鉆井液潤滑劑潤滑性能及影響因素

1、鉆井液潤滑劑潤滑性能及影響因素國內(nèi)外研究者對鉆井液的潤滑性能進行了評價，得出的結(jié)論是：空氣與油處于潤滑性的兩個極端 位置，而水基鉆井液的潤滑性處于其間。用Baroid公司生產(chǎn)的鉆井液極壓潤滑儀測定了三種基礎(chǔ)流 體的摩阻系數(shù)(鉆井液摩阻系數(shù)相當(dāng)于物理學(xué)中的摩擦系麴，空氣為0. 5,清水為0. 35,柴油為0. 07。 在配制的三類鉆井液中，大部分油基鉆井液的摩阻系數(shù)在o. 08o. 09之間，各種水基鉆井液的摩 阻系數(shù)在0. 200. 35之間，如加有油晶或各類潤滑劑，則可降到0. 10以下。對大多數(shù)水基鉆井液來說，摩阻系數(shù)維持在o. 20左右時可認為是合格的。但這個標(biāo)準并不能滿 足水平井的要求

2、，對水平井則要求鉆井液的摩阻系數(shù)應(yīng)盡可能保持在0. 080. 10范圍內(nèi)，以保持 較好的摩阻控制。因此，除油基鉆井液外，其它類型鉆井液的潤滑性能很難滿足水平井鉆井的需要， 但可以選用有效的潤滑劑改善其潤滑性能，以滿足實際需要。近年來開發(fā)出的一些新型水基仿油性 鉆井液，其摩阻系數(shù)可小于0. 10，很接近油基鉆井液，其潤滑性能可滿足水平井鉆井的需要。從提高鉆井經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)來講，潤滑性能良好的鉆井液具有以下優(yōu)點：減小鉆具的扭矩、磨損和疲勞，延長鉆頭軸承的壽命；減小鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時間；能用較小的動力來轉(zhuǎn)動鉆具；能防粘卡，防止鉆頭泥包。鉆井液潤滑性好，可以減少鉆頭、鉆具及其它配件的磨損，延長

3、使用壽命，同時防止粘附卡鉆、 減少泥包鉆頭，易于處理井下事故等。在鉆井過程中，由于動力設(shè)備有固定功率，鉆柱的抗拉、抗 扭能力以及井壁穩(wěn)定性都有極限。若鉆井液的潤滑性能不好，會造成鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大，起下鉆困 難，甚至發(fā)生粘附卡鉆和日鉆具事故；當(dāng)鉆具回轉(zhuǎn)阻力過大時，會導(dǎo)致鉆具振動，從而有可能引起 鉆具斷裂和井壁失穩(wěn)。鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象的特點隨著密封軸承的出現(xiàn)，改善鉆井液潤滑性能的目的主要是為了降低鉆井過程中 鉆柱的扭矩和阻力。在鉆井過程中，按摩擦副表面潤滑情況，摩擦可分為以下三種情況 (見圖 4-11)：倒4-n 二種不同?；瑩{式示意圖.1 邊界陣擦，b 一干摩探或障神庵擦峋牌磨as邊界摩擦：兩接

4、觸面間有一層極薄的潤滑膜，摩擦和磨損不取決潤滑劑的粘度，而 是與兩表面和潤滑劑的特性有關(guān)，如潤滑膜的厚度和強度、粗糙表面的相互作用以及液 體中固相顆粒間的相互作用。有鉆井液的情況下，鉆鋌在井眼中的運動等屬邊界摩擦。干摩擦(無潤滑摩擦)：又稱為障礙摩擦，如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦，或井壁 極不規(guī)則情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦。流體摩擦：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦?？梢哉J為，鉆進過程中的摩擦 是混合摩擦，即部分接觸面為邊界摩擦，另一部分為流體摩擦。在高負荷邊界面上，塑 性表面的邊界摩擦更為突出。在鉆井作業(yè)中，摩擦系數(shù)是兩個滑動或靜止表面間的相互 作用以及潤滑劑所起作用的綜合

