论文部分内容阅读
摘 要：制备一种新型的润滑剂——无荧光、固体形态、防塌防卡润滑剂GRH，探讨了影响产品性能的主要反应因素和产品的钻井液性能，并在陕北油区进行了现场试用。室内及现场试验结果表明：无荧光固体防塌润滑剂GFRH具有良好的防塌、防卡、润滑作用。
关键词：润滑剂 产品性能 防卡 润滑作用
润滑剂是钻井过程中用量较大的处理剂之一，常用的润滑剂多是油类产品，如白油类产品，白油辛醇类产品以及以植物油（如玉米油、棉籽油）为基础油的润滑剂产品，另外，固体类润滑剂有玻璃球、尼龙球、沥青类产品等等，润滑剂产品可为数量不少，但是以上润滑剂产品性能各有优劣，开发一种新型固体多功能润滑剂，已成为一个需要考虑的课题。新型多功能固体润滑剂在性能和经济价值上，应给既要具液体润滑剂良好的润滑性，又有固体润滑剂便于长途、大量运输和便于贮存，同时又具有无荧光、防塌、防卡多功能的固体润滑剂产品。
鉴于以上情况，综合固体润滑剂和液体润滑剂的特性，研制和开发一种新型、多功能、固体润滑剂产品，以适应石油钻井领域不断扩展的形势，是十分必要的。
基于以上的思路，我们在查阅资料的基础上，利用无毒固体润滑材料，经酸洗、中和、醚化、缩合、接枝等工艺研制出了一种新型钻井液用无荧光固体防塌润滑剂（GFRH），并过行了中试生产。GFRH具有良好的性能，加入原料来源丰富，无污染，是一种多功能环保的润滑剂，适用于直井、定向井、水平井的降摩阻、润滑作用。
钻井液用无荧光固体防塌润滑剂GFRH，是一种新型、多功能、无荧光润滑产品，有以下特点：
①优良的润滑、防塌、防卡综合功能；
②无荧光特性，使其具有广阔的使用领域，不仅是用于一般的生产井，也适用于深井、取心井、勘探井；
③固体形态，便于运输和贮存，使其拥有更宽广的应用地域，克服了液体润滑剂运能低，不便贮存，受气候影响大的缺点；
④抗盐污染能力强，在超饱合泥浆中仍能保持良好的润滑性能；
⑤较高的密度，密度为1.5-1.8g/cm3，不会降低钻井液的密度，克服了因加入油基润滑剂需加重、加铁络盐稀释降粘切，引起泥浆密度下降，易引起井下事故的弊端；
⑥超长的润滑周期，在整个完井周期都有能发挥良好的润滑作用，这是原油和其它基润滑剂所不具备的特性；
⑦良好的配伍性，无论在淡水、盐水或聚合物钻井液中都具有优良的分散、配伍性，都能充分发挥作用；
⑧防粘卡功能，GFRH参与造壁，存在于泥饼中，使形成的泥饼致密、光滑，降低了和钻具的粘卡，切实起到了防粘卡的功能。
国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，得出的结论是：空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数（钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数），空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。在配制的三类钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数在0.08～0.09之间，各种水基钻井液的摩阻系数在0.20～0.35之间，如加有油晶或各类润滑剂，则可降到0.10以下。对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在0.20左右时可认为是合格的。但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0.08～0.10范围内，以保持较好的摩阻控制。因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。近年来开发出的一些新型水基仿油性钻井液，其摩阻系数可小于0.10，很接近油基钻井液，其润滑性能可满足水平井钻井的需要。从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点：（1）减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命；（2）减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间；（3）能用较小的动力来转动钻具；（4）能防粘卡，防止钻头泥包。钻井液润滑性好，可以减少钻头、钻具及其它配件的磨损，延长使用寿命，同时防止粘附卡钻、减少泥包钻头，易于处理井下事故等。在钻井过程中，由于动力设备有固定功率，钻柱的抗拉、抗扭能力以及井壁稳定性都有极限。若钻井液的润滑性能不好，会造成钻具回转阻力增大，起下钻困难，甚至发生粘附卡钻和日钻具事故；当钻具回转阻力过大时，会导致钻具振动，从而有可能引起钻具断裂和井壁失稳。
