白財遠(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，進一步增加井下風(fēng)險。為了減少、井下風(fēng)險、機械零部件在運行中因摩擦而產(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動或有相對運動的摩擦趨勢時，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運動的作用力，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，機器運轉(zhuǎn)時的摩擦，造成能量的無益損耗和機器壽命的縮短，并降低了機械效率。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，屬于獨立性相對較強的一類添加劑。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阻力，減輕鉆機負(fù)荷，延長鉆機壽命，機械鉆速快，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：第一種觀點認(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；第二種觀點認(rèn)為，由于與摩擦系數(shù)是在物體有相對運動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，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，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物質(zhì)，而原油，尤其是重餾分、釜殘物、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，因其具有很強的吸附基團，易被鉆屑和井壁黏土顆粒吸附，但需要隨時補充，用量大，成本較高；油基潤滑劑短時間內(nèi)作用效果明顯，但持效性差，需隨時補加，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的井壁穩(wěn)定能力，而且還具有較高潤滑和油氣層保護性能。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)，從而達到降低阻力、減緩其摩擦力的作用。

參考文獻

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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）