孫 俊，徐思旭，崔曉明，黃念義，祝學(xué)飛，朱春梅，賀 杰

（1.川慶鉆探新疆分公司，新疆庫爾勒841000；2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院四川省油氣田應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500）

1 概述

塔里木盆地是中國最大的含油氣沉積盆地。該盆地已探明油氣資源總量約為160×108t 油當(dāng)量，被譽(yù)為21 世紀(jì)中國石油戰(zhàn)略接替地區(qū)，也是“西氣東輸”工程的主力氣源之一[1-2]。由于塔里木盆地油氣藏埋深多在6000m以上，深井、超深井是開發(fā)該地區(qū)油氣資源的重要手段[3]。深井、超深井鉆井裸眼長，在鉆井過程中鉆具扭矩和摩阻大，導(dǎo)致鉆具的容易磨損、增大鉆井設(shè)備的功耗，甚至?xí)l(fā)生斷鉆、粘附卡鉆等鉆井安全事故[4-6]。在鉆井液中添加潤滑劑能有效改善鉆井液的潤滑性能、降低鉆具井下摩阻，防止上述事故的發(fā)生[7]。

目前川慶鉆井公司在其塔里木地區(qū)所用鉆井液中添加潤滑劑之后，雖然鉆具摩阻得到了有效降低，但鉆井液會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的起泡，某些井鉆井液起泡率甚至高達(dá)30%～40%。嚴(yán)重的起泡會(huì)導(dǎo)致鉆井液進(jìn)出口密度差大，這不僅會(huì)影響泥漿泵的效率和正常鉆進(jìn)及鉆井液液面監(jiān)測，而且還容易導(dǎo)致井控安全問題發(fā)生，增加井下安全風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。因此，在使用潤滑劑之前，對其高溫下引發(fā)鉆井液起泡的性能，以及起泡原因進(jìn)行分析，對針對性預(yù)防和消除鉆井液起泡有重要意義。

本文對川慶鉆井公司在塔里木地區(qū)常用的三種鉆井液潤滑劑在高溫下引發(fā)鉆井液起泡的性能進(jìn)行了評價(jià)，同時(shí)對潤滑劑引發(fā)鉆井液起泡的影響因素和原因進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料

膨潤土、潤滑劑YDL-1、潤滑劑RH220 和潤滑劑LE-50 均由川慶鉆探新疆分公司提供；NaOH（分析純），購于成都科龍?jiān)噭┕?；二氯甲烷（色譜純），購于百靈威化學(xué)試劑公司；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高溫?zé)釢L爐XGRL-4，青島同春；高速攪拌機(jī)HTD-BGJ1，青島恒泰達(dá)；JYW-2008全自動(dòng)表面張力儀，承德科承；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀Agilent 7890A GC/5975 MSD，美國安捷倫科技有限公司；無目鏡倒置熒光數(shù)碼顯微鏡AMG EVOSFL，美國AMG。

2.3 潤滑劑起泡性能評價(jià)

以基漿的起泡率為指標(biāo)，評價(jià)潤滑劑在鉆井液中的起泡性。具體方法如下：

（1）取350mL 基漿于高攪杯中，在室溫、高速攪拌（8000r/min）下，加入濃度為20%的NaOH 溶液調(diào)整基漿pH值。

（2）在高速攪拌（8000r/min）下，向調(diào)整好pH 值的基漿中加入潤滑劑，隨后繼續(xù)攪拌5min。

（3）將加入潤滑劑后的基漿轉(zhuǎn)入高溫高壓老化罐中，在140℃高溫?zé)釢L爐中老化16h。

（4）待老化結(jié)束，老化罐溫度降至室溫后，將老化罐中的基漿轉(zhuǎn)入帶刻度透明高攪杯中，高速攪拌（8000r/min）20min。

（5）待高攪結(jié)束后，迅速將高攪杯中的基漿向容積為250mL 的量筒中轉(zhuǎn)入100mL，在室溫下測量含泡沫的鉆井液體積V0(mL)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。

（6）將V0代入式（1），計(jì)算起泡率η：

式中：V——不含泡沫的基漿初始體積，mL。

2.4 潤滑劑組分分析

采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀Agilent 7890A GC/5975 MSD對各潤滑劑組分進(jìn)行分析。具體步驟如下：

（1）取0.5mL潤滑劑樣品于干凈溶劑瓶中，采用移液管準(zhǔn)確移取50mL二氯甲烷將樣品稀釋；

（2）將儀器預(yù)熱至40°C后，采用Agilent G4513A自動(dòng)進(jìn)樣器控制稀釋樣品進(jìn)樣量為0.3μL、分流比為50∶1進(jìn)行進(jìn)樣，控制儀器以10 °C/min 的升溫速率升溫至350°C，并在該溫度下保持2min。

2.5 泡沫微觀形貌分析

待基漿起泡后，迅速取少量泡沫樣品于熒光顯微鏡載玻片上，在室溫下觀測泡沫的形貌，并拍照。

2.6 表面張力的測定

采用JYW-2008全自動(dòng)表面張力儀測定含潤滑劑基漿熱滾前后濾液的表面張力。

3 結(jié)果與討論

3.1 各潤滑劑在基漿中的起泡性能

在固定基漿pH 值為10，基漿配方為水+8%膨潤土，潤滑劑加量為3%的情況下，考察了加有不同潤滑劑的基漿熱滾前后的起泡性，其結(jié)果如表1所示。由表1可知，熱滾前基漿的起泡率均為0，但在140℃下熱滾16h 后，除加有潤滑劑RH-220 的基漿不起泡外，其余兩種潤滑劑均會(huì)導(dǎo)致基漿起泡，其中加有潤滑劑YDL-1的基漿起泡最為嚴(yán)重，起泡率高達(dá)70%。

