JZLu-1高效润滑剂的制备及现场应用
王在明, 李睿, 朱宽亮, 胡中志, 冯京海     
中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院, 河北唐山 063000
摘要: 针对大斜度井和大位移井钻井过程中摩阻扭矩高及常规润滑剂用量大、润滑效果差的问题,以合成基础油为主要原料,添加球形纳米SiO2和硫-磷-钼等抗磨损极压剂,并应用阳离子乳化剂进行乳化,制备了JZLu-1高效润滑剂。应用ζ电位测定仪、四球试验机和极压润滑仪测试了JZLu-1润滑剂的电位、减磨性能和极压润滑性能,利用电子显微镜观察了JZLu-1高效润滑剂在金属上的吸附过程,结果表明:JZLu-1高效润滑剂带微弱正电荷,可以主动吸附在金属表面上,形成油膜;JZLu-1高效润滑剂含有的纳米SiO2起减磨作用;JZLu-1高效润滑剂含有的硫-磷-钼极压剂提高了其极压润滑性能,其极压润滑系数为0.028 3。6口井的现场应用表明,JZLu-1高效润滑剂能够大幅降低大斜度井和大位移井钻井过程中的摩阻扭矩,解决了常规润滑剂润滑效果差、用量大的问题。
关键词: 润滑剂     乳化剂     大位移井     摩阻     扭矩     南堡油田    
The Development and Field Application of JZLu-1 High-Efficiency Lubricants
WANG Zaiming, LI Rui, ZHU Kuanliang, HU Zhongzhi, FENG Jinghai     
Drilling and Production Research Institute of PetroChina Jidong Oilfield Company, Tangsan, Hebei, 063000, China
Abstract: Since highly deviated wells and extended reach wells often involve high friction resistance in during drilling, large amounts of conventional lubricants are required, and the lubrication performances are often unsatisfactory. In order to solve the problems, the high-efficiency JZLu-1 lubricants were developed by using a synthetic base oil, together with spherical nano SiO2 and sulfur-phosphorus-molybdenum anti-abrasion extreme pressures agents, where it was then emulsified by a cationic emulsifier. Potentials, wear-resistance and lubrication performances under extreme pressures were determined by using a ζ potential analyzer, a four-ball tester and an extreme-pressure lubrication performance tester. In addition, electronic microscopes were also used to observe absorption of JZLu-1 on metal surfaces. Research results showed that the lubricant JZLu-1 had a weak positive charge, and may positively attach themselves to metallic surfaces to generate oil films; nano SiO2 contained in JZLu-1 may provide satisfactory wear-resistance performances, whereas sulfur-phosphorus-molybdenum extreme pressures agents may significantly enhance lubrication performances, with lubrication coefficient of 0.028 3 under extreme pressures. Application results of six wells indicated that the JZLu-1 high-efficiency lubricant could dramatically lower drag and torques in highly deviated wells or extended-reach wells, so as to eliminate problems of poor performances and large volume of conventional lubricants required in such wells.
Key words: lubricant     emulsifier     extended reach well     friction resistance     torque     Nanpu Oilfield    

大斜度井和大位移井钻井过程中摩阻扭矩高,制约了井眼的有效延伸,降低了钻井效率[1-4]。通过增大钻井液中润滑剂的加量,或者采取将液相润滑剂和固体润滑剂(石墨或塑料小球等)复合的方式来提高钻井液的润滑性能,降低摩阻扭矩,但总体效果一般,尤其是钻井液中润滑剂的加量达到一特定值后,润滑效果不再随着润滑剂加量增大而增加[5]。为此,国内外专家学者通过在基础油中添加黏度改进剂、抗氧剂、硫磷型抗磨剂等技术手段改善润滑剂的性能,并取得了很好的效果。笔者在前人研究的基础上,通过在基础油中添加球形纳米材料和硫-磷-钼添加剂,利用阳离子乳化剂的乳化作用对基础油和添加材料进行包裹,制备了一种高效润滑剂JZLu-1。该润滑剂中有许多带正电荷的微球,能够很好地吸附在带微弱负电荷的钻具和地层表面,从而提高润滑剂的润滑效果,降低大斜度井和大位移井钻井过程中的摩阻扭矩。

