水基钻井液用环保型润滑剂的研究综述.pdf

第 52 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.52 No.8Aug.2023化工技术与开发Technology&Development of Chemical Industry水基钻井液用环保型润滑剂的研究综述宁新军1，姬文钰1，潘谦宏1，都伟超2,3，刘雄雄2,3(1.西安长庆化工集团有限公司，陕西 西安 710068；2.西安石油大学，陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，陕西 西安 710065；3.西安石油大学，油气田化学陕西省高校工程研究中心，陕西 西安 710065)摘要：本文分析了非常规井水平段钻进过程中容易出现高摩阻和高扭矩的原因，综述了影响润滑剂润滑性能的因素，润滑剂的国内外研究进展，以及润滑剂的作用机理。针对非常规井水平段钻井液的润滑性能较差的问题，指出了当下以及今后钻井液的润滑剂要解决的问题。关键词：钻井液润滑剂；环保；润滑性中图分类号：TE 254+.4 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2023)08-0028-05基金项目：陕西省重点研发计划项目（2023-YBGY-05）；陕西省教育厅重点科学研究计划项目（21JY035）通信联系人：宁新军，男，工程师，主要从事油田化学品的研发工作收稿日期：2023-03-14中国石油经济技术研究院发布的 2019 年国内外油气行业发展报告 表明，我国原油的进口比重持续增加，2019 年我国原油进口量为 50572 万 t，同比增长 9.5%，对外依存度高达 70.8%；天然气进口量为 1373 亿 m3，同比增长 6.9%，对外依存度达43%1-2。鉴于此，在保证现有油气井数量与产量的基础上，必须大力开发新的油气资源，增加油气钻探数量，强化油气供应保障的能力，构建油气安全保障体系3-4。在油气钻探领域，使用常规井和非常规井来开采石油和天然气，具有各自的特点和优势。相比常规井，超长水平井、丛式井和大位移井等非常规井，具有产量和采收率更高、适用性更广泛的优势，因而在油气钻探中的数量和比重在逐年增加5-6。但在钻探过程中，这些井易出现坍塌、卡钻和钻头泥包等问题。例如在井斜角增大时，钻具与井壁之间的接触面积也会增大，引起钻井的摩阻和扭矩增大，导致钻井液的润滑性能变差，并出现托压、卡钻等情况，影响工程进度，也会提高相应的钻井成本7-9。如何解决钻进过程中高摩阻和高扭矩的问题，是目前钻探过程中的研究重点。有研究者认为，降低钻井液的摩阻和扭矩最有效的方法，是在钻井液中加入钻井液润滑剂，以降低钻杆、套管、钻具与井壁的摩擦系数，提高钻井液的润滑性能，从而预防甚至减少或避免托压、压差卡钻、钻头泥包等工程事故的发生，压缩钻井工程周期，降低钻井成本10-11。在钻进过程中出现高摩阻的原因主要有以下几点：1）随着钻探深度增加，为了防止发生井喷以及平衡地层之间的压力，必须提高钻井液的密度，以维持压差平衡。但钻井液密度增大的同时，又会导致钻井液和地层压力之间形成压差并逐渐增大，泥饼变厚，钻具和泥饼的接触面积增大，钻井液的摩阻增大；2）水平段地层的泥页岩易水化造浆，引起钻井液增稠，进而导致润滑性能减弱，钻进阻力增大；3）随着钻探深度增加，井内温度逐渐升高，抗温能力不足的钻井液润滑剂会逐渐失效，导致钻井液润滑剂的润滑效果逐渐变差，钻井液的摩阻增大；4）水基钻井液润滑剂的持续润滑时间短。处理剂加入井浆 2h 后，润滑系数的降低率通常会比刚加入时降低 40%50%，持效性较差。1钻井液润滑剂概述1.1润滑类型摩擦是相互接触的两物体之间存在凹凸不平的表面，发生相对运动后产生的相互磨损，润滑则是在相互接触的两物体之间加入润滑剂，以隔开摩擦表面，防止两物体直接接触而造成磨损。良好的润滑效果可以提高机械效率，保证长时间的可靠工作，减29第 8 期 宁新军等：水基钻井液用环保型润滑剂的研究综述少不必要的浪费。润滑效果较差时，轻则会导致机械效率下降，重则导致机械损坏。因此润滑的作用非常重要。