王琳， 董晓强， 杨小华， 薛玉志， 李涛（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

王琳等.高密度钻井液用润滑剂SMJH-1的研制及性能评价[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：28-32.



高密度钻井液用润滑剂SMJH-1的研制及性能评价

王琳， 董晓强， 杨小华， 薛玉志， 李涛
（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

王琳等.高密度钻井液用润滑剂SMJH-1的研制及性能评价[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：28-32.

摘要针对高密度钻井液对润滑性能的要求，采用多元醇、含双键的长链脂肪酸、矿物原料等为原料合成一种高密度钻井液用润滑剂SMJH-1，其为一种接入具有极压抗摩能力化学元素的大分子酯。性能评价结果表明，润滑剂SMJH-1加量为1%、2%和3%时，润滑系数降低率为24.2%、33.6%、38.3%，具有良好的润滑性，抗温达180 ℃，抗盐达30%，对密度为1.4～2.0 g/cm3的高密度钻井液在150 ℃、16 h老化前后流变性能影响较小，并有助于高温高压滤失量的控制。SMJH-1通过物理化学吸附作用和侧向黏附力在钢质表面形成固态膜，增强表面的疏水性，控制流动界面内的固有涡流，减少摩阻压力。该润滑剂在元陆601H和元陆31井进行了试验应用，取得较好的润滑效果。

关键词高密度钻井液；润滑剂；钻井液添加剂；高温；抗盐；合成

Development and Evaluation of a High Density Drilling Fluid Lubricant

WANG Lin, DONG Xiaoqiang, YANG Xiaohua, XUE Yuzhi, LI Tao
(Research Institute of Petroleum Engineering, Sinopec, Beijing 100101,China)

Abstract A high density drilling fluid lubricant, SMJH-1, was developed using polyalcohol, long-chain fatty acids with double bonds in their molecules, and natural minerals. SMJH-1 is a high molecular weight ester with ability to reduce extreme pressure friction. Drilling fluids treated with 1%, 2% and 3% SMJH-1 have coefficient of friction reduced by 24.2%, 33.6% and 38.3%, respectively. SMJH-1 functions at 180 ℃ and in drilling fluids contaminated with 30% salt. SMJH-1 reduces the HTHP filter loss of drilling fluids with density between 1.4 g/cm3and 2.0 g/cm3, while only slightly affects their rheology. SMJH-1 can spread on the surface of steel, forming a solid film by physico-chemical adsorption and lateral adhesion, hence enhancing the hydrophobicity of the surface and controlling the vortices in the flowing fluid. In this way the friction between fluid and solid surface is reduced. SMJH-1 has been tried in the drilling of the Well Yuanlu-601H and Yuanlu-301, and proved successful.

Key words High density drilling fluid; Lubricant; Drilling fluid additive; High temperature; Salt resistant; Synthesis

随着大位移井、 水平井以及深井、 超深井的钻探力度不断加强， 润滑与井下安全之间的矛盾越来越突出。在造斜段、水平段滑动钻进时摩阻大、托压严重。特别是钻井液密度较高时具有流变性控制难度大、固相含量高、摩阻大的特点[1-3]，其流变性和润滑性能控制不好极易造成钻井事故。此时如果不对钻井液的润滑性能进行及时调整，会给安全钻进带来严重隐患[4]。常规润滑剂在高密度钻井液中易造成体系黏度增大，在高密度钻井液中润滑效果出现明显下降。因此研制一种对体系黏度影响小、润滑效果优良的润滑剂对高压地层的安全钻进尤为重要[5-7]。

1　高密度钻井液润滑剂SMJH-1研制

1.1 研制思路

高密度钻井液固相含量高，且流变性不易控制，要求润滑剂在钻具、井壁及套管上强吸附，形成抗压能力强的润滑膜，有效降低摩擦系数，而且对钻井液流变性影响要小。基于以上要求，润滑剂组分及分子结构的设计思路为：①合成含有不饱和双键的大分子酯，通过化学反应接入具有极压抗摩能力的化学元素，以提高在钢质钻具表面的吸附能力，在钻具表面形成一定厚度的疏水性隔离膜，减小钻井液流动阻力，且在高极压下能够发生摩擦化学反应，以形成金属皂形式的固态极压润滑膜。②优选一定HLB值的复合乳化剂，并加入降低乳化剂起泡性的组分以及具有稀释能力的组分，使极压润滑组分在钻井液中均匀分散，减低对高密度钻井液流变性的影响[8-10]。

