孙 俊，徐思旭，崔晓明，黄念义，祝学飞，朱春梅，贺 杰

（1.川庆钻探新疆分公司，新疆库尔勒841000；2.西南石油大学化学化工学院四川省油气田应用化学重点实验室,四川成都610500）

1 概述

塔里木盆地是中国最大的含油气沉积盆地。该盆地已探明油气资源总量约为160×108t 油当量，被誉为21 世纪中国石油战略接替地区，也是“西气东输”工程的主力气源之一[1-2]。由于塔里木盆地油气藏埋深多在6000m以上，深井、超深井是开发该地区油气资源的重要手段[3]。深井、超深井钻井裸眼长，在钻井过程中钻具扭矩和摩阻大，导致钻具的容易磨损、增大钻井设备的功耗，甚至会发生断钻、粘附卡钻等钻井安全事故[4-6]。在钻井液中添加润滑剂能有效改善钻井液的润滑性能、降低钻具井下摩阻，防止上述事故的发生[7]。

目前川庆钻井公司在其塔里木地区所用钻井液中添加润滑剂之后，虽然钻具摩阻得到了有效降低，但钻井液会出现严重的起泡，某些井钻井液起泡率甚至高达30%～40%。严重的起泡会导致钻井液进出口密度差大，这不仅会影响泥浆泵的效率和正常钻进及钻井液液面监测，而且还容易导致井控安全问题发生，增加井下安全风险[8-10]。因此，在使用润滑剂之前，对其高温下引发钻井液起泡的性能，以及起泡原因进行分析，对针对性预防和消除钻井液起泡有重要意义。

本文对川庆钻井公司在塔里木地区常用的三种钻井液润滑剂在高温下引发钻井液起泡的性能进行了评价，同时对润滑剂引发钻井液起泡的影响因素和原因进行了研究。

2 实验部分

2.1 原料

膨润土、润滑剂YDL-1、润滑剂RH220 和润滑剂LE-50 均由川庆钻探新疆分公司提供；NaOH（分析纯），购于成都科龙试剂公司；二氯甲烷（色谱纯），购于百灵威化学试剂公司；去离子水，实验室自制。

2.2 实验仪器

高温热滚炉XGRL-4，青岛同春；高速搅拌机HTD-BGJ1，青岛恒泰达；JYW-2008全自动表面张力仪，承德科承；气相色谱质谱联用仪Agilent 7890A GC/5975 MSD，美国安捷伦科技有限公司；无目镜倒置荧光数码显微镜AMG EVOSFL，美国AMG。

2.3 润滑剂起泡性能评价

以基浆的起泡率为指标，评价润滑剂在钻井液中的起泡性。具体方法如下：

（1）取350mL 基浆于高搅杯中，在室温、高速搅拌（8000r/min）下，加入浓度为20%的NaOH 溶液调整基浆pH值。

（2）在高速搅拌（8000r/min）下，向调整好pH 值的基浆中加入润滑剂，随后继续搅拌5min。

（3）将加入润滑剂后的基浆转入高温高压老化罐中，在140℃高温热滚炉中老化16h。

（4）待老化结束，老化罐温度降至室温后，将老化罐中的基浆转入带刻度透明高搅杯中，高速搅拌（8000r/min）20min。

（5）待高搅结束后，迅速将高搅杯中的基浆向容积为250mL 的量筒中转入100mL，在室温下测量含泡沫的钻井液体积V0(mL)，同时开始计时。

（6）将V0代入式（1），计算起泡率η：

式中：V——不含泡沫的基浆初始体积，mL。

2.4 润滑剂组分分析

采用气相色谱质谱联用仪Agilent 7890A GC/5975 MSD对各润滑剂组分进行分析。具体步骤如下：

（1）取0.5mL润滑剂样品于干净溶剂瓶中，采用移液管准确移取50mL二氯甲烷将样品稀释；

（2）将仪器预热至40°C后，采用Agilent G4513A自动进样器控制稀释样品进样量为0.3μL、分流比为50∶1进行进样，控制仪器以10 °C/min 的升温速率升温至350°C，并在该温度下保持2min。

2.5 泡沫微观形貌分析

待基浆起泡后，迅速取少量泡沫样品于荧光显微镜载玻片上，在室温下观测泡沫的形貌，并拍照。

2.6 表面张力的测定

采用JYW-2008全自动表面张力仪测定含润滑剂基浆热滚前后滤液的表面张力。

3 结果与讨论

3.1 各润滑剂在基浆中的起泡性能

在固定基浆pH 值为10，基浆配方为水+8%膨润土，润滑剂加量为3%的情况下，考察了加有不同润滑剂的基浆热滚前后的起泡性，其结果如表1所示。由表1可知，热滚前基浆的起泡率均为0，但在140℃下热滚16h 后，除加有润滑剂RH-220 的基浆不起泡外，其余两种润滑剂均会导致基浆起泡，其中加有润滑剂YDL-1的基浆起泡最为严重，起泡率高达70%。

