大位移井環保潤滑劑的研究與應用*

董平華，許 杰，何瑞兵，王 偉，謝 濤，苗海龍，陳 強，吳 宇

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

渤海南部海域墾利區塊前期完鉆數口井，水垂比為1.2～1.7。由于長水平段的存在［1—2］，在重力作用下，鉆具與井壁、鉆具與套管的接觸面增大，摩擦力也逐漸增大，兩者之間溫度不斷升高，潤滑劑在鉆具表面嚴重脫附，造成體系潤滑性能顯著下降，因潤滑不足造成的扭矩摩阻問題進一步增大。同時該區域水平段地層泥頁巖水敏性強，易水化造漿引起鉆井液增稠，進而導致潤滑性能減弱，增大了鉆進阻力［3—4］。該區域前期完鉆的多口井鉆遇目的層時就頻繁出現了憋壓、蹩扭矩等情況。而且近幾年渤海區域實現全部零排放的趨勢愈加明顯，每年的4—10 月海洋生物繁殖期，要求回收全部鉆井液。渤海海域進行全監控環保管理，嚴苛的海洋環保法規對于該海域作業的潤滑劑提出了極高的環保要求。國內現有的鉆井液潤滑劑在保證良好潤滑及抗磨能力的同時，難以兼顧其環保標準，無法滿足海洋作業要求，因此開展渤海灣大位移井鉆井液環保潤滑劑的研究刻不容緩。

在鉆井液中加入潤滑劑來調節鉆井扭矩和鉆具磨損問題是最有效措施之一。目前渤?，F場常用的潤滑劑多為油類潤滑劑，易產生浮油，且生物毒性不達標，對海洋生物繁殖有一定的影響。通過對潤滑劑機理分析，當現場鉆井液體系各處理劑的吸附基團較多時，易在鉆具和井壁形成吸附層，降低潤滑劑在摩擦界面的吸附量，影響鉆具接觸面潤滑膜的致密性和吸附強度，反向促進了潤滑劑的脫附能力，從而降低潤滑劑的潤滑效率［5—6］。針對上述問題，為了滿足渤海大位移井鉆井特點，同時考慮環保要求，以植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚和納米材料為原料制備了潤滑劑Biolube，研究了該潤滑劑的極壓潤滑、抗磨減阻、配伍性、抗污染能力和生物毒性等，并在渤海南部海域兩口大位移井進行了現場應用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環保水基潤滑劑Biolube、鈉膨潤土、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、聚陰離子纖維素PF-PAC-LV、聚合物抗鹽提切劑PF-JHVIS、黃原膠PF-XC、氯化鈉、氯化鉀、聚合醇PF-JLX-C、改性石墨PF-GRA，超細鈣HTC、重晶石、礦物油類潤滑劑PF-1#和極壓類潤滑劑PF-2#（均含有毒性基團，環保要求不達標），中海油田服務股份有限公司；渤?，F場海水；模擬海水，礦化度為31380 mg/L，每升海水中含21.86 g NaCl、3.23 g Na2SO4、4.53 g MgCl2、0.93 g CaCl2、0.64 g KCl、0.17 g NaHCO3、0.02 g Na2CO3，所用無機鹽均為市售分析純試劑；污染土Rev-Dust，渤海墾利區塊現場。

ZNN-D6 型六速旋轉黏度計、NZ-3A 黏滯系數測定儀、變頻高速攪拌機，青島海通達專用儀器有限公司；中壓濾失儀、XGRL-4 高溫滾子加熱爐，青島夢創儀器有限公司；Fann21200極壓潤滑儀，美國Fann公司；KMY201-1A抗磨試驗機，武漢神州機電有限公司；CODcr快速測定儀、BOD5測定儀，青島聚創環保設備有限公司。

1.2 實驗方法

（1）鉆井液的配制

①6%淡水基漿：在1 L 蒸餾水中加入60 g 膨潤土、2.5 g Na2CO3，在6000 r/min 下攪拌20 min，室溫下密閉養護24 h。②6%海水基漿：按①先配制200 mL 12%淡水基漿，室溫下養護24 h，再加入200 mL模擬海水，6000 r/min 下攪拌10 min。③鉆井液：按照墾利區塊現場鉆井液配方配制PEM體系，具體配方為3%海水搬土漿（現場海水+0.07% NaOH+0.07% Na2CO3+3%膨潤土，養護24 h ）+0.5%NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% PF-PAC-LV+0.3%PF-JHVIS+0.1% PF-XC+6% KCl+12% NaCl+3%PF-JLX-C+0.5% PF-GRA+5% HTC，重晶石加重至1.3 g/cm3。