5、體現(xiàn)。鉆井作業(yè)中的摩擦現(xiàn)象較為復(fù)雜，摩阻力的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有 關(guān)，其影響因素還涉及到鉆柱、套管、地層、井壁泥餅表面的粗糙度；接觸表面的塑性， 接觸表面所承受的負荷；流體粘度與潤滑性；流體內(nèi)固相顆粒的含量和大小，井壁表面 泥餅潤滑性；井斜角；鉆柱重量；靜態(tài)與動態(tài)濾失效應(yīng)等。在這些眾多的影響因素中， 鉆井液的潤滑性能是主要的可調(diào)節(jié)因素。鉆井液潤滑性的主要影D向因素影響鉆井液潤滑性的主要因素有：鉆井液的粘度、密度、鉆井液中的固相類型 及含量、鉆井液的濾失情況、巖石條件、地下水的礦化度以及溶液pH值、潤滑劑和其 它處理劑的使用情況等。粘度、密度和固相的影響隨著鉆井液固相含量、密度增加，通常

6、其粘度、切力等也會相應(yīng)增大。這種情 況下，鉆井液的潤滑性能也會相應(yīng)變差。這時其潤滑性能主要取決于固相的類型及含量。 砂巖和各種加重劑的顆粒具有特別高的研磨性能。鉆井液中固相含量對其潤滑性影響很大。隨著鉆井液固相含量增加，除使泥 餅粘附性增大外，還會使泥餅增厚，易產(chǎn)生壓差粘附卡鉆。另外，固相顆粒尺寸的影響 也不可忽視。研究結(jié)果表明，鉆井液在一定時間內(nèi)通過不斷剪切循環(huán)，其固相顆粒尺寸 隨剪切時間增加而減小，其結(jié)果是雙重性的：鉆井液濾失有所減小，從而鉆柱摩阻力也 有所降低；顆粒分散得更細微，使比表面積增大，從而造成摩阻力增大?？梢?，嚴格控 制鉆井液粘土含量，搞好固相控制和凈化，盡量用低固相鉆井液，是

7、改善和提高鉆井液 潤滑性能的最重要的措施之一。濾失性、巖石條件、地下水和濾液pH值的影響致密、表面光滑、薄的泥餅具有良好的潤滑性能。降濾失劑和其它改進泥餅質(zhì) 量的處理劑(比如磺化瀝青)主要是通過改善泥餅質(zhì)量來改善鉆井液的防磨損和潤滑性 能。在鉆井液條件相同的情況下，巖石的條件是通過影響所形成泥餅的質(zhì)量以及井 壁與鉆柱之間接觸表面粗糙度而起作用的。底溫度、壓差、地下水和濾液的pH值等因 素也會在不同程度上影響潤滑劑和其它處理劑的作用效能，從而影響泥餅的質(zhì)量，對鉆 井液的潤滑性能產(chǎn)生影響。有機高分子處理劑的影響許多高分子處理劑都有良好的降濾失、改善泥餅質(zhì)量、減少鉆柱摩阻力的作用。 有機高分子處理劑

8、能提高鉆井液的潤滑性能，還與其在鉆柱和井壁上的吸附能力有關(guān)。 吸附膜的形成，有利于降低井壁與鉆柱之間的摩阻力。某些處理劑，如聚陰離子纖維素、 磺化酚醛樹脂等具有提高鉆井液潤滑性的作用。不少高分子化合物通過復(fù)配、共聚等處 理，可成為具有良好潤滑性能的潤滑材料。潤滑劑試驗表明，使用清水作鉆井液，摩擦阻力是較大的。而往清水中加入千分之一 至十分之幾的潤滑劑(主要是陰離子表面活性劑)后，潤滑性能會得到明顯改善，表現(xiàn)為 鉆具回轉(zhuǎn)工作電流下降很多。因此，使用潤滑劑是改善鉆井液潤滑性能、降低摩擦阻力 的主要途徑。因此，正確地使用潤滑劑可以大幅度提高鉆井液的防磨損和潤滑性能。鉆 井液潤滑劑品種一般可分為兩大類

9、，即液體類和固體類。前者如礦物油、植物油、表面 活性劑等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等，近年來鉆井液潤滑劑品種發(fā)展最快的 是惰性固體類潤滑劑，液體潤滑劑中主要發(fā)展了高負荷下起作用的極壓潤滑劑及有利于 環(huán)境保護的無毒潤滑劑；由于環(huán)境保護的原因，瀝青類潤滑劑的用量正逐年減少。目前，常用的改善鉆井液潤滑性能的方法，主要是通過合理使用潤滑劑降低摩 阻系數(shù)，以及通過改善泥餅質(zhì)量來增強泥餅的潤滑性。三、用于鉆井液的潤滑劑對鉆井液潤滑劑的要求國內(nèi)外對潤滑劑的研究范圍較廣，其中有各種表面活性劑、高分子脂肪酸及其 衍生物等。鉆井液潤滑劑的選擇應(yīng)滿足下列基本要求：潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜

10、和次生結(jié)構(gòu)。應(yīng)與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產(chǎn)生不良影響。不降低巖石破碎的效率。(4 )具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性。不腐蝕金屬，不損壞密封材料。不污染環(huán)境，易于生物降解，價格合理，且來源充足。鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標(biāo)外，還應(yīng)不影響對地層資 料的分析和評價，即潤滑劑應(yīng)具有低熒光或無熒光性質(zhì)。因此，潤滑劑基礎(chǔ)材料的選擇 應(yīng)注意盡量不用含苯環(huán)，特別是多芳香烴的有機物質(zhì)，而原油，尤其是重餾分、釜殘物、 瀝青等因含熒光物質(zhì)較多，也應(yīng)盡量少用?；谝陨弦?，一般植物油類，既無熒光和毒性，又易于生物降解，且來源較 廣，較適合作潤滑材料。可選用的植物油有蓖麻油、亞麻

11、油、棉子油等。植物油的主 要成分是脂肪酸，而脂肪酸則是潤滑劑所需要的表面活性物質(zhì)。經(jīng)化學(xué)改性后，其表 面活性可進一步提高。如磺化棉子油就可以作為抗溫抗擠壓的極壓潤滑劑使用?；腔?棉子油還可增加礦物油的活性，使其潤滑效果得以提高。鉆井液中常用的潤滑劑(1)惰性固體潤滑劑該類產(chǎn)品主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微珠及堅果圓粒等。近幾年發(fā)展起來的塑料小球用做潤滑劑效果很好，其組成為二乙烯苯與苯乙烯 的共聚物。該產(chǎn)品具有較高的抗壓強度，是一種無毒、無臭、無熒光顯示、耐酸、耐堿、 抗溫、抗壓的透明球體，在鉆井液中呈惰性，不溶于水和油類，密度為1. 031. 05kg /m3，可耐溫205C以上。小球粒度

12、分布為：103 0目的占45%50%，3012 0目的 占50%55%。該潤滑劑一般可降低扭矩35%左右，降低起下鉆阻力20%左右。它可 與水基和油基的各種類型鉆井液匹配，是一種較好的潤滑劑，近年來發(fā)展很快。塑料小 球雖然效果較好，但成本較高，所以近期又發(fā)展了用玻璃小球代替塑料小球，也達到了 類似的效果。目前已證明玻璃小球能降低扭矩與阻力。在現(xiàn)場試驗中，鉆井液中含量為 1.14 kg/m3，直徑4488um的玻璃小球能使阻力從16 761kg降至11 325kg。玻璃小 球由于可能起到了類似球軸承作用或可能因埋人泥餅，從而降低了泥餅的摩擦系數(shù)。塑 料小球和玻璃小球這類固體潤滑劑由于受固體尺寸的

13、限制，在鉆井過程中很容易被固控 設(shè)備清除，而且在鉆桿的擠壓或拍打下，有破壞、變形的可能，因此在使用上受到了一 定的限制。石墨粉作為潤滑劑具有抗高溫、無熒光、降摩阻效果明顯、加量小、對鉆井液 性能無不良影響等特點。最近一種新的適用于鉆井液和水泥漿的多功能固體潤滑劑一彈 性石墨已在路易斯安那州、得克薩斯州、俄克拉荷馬州、墨西哥灣和北海等地區(qū)的200 多口井中獲得了成功的應(yīng)用。彈性石墨（ResilientGraphitic Carbon，簡稱RGC）無毒、 無腐蝕性，在高濃度下不會阻塞泥漿馬達；即使在高剪切速率下，它也不會在鉆井液中 發(fā)生明顯的分散。此外，它不會影響鉆井液的動切力和靜切力，與各種纖維

14、質(zhì)和礦物混 合物具有良好的配伍性。彈性石墨的獨特結(jié)構(gòu)使其能夠用于各種鉆井液中，具有降低扭 矩、摩阻和減少磨損的作用。彈性石墨作為固體潤滑劑，尤其適用于使用常規(guī)液體潤滑 劑效果不大的石灰基鉆井液。石墨粉能牢固地吸附（包括物理和化學(xué)吸附）在鉆具和井壁巖石表面，從而改善 摩擦副之間的摩擦狀態(tài)，起到降低摩阻的作用；同時當(dāng)石墨粉吸附在井壁上，可以封閉 井壁的微孔隙，因此兼有降低鉆井液濾失量和保護儲層的作用。（2）液體類潤滑劑該類產(chǎn)品主要有礦物油、植物油和表面活性劑等。液體類潤滑劑又可分為油性劑和極壓劑，前者主要在低負荷下起作用，通常為 酯或羧酸；后者主要在高負荷下起作用，通常含有硫、磷、硼等活性元素。往