表1 加入润滑剂热滚前后基浆的起泡性能

3.2 润滑剂导致基浆起泡的影响因素

3.2.1 润滑剂加量的影响

在固定基浆pH值为10，考察了润滑剂加量对基浆热滚后的起泡性影响，其结果如图1所示。由图1可知，在140℃下热滚16h后，加有润滑剂YDL-1的基浆起泡最为严重，在加量为2%时，其起泡率最高，达105.0%。加有润滑剂RH-220的基浆不具起泡性。润滑剂LE-5在加量为1%～3%时，基浆的起泡率均在10.0%以内。

3.2.2 基浆pH的影响

在固定各润滑剂加量为1%的情况下，考察了不同pH值基浆在加入润滑剂热滚后的起泡性，结果如图2所示。

由图2可知，随着基浆pH值的增加，加入润滑剂热滚后，基浆的起泡率也有所增加。尤其加有润滑剂RH-220 的基浆，在pH 值超过10 时，热滚后会出现严重的起泡，其起泡率在分别加有三种润滑剂的基浆中最大。当基浆pH值为12时，加有RH-220的基浆热滚后的起泡率高达36.4%。

图1 润滑剂加量对基浆热滚后的起泡性影响

3.3 润滑剂引起基浆起泡原因分析

图2 不同pH值基浆加入润滑剂热滚后的起泡性

由3.1 和3.2 基浆的起泡性评价结果可知，不同型号的润滑剂致使基浆起泡的程度差别较大。润滑剂之所以能使基浆热滚后具有起泡性，与润滑剂的组成密不可分。为揭示润滑剂致使基浆热滚后起泡的原因，本文采用气相色谱—质谱联用仪对三种润滑剂的组成进行了分析，分析结果如图3所示。

图3 各润滑剂的气质联用谱图[（a）YDL-1；（b）RH-220；（c）LE-5]

通过仪器自动分析图3 得出，润滑剂YDL-1 是由烷烃、氯代烷烃、硅氧烷、芳烃衍生物和酯等5种成分组成，其中所含酯为2-氯-3-[4-(二甲基氨基)苯基]-2-丙烯酸乙酯，含量为14.57%；润滑剂RH220由烷烃、氯代烷烃、芳烃衍生物和酯等4种成分组成，其中所含酯为棕榈酸甲酯、9,12-十八碳二烯酸甘油酯、11-十八碳烯酸甲酯，含量分别为8.77%、14.04%和11.99%，酯含量总和为34.80%；润滑剂LE-5 由烷烃、氯代烷烃、烯烃、芳烃衍生物和酯等5种成分组成，其中所含酯为棕榈酸甲酯和9,11-十八碳二烯酸甲酯，含量分别为8.49%和12.32%，二者总和为20.81%。

由于烷烃、氯代烷烃、烯烃、芳烃衍生物等不具有起泡性，因此推断润滑剂导致基浆起泡主要是由其中的酯类组分引起。因为在实际钻井过程中，钻井液体系pH值一般不小于10，在此pH值下，加之高温，润滑剂中的酯类物质会发生不同程度的分解，生成相应的烃基羧酸，烃基羧酸又会在碱性条件下进一步被皂化生成具有一定表面活性的烃基羧酸盐，从而使钻井液起泡。酯类物质的结构不同，其在同等或不同条件下的稳定性也不同，也就是说酯类物质水解皂化产生的表面活性物质的量就不同。这就造成钻井液：①在加入不同润滑剂后，在同等条件下的起泡程度存在差别；②在加入同一种润滑剂后，在不同条件下的起泡程度存在差别。

图4 加入润滑剂后不同条件下基浆滤液的表面张力

图4 为pH 值为10 的基浆加入润滑剂热滚前后滤液的表面张力和pH值为11的基浆加入润滑剂热滚后滤液的表面张力测定结果。

结果表明，在相同pH值下，基浆加入润滑剂热滚后滤液的表面张力比热滚前滤液的表面张力低[见图4（a）和（b）]，说明热滚后基浆中存在能显著降低液体表面张力的表面活性物质；随着润滑剂加量的增加，热滚后基浆滤液的表面张力值下降[见图4（b）]，说明润滑剂加量的增加，热滚后基浆滤液中表面活性物质的量增加。对比图4（b）和（c）可知，在润滑剂加量相同的情况下，pH值升高，热滚后基浆滤液的表面张力值下降，说明pH值升高，热滚后基浆滤液中表面活性物质的量增加。

结合图3和图4所示结果可确定，滤液中表面活性物质来源于润滑剂中酯类成分的水解皂化。

4 结论

通过研究基浆中加入三种润滑剂后的起泡性、润滑剂组分以及基浆滤液表面张力变化，得出：

（1）润滑剂中酯类物质在高温下分解皂化产生表面活性物质导致钻井液起泡的主要原因。

（2）增加润滑剂加量或钻井液pH值高于10均会增加钻井液中表面活性物质的量，导致钻井液起泡率增加。

（3）为防止润滑剂现场使用过程中导致钻井液大量起泡，应合理指定加料工艺，防止润滑剂局部浓度和钻井液pH值局部过高。