钻井液中的润滑分为 2 种12，一种是边界润滑，即摩擦面上存在 1 层吸附薄膜或润滑薄膜，薄膜具有较好的强度和韧性，以此来改善钻井液的润滑性能，降低钻具和套管的磨损；另一种是流体润滑，是在一定的条件下，两摩擦表面被 1 层具有一定厚度的黏性流体分开，黏性流体的压力可以平衡摩擦零件所受的外载荷。1.2影响钻井液润滑性能的主要因素评价钻井液润滑剂在钻井液中的润滑性能，主要是测定泥饼的黏滞系数和钻井液的润滑系数，二者均可反映钻井液的润滑性能。影响钻井液润滑性能的主要因素有以下一些13-15：1）钻井液中的固相含量；2）钻井液的 pH 值；3）钻井液的滤失性；4）钻井液的密度。即在高密度情况下，如何保持钻井液润滑性能的稳定；5）钻井液添加剂，尤其是有机高分子添加剂；6）钻井液的黏度；7）垂直井深及井内温度；8）井身结构；9）盐的种类及加量。1.3国内外的研究现状目前，国外应用的钻井液润滑剂种类有 180 多种，钻井液润滑剂的使用量大约占钻井液处理剂使用量的 6%。随着时代的发展，超深井、大位移井、长水平井及大斜度井技术的发展日新月异，对钻井液润滑剂的性能也提出了更高的要求。此外，随着环保政策的日益严格，为避免钻井对水源保护区、动植物保护区造成污染，也为了提高油气产量和采收率，采用大位移井和长水平段水平井，已成为油气开采的首选，但其对钻井液的性能要求，尤其是对钻井液润滑性能的要求很高，促使钻井液润滑剂更新换代的速度逐渐加快。为此，研究人员陆续开发出了高性能的固体润滑剂、极压润滑剂、环保润滑剂及纳米润滑剂等多种新型且环保的钻井液润滑剂，其中部分产品因具有优异的润滑性能，已在实际生产中大规模使用。Epergne J L 等人16制备了一种适用于长水平井和深井钻探的水基钻井液润滑剂。该润滑剂的芳烃含量低，28d 后的生物降解性好，润滑效果好。Pober K W 等人17研发了一种适用于高 pH 钻井液体系的润滑剂组合物，能够在高 pH 钻井液体系中（pH=714）发挥良好的润滑效果，避免了常规润滑剂在碱性条件下因水解而导致润滑作用失效，最终导致钻井液润滑性能减弱的问题。Zhang H J等人18制备了基于磷脂的、改性的乙氧基化蓖麻油基化学物质，该物质对盐水钻井液而言是非常有效且环保的润滑剂。Saffari H R M 等人19制备了适用于水基钻井液的纳米硼酸盐润滑剂（镁、锌、铝和钛的硼酸盐）。研究表明，水基钻井液中加入纳米硼酸盐后，在极端条件下，该润滑剂可在接触表面上生成稳定且牢固的保护膜（摩擦膜），从而降低钻井液的润滑系数，提高润滑性能。在所有制备的纳米添加剂中，硼酸钛的生物降解性好，能显著改善钻井液的摩擦学性能。Chang Z Y 等人20将 ZDDP 与其它钻井液润滑剂（如脂肪酸酯、石墨、植物油等）复配，再将复配的润滑剂加入硅酸盐钻井液体系中。研究表明，复配少量 ZDDP 后，ZDDP 会在钻杆上形成 1 层抗压、抗剪切、具有一定强度和韧性的极压润滑膜，从而降低了硅酸盐钻井液的摩擦系数。Albrecht M S 等人21将十六烷基糖苷、脂肪醇聚醚和淀粉复配后，制备了适用于硅酸盐钻井液体系的润滑剂。Nunes 等人22对非离子甘油单酸酯表面活性剂(C8、C10、C12、C16 和 C18 碳链)在水中的润滑机理进行研究后得出结论：甘油单酸酯在水中的浓度超过 0.5wt%，即可大大降低水中的摩擦系数，原因是随着甘油单酸酯的烃链长度增加，甘油单酸酯可更好地吸附在金属表面，并形成润滑膜，从而明显降低摩擦系数。结果还表明，甘油单酸酯在 XG 胶液中可进一步降低摩擦系数，原因是其可能会与多糖形成复合物，从而产生协同效应。此外，形成的多糖-表面活性剂复合物可以提高润滑剂的润滑效果，原因是它有助于将很难溶解的润滑剂分散到水中，从而在金属表面进行进一步吸附。Gerhard 等人23研究了多种脂肪化合物的润滑性，发现脂肪化合物比烃具有更好的润滑性，原因是它们拥有极性的 O 原子。通过研究各种含氧的 C10化合物，得到可增强润滑性的含氧基团的顺序为：COOH CHO OH COOCH3 C=O C-O-C。对带有 NH2、OH 和 SH 基团的纯净的 C3化合物的研究结果表明，相比氮和硫，氧更能提高润滑性。甄剑武24以长链脂肪酸植物油为原料，通过酯化反应和硫化反应合成了 RHJ-1 润滑剂。将该润滑剂加入密度为 2.1kgL-1的钻井液中，润滑系数可降至30化工技术与开发 第 52 卷 0.105，抗温性可达 150。