1 JZLu-1高效润滑剂的制备

制备JZLu-1润滑剂时,要在合成基础油中添加固体纳米粉末和不同密度的各种添加剂,因此,对分散和乳化的要求相对较高。被加工物料通过胶体磨定、转齿之间的间隙(间隙可调)时, 受到强大的剪切力、摩擦力、高频振动等物理作用,可以达到分散及乳化物料的效果。

以环烷烃基脂肪族胺为原材料,采用缩聚反应形成主乳化剂;以长链脂肪醇为原材料,通过缩聚反应得到脂肪醇聚氧乙烯醚作为辅乳化剂,将两者按一定比例复配形成制备JZLu-1高效润滑剂的阳离子乳化剂。

制备步骤:1)配制乳化液,即在水中加入2%~5%乳化剂,将其pH值调至2左右,并加热至50 ℃;2)在基础油中按要求添加油溶性球形纳米SiO2和极压剂硫-磷-钼,并加温至50 ℃;3)JMS-50型胶体磨预热后泵入乳化液和步骤2中的合成油,按合成油80%、乳化液20%的比例进行研磨乳化(为确保形成O/W型润滑剂,乳化过程始终保持乳化液的量大于合成油的量),同时加入稳定剂,以保持乳状液长时间稳定,成品即为O/W型JZLu-1高效润滑剂。

2 性能评价 2.1 乳化性能

用L2003-850HO型一体化电子显微镜观察JZLu-1高效润滑剂,其形状如图 1所示。

图 1 JZLu-1高效润滑剂的形状(400倍) Fig.1 The shape of JZLu-1 lubricant under the electron microscope (400 times magnification)

图 1可以看出,JZLu-1润滑剂是一种水包油的乳白色乳状液,在显微镜下呈现微球形状。JZLu-1高效润滑剂是在工厂进行预乳化的一种润滑剂,乳化率高达到98%以上,而传统润滑剂是在钻井现场通过循环进行乳化,乳化率只有40%~60%[6]。因此,大大提高了JZLu-1高效润滑剂的利用效率。该润滑剂中添加的纳米材料、各种极压添加剂均匀分散在由少量水膜包裹的油滴中。

表 1为利用ζ电位粒度测定仪测定的JZLu-1润滑剂的粒径和ζ电位。

表 1 JZLu-1高效润滑剂的粒径和ζ电位 Table 1 Particle size and ζ potential of JZLu-1 lubricant
测量时间/d D50/μm 粒度/μm ζ电位/mV
1 10.9 0.01~203.00 21.8
2 10.9 0.01~203.00 17.0
3 10.9 0.01~203.00 16.9
4 10.9 0.01~203.00 15.5
15 10.9 0.01~203.00 15.6
30 10.9 0.01~203.00 15.5

表 1可以看出,JZLu-1高效润滑剂的D50为10.9 μm,粒度分布范围0.01~203.00 μm,其粒径可以长时间稳定,ζ电位在3 d后趋于稳定,保持在15.5 mV。

2.2 吸附性能

金属表面一般带有少量的负电荷[7],与带正电荷的JZLu-1高效润滑剂形成吸附作用,正负电荷抵消后JZLu-1高效润滑剂的液滴在金属表面会发生破乳并在金属表面形成油膜,从而完成在金属表面的吸附过程。为考察JZLu-1高效润滑剂在钻具和套管壁上的吸附过程,采用N80套管制成的2 cm×10 cm金属挂片,在110 ℃温度下浸泡于3%JZLu-1高效润滑剂的溶液中,并以60 r/min搅拌速度模拟流体流动,同时用L2003-850HO型一体化电子显微镜观察JZLu-1高效润滑剂在金属表面的吸附过程,结果如图 2所示。

图 2 JZLu-1高效润滑剂在金属表面的吸附过程 Fig.2 Adsorption process of JZLu-1 lubricant on metallic surface

图 2可以看出,油膜在金属表面的形成有一个从少到多的过程,浸泡120 min后金属表面基本布满了油膜,随着浸泡时间延长,金属表面油膜的状况变化不大,表明JZLu-1高效润滑剂能够主动吸附在N80套管表面,并且能在一定程度上抗流体的冲刷。同时表明浸泡120 min后JZLu-1高效润滑剂在N80套管上的吸附形成平衡,达到最佳润滑效果。JZLu-1高效润滑剂的主动吸附能极大地提高其润滑效率和润滑效果。