（2）評價方法

參照國家標準GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業中鉆井液現場測試（第1 部分：水基鉆井液）》測試鉆井液各項性能。依據石油天然氣行業標準SY/T 6094—94《鉆井液用潤滑劑評價程序》評價潤滑性能；參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 111—2007《油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發光細菌法》和國家標準GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性第二部分：檢測方法》中的鹵蟲法測定潤滑劑的生物毒性；依據國家標準GB 11914—89《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》測定潤滑劑的化學需氧量（CODcr），依據國家標準GB 7488—87《水質五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法》測定潤滑劑的BOD5，以BOD5/CODcr值表示潤滑劑的生物降解性。

2 結果與討論

2.1 潤滑劑Biolube的性能評價

潤滑劑Biolube原料由植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚及納米材料組成，通過一系列化學反應制得；原料均為環?？山到獠牧?，通過對植物油進行改性，在保證其傳統潤滑效果的同時，引入多吸附基表面活性劑以及納米微粒，吸附點多，面積廣，增強了潤滑膜致密性和強度，有效改善鉆井液的潤滑能力。室內分別從潤滑機理、極壓潤滑、抗磨減阻、配伍性、抗污染能力、生物毒性等方面對Biolube 進行了評價與分析。

2.1.1 潤滑機理

鉆井過程中，鉆井液體系中的多種處理劑對鉆具、套管及井壁間存在著不斷吸附-脫附的過程，其競爭吸附過程大大影響了常規潤滑劑的吸附能力。而Biolube則引入多吸附基團，能在鉆具及井壁間形成強有力的吸附薄膜，使競爭吸附能力增強且吸附層不易脫附，有效降低了鉆井液在接觸面間的阻力；其中還含有層狀結構的醚類物質，分子間可相對滑動，能吸附在黏土微粒表面，從而減緩鉆井液流動過程中微粒產生的滑動摩擦；該劑同時引入納米微粒，粒度小，在重載荷下可形成滑動系，能在摩擦界面的微滑痕處分散、均勻填充以及修復，從而有效減緩摩擦表面間的磨損。

2.1.2 極壓潤滑能力

使用極壓潤滑儀和抗磨試驗機，分別對潤滑劑Biolube 和渤海常用潤滑劑進行了潤滑能力和抗磨效果的測定，結果如表1 所示。在6%淡水基漿和6%海水基漿中分別加入2%Biolube后，基漿的摩阻系數降至0.03以下，潤滑性能均明顯優于常用潤滑劑；且抗磨均達到10塊砝碼以上，抗磨效果優異。

表1 潤滑劑在基漿中的潤滑性能

2.1.3 與鉆井液的配伍性

室內配制現場PEM體系，然后按不同的質量分數加入Biolube，120℃老化16 h，評價Biolube 與鉆井液的配伍性、起泡性和潤滑性，結果如表2 所示。隨著加量的增大，Biolube 對該體系表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）和動切力（YP）的影響較小，3%加量以下時濾失量（FL（API））降低，有輕微降濾失作用。Biolube加入前后體系密度基本無變化，加量為3%時，體系的摩阻系數低至0.06，潤滑效果明顯。Biolube與PEM鉆井液體系配伍性良好，不起泡，滿足現場施工要求。

表2 Biolube潤滑劑對鉆井液性能的影響

2.1.4 抗磨減阻能力

在PEM 鉆井液中加入2%潤滑劑，用抗磨試驗機評價其抗磨能力。加入Biolube 的鋼球磨痕微小且光滑，磨痕圓斑直徑為2.5 mm；而未加任何潤滑劑（空白）和加入PF-1#、PF-2#的鋼球磨痕表面積大且粗糙，圓斑直徑分別為6、5、4.5 mm，其中空白的鋼球摩擦界面最為粗糙。由此可見，Biolube能在摩擦表面形成強有力的極壓膜，起到良好的抗磨減阻效果。

2.1.5 抗污染能力

在大位移井施工中，明化鎮、館陶組地層鉆屑易水化分散造漿，少量碎鉆屑污染鉆井液，且不能通過固控設備除去。在PEM鉆井液中加入3%Biolube和5%～20%的污染土Rev-Dust，測定鉆井液的黏度和摩阻系數，結果如表3 所示。隨著污染土加量的增大，體系的AV、PV、摩阻系數略有增加，但增幅較小，依然具有較強的抗鉆屑污染能力和潤滑效果。

