王林林

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

在鉆井過程中，由于由鉆柱和井壁、套管相互作用產(chǎn)生的摩擦力和扭矩會(huì)導(dǎo)致拖壓和卡鉆等情況發(fā)生。此外，在套管內(nèi)部，由于鉆柱和套管之間的金屬—金屬表面接觸形成的摩擦也會(huì)導(dǎo)致套管磨損。在大位移井、水平井、大斜度定向井的鉆進(jìn)過程中，由于狗腿度過大、井眼軌跡不規(guī)則等原因，這種情況尤其嚴(yán)重，經(jīng)常會(huì)引發(fā)鉆井過程中扭矩過大、拖壓嚴(yán)重等問題。

與水基鉆井液相比，油基和合成基鉆井液在鉆井過程中具有更低的摩擦力和扭矩，但是由于使用成本和環(huán)境保護(hù)問題，油基鉆井液和合成基鉆井液的使用受到嚴(yán)重限制。

在使用水基鉆井液過程中，為了解決鉆井過程中的摩阻和扭矩問題，通常會(huì)在水基鉆井液中加入固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑[1-2]。其中固體潤(rùn)滑劑的作用類似于滾珠軸承，一般為惰性物質(zhì)，通常不影響鉆井液的性能，但固體潤(rùn)滑劑在特定情況下可能會(huì)導(dǎo)致井下鉆具出現(xiàn)故障。液體潤(rùn)滑劑的作用機(jī)理是在鉆具和井壁表面之間形成一層潤(rùn)滑薄膜，潤(rùn)滑膜的厚度大于接觸面的粗糙層厚度，并且其強(qiáng)度可以抵抗接觸壓力，從而最大限度地減少摩擦表面的直接接觸面積，起到降低摩擦力和扭矩的目的[3-4]。由于潤(rùn)滑劑與鉆井液中的其他物質(zhì)之間產(chǎn)生相互作用，潤(rùn)滑效果和潤(rùn)滑劑的濃度密切相關(guān)。

學(xué)者Tyldsley 研發(fā)了一種商品名稱為SSP的植物油基改性潤(rùn)滑劑，該潤(rùn)滑劑能很好地克服鉆井時(shí)產(chǎn)生的扭矩和摩阻問題。他的研究結(jié)果表明，在加入SSP后，實(shí)鉆過程中的扭矩值降低了30%。此外，SSP還可以通過降低API 濾失量來幫助穩(wěn)定水基鉆井液體系。但是，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，SSP 提高了鉆井液的動(dòng)切力。此外，重晶石和巖屑等固相也會(huì)影響鉆井液的摩阻，1999年Quigley 使用鉆井液潤(rùn)滑性測(cè)試儀分析了分散和不分散鉆井液體系中的多種鉆井液用液體潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)。用于研究的鉆井液密度從1.00 g/cm3到1.68g/cm3不等。得出的結(jié)論為：部分潤(rùn)滑劑在降低扭矩和阻力的同時(shí)，可以降低鉆頭泥包發(fā)生的概率，提高泥餅質(zhì)量，可以幫助穩(wěn)定井壁。他還指出，低密度鉆井液具有更低的摩擦系數(shù)。因此，在進(jìn)行鉆井液乳化劑性能評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)該考慮在高pH 值、高鈣離子含量、高氯化物含量和高密度鉆井液樣品中檢驗(yàn)潤(rùn)滑劑的性能測(cè)試。

在本研究中，主要考察了改性植物油類潤(rùn)滑劑、合成酯類潤(rùn)滑劑、醇醚類潤(rùn)滑劑這三類常用的商業(yè)潤(rùn)滑劑在鉆井液中的潤(rùn)滑效果和對(duì)鉆井液流變性、濾失量、密度和潤(rùn)滑性的影響，以期確定潤(rùn)滑性能好、成本低的潤(rùn)滑劑。

選擇現(xiàn)場(chǎng)最為普遍的聚合物鉆井液作為本次研究的評(píng)價(jià)用鉆井液。該鉆井液的配方為：3%膨潤(rùn)土+0.2%PAC-LV+0.4%抑制劑+1%聚合物降濾失劑+0.1%XC+2%磺化瀝青。在進(jìn)行潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)前，首先將配制的鉆井液在100℃條件下進(jìn)行16h 的老化，從而更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