表1 加入潤滑劑熱滾前后基漿的起泡性能

3.2 潤滑劑導(dǎo)致基漿起泡的影響因素

3.2.1 潤滑劑加量的影響

在固定基漿pH值為10，考察了潤滑劑加量對基漿熱滾后的起泡性影響，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在140℃下熱滾16h后，加有潤滑劑YDL-1的基漿起泡最為嚴(yán)重，在加量為2%時(shí)，其起泡率最高，達(dá)105.0%。加有潤滑劑RH-220的基漿不具起泡性。潤滑劑LE-5在加量為1%～3%時(shí)，基漿的起泡率均在10.0%以內(nèi)。

3.2.2 基漿pH的影響

在固定各潤滑劑加量為1%的情況下，考察了不同pH值基漿在加入潤滑劑熱滾后的起泡性，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著基漿pH值的增加，加入潤滑劑熱滾后，基漿的起泡率也有所增加。尤其加有潤滑劑RH-220 的基漿，在pH 值超過10 時(shí)，熱滾后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的起泡，其起泡率在分別加有三種潤滑劑的基漿中最大。當(dāng)基漿pH值為12時(shí)，加有RH-220的基漿熱滾后的起泡率高達(dá)36.4%。

圖1 潤滑劑加量對基漿熱滾后的起泡性影響

3.3 潤滑劑引起基漿起泡原因分析

圖2 不同pH值基漿加入潤滑劑熱滾后的起泡性

由3.1 和3.2 基漿的起泡性評價(jià)結(jié)果可知，不同型號(hào)的潤滑劑致使基漿起泡的程度差別較大。潤滑劑之所以能使基漿熱滾后具有起泡性，與潤滑劑的組成密不可分。為揭示潤滑劑致使基漿熱滾后起泡的原因，本文采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀對三種潤滑劑的組成進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 各潤滑劑的氣質(zhì)聯(lián)用譜圖[（a）YDL-1；（b）RH-220；（c）LE-5]

通過儀器自動(dòng)分析圖3 得出，潤滑劑YDL-1 是由烷烴、氯代烷烴、硅氧烷、芳烴衍生物和酯等5種成分組成，其中所含酯為2-氯-3-[4-(二甲基氨基)苯基]-2-丙烯酸乙酯，含量為14.57%；潤滑劑RH220由烷烴、氯代烷烴、芳烴衍生物和酯等4種成分組成，其中所含酯為棕櫚酸甲酯、9,12-十八碳二烯酸甘油酯、11-十八碳烯酸甲酯，含量分別為8.77%、14.04%和11.99%，酯含量總和為34.80%；潤滑劑LE-5 由烷烴、氯代烷烴、烯烴、芳烴衍生物和酯等5種成分組成，其中所含酯為棕櫚酸甲酯和9,11-十八碳二烯酸甲酯，含量分別為8.49%和12.32%，二者總和為20.81%。

由于烷烴、氯代烷烴、烯烴、芳烴衍生物等不具有起泡性，因此推斷潤滑劑導(dǎo)致基漿起泡主要是由其中的酯類組分引起。因?yàn)樵趯?shí)際鉆井過程中，鉆井液體系pH值一般不小于10，在此pH值下，加之高溫，潤滑劑中的酯類物質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的分解，生成相應(yīng)的烴基羧酸，烴基羧酸又會(huì)在堿性條件下進(jìn)一步被皂化生成具有一定表面活性的烴基羧酸鹽，從而使鉆井液起泡。酯類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，其在同等或不同條件下的穩(wěn)定性也不同，也就是說酯類物質(zhì)水解皂化產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)的量就不同。這就造成鉆井液：①在加入不同潤滑劑后，在同等條件下的起泡程度存在差別；②在加入同一種潤滑劑后，在不同條件下的起泡程度存在差別。

圖4 加入潤滑劑后不同條件下基漿濾液的表面張力

圖4 為pH 值為10 的基漿加入潤滑劑熱滾前后濾液的表面張力和pH值為11的基漿加入潤滑劑熱滾后濾液的表面張力測定結(jié)果。

結(jié)果表明，在相同pH值下，基漿加入潤滑劑熱滾后濾液的表面張力比熱滾前濾液的表面張力低[見圖4（a）和（b）]，說明熱滾后基漿中存在能顯著降低液體表面張力的表面活性物質(zhì)；隨著潤滑劑加量的增加，熱滾后基漿濾液的表面張力值下降[見圖4（b）]，說明潤滑劑加量的增加，熱滾后基漿濾液中表面活性物質(zhì)的量增加。對比圖4（b）和（c）可知，在潤滑劑加量相同的情況下，pH值升高，熱滾后基漿濾液的表面張力值下降，說明pH值升高，熱滾后基漿濾液中表面活性物質(zhì)的量增加。

結(jié)合圖3和圖4所示結(jié)果可確定，濾液中表面活性物質(zhì)來源于潤滑劑中酯類成分的水解皂化。

4 結(jié)論

通過研究基漿中加入三種潤滑劑后的起泡性、潤滑劑組分以及基漿濾液表面張力變化，得出：

（1）潤滑劑中酯類物質(zhì)在高溫下分解皂化產(chǎn)生表面活性物質(zhì)導(dǎo)致鉆井液起泡的主要原因。

（2）增加潤滑劑加量或鉆井液pH值高于10均會(huì)增加鉆井液中表面活性物質(zhì)的量，導(dǎo)致鉆井液起泡率增加。

（3）為防止?jié)櫥瑒┈F(xiàn)場使用過程中導(dǎo)致鉆井液大量起泡，應(yīng)合理指定加料工藝，防止?jié)櫥瑒┚植繚舛群豌@井液pH值局部過高。