桑峰军25以基础油 BBO-2 和复合表面活性剂EMA 为原料，通过正交实验优化反应条件，最终制备了一种环保型钻井液润滑剂 QLH-1。该润滑剂具有较好的流动性、抗温性及配伍性，荧光级别低，无毒，生物降解性好。将其加入 4%淡水基浆中，润滑系数的降低率达 88%。吴迪26将环保型液体润滑剂 RH-2 与聚胺抑制剂 JN-1 进行复配，形成了一套强抑制高润滑的聚合物钻井液体系。该体系的抑制性好，配伍性和抗温性好，润滑效果明显。钱晓琳等人27以天然脂肪酸和有机多元醇为主要原料，制备了环保型钻井液润滑剂 SMLUB-E。在膨润土基浆中加入 SMLUB-E 润滑剂，摩阻系数有明显降低；在聚磺钻井液中加入该润滑剂，润滑效果优于原油；耐温可达 160，流变性、配伍性和环保性能好。现场应用时表现出良好的润滑性能，可避免托压、卡钻等现象的产生。曹砚锋等人28以天然植物油为原料，通过低碳酸酯化反应，制得了含 C=O 官能团的长链脂肪酸酯，并通过复配表面活性剂，制备了一种抗温性和润滑性好、无毒、生物降解性好的环保型钻井液润滑剂。管申等人29以高分子脂肪酸为基料，引入纳米润滑剂和抗温基团，制备了一种抗高温、润滑、减阻的 NC-1 钻井液润滑剂，对其进行润滑性能评价后发现，该润滑剂具有较好的润滑性能和减阻性能，在6%膨润土浆中加入 NC-1 润滑剂，黏滞系数和润滑系数的降低率在 85%和 75%以上。印树明等人30针对高温、高密度条件下钻井液在超深井应用时润滑性能较差的问题，考察了润滑剂加量与钻井液润滑性能之间的关系。结果表明，固体和液体润滑剂加量在 1%3%时，即可改善钻井液的润滑性能；在钻井液中加入少量石墨，可降低钻井液的润滑系数，但石墨加量较大则不利于改善钻井液的润滑性能。李斌等人31针对大位移井长水平段的润滑性能较差的问题，以长链脂肪酸和小分子多元醇为原料，辅以含硫极压添加剂，制备了高性能水基钻井液用润滑剂 SDL-1，并对其进行了润滑性能评价和润滑机理分析。结果表明，常温下，SDL-1 分子中的脂基与羰基官能团通过分子间作用力或范德华力吸附在钻具表面，形成物理润滑膜。高温下，SDL-1中的脂基与极压添加剂反应生成金属皂，在钻具表面形成化学反应膜，达到润滑减摩的效果。董兵强等人32针对液体润滑剂存在的抗温性差、起泡率高等问题，以液态石蜡、司盘 80 及吐温 80 等为原料，结合胶体与界面化学理论，研发了一种高性能油包水型微乳液润滑剂 NE，并对其进行了润滑性能评价和润滑机理分析。结果表明，NE 加入钻井液中，具有较好的润滑性能和抗温性能，且无毒易降解。钻井液润滑性能变好的原因，是 NE 加入钻井液后会形成大量的纳米乳液滴，且液滴界面膜上存在带正电的极性基团，易吸附在金属挂片的表面形成纳米润滑膜，从而极大提高了钻井液的润滑性能。司西强等人33以高性能的聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）为主剂并复配其它处理剂，构建了新的钻井液体系并进行了配方优化，形成了低成本、高性能的环保型 NAPG 类油基钻井液体系。研究表明，在钻井液中加入 NAPG，可有效降低钻井液的润滑系数，改善钻井液的润滑性能。测定滤液的表面张力后发现，表面张力仅为 26.60mNm-1，原因是 NAPG类油基钻井液体系中存在聚醚结构和长链有机胺结构，使得 NAPG 类油基钻井液体系的疏水作用得到加强。孔凡波将植物油胺解后产生的酰胺基团与低碳酸进行反应，制备了植物油酰胺润滑剂。将质量浓度为 0.5%的润滑剂加在基浆中，润滑系数的降低率达 87.9%，且该润滑剂具有很好的抗温抗盐能力和配伍性。1.4钻井液润滑剂的作用机理按相态对润滑剂进行分类，可分为固态润滑剂和液态润滑剂。固态润滑剂主要有石墨、塑料小球和玻璃微珠等惰性球形圆粒。固态润滑剂在水、油及溶液中难以溶解，但是可以较好地分散在液体中，并以粒子的状态存在，因此具有较高的抗压强度，难以变形破碎，具有无毒、对环境友好、在极端环境下也适用的优势34-35。主要的润滑机理，是其像滚珠一样镶嵌在 2 个相互滑动的金属面间，可将原有的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以此来降低摩擦阻力和扭矩阻力，达到润滑减磨的作用36-37。但固体润滑剂的颗粒较小，且易粘附在粘土上，容易被振动筛清除，因此固态润滑剂的应用受到一定的限制。