2 實(shí)驗(yàn)程序

2.1 所需原料

膨潤(rùn)土、PAC-LV、黃原膠、抑制劑、聚合物降濾失劑、磺化瀝青、重晶石均為現(xiàn)場(chǎng)取樣。實(shí)驗(yàn)中用于評(píng)價(jià)的改性植物油類潤(rùn)滑劑、合成酯類潤(rùn)滑劑、醇醚類潤(rùn)滑劑 分 別 用 代 號(hào)DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3 表示。用于進(jìn)行評(píng)價(jià)抗鹽性評(píng)價(jià)的氯化鈉也為工業(yè)品。

2.2 潤(rùn)滑性測(cè)試

當(dāng)兩個(gè)直接接觸的物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力就會(huì)發(fā)揮作用。潤(rùn)滑劑是為了減少鉆井過程中產(chǎn)生的摩擦力，為了在實(shí)驗(yàn)室條件下更為準(zhǔn)確的測(cè)試潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，需要模擬鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度和鉆柱對(duì)井壁或套管的壓力。本實(shí)驗(yàn)研究中，使用Fann極壓潤(rùn)滑儀來測(cè)量鉆井液體系的潤(rùn)滑性，并預(yù)測(cè)鉆井液造成的井下機(jī)械鉆具的磨損情況。

2.3 鉆井液性能測(cè)試

主要測(cè)試鉆井液的pH 值、鹽含量、密度、粘度、動(dòng)切力、塑性粘度、失水、起泡性等常規(guī)性能。

3 結(jié)果討論

3.1 潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液常規(guī)性能的影響實(shí)驗(yàn)

將不同濃度的DQLU-1、DQLU-2 和DQLU-3分別加入到聚合物鉆井液中，其性能見表1。

表1 潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液性能的影響

從表1 中數(shù)據(jù)可以得知，改性植物油類潤(rùn)滑劑DQLU-1具有良好的配伍性和潤(rùn)滑性，其加量為2%時(shí)即可起到顯著的潤(rùn)滑效果，可將基漿的潤(rùn)滑系數(shù)從0.249 下降到0.095，下降幅度為52%。DQLU-1 對(duì)鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和初終切影響均較小，DQLU-1加入鉆井液中也沒有起泡現(xiàn)象，說明該潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液的流變性沒有負(fù)面影響。加入DQLU-1 后，體系的失水略有降低，這可能是因?yàn)闈?rùn)滑劑和鉆井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，從而提高了濾餅質(zhì)量降低了失水。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加入DQLU-1后，形成的泥餅更為致密，表面更為光滑，說明潤(rùn)滑劑DQLU-1有助于提高泥餅質(zhì)量。

從表1 中可以看出，合成酯類潤(rùn)滑劑DQLU-2 同樣具有良好的配伍性和潤(rùn)滑性，其加量在2%時(shí)即可起到一定的潤(rùn)滑效果，可將基漿的潤(rùn)滑系數(shù)從0.249下降到0.168，下降幅度為33%，略低于DQLU-1。加入DQLU-2后鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力均略有增高，DQLU-2加入鉆井液中也沒有起泡現(xiàn)象，該潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液的流變性影響較小，產(chǎn)生的影響是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中可以接受的。加入DQLU-2后，體系的失水降低幅度較小，這可能是因?yàn)闈?rùn)滑劑和鉆井液中的水相形成了具有一定封堵能力的乳液微粒，從而提高了濾餅質(zhì)量降低了失水。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加入DQLU-2后，形成的泥餅也較為致密，表面較為光滑，說明潤(rùn)滑劑DQLU-2 有助于提高泥餅質(zhì)量。

加入的醇醚類潤(rùn)滑劑DQLU-3 和鉆井液體系也具有良好的配伍性，但潤(rùn)滑性相對(duì)較差，其加量在2%時(shí)可將基漿的潤(rùn)滑系數(shù)從0.249 下降到0.204，下降幅度為18%，為三種潤(rùn)滑劑中潤(rùn)滑效果最差的一種。加入DQLU-3 后鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力變化不大，DQLU-3 加入鉆井液中也沒有起泡現(xiàn)象，說明該潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液的流變性影響較小，產(chǎn)生的影響是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中可以接受的。加入DQLU-3后，體系的失水基本沒有變化，說明該潤(rùn)滑劑沒有降低失水的作用。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加入DQLU-2后，形成的泥餅質(zhì)量低于前兩種潤(rùn)滑劑，說明潤(rùn)滑劑DQLU-3的整體性能較差。

