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浅谈钻井液润滑剂基础理论及应用

发布时间:2018-11-04
白财远 毛馨悦 李建辉 杨定桥
(中国石油西部钻探工程有限公司国际钻井公司)
  摘 要:在石油钻井作业中,不同工况作业下钻头、钻具与井壁产生各种摩擦,造成设备磨损、摩阻增大,进一步增加井下风险。为了减少、井下风险、机械零部件在运行中因摩擦而产生的能量损失及设备损坏,世界各国积极研制各种用以降低摩擦阻力、减缓其磨损的润滑介质,即钻井液润滑剂,以达到润滑减阻的目的。
  关键词:钻井液;减阻;润滑剂;钻井工艺
  1 摩擦的概述
  当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的摩擦趋势时,在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力,这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”。摩擦有利也有害,但在多数情况下是不利的,例如,机器运转时的摩擦,造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短,并降低了机械效率。因此常用各种方法减少摩擦。
  2 造成摩阻的因素
  在钻井作业中摩擦现象较为复杂,影响因素涉及到:
  (1)钻柱、套管、地区、井壁泥饼表面的粗糙度;
  (2)表面的塑性;
  (3)施加的负荷;
  (4)流体的粘度;
  (5)流体内固相颗粒的大小;
  (6)不同流体渗透过压力表面所承受的负荷;
  (7)井壁泥饼的润滑性;
  (8)井斜角;
  (9)钻柱部分重量;
  (10)静态与动态滤失效应等。
  可以认为,钻井工程中的摩擦是混合摩擦,即部分接触面为边界摩擦,另一部分为流体摩擦。在高负荷表面上,塑性表面的边界摩擦更为突出。影响阻力的因素有10多种,但其大小主要取决于钻具和井壁的接触面积。
  3 钻井液用润滑剂
  3.1钻井液润滑剂概述
  钻井液润滑剂(Lubricant for drilling fluid)主要用来降低钻井液的流动阻力和滤饼摩阻系数,减少钻头扭矩井提高其水马力,以防粘卡的处理剂。
  根据美国石油协会(API)2006年钻井液处理剂分类方法,可知钻井液处理剂分为:降滤失剂、增黏剂、乳化剂、页岩抑制剂、堵漏材料、降黏剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、润滑剂/解卡剂、加重剂、杀菌剂、消泡剂、泡沫剂、絮凝剂、除钙剂、pH控制剂、高温稳定剂、水合物控制剂。钻井液润滑剂在所有的钻井液处理剂中,就其性质及所起作用而言,属于独立性相对较强的一类添加剂。它能有效地提高泥浆的润滑性能和防卡能力,减少岩屑摩阻及缩径卡钻等引起的钻进阻力,减轻钻机负荷,延长钻机寿命,机械钻速快,起下钻畅通和完井作业正常等作用。
  常用的钻井液润滑剂有原油、高分子脂肪酸类、氧化乙烯和脂肪酞胺、硫化植物油、硫化脂肪酸、脂肪醇混合物、磺化物等。
  3.2钻井液润滑剂的作用
  钻井液润滑剂的主要功用是降低泥饼的摩擦、减少粘附卡钻和扭矩传递损失。改善钻井液的润滑性能可降低水力摩阻、泥饼粘滞系数、钻柱转矩、轴向阻力、能耗,缩短起下钻时间,以及减小钻头工作阻力,延长钻头寿命,从而提高钻井技术经济指标,有深远的意义。
  关于防止粘卡钻。对其是否有防止粘卡的作用有两种观点:第一种观点认为,钻井液润滑剂降低了钻柱与泥饼、地层、之间的摩擦阻力和钻柱旋转时的扭矩,从而能有效地减少粘附卡钻发生的几率;第二种观点认为,由于与摩擦系数是在物体有相对运动特征的条件下所测定的,所以粘附卡钻一旦发生,粘卡力的大小即与摩擦系数值无关。当井眼偏斜时,这种情形更严重。
  此外,大多数含油脂、脂肪酸成分的钻井液润滑剂均能起到消泡、抗泡的作用。
  3.3润滑剂的优选
  为保证钻井液的润滑及抗磨性能适应各种不同的钻井条件和工艺技术,润滑剂的选择十分重要。综合考虑诸多因素,添加到钻井液的润滑剂应满足以下基本要求:
  (1)润滑剂必须能润滑金属表面,并在其表面形成边界膜和次生结构。
  (2)应与基浆有良好的配伍性,对钻井液的流变性和滤失性不产生不良影响。
  (3)不降低岩石破碎的效率。
  (4)具有良好的热稳定性和耐寒稳定性。
  (5)不腐蚀金属,不损坏密封材料。
  (6)不污染环境,易于生物降解,价格合理,且来源充足。钻井液润滑剂除了主要提高钻具的寿命及其工作指标外,还应不影响对地层资料的分析和评价,即润滑剂应具有低荧光或无荧光性质。因此,润滑剂基础材料的选择应注意尽量不用含苯环,特别是多芳香烃的有机物质,而原油,尤其是重馏分、釜残物、沥青等因含荧光物质较多,也应尽量少用。
  基于以上要求,一般植物油类,既无荧光和毒性,又易于生物降解,且来源较广,较适合作润滑材料。可选用的植物油有蓖麻油、亚麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸,而脂肪酸则是润滑剂所需要的表面活性物质。经化学改性后,其表面活性可进一步提高。如磺化棉子油就可以作为抗温抗挤压的极压润滑剂使用。磺化棉子油还可增加矿物油的活性,使其润滑效果得以提高。
  3.4应用实例
  常用的液体润滑剂分为油基和水基润滑剂。水基润滑剂环保性好,因其具有很强的吸附基团,易被钻屑和井壁黏土颗粒吸附,但需要随时补充,用量大,成本较高;油基润滑剂短时间内作用效果明显,但持效性差,需随时补加,用量大,而且环保性、安全性差,综合成本也较高。
  纳米乳液润滑剂是近两年来发展起来的一种润滑剂,不仅润滑性好,而且环保性也好,只是成本较高,现场只用于水平井钻井。因此,有必要研制一种成本适中,能广泛推广应用的纳米乳液润滑剂。纳米乳液不仅具有很强的井壁稳定能力,而且还具有较高润滑和油气层保护性能。纳米乳液润滑剂与普通乳液润滑剂相比,颗粒尺寸较小,比表面积较大,这样就大大增加了与井壁吸附反应的机会和程度。由于纳米处理剂呈正电性,它在井壁上的吸附能降低井壁的负电性,能部分阻止水化极强的金属阳离子靠近井壁,这样乳液滴更易在井壁上吸附,使井壁翻转为亲油表面。同理,由于钻柱表面也是亲水性的(因有氧化膜),它也可以吸附表面活性剂后翻转为亲油表面。这样就使油相在钻柱和井壁表面形成油膜,强化了油滴的润滑作用。
  4 结束语
  随着石油勘探开发技术的不断发展,特别是深井、超深井及特殊工艺井钻探越来越多,对钻井液提出了更高的要求。通过对钻井液润滑剂基础知识的学习,掌握润滑剂的作用以及选用的标准,从而达到降低阻力、减缓其摩擦力的作用。
  参考文献
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  [2]吕开河.环境友好钻井液润滑剂综述[J]。油气田地面工程,2004,23(7):1
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来源:《世界家苑》2018年2期

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