宋海 ，龍武 ，鄧雄偉

（1.中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化銷售股份有限公司西藏分公司，西藏 拉薩 850000）

0 引言

水平井和大位移井是頁巖氣勘探開發(fā)最常用的鉆井方式。在頁巖儲(chǔ)層長(zhǎng)水平段鉆井過程中，鉆具與井壁或套管之間的摩擦阻力較大，正常鉆進(jìn)時(shí)的摩阻和扭矩較高，容易發(fā)生起下鉆遇阻、憋扭矩或黏附卡鉆的現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響鉆井效率[1-3]。因此，要求鉆井液必須具備很好的潤(rùn)滑性能，以達(dá)到降低摩阻的目的。油基鉆井液有著優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，一直是頁巖氣水平井水平段鉆井時(shí)的首選，但近年來環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，研究高性能水基鉆井液，滿足頁巖氣儲(chǔ)層水平段鉆井的需要，已成為一種趨勢(shì)，而高效潤(rùn)滑劑的研制又是頁巖氣高性能水基鉆井液技術(shù)研究的關(guān)鍵[4-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外水基鉆井液中常用的潤(rùn)滑劑主要包括礦物油、惰性固體顆粒、合成酯、醇醚、乳液以及納米材料等，但仍存在較多的問題[9-18]。其中：礦物油由于熒光級(jí)別較高且對(duì)環(huán)境的污染較大，已逐漸被淘汰；惰性固體顆粒會(huì)增大鉆井液中的固相含量，并且不容易降解，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；合成酯由于分子結(jié)構(gòu)中含有羰基，在高溫條件下容易發(fā)生水解，因而不適應(yīng)用高溫儲(chǔ)層。醇醚由于具有較強(qiáng)的濁點(diǎn)效應(yīng)，受溫度的影響較大，致使其應(yīng)用受限；乳液存在與鉆井液體系配伍性方面的問題，容易影響鉆井液的整體性能，而且其耐溫性能同樣有待提高；納米材料是近年來研究的熱點(diǎn)之一，但通常由于其成本問題，不適合大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，以改性植物油、有機(jī)多元醇、復(fù)合表面活性劑以及有機(jī)硼極壓抗磨劑為原料，制備了一種抗高溫環(huán)保潤(rùn)滑劑GWHB-11，對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并成功在威遠(yuǎn)地區(qū)某頁巖氣井區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 GWHB-11的研制

1.1 研制思路

抗高溫環(huán)保潤(rùn)滑劑應(yīng)同時(shí)具有良好的潤(rùn)滑性能、抗高溫性能和環(huán)保性能。因此，潤(rùn)滑劑的研制思路為：首先，選擇熒光級(jí)別低、低溫流動(dòng)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)以及基礎(chǔ)潤(rùn)滑性能優(yōu)良的改性植物油為制備潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油。改性植物油通過植物油在高溫下經(jīng)過催化反應(yīng)制得，其分子結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)等多芳香烴類物質(zhì)，具有低熒光、低毒、易生物降解等特點(diǎn)，環(huán)保性能優(yōu)良。其次，為提高潤(rùn)滑劑的抗高溫性能，將改性植物油與有機(jī)多元醇進(jìn)行反應(yīng)制得多元聚合酯，并加入含有大量極性吸附基團(tuán)的表面活性劑，不僅可以提高潤(rùn)滑劑的水溶性和分散性，還可以使?jié)櫥瑒┓肿釉谟退缑嫔闲纬删o密的潤(rùn)滑膜，增強(qiáng)其潤(rùn)滑性能和耐溫性能。最后，為了增強(qiáng)潤(rùn)滑劑在高負(fù)荷壓力條件下的潤(rùn)滑性能，加入了可以在極壓條件下能與金屬表面形成物理或者化學(xué)吸附沉積膜的極壓抗磨劑。為滿足潤(rùn)滑劑環(huán)保性能的要求，避免引入含硫、磷以及氯元素的極壓抗磨劑，選擇了有機(jī)硼類極壓抗磨劑。該抗磨劑不僅具有優(yōu)良的極壓抗磨性能，還能在高溫條件下保持良好的穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕。