1.2 合成

高密度钻井液用润滑剂SMJH-1采用多元醇、含双键的长链脂肪酸、 矿物原料、 乳化剂、 消泡剂等为原料。第一步制备含有不饱和双键的大分子酯， 第二步对制备的大分子酯进行改性反应， 接入具有极压抗摩能力的化学元素， 然后加入复合乳化剂、 消泡剂等原料， 制得深棕红色液体的润滑剂SMJH-1。在合成过程中用氮气吹扫釜内， 防止反应过程中发生氧化交联。

2　室内评价

2.1 评价方法

1）原料：钠膨润土，胜利油田博友泥浆技术有限责任公司；重晶石，四川安县华西矿粉有限公司，密度4.2 g/cm3。

2）仪器：DQJ型搅拌机，青岛同春石油仪器有限公司；Fann 35SA型六速黏度计、21200型极压润滑仪，美国Fann公司；GNF型高温高压黏附仪、SD-4型中压滤失仪，青岛海通达专用仪器厂。

3）按照标准Q/SY 1088—2012《钻井液用液体润滑剂技术规范》计算润滑系数、润滑系数降低率以及黏附系数降低率。

2.2 SMJH-1对钻井液流变性和润滑性的影响

在密度为1.40、 1.70、 2.00、 2.30和2.60 g/cm3的高密度钻井液基浆中加入2%润滑剂SMJH-1（用量以高密度基浆或钻井液的体积百分数计，下同），考察其对不同密度钻井液流变性和润滑性的影响。高密度基浆配方：2%钠膨润土+0.5%PAC-LV+适量重晶石。在5种不同密度基浆中，2.30 g/cm3基浆+ SMJH-1体系以及2.60 g/cm3基浆的表观黏度大于150 mPa·s，在图中未能标出。除此之外，与未加润滑剂的基浆相比，加入润滑剂后未老化的体系黏度出现不同程度的增加，而高温老化后体系的黏度基本相近。为了室内模拟研究润滑剂在钻杆与套管之间的润滑作用，利用极压润滑仪考察两钢表面之间的润滑系数。润滑系数值越小表示2者之间的摩阻越小。实验结果如图1～图3所示。

图1　2%SMJH-1在不同密度基浆中的流变性能（150 ℃、 16 h）

图2　2%SMJH-1在不同密度基浆中的流变性能（150 ℃、 16 h）

图3　2%SMJH-1在不同密度基浆中的润滑性能

如图3所示，SMJH-1在不同密度基浆中的润滑效果可以看出，老化前润滑剂在不同密度基浆中的润滑性能较稳定；老化后的润滑系数随着基浆密度的升高出现明显下降，相应的润滑系数降低率也出现明显升高，这说明润滑剂SMJH-1在高密度钻井液体系中具有优良的润滑性能。

2.3 SMJH-1抗温性能评价

将2%SMJH-1加入密度为2.0 g/cm3的钻井液基浆中， 测定经过120、 150和180 ℃老化16 h后的黏度和润滑性能， 如表1所示。基浆配方如下。

1#1.7%膨润土+2%SMP-2+2%SMC+2% SMS-19 +2.5%SML-4+1%KOH+重晶石，密度为2.0 g/cm3

由表1可知， 与高密度钻井液基浆性能相比，加入2%SMJH-1经高温老化前后的表观黏度和塑性黏度均有所下降；且随老化温度的增加，体系的润滑系数也逐渐下降， 这说明润滑剂SMJH-1具有良好的高温润滑性能， 而且对该密度下的钻井液不产生增黏作用。

2.4 SMJH-1浓度对高密度钻井液性能的影响

在密度为2.0 g/cm3的基浆中加入不同浓度的润滑剂SMJH-1，考察不同加量SMJH-1对高密度钻井液流变性和润滑性的影响。实验结果见表2和图4。

体系的润滑效果用极压润滑系数和滤饼的黏附系数降低率来评价。体系流变性测试结果可以看出，在1.0%～3.0%SMJH-1浓度范围内，含润滑剂的高密度钻井液基浆的表观黏度和塑性黏度与未加润滑剂的基浆相比出现略微降低，而且体系的中压和高温高压滤失量随润滑剂的加入有所降低，表明润滑剂不会对高密度钻井液基浆产生增黏作用，而且有助于滤失量的控制。从图4润滑测试结果可以得出，高密度钻井液的润滑系数随SMJH-1浓度的增加而逐渐下降，滤饼的黏附系数降低率也迅速升高，继续增大SMJH-1加量至3%时，体系的润滑系数迅速降低，说明润滑剂在高密度钻井液体系中具有优良的润滑效果。