液态润滑剂主要来源于石油产品的衍生品，包括原油、矿物油和沥青等物质38。由于环保问题，这些润滑剂目前已逐步被环保型润滑剂所取代。环保性较好的润滑剂主要是降解性极好的脂肪酸酯、植物油改31第 8 期 宁新军等：水基钻井液用环保型润滑剂的研究综述性的烷基糖苷及生物表面活性剂等39-41。其润滑机理主要是分子结构中具有类似表面活性剂的疏水基与亲水基，因此可以在钻具、套管和井壁（岩石）上吸附润滑剂，并形成较厚的润滑膜，从而避免钻具与井壁及套管发生直接接触，降低摩擦阻力和扭矩阻力，并起到润滑减摩的作用42。因此液态润滑剂在钻井液中的润滑效果，与润滑剂在钻具、套管和井壁（岩石）上的吸附量、所形成的润滑膜的强度及厚度等有关。润滑剂在钻具、套管和井壁（岩石）上的吸附量，以及所形成的润滑膜的强度及厚度，则是由润滑剂所含的疏水基团和亲水基团的分子结构、碳链的长度以及吸附覆盖面的大小决定43。2展望目前，随着环保法规的日益严格，研发环保型的钻井液润滑剂成为趋势。在高温、高密度、高固相含量等极端条件下，确保钻井液润滑剂能持续发挥作用成为关键，也是科研人员的研究重点。此外，大多数处理剂包括润滑剂只具有单一的作用，研发具有多重功能的钻井液处理剂，如以润滑为主，降滤失为辅，并兼具良好抑制性的处理剂等，是一个重要的研究方向。参考文献：1 王彧嫣，白羽，黄书君，等.2018 年国内外油气资源形势分析 J.中国矿业，2019，28(7)：1-6.2 杨宇，于宏源，鲁刚，等.世界能源百年变局与国家能源安全 J.自然资源学报，2020，35(11)：2803-2820.3 黄晓芳.保障能源安全重大改革举措油气勘查开采将全面放开 J.能源研究与利用，2020，19(2)：9.4 栾锡武，石艳锋.中国油气资源安全从本地保障到全局保障 J.科学技术与工程，2019，19(34)：17-24.5 吴建邦，杨胜来.中国节约利用油气资源的必要性与方法探讨 J.科学技术与工程，2020，20(11)：4191-4201.6 Kaiser M J.Indices describe complexity of drilling directional,extended-reach wellsJ.Oil and Gas Journal,2007,105(30):50-52.7 杨小敏，宋碧涛，睢文云，等.复杂地层仿油基钻井液研究 J.石油化工应用，2014，33(2)：96-99.8 李小瑞，张宇，李宝军，等.大位移井高效携岩水基钻井液实验研究 J.陕西科技大学学报，2018，36(4)：87-91.9 张启根，陈馥，刘彝，等.国外高性能水基钻井液技术发展现状 J.钻井液与完井液，2007，24(3)：74-77.10 魏昱，王骁男，安玉秀.等.钻井液润滑剂研究进展 J.油田化学，2017，34(4)：727-733.11 李德江.钻井液润滑剂的现状及发展方向 J.石油钻探技术，1998，26(2)：35-38.12 董浚修.润滑原理及润滑油M.北京：中国石化出版社，1998.13 孔凡波.含植物油酰胺钻井液润滑剂的制备及性能评价 D.成都：西南石油大学，2014.14 陈乐亮.水平井钻井液降摩阻问题J.钻井液与完井液，1992，9(4)：1-6.15 汪露，王伟志，杨中强.塔河油田钻井液固相控制技术 J.钻采工艺，2015，38(6)：102-104.16 Espagne J L,Lamrani-kern S,Rodeschini H.Biodegradable lubricating composition and use thereof in a drilling fluid,in particular for very deep reservoirs:US,8846583P.2014.17 Pober K W.Lubricant for high pH water based mud system:WIPO,099811P.2015.18 Zhang H J,Kem,et al.Lubricants and drag reducers for oilfield applications-Chemistry,Performance,and Environmental ImpactJ.Society of