1.2 制備

首先，將改性植物油和有機(jī)多元醇以及催化劑按一定的比例加入到反應(yīng)釜中，在通入氮?dú)獾那闆r下，升高溫度至70～90℃，反應(yīng)1～3 h，繼續(xù)升高溫度至150～170℃，反應(yīng)3～5 h。然后，在反應(yīng)產(chǎn)物中加入復(fù)合表面活性劑和有機(jī)硼極壓抗磨劑，即得到GWHB-11。

2 GWHB-11的性能評(píng)價(jià)

2.1 潤(rùn)滑性能

室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)了GWHB-11和頁巖氣井現(xiàn)場(chǎng)常用的潤(rùn)滑劑RH-1和RH-2在淡水基漿和鹽水基漿中的潤(rùn)滑性能（見圖1、圖2）。主要評(píng)價(jià)參數(shù)為潤(rùn)滑系數(shù)降低率和泥餅黏附系數(shù)降低率。實(shí)驗(yàn)儀器為FANN21200型極壓潤(rùn)滑儀和NF-2泥餅黏附系數(shù)測(cè)試儀，淡水基漿配方為4.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%Na2CO3，鹽水基漿配方為4.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%Na2CO3+4.0%NaCl，潤(rùn)滑劑加量均為2.0%。

圖1 潤(rùn)滑系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 泥餅黏附系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可以看出，GWHB-11在淡水基漿和鹽水基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為95.4%和92.1%，泥餅黏附系數(shù)降低率分別為84.8%和76.7%，明顯高于常用的RH-1和RH-2，說明研制的GWHB-11具有良好的潤(rùn)滑性能。

2.2 抗磨性能

使用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了GWHB-11的抗磨性能，并與RH-1和RH-2進(jìn)行了對(duì)比（見表1），基漿配方同2.1。

表1 潤(rùn)滑劑抗磨性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1可以看出，無論是在淡水基漿，還是在鹽水基漿中，GWHB-11的燒結(jié)負(fù)荷均明顯高于RH-1和RH-2，而磨斑直徑均明顯小于RH-1和RH-2。這說明GWHB-11具有良好的抗磨性能，形成的潤(rùn)滑膜具有較高的承壓能力，可以在高負(fù)荷條件下表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑能力。

2.3 耐溫性能

在淡水基漿和鹽水基漿中分別加入2.0%的GWHB-11，并在不同溫度下老化16 h后，測(cè)定其潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)，計(jì)算潤(rùn)滑系數(shù)降低率和泥餅黏附系數(shù)降低率（見圖3）。

圖3 GWHB-11耐溫性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，隨著老化溫度的升高，GWHB-11在淡水基漿和鹽水基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率和泥餅黏附系數(shù)降低率均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但減小的幅度均不大。當(dāng)老化溫度達(dá)到180℃時(shí)，淡水基漿和鹽水基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為90.2%和87.6%，泥餅黏附系數(shù)降低率分別為80.4%和70.9%，仍能保持良好的潤(rùn)滑性能。這說明GWHB-11具有較好的耐溫性能，可以在高溫地層條件下使用。

2.4 配伍性能

室內(nèi)模擬配制頁巖氣井現(xiàn)場(chǎng)用水基鉆井液體系，并加入不同加量的GWHB-11，評(píng)價(jià)其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能的影響（見表2）?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系的具體配方為：4.0%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.3%聚陰離子纖維素+0.6%流型調(diào)節(jié)劑+2.5%聚合物降濾失劑+2.0%聚胺抑制劑+4.0%超細(xì)碳酸鈣+3.0%柔性封堵劑+1.5%納米封堵劑+5.0%KCl，重晶石粉加重至1.4 g/cm3。鉆井液體系老化條件為120℃下，老化16 h。

