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针对目前超深井、长水平井和大斜度井钻井液润滑性能较差及钻井液润滑剂面临的环保、抗温等问题,本论文确立环保高效润滑的研究目标,以植物材料为原料,研发满足环保和钻井工程要求的钻井液润滑剂,并对其润滑性能、抗温性能、抑制性能和配伍性能进行室内实验评价,然后通过红外光谱和接触角等分析方法表征所制得的润滑剂并探究其作用机理,主要研究内容包括以下三方面:
(1)改性植物油润滑剂研制:将菜籽油与水合肼按照摩尔比1:3在一定条件下反应,复配分散剂得到润滑剂GXZ,对其进行室内钻井液性能评价和机理研究。研究表明:1%GXZ可以使4%钙土基浆的润滑系数降低为0.0684;GXZ对不同的含土量的钻井液均具有较好的润滑作用,且1%GXZ对含4%钠土浆的润滑效果最好;在120℃48h内,延长老化时间对GXZ在钻井液中的润滑作用较小;含GXZ的钻井液在150℃老化16h后润滑系数为0.0500,抗温达150℃;NaCl和重晶石含量过高不利于GXZ对钻井液的润滑作用;抑制性较好;GXZ对钻井液的润滑机理在于GXZ分子链上的亲水基团以及酰肼在钻具和井壁上吸附,疏水碳氢长链向外排列,形成润滑薄膜,疏水性增强,润滑性能提高。
(2)寡聚糖润滑剂研制:基于寡聚糖的理化性质和功能,以富含植物聚糖的植物胶为原料制备寡聚糖MQ,对其进行室内钻井液性能评价和机理研究。研究表明:MQ具有增粘提切、降滤失和提高钻井液润滑性能的多重功效;含土量过高,不利于发挥MQ对钻井液的润滑作用;老化温度高于150℃时,MQ逐渐失去其应用的功能;120℃48h内,延长老化时间不影响MQ对钻井液的降滤失性及润滑作用;NaCl含量的增多几乎不改变MQ在钻井液中的润滑作用,但重晶石含量过高却不利于发挥MQ对钻井液的润滑作用;抑制性较好;寡聚糖MQ对钻井液的润滑机理在于寡聚糖MQ分子中多羟基吸附基团(-OH)易吸附在井壁岩石表面或钻屑表面上形成化学吸附膜,导致摩擦面被化学吸附膜隔开,起到润滑减阻的作用。
(3)糖脂润滑剂评价和现场应用:HTZ对钻井液具有较好的润滑性能;120℃48h内,延长老化时间利于发挥HTZ对钻井液的润滑作用;HTZ在180℃时,HTZ仍对钻井液能起到较好的润滑作用,抗温性优越;HTZ对含不同土量的钻井液具有较好的润滑作用;抗NaCl和重晶石性能较好;抑制性较好;HTZ对钻井液的润滑机理在于HTZ中存在多羟基的亲水基团易吸附在钻具和粘土颗粒表面并形成化学吸附膜,同时疏水碳氢长链向外排列也形成一层润滑薄膜,双重作用下导致钻井液润滑性能显著提高,起到润滑减阻降低磨损的作用;渗透性好,利于钻头对岩石的切削;HTZ在长庆钻井现场已被应用且润滑效果明显,能够满足造斜段与长水平段的施工要求。
(1)改性植物油润滑剂研制:将菜籽油与水合肼按照摩尔比1:3在一定条件下反应,复配分散剂得到润滑剂GXZ,对其进行室内钻井液性能评价和机理研究。研究表明:1%GXZ可以使4%钙土基浆的润滑系数降低为0.0684;GXZ对不同的含土量的钻井液均具有较好的润滑作用,且1%GXZ对含4%钠土浆的润滑效果最好;在120℃48h内,延长老化时间对GXZ在钻井液中的润滑作用较小;含GXZ的钻井液在150℃老化16h后润滑系数为0.0500,抗温达150℃;NaCl和重晶石含量过高不利于GXZ对钻井液的润滑作用;抑制性较好;GXZ对钻井液的润滑机理在于GXZ分子链上的亲水基团以及酰肼在钻具和井壁上吸附,疏水碳氢长链向外排列,形成润滑薄膜,疏水性增强,润滑性能提高。
(2)寡聚糖润滑剂研制:基于寡聚糖的理化性质和功能,以富含植物聚糖的植物胶为原料制备寡聚糖MQ,对其进行室内钻井液性能评价和机理研究。研究表明:MQ具有增粘提切、降滤失和提高钻井液润滑性能的多重功效;含土量过高,不利于发挥MQ对钻井液的润滑作用;老化温度高于150℃时,MQ逐渐失去其应用的功能;120℃48h内,延长老化时间不影响MQ对钻井液的降滤失性及润滑作用;NaCl含量的增多几乎不改变MQ在钻井液中的润滑作用,但重晶石含量过高却不利于发挥MQ对钻井液的润滑作用;抑制性较好;寡聚糖MQ对钻井液的润滑机理在于寡聚糖MQ分子中多羟基吸附基团(-OH)易吸附在井壁岩石表面或钻屑表面上形成化学吸附膜,导致摩擦面被化学吸附膜隔开,起到润滑减阻的作用。
(3)糖脂润滑剂评价和现场应用:HTZ对钻井液具有较好的润滑性能;120℃48h内,延长老化时间利于发挥HTZ对钻井液的润滑作用;HTZ在180℃时,HTZ仍对钻井液能起到较好的润滑作用,抗温性优越;HTZ对含不同土量的钻井液具有较好的润滑作用;抗NaCl和重晶石性能较好;抑制性较好;HTZ对钻井液的润滑机理在于HTZ中存在多羟基的亲水基团易吸附在钻具和粘土颗粒表面并形成化学吸附膜,同时疏水碳氢长链向外排列也形成一层润滑薄膜,双重作用下导致钻井液润滑性能显著提高,起到润滑减阻降低磨损的作用;渗透性好,利于钻头对岩石的切削;HTZ在长庆钻井现场已被应用且润滑效果明显,能够满足造斜段与长水平段的施工要求。