一種水基鉆井液用抗溫潤滑劑的研制與評價

姚磊

(中海油服油田化學事業部 深圳作業公司,廣東 深圳 518054)

近年來,隨著油氣勘探開發的不斷深入,地下淺層的油氣儲量不斷減少并逐漸轉向深層,因此定向井、大位移井、超長水平井及深井超深井等復雜井型的鉆探比重不斷增大。大位移井井段鉆具與井壁和套管間的高摩阻高扭矩、深井及超深井井下高溫等復雜情況以及國家對于鉆井液施工過程中環保力度的推行,這些都對鉆井液的潤滑性提出了更苛刻的要求[1-2]。據現場作業經驗表明,常規潤滑劑多采用礦物油、植物油等,雖然潤滑效果良好,但多存在生物毒性大、抗磨持久性差、抗溫性不足等問題,嚴重制約了其推廣應用[3-10]。合成酯類潤滑劑具有較好的水解穩定性和氧化穩定性,且生物毒性低,抗高溫能力強,在航空、軍事等高端領域均廣泛應用,很好的滿足和解決了井下高溫高摩阻的要求[11]。本文以長鏈脂肪酸和低分子多元醇為原料,通過酯化反應合成了一種酯類化合物,再引入有機硼極壓材料,制備出了一種高效耐溫耐磨的復合潤滑劑GWLUB-1。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

主要原料:氫氧化鈉、無水碳酸鈉,分析純,天津市冀北精細化工有限公司;合成酯類潤滑劑GWLUB-1,自制;鈉膨潤土、PF-FLOTROL、PF-DFL-180、PF-XC、PF-PAC-HV、PF-LSF、PF-SMP、SPNH-HT、抑制劑、潤滑劑、重晶石,中海油田服務股份有限公司。

實驗儀器:XGRL-4A高溫滾子加熱爐、6聯中壓濾失儀、變頻高速攪拌器、六速旋轉粘度計,青島海通達專用儀器廠;Fann極壓潤滑儀,北京探礦工程研究所;抗磨試驗機,青島奧龍星迪檢測設備有限公司;光照培養箱,上海合恒儀器設備有限公司;DXY-2 型生物毒性測定儀,北京中慧天誠科技有限公司。

1.2 抗溫合成酯類潤滑劑的制備

將長鏈脂肪酸和低分子多元醇和水按照一定比例加入反應釜中,加入少量有機催化劑后攪拌均勻,升溫到75 ℃反應2 h,再繼續升溫至170 ℃條件下反應4 h,反應過程中不斷通入N2排出氧氣防止氧化,酯化反應完成后得到酯類化合物;再將溫度降低到60 ℃下,在反應產物中加入有機硼極壓抗磨劑和消泡材料按照一定比例復配,攪拌均勻,最終得到黃褐色透明的抗高溫合成酯類潤滑劑GWLUB-1。

1.3 鉆井液配制

1)淡水基漿:向400 mL清水中加入1.2 g純堿、16 g鈉膨潤土,使用變頻高速攪拌器攪拌30 min,高攪后在室溫(25±1) ℃密閉條件下靜置養護24 h備用。

2)鹽水基漿:向400 mL清水中加入1.2 g純堿、16 g鈉膨潤土,使用變頻高速攪拌器攪拌30 min,繼續加入4%NaCl并高攪30 min,然后在室溫(25±1) ℃密閉條件下靜置養護24 h備用。

3)鉆井液體系:3%海水膨潤土漿+0.4%燒堿+0.25%純堿+0.3%PF-FLO TROL+0.5%PF-DFL-180+0.2%PF-XC+0.2%PF-PAC-HV+6%PF-LSF+3%PF-SMP+3%SPNH-HT+3%抑制劑+2%潤滑劑+重晶石,室內按照上述鉆井液配方的順序依次加入處理劑并高速攪拌,配制完成后得到密度為1.40 g/cm3的鉆井液體系。

1.4 性能測試

1)鉆井液性能測試:向基漿以及鉆井液中加入一定量的GWLUB-1,以8 000 r/min的轉速高攪15 min,再低速攪拌5 min后,測試鉆井液的各項流變參數、濾失量,考察潤滑劑對鉆井液性能的影響。

2)潤滑性能測試:使用Fann極壓潤滑儀,按照儀器操作說明書的步驟操作儀器,測試潤滑劑在淡水基漿、鹽水基漿以及鉆井液中老化前后的潤滑系數,并計算出其潤滑系數降低率。

3)抗磨性能測試:使用KMY2011A抗磨試驗機,按照說明書步驟,接通電源后在油盒中加入適量鉆井液(浸沒磨輪),使鉆井液與金屬鋼柱充分接觸,啟動電機,按要求在砝碼托盤中逐步添加砝碼,直至10塊砝碼添加完或者儀器卡停,關閉電機,記錄砝碼總數并觀察金屬鋼柱磨痕大小,以此評價其抗磨能力。

4)生物毒性測試:參照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》以及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》測試潤滑劑樣品的生物毒性。