2.3 减磨性能

JZLu-1高效润滑剂中添加的纳米颗粒材料呈球形,直径10 nm左右,比表面积大,具有较高的活性,主要成份为SiO2,表面经修饰剂改性,具有优良的憎水亲油性,可很好地分散在合成基础油中。为考察添加不同加量纳米SiO2时JZLu-1高效润滑剂的减磨效果,采用MRS-10A型四球机进行了摩擦磨损试验,结果发现,纳米SiO2加量为0,0.1%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%时,磨斑直径分别为1.05,0.54,0.36,0.30,0.39和0.40 mm。由此可知,添加纳米SiO2的JZLu-1高效润滑剂具有减磨作用,其减磨作用随纳米SiO2加量增大先增强后减弱,纳米SiO2加量为0.3%时减磨作用最强。JZLu-1高效润滑剂的减磨原理为:分散的纳米SiO2微粒表面含有大量羟基,可以在摩擦副间形成吸附薄膜[8],薄膜可以隔离金属接触而起到减磨作用;SiO2微粒本身为球形颗粒,在摩擦过程中能够像微轴承一样滚动填补划痕,起到保护摩擦副表面的作用[9]

2.4 极压润滑性能

极压是钻井过程中钻具与套管之间的摩擦发生熔焊作用而产生的摩阻,为降低摩阻,需要在钻井液中加入润滑剂。表征润滑剂抗极压性能的指标为最大无卡咬负荷和烧结负荷,最大无卡咬负荷和烧结负荷越大,润滑剂的抗极压性能越好。采用MRS-10A型四球机测定了基础油加入不同量硫-磷-钼极压剂后的最大无卡咬负荷和烧结负荷,结果见表 2

表 2 硫-磷-钼挤压剂抗极压作用试验结果 Table 2 Experimental results for performances of sulfur-phosphorus-molybdenum additives under extreme pressure
硫-磷-钼抗极压剂加量,% 最大无卡咬负荷/N 烧结负荷/N
0 510 1 716
0.2 810 1 943
0.3 942 2 132
0.4 1 069 2 289
0.5 1 117 2 450
0.6 1 117 2 450

表 2可知,基础油中加入硫-磷-钼极压剂后,其最大无卡咬负荷和烧结负荷得到提高,当硫-磷-钼极压剂加量达到0.5%时,最大无卡咬负荷和烧结负荷达到最大。因此,制备JZLu-1润滑剂时,加入0.5%硫-磷-钼极压剂。

采用ZN17-EP型极压润滑仪测定了JZLu-1高效润滑剂、白油、国内某品牌润滑剂及国外某品牌润滑剂的极压润滑系数,结果见表 3

表 3 几种润滑剂的极压润滑系数测试结果 Table 3 Lubrication coefficient test results with several lubricants under extreme pressures
配方 极压润滑系数
JZLu-1高效润滑剂 白油 国内润滑剂 国外润滑剂
水+2%润滑剂 0.028 3 0.068 0.048 0.068
水+3%润滑剂 0.028 3 0.062 0.043 0.038
水+4%润滑剂 0.028 3 0.068 0.048 0.048
水+5%润滑剂 0.009 4 0.056 0.029 0.029
水+6%润滑剂 0.004 7 0.034 0.043 0.014

表 2可以看出:JZLu-1高效润滑剂的极压润滑性能最好;当其加量为2%时,极压润滑系数为0.028 3;其加量为6%时,极压润滑系数仅为0.004 7。JZLu-1高效润滑剂的极压润滑机理是:在摩擦过程中硫-磷-钼极压剂分解,硫和磷与裸露的金属反应,形成一层熔点较低、剪切强度较小的硫化铁和磷化铁膜,起到减小摩擦、磨损和防止擦伤及熔焊的作用[10];在高速、高温和高压等苛刻工况下,油溶性钼在摩擦副表面分解成为纳米级的二硫化钼膜,以层状微晶结构叠置于金属表面,每层二硫化钼膜的厚度为0.625 nm,层间距离为1.32 nm[11]。硫化铁、磷化铁和二硫化钼膜将金属表面的摩擦方式由滑动摩擦转变为滚动摩擦,极大地降低了摩擦系数,提高了极压润滑性能。