表2 GWHB-11對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能的影響

由表2可以看出，隨著GWHB-11在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系中加量的逐漸增大，鉆井液體系的流變性能基本沒有變化，濾失量稍有降低，而潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)則明顯降低。當(dāng)GWHB-11的加量為2.0%時(shí)，鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)分別降低至0.081和0.072，與不加GWHB-11時(shí)相比，潤(rùn)滑系數(shù)降低了80%以上，泥餅黏附系數(shù)降低了70%以上，起到了良好的潤(rùn)滑效果。這說明研制的GWHB-11與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系具有較好的配伍性，在提高體系潤(rùn)滑性能的基礎(chǔ)上，不會(huì)對(duì)鉆井液的其他性能產(chǎn)生較大的影響。

2.5 環(huán)保性能

參照中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級(jí)及檢測(cè)方法 發(fā)光細(xì)菌法》，測(cè)定潤(rùn)滑劑GWHB-11，RH-1，RH-2的生物毒性，并參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 505—2009《水質(zhì) 五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定 稀釋與接種法》和HJ 828—2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鉀法》分別測(cè)定3種潤(rùn)滑劑的生物降解性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同潤(rùn)滑劑的環(huán)保性能測(cè)試結(jié)果

由表3可以看出，在生物毒性方面，3種潤(rùn)滑劑的EC50值均可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的25 000 mg/L，但GWHB-11的EC50值更高，環(huán)保性能更優(yōu)；GWHB-11的LC50值大于標(biāo)準(zhǔn)要求的30 000 mg/L，而RH-1和RH-2的LC50值則達(dá)不到此要求，說明GWHB-11具有較低的生物毒性。在生物降解性方面，GWHB-11的BOD5/CODCr值為26.5%，可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的10.0%，屬于易降解處理劑，而RH-1和RH-2的LC50值均達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，說明GWHB-11具有更好的生物降解性。綜合來看，GWHB-11具有較低的生物毒性和較好的生物降解性，環(huán)保性能優(yōu)于其他常用潤(rùn)滑劑，能夠滿足頁巖氣水基鉆井液對(duì)環(huán)保性能的要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

GWHB-11在威遠(yuǎn)地區(qū)某頁巖氣井區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，該區(qū)塊內(nèi)水平井的水平段長(zhǎng)度均在1 000 m以上，儲(chǔ)層溫度在120℃以上。以水平井W-1井、W-2井為例，并與同區(qū)塊內(nèi)前期使用其他常用潤(rùn)滑劑（RH-1和RH-2）的2口鄰井的施工效果進(jìn)行了對(duì)比（見表4）。

表4 GWHB-11現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

由表4可以看出，使用GWHB-11后，W-1井和W-2井的平均起下鉆摩阻值均明顯小于使用其他潤(rùn)滑劑的鄰井，而平均機(jī)械鉆速均明顯高于鄰井，鉆井效率明顯提高。鉆至完鉆井深，W-1井、W-2井的各項(xiàng)鉆井參數(shù)均未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，沒有出現(xiàn)倒劃眼困難、起下鉆遇阻以及憋扭矩等井下復(fù)雜情況。這說明GWHB-11具有良好的潤(rùn)滑性能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，能夠滿足頁巖氣井使用水基鉆井液鉆進(jìn)時(shí)對(duì)潤(rùn)滑性能的要求。

4 結(jié)論

1）潤(rùn)滑劑室內(nèi)性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明：在淡水基漿和鹽水基漿中，GWHB-11均具有良好的潤(rùn)滑性能、抗磨性能和耐溫性能，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的流變性影響較小，具有較好的配伍性；生物毒性較低，生物降解性良好，可以滿足環(huán)保要求。

2）GWHB-11在威遠(yuǎn)地區(qū)2口頁巖氣水平井成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與使用其他常用潤(rùn)滑劑的鄰井相比，有效地降低了起下鉆摩阻，提高了機(jī)械鉆速，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)施工效果，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。