2 性能評價

2.1 基漿性能評價

向基漿中加入一定量的GWLUB-1,高攪后評價其潤滑性能,結果見表1。由表1數據可知,隨著GWLUB-1加量的增加,淡水基漿和鹽水基漿的潤滑性能不斷提高;當加量為1%時,淡水基漿及鹽水基漿的潤滑系數降低率即可達到92.18%和81.21%,體現了該劑具有用量低、潤滑效果強的優勢。這是由于GWLUB-1中的胺基、羥基、酯基等強極性基團能與金屬表面形成化學吸附,吸附能力強;且其長疏水烴鏈向外分布在金屬表面又形成物理吸附,使得鉆具與井壁之間的摩擦轉變成了潤滑膜之間的摩擦,從而大幅降低了潤滑系數。

表1 潤滑劑在基漿中的性能評價

2.2 抗溫性評價

潤滑劑的抗溫能力是保證其在井底高溫條件下是否持續有效潤滑的關鍵,目前市場上的常規潤滑劑多受到溫度影響,當遇到井下高溫時容易發生降解而失去潤滑效果。室內為了考察GWLUB-1的抗溫能力,將2%的潤滑劑加入淡水基漿中,測試其在各老化溫度下的潤滑性能,實驗結果見表2。隨著泥漿熱滾溫度的不斷升高,GWLUB-1的潤滑效果保持穩定,當老化溫度達到180 ℃時,基漿的潤滑系數降低率仍達到了82%,證明GWLUB-1具有較好的抗溫效果,抗溫達180 ℃,可滿足井下抗高溫要求。這是由于GWLUB-1分子中的酯基通過化學吸附在鉆具表面形成了一道強力吸附膜,當溫度升高時,有機硼極壓劑又與鉆具金屬表面反應形成了一層極壓膜,起到協同增效的作用,從而保證了其高溫下的潤滑效果。

表2 潤滑劑的抗溫性評價

2.3 潤滑性能對比評價

室內選取了目前潤滑性能較好的三種市售潤滑劑LUB-A、LUB-B、LUB-C,在淡水基漿和鹽水基漿中加入2%的潤滑劑樣品,老化溫度為180 ℃,采用Fann21200極壓潤滑儀評價了各種潤滑劑在基漿中的潤滑效果,實驗數據見圖1。由圖1數據可知,180 ℃老化后,GWLUB-1在淡水和鹽水基漿中的潤滑系數降低率分別為82.48%和75.45%,老化前后潤滑效果穩定,且均優于另外三種市售潤滑劑,體現了其優異的潤滑效果和抗溫能力。

圖1 不同潤滑劑的性能對比

2.4 抗磨性能評價

為了考察潤滑劑的抗磨能力,室內將2%的GWLUB-1與另外三種市售潤滑劑分別加入清水、淡水基漿和鹽水基漿中,攪拌均勻后倒入油盒中,對摩擦環與金屬鋼柱加壓進行磨損測試,實驗結果見表3。由表3數據可知:GWLUB-1的能承受的砝碼塊數最多,在淡水和鹽水基漿中均達10塊以上,且磨痕低于4 mm,僅有輕微磨損,表明其具有較好的抗磨減阻效果。

表3 潤滑劑抗磨能力評價

2.5 與鉆井液配伍性評價

為了考察潤滑劑與鉆井液體系的配伍性,室內在配制的鉆井液中加入GWLUB-1,在160 ℃條件下老化16 h后,測定鉆井液流變、濾失、密度和潤滑性能,實驗結果見表4。隨著GWLUB-1加量的增加,鉆井液的黏切以及濾失量變化幅度非常小,而且潤滑劑加入后鉆井液未發生起泡情況,密度無變化。結果表明GWLUB-1不起泡,與該鉆井液體系配伍性良好,很好地滿足了現場作業要求。當潤滑劑3%加量時,體系的潤滑系數降低率為65%,潤滑已趨于穩定,效果顯著。

表4 潤滑劑對鉆井液的性能影響

2.6 環保性能

室內依據1.4中的生物毒性評價方法,對GWLUB-1進行了生物毒性評價,測得該劑的EC50(半數效應濃度)值為118 640 mg·L-1,高于標準值25 000 mg·L-1;測得該劑的LC50值(半數致死濃度)為45 269 mg·L-1,大于我國一級海域生物毒性標準值30 000 mg·L-1,結果表明GWLUB-1無生物毒性,滿足環保要求。

3 結論

1)室內以長鏈脂肪酸和低分子多元醇為原料,通過酯化反應合成了一種酯類化合物,同時引入有機硼極壓材料,制備了一種高效耐溫耐磨的復合潤滑劑GWLUB-1。

2)GWLUB-1具有良好的潤滑性能,1%加量時在淡水基漿和鹽水基漿中的潤滑系數降低率即可達到90%和80%以上。2%加量時基漿中抗磨均達10塊以上,且磨痕低于4 mm,僅有輕微磨損,抗磨效果顯著。

3)GWLUB-1的抗溫性達180 ℃,EC50值>25 000 mg/L,LC50值>30 000 mg/L,無生物毒性,滿足我國對一級海域油田的鉆井液生物毒性要求。

4)GWLUB-1不起泡,與鉆井液體系配伍性良好,較好的滿足了現場作業要求。