2.5 与钻井液的配伍性

与钻井液的配伍性是评价润滑剂的一个重要指标。采用冀东南堡油田常用的氯化钾成膜封堵钻井液与JZLu-1高效润滑剂进行配伍性试验,结果见表 4

表 4 JZLu-1高效润滑剂与钻井液的配伍性试验结果 Table 4 Compatibility test results for JZLu-1 lubricant and drilling fluids
配方 条件 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/mL 高温高压滤失量/mL
    氯化钾或膜封堵钻井液 51.0 46 10 3.5/14.5 3.2 12.6
    氯化钾或膜封
堵钻井液+4%JZLu-1
老化前 50.5 46 9 3.0/11.0 2.8 13.1
老化后 46.5 37 11 4.5/10.0 3.5 12.2
  注:老化条件为在150 ℃下滚动36 h。

表 4可知,JZLu-1润滑剂对氯化钾成膜封堵钻井液的流变性、API滤失量和高温高压滤失量的影响都很小,说明JZLu-1高效润滑剂与钻井液的配伍性很好。

3 现场应用

冀东南堡油田为滩海油田,采用海油陆采的开采方式。因此,该油田的油井多为大位移井,钻井过程中的摩阻和扭矩较高。在钻大位移井时,该油田以往多使用原油、石墨、塑料小球和极压润滑剂等来改善钻井液的润滑性,但存在用量大、污染环境等问题。为此,该油田在位移超过2 000 m的6口大位移井钻井中应用了JZLu-1高效润滑剂,实钻结果发现,这6口大位移井三开井段钻进过程中的扭矩为23~32 kN·m,钻具上提摩阻为22~29 kN,与应用常规润滑剂的大位移井相比,摩阻扭矩降低率大于10%,且JZLu-1用量只有常规润滑剂的50%左右。另外,钻井液在加入JZLu-1高效润滑剂后性能稳定,未出现起泡现象。表 5为应用JZLu-1高效润滑剂的NP13-1336井与应用常规润滑剂的邻井NP13-1976井润滑效果的对比结果。

表 5 NP13-1336井与邻井的润滑效果对比 Table 5 Lubrication effect contrast in Well NP13-1336 and offset well
井号 井深/m 最大井斜角/(°) 水平位移/m 三开井段扭矩/(kN·m) 钻具上提最大摩阻/kN 润滑剂用量/kg 润滑剂
NP13-1336 3 725.00 54.43 2 632.00 22~28 250 210 JZLu-1
NP13-1976 3 669.00 52.46 2 595.00 24~32 320 480 石墨,极压润滑剂

表 5可知,NP13-1336井与邻井NP13-1976井在井深、最大井斜角、位移等方面大体相当,与应用常规润滑剂的NP13-1976井相比,应用JZLu-1高效润滑剂的NP13-1336井的最大摩阻降低了21.8%,最大扭矩较降低了14.0%,润滑剂用量只是NP13-1976井的43.7%,且NP13-1336井在钻井过程中未出现因加入JZLu-1高效润滑剂而引起的钻井液黏度升高和起泡现象。

4 结论

1)  JZLu-1高效润滑剂是一种工厂预乳化的润滑剂,与常规乳化剂相比,其利用率较高。

2)  JZLu-1高效润滑剂带微弱正电荷,能吸附于钻具和套管壁上形成油膜,提高其润滑性能。

3)  JZLu-1高效润滑剂中的油溶性球形纳米SiO2含有大量的羟基,可以在摩擦副间形成吸附薄膜,隔离金属接触而起到减磨作用。

4)  JZLu-1高效润滑剂中的硫-磷-钼极压剂在摩擦过程中生成硫化铁、磷化铁和二硫化钼膜,并将金属间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,从而提高极压润滑性能。

5)  现场应用效果表明,JZLu-1高效润滑剂与常规润滑剂相比,润滑性能好,用量少,可以大幅降低大位移井钻井的摩阻扭矩。

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王在明, 李睿, 朱宽亮, 胡中志, 冯京海
WANG Zaiming, LI Rui, ZHU Kuanliang, HU Zhongzhi, FENG Jinghai
JZLu-1高效润滑剂的制备及现场应用
The Development and Field Application of JZLu-1 High-Efficiency Lubricants
石油钻探技术, 2016, 44(5): 79-83.
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(5): 79-83.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201605013

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收稿日期: 2016-01-02
改回日期: 2016-08-15

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