钻井液用乳液润滑剂组成对润滑性能影响的研究

钻井液用乳液润滑剂组成对润滑性能影响的研究

杨蕾1倪鹏1孙明波2*

1青岛出入境检验检疫局2中国石油大学（华东）石油工程学院

摘要：本文以极压润滑仪为主要评价手段，研究了不同油品、表面活性剂、各种助剂以及润滑剂类型对水基钻井液润滑剂性能的影响。评价了影响钻井液润滑剂性能的因素。研究表明，润滑剂的效果与油的种类、乳化剂、润滑助剂的类型都有关系。生物油的极压润滑效果优于矿物油。用在钢铁表面吸附性好的表面活性剂做乳化剂，可以提高乳液润滑剂的极压润滑性能。

关键词：极压润滑；乳液；表面活性剂；钻井液

Studyonrelationofemulsionlubricantsandlubricanteffect

YangLei1NiPeng1SunMingBo2*

(1QingDaoEntry-ExitInspectionAndQuarantineBureau2DepartmentofPetroleumEngineering,UniversityofPetroleum,China)

Abstract：Workingwiththeextremepressurelubricantinstrument,thepaperstudylubricanteffectofvariousoil、surfactants、additivesandlubricantsonwater-baseddrillingfluid.Itevaluateslubricanteffectofvariousfactorsondrillingfluid.Studyshowsthateffectoflubricantisrelevanttothetypeofoil、emulsifyingagentandthetypeoflubricantmodifiers.Theextremepressurelubricanteffectofbiodegradationoilisbetterthanmineraloil.Surfactantsthathavegoodadsorptiononthesteelsurfacecanimprovethepropertyofemulsionlubricantswhiletheyserveasmulsifyingagent.

Keywords：extremepressurelubricity；emulsion；surfactant；drillingfluid

随着水平井和大斜度定向井钻井作业的广泛普及，以及深井、超深井越来越多，解决过大的钻井扭矩及提拉阻力的问题显得越来越重要。因此研究钻井液的润滑性能长期以来就受到国内外同行的关注，提高钻井液润滑性具有重要的现实意义[1-6]。以极压润滑仪为主要评价手段，研究了不同类型油品、表面活性剂、各种助剂以及润滑剂对水基钻井液润滑剂性能的影响，评价了影响钻井液润滑剂性能的各种因素。

1实验设备及材料

试验设备包括EP-2A型极限压力润滑仪、NGJ-2型高速搅拌机、ARC-120型电子天平（精度为0.01g）等。

实验材料包括曲拉通X-100（乳化剂OP）、AEO（脂肪醇聚氧乙烯醚）、司班85、吐温60、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、油酸钠、芥酸酰胺、油酸酰胺、NaCl、EP553、生物油A、生物油B、生物油C、生物油D、润滑助剂G、白油、甲基硅油、废机油。

2实验结果及讨论

2.1不同油品的润滑效果研究

用极压润滑仪评价了不同种类的油品在钻井液中的润滑效果。评价方法参照“中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6094-94”<《钻井液用润滑剂评价程序》进行。

评价润滑效果一般采用如下公式：

摩阻系数降低率=（K基浆–K样浆）/K基浆×100%

测得淡水基浆（300ml清水+15g膨润土）K=57.1；

盐水基浆（300ml清水+15g膨润土+12gNaCl）K=77.6。

各种油的润滑效果如表2-1所示。

据表2-1所示，在相同加量下，生物油C的极压润滑效果最好，且随着油量的增加，润滑效果明显改善；对于生物油C和D在含量为1%时极压摩阻系数降低率已达80%以上，且在盐水体系中仍旧可以维持在此水平之上。实验结果表明，润滑剂中所采用的油品类型对润滑效果影响显著。

2.2乳液润滑剂的润滑效果研究

2.2.1乳化剂的优选

首先用接触角法考差了乳化剂溶液对钢片表面润湿性的影响，筛选出使接触角增大的乳化剂；然后通过对乳化剂溶液润滑性的测试，进一步优选乳化剂。优选出在钢片表面具有较强的吸附性能并能在水中表现中良好的极压润滑性能的乳化剂。