15、往這些含 活性元素的潤滑劑兼有兩種作用，既是油性劑，又是極壓劑。性能良好的潤滑劑必須具備兩個條件，一是分子的烴鏈要足夠長（一般碳鏈R 在CC之間），不帶支鏈，以利于形成致密的油膜；二是吸附基要牢固地吸附在粘土 和金屬表面上，以防止油膜脫落。許多潤滑劑大多屬于陰離子型表面活；性物質(zhì)，多含 有磺酸基團，如磺化脂肪醇、磺化棉子油、磺化蓖麻油和其它含硫的潤滑劑如硫代烷烴 琥珀酸（或酸酐）的唑啉化合物，或含酯的脂肪族琥珀酸（或酸酐）如十八碳烯琥珀酸酐和 二硫代烷基醇等化合物。常用的作為潤滑劑使用的表面活性劑有：OP-30、聚氧乙烯硬脂酸酯-6、甲基 磺酸鉛（CHSO） Pb和十二烷基苯磺酸三乙醇胺（AB

16、SN）等。雖然非離子活性劑同樣具有 親水基（如聚氧乙烯鏈），但它們不能在鉆柱表面形成牢固的化學(xué)吸附。因此，也就不能 在鉆柱表面形成牢固的憎水非極性（或油膜）潤滑層。相對來講，潤滑效果較差。如硬水中（含高價陽離子）使用單一陰離子表面活性劑時，往往會由于產(chǎn)生高價 鹽而失效或破乳。因此，一般采用以陰離子為主、非離子為輔的復(fù)合型活性劑配方，可 收到了一定的潤滑效果，并同時可以減少外界陽離子的影響。陰離子表面活性劑需要在 堿性介質(zhì)中才能保持穩(wěn)定（但pH值過高時也會影響潤滑效果），陽離子活性劑則相反， 而非離子活性劑使用pH值的范圍較大。年來，極壓潤滑劑的應(yīng)用已取得明顯效果。該類產(chǎn)品主要有國外生產(chǎn)的磺化妥

17、 爾油和國產(chǎn)脂肪烴類衍生物（代號RH系列）等。隨著環(huán)保意識的增強，無毒可生物降解潤滑劑的使用日趨廣泛。該類產(chǎn)品主要 是不含芳香烴和雙鍵的有機物，如以動物油和植物油為原料而制得的脂類有機物或礦物 油類。這類潤滑劑無毒或低毒，不污染環(huán)境，不干擾地質(zhì)錄井，目前該類產(chǎn)品已在美國 路易斯安那州沿海的定向斜井中取得了很好的使用效果。在沿海某口井鉆進時，在 91. 44m井深處鉆桿接頭被完全卡住，當(dāng)加入一種叫做Lu-brikeen的無毒、可生物降解 的潤滑劑后，摩阻力由33 975kg降到2 265kg，順利地鉆達4 358. 64m完鉆時為止。潤滑劑的作用機理（1）惰性固體的潤滑機理固體潤滑劑能夠在兩接觸

18、面之間產(chǎn)生物理分離，其作用是在摩擦表面上形成一種隔離潤滑薄膜，從而達到減小摩擦、防止磨損的目的。多數(shù)固體類潤滑劑類似于細小 滾珠，可以存在于鉆柱與井壁之間，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，從而可大幅度降低扭 矩和阻力。固體潤滑劑在減少帶有加硬層工具接頭的磨損方面尤其有效，還特別有利于 下尾管、下套管和旋轉(zhuǎn)套管。固體類潤滑劑的熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性和防腐蝕能力等良 好，適于在高溫、但轉(zhuǎn)速較低的條件下使用，缺點是冷卻鉆具的性能較差，不適合在高 轉(zhuǎn)速條件下使用。(2)瀝青類處理劑的潤滑機理瀝青類處理劑主要用于改善泥餅質(zhì)量和提高其潤滑性。瀝青類物質(zhì)親水性弱， 親油性強，可有效地涂敷在井壁上，在井壁上形成一層油膜。這樣，既可減輕鉆具對井 壁的摩擦