Petroleum Engineers,2013,SPE-164049-MS.19 Saffaria H R M,Soltania R,Alaeib M,et al.Tribological properties of water-based drilling fluids with borate nanoparticles as lubricant additivesJ.Journal of Petroleum Science and Engineering,2018,171:253-259.20 Chang Z Y,Breeden D L,Mcdonald M J.The use of zinc dialkyl dithiophosphate as a lubricant enhancer for drilling fluids particularly silicate-based drilling fluidsC.SPE 141327,2011.21 Albrecht M S,Cowan K M.Silica-based drilling mud comprising glycoside lubricants with amino-linked alkyl chains:US,7320951P.2008.22 Nunes D G.Influence of Glycer-ides-Xanthan Gum Synergy on Their Performance as Lubricants for Water-Based Drilling FluidsJ.Journal of Applied Polymer Science,2016,131(22):699-712.23 Gerhard,Knothe,Kevin,et al.Lubricity of Components of Biodiesel and Petrodiesel.The Origin of Biodiesel LubricityJ.Energy&Fuels,2005,19(3):1192-1200.24 甄剑武.水平井高密度钻井液润滑减阻技术研究及现场试验 J.石油钻探技术，2020，48(5)：55-60.25 桑峰军.一种钻井液用环保润滑剂的制备及性能评价J.辽宁化工，2020，49(6)：611-613.26 吴迪.强抑制高润滑聚合物钻井液在大斜度井中的应用 J.西部探矿工程，2020，32(7)：67-69.27 钱晓琳，宣扬，林永学，等.钻井液环保润滑剂 SM-LUB-E 的研制及应用 J.石油钻探技术，2020，48(1)：34-39.28 曹砚锋，蒋卓，邢希金，等.环保型钻井液润滑剂的研究与应用 J.石油化工应用，2019，38(10)：21-24.32化工技术与开发 第 52 卷 Research Review of Environmentally Friendly Lubricants for Water-based Drilling FluidsNING Xinjun1,JI Wenyu1,PAN Qianhong1,DU Weichao2,3,LIU Xiongxiong2,3(1.Xian Changqing Chemical Group Co.,Ltd.,Xian 710068,China;2.Shaanxi Province Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Reservoir Protection Technology of Oilfields,Xian Shiyou University,Xian 710065,China;3.Shaanxi University Engineering Research Center of Oil and Gas Field Chemistry,Xian Shiyou University,Xian 710065,China)Abstract:This article elaborated on the necessity of vigorously developing unconventional wells in China,analyzed the reasons for high