表2　SMJH-1加量对高密度钻井液性能的影响

图4　SMJH-1浓度对高密度钻井液润滑效果的影响

2.5 SMJH-1抗盐性能评价

进一步考察了润滑剂SMJH-1在10%NaCl以及30%NaCl钻井液中的性能，结果如表3所示。可以看出，分别向10%以及30%NaCl钻井液中加入2%SMJH-1后，体系黏度略微增加，但中压失水和极压润滑系数均明显减小，表明SMJH-1具有良好的抗盐能力。

表3　SMJH-1在含盐高密度钻井液体系中效果评价

2.6 SMJH-1润滑机理分析

SMJH-1中具有表面活性的组分通过物理吸附和化学吸附到钻具的表面并在表面聚集，分子中的极压元素与钢铁表面的铁原子间以配位键形式形成强吸附，其极性端借助范德华力吸附在钢制的钻具表面，润滑剂中油类组分的碳氢链非极性端链间由于侧向黏附力形成强的固态膜[11-12]。在经过2%钠膨润土浆及含有1%SMJH-1润滑剂的钠膨润土浆浸泡后，水在钢表面的接触角由31.0°升高至70.0°，表明润滑剂SMJH-1造成钢片表面疏水性程度增大，该结果表明润滑剂SMJH-1具有较强的使钢质表面疏水性增强的能力。这种能力是由SMJH-1的有效成分在金属表面形成附着的疏水烃化物层造成的。通过形成疏水的边界层，改变钻井液的流动界面，使钻井液在钻杆、套管和地层表面流动时管道流动界面内的固有涡流得到控制，从而减少摩阻压力。

3　现场应用效果

3.1 在元陆601H井的应用

元陆601H井是中石化在川东北九龙山背斜西翼近轴部的一口开发评价水平井。该井四开钻至斜深为5 480 m，垂深为4 578.05 m提前完钻，井斜86°。该井高密度钻井液具有流变性控制和维护处理难度大、润滑性要求高的特点。如表4所示，向现场密度为2.20 g/cm3的高密度钻井液中添加1%高密度钻井液分散剂SMS-19和2%润滑剂SMJH-1后，体系漏斗黏度由67 s降为61 s和65 s，滤失量由2.6 mL降为2.0 mL和1.8 mL，加SMJH-1前后井浆的润滑系数由0.11降至0.08，体系的流变性能、滤失量以及润滑性能均得到了显著改善。

表4　元陆601H井高密度钻井液性能

3.2 在元陆31井的应用

元陆31井是中石化南方公司部署在川东北元坝中部断褶带九镇构造一口预探井，井深为5 220 m，三开自流井组钻井液密度高、 流变性差、摩阻大。在钻遇自流井组东岳庙段， 钻井液密度为2.18 g/cm3，用0.5%分散剂SMS-19和1.5%高密度钻井液润滑剂SMJH-1处理钻井液，钻井液性能见表5。如表5所示，循环后钻井液塑性黏度从39 mPa·s降低至35 mPa·s，钻井液摩擦系数从0.15降低至0.12，钻井液的流变性和润滑性得到显著改善，而其他性能没有受到不良影响，现场试验取得良好效果。

表5　元陆31井高密度钻井液性能

4　结论

1.采用多元醇、含双键的长链脂肪酸、矿物原料、乳化剂、消泡剂等为原料，在高温下反应制备出高密度钻井液用润滑剂SMJH-1。

2.润滑剂SMJH-1通过物理和化学吸附作用在钻具表面聚集，同时组分中的碳氢链通过侧向黏附力形成固态膜，增强钢质表面的疏水性，控制流动界面内固有涡流，减少摩阻压力。

3.研制的润滑剂SMJH-1在高密度钻井液中具有良好的润滑作用，对体系的流变性能影响较小，且具有一定的抗高温及抗盐能力，在元陆601H井和元陆31井取得较好的现场应用效果。

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收稿日期（2015-9-15；HGF=1506M10；编辑 马倩芸）

作者简介：第一王琳， 高级工程师， 1970年生， 1995年毕业于山东大学化学与化工学院有机合成专业， 2004年获中国科学院物理化学博士学位， 主要从事钻井液及处理剂的研究工作。电话 （010）84988202；E-mail：wanglin.sripe@sinopec.com。

基金项目：中国石油化工股份有限公司科技部项目“改善高密度钻井液流变性关键技术研究”（P11049）资助。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.006

中图分类号：TE254.4

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0028-05