2.2.1.1乳化剂的润滑效果优选

测量乳化剂在各种浓度下的润滑系数f，如表2-2所示。

*：“--”：大量起泡。

从表2-2可以看出：

1）随着乳化剂浓度的增加，其水溶液的润滑系数逐渐降低，润滑性能升高。

2）吐温60、吐温80、司班80、司班85、油酸钠的润滑性能随浓度增加而显著提高

3）OP10、AEO、EP553、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠的润滑性能随浓度增加而提高但不显著。

4）CTAB的润滑性能随浓度增加呈现无规律变化

通过实验比较，认为吐温60、司班85和油酸钠的润滑性能较强，且油酸钠在低浓度时表现良好。

2.2.1.2乳化剂对钢片表面润湿效果优选

对N80钢片进行表面处理后，放进配好的乳化剂溶液中浸泡16个小时，取出钢片用清水冲洗并吹干，测定水在钢片表面的接触角（每个钢片表面选择3～5个液滴测量，取其平均值），结果如表2-3所示：

从表2-3可以看出：不同的乳化剂对接触角的影响规律不同：

1）随着OP10、司班40、司班60、司班80、CTAB等乳化剂浓度的增大，接触角先增大后降低。根据朗格茂（Langmuir）吸附定律，可能是形成了双层膜的缘故；

2）吐温60、吐温80、十二烷基苯磺酸钠等乳化剂使接触角增大，但始终小于90°，说明它们在钢铁有一定的吸附能力，但吸附能力较差。

3）司班85、十二烷基磺酸钠、油酸钠等乳化剂使接触角显著增加且最高值大于90°，说明它们吸附能力较强，处理后使钢片的表面亲油性增加。

对比表2-2和表2-3的实验数据可以看出，在表2-2中润滑效果好的乳化剂的接触角普遍大于润滑效果差的乳化剂，说明乳化剂的润滑性的确与吸附性强弱成正比。

由以上的实验结果优选出选出润滑效果和吸附能力都较好的两种乳化剂司班85和油酸钠做为配制乳液润滑剂的乳化剂。同时选取常用的乳化剂司班80和吐温80做对比。

2.2.2乳液润滑剂的润滑效果评价

按如下配方配制水包油乳液润滑剂:100g油+100g水+7g乳化剂。

乳化剂A：司班85:油酸钠=1:1，HLB=11.0。

乳化剂B：司班80:吐温80=4:6，HLB=11.0。

在5%土浆中加入乳液润滑剂，并测量其摩阻系数降低率。实验结果见表2-4。

表2-4乳液润滑剂的润滑效果评价

由表2-4可以看出，随着乳液润滑剂加量的增大，钻井液摩阻系数降低率逐渐增大。对同一种油品，乳化剂对润滑效果的影响较明显。采用优选出的润滑效果和吸附能力都较好的两种乳化剂司班85和油酸钠配制的乳液润滑剂，其润滑效果明显优于采用润滑效果和吸附能力都较差的乳化剂配制的乳液润滑剂。

以上结果表明，乳化剂的选择对乳液润滑剂的润滑效果也有显著的影响。

2.3不同助剂对润滑效果的影响

由以上实验中可知，生物油C与生物油D的润滑效果较好，但在使用以上两种油品中会产生大量的泡沫，影响钻井液性能。实验室中对生物油C和生物油D分别使用用润滑助剂G、SP-80、甲基硅油、EP等作为润滑添加剂来研究其对润滑性和消泡作用的影响。实验结果如表2-5所示：

由表2-5可以看出，润滑助剂中甲基硅油和EP对极压润滑效果略有降低作用，而润滑助剂G、SP-80对极压润滑效果有明显的改善作用，且润滑助剂G的消泡作用显著。

3结论

（1）研究表明，乳液润滑剂的极压润滑效果与油的种类、乳化剂、润滑助剂的类型都有关系。

（2）生物油的极压润滑效果优于矿物油。

（3）自身润滑效果较好、在钢铁表明吸附能力较强的乳化剂，可以显著提高乳液润滑剂的润滑效果。

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