表3 Biolube潤滑劑和污染土對鉆井液性能的影響

2.1.6 生物毒性與降解性

參照Q/SY 111—2007 和GB/T 18420.2—2009對潤滑劑Biolube進行生物毒性測試。Biolube的半數有效濃度（EC50）值為15×104mg/L，遠高于2.5×104mg/L 的標準值；通過鹵蟲法（96 h）測得的半數致死濃度（LC50）值為4.6×104mg/L，大于3.0×104mg/L 的標準值。委托國家海洋局天津海洋環境監測中心檢測的結果相同（LC50值＞3×104mg/L），說明Biolube無生物毒性，滿足一級海域環保要求。參照GB 11914—89、GB 7488—87測定了Biolube的CODcr和BOD5值，BOD5/CODcr為27.4%，生物降解性良好。

2.2 潤滑劑Biolube的現場應用

2019 年以來，環保潤滑劑Biolube 陸續在墾利區塊KL10-1-A47和KL10-1-B62兩口大位移井進行了試用。

2.2.1 KL10-1-A47井

將Biolube 用于KL10-1-A47 井8-1/2''井段。井段穿越層位為沙河街二段（3403—3573 m）和沙河街三段（3573—4166 m）。其中，沙河街二段的泥巖與細砂巖呈不等厚互層，局部夾薄層灰質粉砂巖；沙河街三段的泥巖夾灰質粉砂巖、粉砂巖和細砂巖，局部發育煤層。從3403 m 至3825 m，井斜方位從30°/205°開始增斜扭方位至43°/247°，之后穩斜鉆進至完鉆井深4166 m。

該井進入裸眼段，未加入Biolube時鉆進過程中扭矩波動范圍為30～38 kN·m，波動頻繁。循環體積200 m3，在圖1 中虛線處對應井深均勻補充4.8 t Biolube（體積分數2%）后，扭矩逐漸趨于平穩；后期扭矩波動在27～33 kN·m，波動頻率降低。整個鉆進過程中，鉆井液黏度、密度穩定。由圖1 可見，KL10-1-A47（簡稱A47）井鉆進中的扭矩和機械鉆速（ROP）均優于鄰井KL10-1-A28（簡稱A28）井（使用PF-2#），且一直保持平穩，倒劃眼起鉆順利。

圖1 Biolube潤滑劑對KL10-1-A47井8-1/2''井段的影響

2.2.2 KL10-1-B62井

該井從1000 m 開始54°穩斜，最大井斜62°（4770 m），技術套管下深至3883.5 m。8-1/2''井段于2019 年2 月5 日進入裸眼段，井段深度3884—4770 m，水平位移3533.56 m。開鉆采用PEM 鉆井液鉆進，層位沙二組。該井進入裸眼段，未加入Biolube時鉆進過程中扭矩波動范圍為34～40 kN·m，倒劃眼期間為36～42 kN·m，鉆進扭矩峰值最高達到46 kN·m，見圖2 虛線處。在井深3925 m、鉆井排量2000 L/min、循環池補充2%～3% Biolube 后，扭矩開始持續下降，在4200 m 左右時降至最低25 kN·m，后期正常鉆進期間扭矩較為平穩，在33 kN·m上下浮動。鉆進至完鉆井深4770 m，鉆井液黏度和密度始終保持穩定，兩次倒劃眼短起期間參數平穩，未出現憋扭矩、倒劃眼困難等情況，且非油層段巖屑排放期間海面未見油花，對海洋微生物無毒害影響。由圖2可見，KL10-1-B62（簡稱B62）井8-1/2''井段鉆進中的扭矩值小于鄰井KL10-1-B20（簡稱B20）和KL10-1-A17（簡稱A17），而ROP 高于鄰井，表明Biolube 優于現場常用潤滑劑PF-2#，有效提高了鉆井時效。

圖2 Biolube對KL10-1-B62井8-1/2''井段的影響

3 結論

以植物油、低碳醇、脂肪酸、聚醚和納米材料為原料制備的潤滑劑Biolube 的潤滑性能優于同類潤滑劑，與鉆井液的配伍性良好。加有Biolube的鉆井液抗磨達到10 塊砝碼以上，磨痕微小且均勻，抗磨減阻效果顯著，且具有較強的抗鉆屑污染能力和潤滑效果。潤滑劑Biolube無毒可降解，滿足渤海海域環保要求。將潤滑劑Biolube于渤海南部海域試驗，改善了墾利區域大位移井摩阻扭矩大、波動頻繁的問題，有效提高了鉆井效率。且非油層段巖屑排放期間海面無油花，對海洋微生物無影響。該劑在降低摩阻與扭矩、保護海洋環境，提高鉆井綜合效益等方面的效果顯著，有利于海洋油田的可持續發展。