張 強

中國石化石油工程技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京 100020

隨著深井、長裸眼段水平井和頁巖氣井等復(fù)雜井的相繼開發(fā)，對減小井下摩阻提出了更高的要求［1-2］。在井身結(jié)構(gòu)方面，水平段越來越長，三維定向井不斷增多，鉆具同井壁接觸面積大，對摩阻控制要求高；在工藝工具方面，為提高目的層鉆遇率，部分區(qū)塊全程使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，該工具剛性強、直徑大，鉆進過程中對摩阻控制要求高；在地層方面，頁巖氣井地層壓力系數(shù)越來越大，必須使用高溫高密度鉆井液，該類鉆井液的潤滑性控制成為難題之一。鉆井工程和地質(zhì)的新變化都會造成井下摩阻增大，摩阻與井下安全之間的矛盾愈發(fā)突出，極易造成下鉆遇阻、憋扭矩和卡鉆等井下復(fù)雜，嚴(yán)重影響鉆井效率［3-4］。油基鉆井液由于其優(yōu)良的潤滑性能成為該類地層的首選，但近年來隨著國家環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，而且前期大量使用油基鉆井液引起的油基鉆屑處理壓力大、新區(qū)塊探井未能及時配套油基鉆屑處理設(shè)備等問題，限制了油基鉆井液的大規(guī)模使用［5-7］，因此滿足安全施工需求的高效潤滑水基鉆井液逐漸成為一個重要選擇［8-10］。

目前，向水基鉆井液中添加優(yōu)質(zhì)潤滑劑來降低井下摩阻，是預(yù)防和解決鉆井安全問題的主要技術(shù)手段之一。潤滑劑在降低鉆具與井壁之間的摩擦、減小鉆進扭矩和起下鉆摩阻中起到關(guān)鍵作用。從水基鉆井液潤滑劑的發(fā)展現(xiàn)狀來看，固體類潤滑劑不僅影響固控，而且通常難以降解，容易造成環(huán)境污染和儲層損害，制約了其在水平井中的應(yīng)用。對環(huán)境污染嚴(yán)重且具有熒光效應(yīng)的原油和柴油類傳統(tǒng)潤滑劑的應(yīng)用受限，同時植物油類潤滑劑也存在影響鉆井液流變性、易起泡和易消耗等缺點，在高溫高密度條件下上述問題尤其突出。因此，基于研發(fā)抗高溫且配伍性好的環(huán)保型高性能液體潤滑劑的思路，本研究選擇綠色環(huán)保的淀粉水解產(chǎn)物葡萄糖為原料，通過適當(dāng)?shù)姆肿有揎?，保持產(chǎn)品合適的親水和疏水基團，通過縮合、磺化和胺化等一系列化學(xué)反應(yīng)，使產(chǎn)品在潤滑環(huán)保的同時，兼顧抗高溫、不起泡和配伍性優(yōu)勢［11-15］，以期該材料的發(fā)展促進鉆井液處理劑升級換代且符合綠色發(fā)展的趨勢。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

葡萄糖、磺化試劑、鈉膨潤土均為工業(yè)品，四川省達州市普光區(qū)塊現(xiàn)場；橋接劑、多元醇、多烷基醇胺、催化劑均為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；JHC-1潤滑劑，鄭州晶元化工公司。

ZNCL-TS 型恒溫磁力攪拌器，河南愛博特科技公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計、XGRL-4A 型高溫滾子加熱爐、GJS-B12K 變頻高速攪拌機、EP-2A 型極壓潤滑儀，青島海通達專用儀器廠。

1.2 制備方法

按一定比例將葡萄糖、醇和催化劑在一定溫度條件下反應(yīng)后得到中間產(chǎn)物1。中間產(chǎn)物1 和一定比例的橋接劑、多元醇和磺化試劑加入配有冷凝回流裝置和攪拌裝置的四口燒瓶中，升溫至90～105 ℃，反應(yīng)1.0～2.0 h 后，繼續(xù)在上述反應(yīng)液中加入一定比例多烷基醇胺，攪拌混合均勻后，在70～90 ℃下反應(yīng)3.0～5.0 h，降至室溫，得到紅褐色黏稠狀液體，即為高性能環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品。

1.3 性能評價

對制備得到的產(chǎn)品取樣，進行潤滑性能、抗溫性能、配伍性能和生物毒性的評價。

1）潤滑性能：在鈉膨潤土漿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%）中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的產(chǎn)品，采用EP-2A型極壓潤滑儀測試其潤滑性能。

2）抗溫性能：在鈉膨潤土漿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%）中加入1.0%的產(chǎn)品，不同溫度老化后，采用EP-2A型極壓潤滑儀測試其潤滑性能。

3）配伍性能：在鈉膨潤土漿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%）中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的產(chǎn)品，采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計等測試其流變性能和濾失性能。