friction and high torque during the horizontal drilling process of unconventional wells,summarized the factors which affected the lubrication performance of lubricants,as well as the mechanism of lubricant action and research progress in China and abroad.In response to the problem of poor lubrication performance of drilling fluid in the horizontal section of unconventional wells,the current and future problems to be solved for drilling fluid lubricants were pointed out.Key words:drilling fluid lubricant;environmental protection;lubricity29 管申，侯珊珊，王佳，等.大位移井抗高温低摩阻钻井液室内研究 J.长江大学学报(自然科学版)，2019，16(8)：49-52.30 印树明，蓝强，赵怀珍.高温高密度钻井液润滑技术研究 J.能源化工，2019，40(3)：42-46.31 李斌，蒋官澄，王金锡，等.水基钻井液用润滑剂SDL-1 的研制与评价 J.钻井液与完井液，2019，36(2)：170-175.32 董兵强，邱正松，邓智，等.钻井液用微乳液润滑剂NE 的研究与应用 J.钻井液与完井液，2018，35(3)：54-59.33 司西强，王中华，王伟亮.聚醚胺基烷基糖苷类油基钻井液研究 J.应用化工，2016，45(12)：2308-2312.34 丁娅，陈炳耀，杨善杰.固体润滑剂添加剂浅析 J.轻工科技，2019，35(7)：27-28.35 张天胜.固体润滑剂的作用机理和应用 J.知识经济，2009(5)：135.36 屈沅治，黄宏军，汪波，等.新型水基钻井液用极压抗磨润滑剂的研制 J.钻井液与完井液，2018，35(1)：34-37.37 严晓华，陈国需.固体润滑技术的研究现状及展望 J.能源研究与信息，2005，21(2)：69-74.38 Lathi P S,Mattiasson B.Green approach for the preparation of biodegradable lubricant base stock from epoxidized vegetable oilJ.Applied Catalysis B Environmental,2007,69(4):207-212.39 董晓强，王琳，杨小华.水基钻井液润滑剂研究进展 J.中外能源，2012，17(10)：28-33.40 Zou X Y,Luo W L,Zhou X Y.Synthesis and application development of alkyl glucoside derivativesJ.Applied Chemical Industry,2015,44(10):1916-1920.41 魏风勇，司西强，王中华，等.烷基糖苷及其衍生物钻井液发展趋势 J.现代化工，2015，35(5)：48-51.42 Lan P X,Laccino L L,Bao X Y,et al.The effect of lubricant additives on the tribological performance of oil and gas drilling applications up to 200 J.Tribology International,2020,141:1-11.43 Liu Y H,Evans D F,Song Q,et al.Structure andfrictional properties of self-assembled surfactant monolayersJ.Langmuir,1996,12(5):1235-1244.