3.2 氯離子對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響實(shí)驗(yàn)

在聚合物鉆井液基漿中加入3%的氯化鈉來測(cè)試氯離子對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 氯離子對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出。氯離子的存在會(huì)對(duì)潤(rùn)滑劑和鉆井液的各項(xiàng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。加入氯化鈉后，含2%潤(rùn)滑劑的三種鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和初終切均發(fā)生明顯變化，尤其是初終切的變化值較大，過高的切力將嚴(yán)重影響鉆井液在施工過程中的開泵泵壓，對(duì)整個(gè)施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生不利影響。氯化鈉的存在也在一定程度上增加了失水。此外，氯化鈉的存在使?jié)櫥瑒┑臐?rùn)滑性能也受到了負(fù)面影響，潤(rùn)滑系數(shù)降低率也明顯下降。在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，含鹽鉆井液形成的濾餅質(zhì)量也差于之前不含鹽的濾餅，并有明顯的虛泥餅存在。

3.3 pH值對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響實(shí)驗(yàn)

使用適量的NaOH 將聚合物鉆井液基漿的pH 值從之前的9左右調(diào)整到11左右，考察pH對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 pH值對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出。將pH 值增加到11 以后會(huì)對(duì)潤(rùn)滑劑和鉆井液的各項(xiàng)性能產(chǎn)生一定影響。提高pH后，含2%潤(rùn)滑劑的三種鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力均有所增加，終切顯著增大，上述變化不利于鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)使用。失水略有降低，潤(rùn)滑能力基本沒有受到影響。說明所評(píng)價(jià)的三種潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果基本不受pH值變化的影響。

3.4 密度對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響實(shí)驗(yàn)

在鉆井液基漿中按照重量/體積百分比分別加入3%、6%、9%、15%和20%的重晶石粉，然后分別加入2%的三種潤(rùn)滑劑，考察密度對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑性的影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，僅增加鉆井液密度不會(huì)改變鉆井液的潤(rùn)滑性能。但隨著密度的增加，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和初終切均逐步增大。

4 結(jié)論和建議

本研究對(duì)鉆井液液體潤(rùn)滑劑的性能進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)了三種不同類型的商用潤(rùn)滑油（改性植物油類潤(rùn)滑劑、合成酯類潤(rùn)滑劑、醇醚類潤(rùn)滑劑）在鉆井液中的潤(rùn)滑效果和對(duì)鉆井液流變性、濾失量、密度和潤(rùn)滑性的影響。同時(shí)還分析了氯離子含量、pH值和密度等條件對(duì)鉆井液性能和潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果的影響，獲得如下結(jié)論。

（1）三種潤(rùn)滑劑在聚合物鉆井液體系中都具有較好的配伍性，其中改性植物油類潤(rùn)滑劑DQLU-1的潤(rùn)滑性最好，在2%加量下即可起到顯著的潤(rùn)滑效果，可將基漿的潤(rùn)滑系數(shù)從0.249下降到0.095，潤(rùn)滑系數(shù)降低率為52%；合成酯類潤(rùn)滑劑DQLU-2的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為33%；醇醚類潤(rùn)滑劑DQLU-3效果最差，下降幅度為18%

（2）氯離子的存在會(huì)對(duì)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果和鉆井液的流變性產(chǎn)生負(fù)面影響。在鉆井液體系中加入3%氯化鈉后，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和初終切均發(fā)生明顯變化，其中初終切的增幅較大，會(huì)對(duì)施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的不利影響。氯化鈉的存在使?jié)櫥禂?shù)降低率也明顯下降。

（3）提高pH值后，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力均有所增加，終切顯著增大，但潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑能力沒有受到明顯影響。

（4）增加鉆井液密度不會(huì)改變鉆井液的潤(rùn)滑性能。但隨著密度的增加，鉆井液體系的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和初終切均逐步增大，這一趨勢(shì)與其他實(shí)驗(yàn)相符合。