4）生物毒性評價：依據(jù)GB/T 15441—1995，采用發(fā)光細(xì)菌法測試產(chǎn)品的生物毒性［16］。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑性能

在鈉膨潤土漿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%）中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高性能環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品，160 ℃加熱滾動16 h，測試其潤滑性能，結(jié)果見圖1。由圖1 可知：高性能環(huán)保潤滑劑產(chǎn)品在5.0%鈉膨潤土漿中表現(xiàn)出較好的潤滑性能，隨著加量增大，鈉膨潤土漿的潤滑系數(shù)呈降低趨勢。當(dāng)產(chǎn)品加量為0.5%時，鈉膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率達70%以上；當(dāng)產(chǎn)品加量為2.0%時，鈉膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率達85%以上。

圖1 不同加量產(chǎn)品對鈉膨潤土漿潤滑系數(shù)降低率的影響

2.2 抗溫性能

在不同老化溫度條件下，對加量為1.0%的產(chǎn)品在5.0%鈉膨潤土漿中的潤滑性能進行了測試評價，不同溫度加熱滾動16 h，結(jié)果見表1。由表1可知：隨著老化溫度的升高，產(chǎn)品在5.0%鈉膨潤土漿中的潤滑系數(shù)呈逐漸升高趨勢，但潤滑系數(shù)降低率在200 ℃高溫老化后仍大于65%。

表1 不同老化溫度下產(chǎn)品對鈉膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率

2.3 配伍性能

考察不同加量的產(chǎn)品對5.0%鈉膨潤土漿的流變性能及濾失性能的影響，160 ℃加熱滾動16 h，結(jié)果見表2。由表2 可知：隨著產(chǎn)品加量的增大，表觀黏度（AV）基本無變化，中壓濾失量（FLAPI）明顯降低，說明產(chǎn)品對5.0%鈉膨潤土漿流變性能影響不大，同時具有明顯的降濾失作用。與基漿相比，加入1.0%產(chǎn)品，其表觀黏度變化值僅為1.0 mPa·s，中壓濾失量降低值達7.0 mL，說明該產(chǎn)品與基漿的配伍性良好，降濾失性能突出。

表2 不同加量產(chǎn)品對鈉膨潤土漿的流變及濾失性能影響結(jié)果

2.4 生物毒性

采用發(fā)光細(xì)菌法測試產(chǎn)品的生物毒性，測試結(jié)果顯示，工業(yè)化產(chǎn)品樣品的半數(shù)效應(yīng)濃度（EC50）為481.4 g/L，遠高于排放標(biāo)準(zhǔn)30 g/L（GB/T 15441—1995《水質(zhì) 急性毒性的測定 發(fā)光細(xì)菌法》），說明產(chǎn)品無生物毒性，綠色環(huán)保。

2.5 現(xiàn)場試驗效果

產(chǎn)品在普光和川西等多口井現(xiàn)場試驗，表現(xiàn)出良好的潤滑效果。以普光區(qū)塊QXX 平X 井為例，該井完鉆井深6 490 m，井底靜止溫度140 ℃，最大井斜89.58°，鉆至茅口組，實鉆密度達2.11 g/cm3。利用X 井現(xiàn)場鉆井液，評價本產(chǎn)品與現(xiàn)場鉆井液的配伍性，結(jié)果見表3。由表3可知：常規(guī)潤滑劑（JHC-1）加入鉆井液中會引起黏度升高，導(dǎo)致流型難以控制，加入本研究制備的產(chǎn)品后現(xiàn)場鉆井液的流變性能穩(wěn)定。

表3 現(xiàn)場小型試驗結(jié)果

本井鉆至5 664 m，鉆井液密度2.10 g/cm3，井下定向有托壓現(xiàn)象，向聚磺井漿中加入1.0%本研究制備的產(chǎn)品，入井前后井漿性能變化見表4。由表4 可知：加入制備的產(chǎn)品后，井漿流變性能穩(wěn)定，托壓現(xiàn)象消除，摩阻和扭矩均有降低，表明產(chǎn)品具有良好的潤滑性能。

表4 現(xiàn)場應(yīng)用測試結(jié)果

3 結(jié)論

1）克服傳統(tǒng)水基鉆井液潤滑劑的不足，創(chuàng)新研制出了一種水溶性的、配伍性好的高性能環(huán)保水基鉆井液潤滑劑。

2）室內(nèi)評價結(jié)果表明：產(chǎn)品具有突出的抗高溫潤滑性能，且配伍性好，無毒環(huán)保。160 ℃高溫老化16 h，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的產(chǎn)品，潤滑系數(shù)降低率達85%以上，200 ℃仍有較好的潤滑效果，適用于環(huán)境敏感區(qū)域、高溫高摩阻地層的潤滑防卡。

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：產(chǎn)品可較好地解決現(xiàn)場施工過程中的定向托壓等問題，相同加量下，潤滑性能和配伍性能更優(yōu)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。