(rùn)滑性能。

司西強(qiáng)等人[33]以高性能的聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）為主劑并復(fù)配其它處理劑，構(gòu)建了新的鉆井液體系并進(jìn)行了配方優(yōu)化，形成了低成本﹑高性能的環(huán)保型NAPG 類油基鉆井液體系。研究表明，在鉆井液中加入NAPG，可有效降低鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)，改善鉆井液的潤(rùn)滑性能。測(cè)定濾液的表面張力后發(fā)現(xiàn)，表面張力僅為26.60mN?m-1，原因是NAPG類油基鉆井液體系中存在聚醚結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)鏈有機(jī)胺結(jié)構(gòu)，使得NAPG 類油基鉆井液體系的疏水作用得到加強(qiáng)。

孔凡波將植物油胺解后產(chǎn)生的酰胺基團(tuán)與低碳酸進(jìn)行反應(yīng)，制備了植物油酰胺潤(rùn)滑劑。將質(zhì)量濃度為0.5%的潤(rùn)滑劑加在基漿中，潤(rùn)滑系數(shù)的降低率達(dá)87.9%，且該潤(rùn)滑劑具有很好的抗溫抗鹽能力和配伍性。

1.4 鉆井液潤(rùn)滑劑的作用機(jī)理

按相態(tài)對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行分類，可分為固態(tài)潤(rùn)滑劑和液態(tài)潤(rùn)滑劑。固態(tài)潤(rùn)滑劑主要有石墨﹑塑料小球和玻璃微珠等惰性球形圓粒。固態(tài)潤(rùn)滑劑在水﹑油及溶液中難以溶解，但是可以較好地分散在液體中，并以粒子的狀態(tài)存在，因此具有較高的抗壓強(qiáng)度，難以變形破碎，具有無(wú)毒﹑對(duì)環(huán)境友好﹑在極端環(huán)境下也適用的優(yōu)勢(shì)[34-35]。主要的潤(rùn)滑機(jī)理，是其像滾珠一樣鑲嵌在2 個(gè)相互滑動(dòng)的金屬面間，可將原有的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，以此來(lái)降低摩擦阻力和扭矩阻力，達(dá)到潤(rùn)滑減磨的作用[36-37]。但固體潤(rùn)滑劑的顆粒較小，且易粘附在粘土上，容易被振動(dòng)篩清除，因此固態(tài)潤(rùn)滑劑的應(yīng)用受到一定的限制。液態(tài)潤(rùn)滑劑主要來(lái)源于石油產(chǎn)品的衍生品，包括原油﹑礦物油和瀝青等物質(zhì)[38]。由于環(huán)保問(wèn)題，這些潤(rùn)滑劑目前已逐步被環(huán)保型潤(rùn)滑劑所取代。環(huán)保性較好的潤(rùn)滑劑主要是降解性極好的脂肪酸酯﹑植物油改性的烷基糖苷及生物表面活性劑等[39-41]。其潤(rùn)滑機(jī)理主要是分子結(jié)構(gòu)中具有類似表面活性劑的疏水基與親水基，因此可以在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上吸附潤(rùn)滑劑，并形成較厚的潤(rùn)滑膜，從而避免鉆具與井壁及套管發(fā)生直接接觸，降低摩擦阻力和扭矩阻力，并起到潤(rùn)滑減摩的作用[42]。因此液態(tài)潤(rùn)滑劑在鉆井液中的潤(rùn)滑效果，與潤(rùn)滑劑在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上的吸附量﹑所形成的潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度及厚度等有關(guān)。潤(rùn)滑劑在鉆具﹑套管和井壁（巖石）上的吸附量，以及所形成的潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度及厚度，則是由潤(rùn)滑劑所含的疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)的分子結(jié)構(gòu)﹑碳鏈的長(zhǎng)度以及吸附覆蓋面的大小決定[43]。

2 展望

目前，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，研發(fā)環(huán)保型的鉆井液潤(rùn)滑劑成為趨勢(shì)。在高溫﹑高密度﹑高固相含量等極端條件下，確保鉆井液潤(rùn)滑劑能持續(xù)發(fā)揮作用成為關(guān)鍵，也是科研人員的研究重點(diǎn)。此外，大多數(shù)處理劑包括潤(rùn)滑劑只具有單一的作用，研發(fā)具有多重功能的鉆井液處理劑，如以潤(rùn)滑為主，降濾失為輔，并兼具良好抑制性的處理劑等，是一個(gè)重要的研究方向。