影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以及溶液pH值、润滑剂和其它处理剂的使用情况等。（1）粘度、密度和固相的影响随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大。这种情况下，钻井液的润滑性能也会相应变差。这时其润滑性能主要取决于固相的类型及含量。砂岩和各种加重剂的颗粒具有特别高的研磨性能。 钻井液中固相含量对其润滑性影响很大。随着钻井液固相含量增加，除使泥饼粘附性增大外，还会使泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻。另外，固相颗粒尺寸的影响也不可忽视。研究结果表明，钻井液在一定时间内通过不断剪切循环，其固相颗粒尺寸随剪切时间增加而减小，其结果是双重性的：钻井液滤失有所减小，从而钻柱摩阻力也有所降低；颗粒分散得更细微，使比表面积增大，从而造成摩阻力增大。可见，严格控制钻井液粘土含量，搞好固相控制和净化，尽量用低固相钻井液，是改善和提高钻井液润滑性能的最重要的措施之一。（2）滤失性、岩石条件、地下水和滤液pH值的影响 致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。降滤失剂和其它改进泥饼质量的处理剂（比如磺化沥青）主要是通过改善泥饼质量来改善钻井液的防磨损和润滑性能。在钻井液条件相同的情况下，岩石的条件是通过影响所形成泥饼的质量以及井壁与钻柱之间接触表面粗糙度而起作用的。底温度、压差、地下水和滤液的pH值等因素也会在不同程度上影响润滑剂和其它处理剂的作用效能，从而影响泥饼的质量，对钻井液的润滑性能产生影响。（3）有机高分子处理剂的影响许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩阻力的作用。有机高分子处理剂能提高钻井液的润滑性能，还与其在钻柱和井壁上的吸附能力有关。吸附膜的形成，有利于降低井壁与钻柱之间的摩阻力。某些处理剂，如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有提高钻井液润滑性的作用。不少高分子化合物通过复配、共聚等处理，可成为具有良好润滑性能的润滑材料。（4）润滑剂试验表明，使用清水作钻井液，摩擦阻力是较大的。而往清水中加入千分之一至干分之几的润滑（主要是阴离子表面活性剂）后，润滑性能会得到明显改善，表现为钻具回转工作电流下降很多。因此，使用润滑剂是改善钻井液润滑性能、降低摩擦阻力的主要途径。因此，正确地使用润滑剂可以大幅度提高钻井液的防磨损和润滑性能。钻井液润滑剂品种一般可分为两大类，即液体类和固体类。前者如矿物油、植物油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等，近年来钻井液润滑剂品种发展最快的是惰性固体类润滑剂，液体润滑剂中主要发展了高负荷下起作用的极压润滑剂及有利于环境。 一、GFRH的制备及其影响性能的反应因素
1、产品制备
1.1原料
润滑腊、硝酸、烧碱、氢氧化钾、氧化剂、水等。
1.2润滑脂的改性
将润滑脂与硝酸按一定的比例进行酸洗、硝化、提纯、改性，然后用一定浓度的烧碱中和，将中和后的产物烘干备用。
1.3将改性提纯后的润滑脂和预先生产好的防塌剂，按一定的比例配成水溶液，升温，加入氧化剂进行接枝、缩合，反应至规定时间，调整PH值在7-8，经喷雾烘干即得GRH产品。
二、影响钻井液性能的反应因素
2.1硝酸的量
固定其它原料加量和反应条件不变，只依次增加硝酸的用量，所得产品的润滑系数逐渐增大。
2.2氧化剂的加量。在其它原料配比和反应条件不变的情况下，随氧化剂加量的不断增加，所得GRH产品的润滑系数先降后升，选择合适的氧化剂用量，才能保证产品的润滑、防塌功能。
2.3温度的影响。保持反应物料配比不变，依次改变反应温度，所生产的产品润滑性、防塌功能呈交叉升降的趋势，选择适宜的反应温度，保持润滑和防塌功能都处于较高的优良值，是确定反应温度的前提。
通过实验所得的数据，确定了生产GFRH的反应条件，使得生成的GFRH既具有良好的润滑性又具有较好的防塌效果。
三、GFRH的钻井液性能实验
对常用液体润滑剂、固体润滑剂产品，在实验室内和GFRH作对比实验，得出如下结论：
3.1常用的液体润滑剂润滑性能和GFRH相当，但液本润滑剂价格较高、润滑周期较GFRH润滑周期短许多，且存在加液体润滑剂时易引起泥浆比重降低，需对泥浆进行加重、稀释等辅助工作，易引起井下事故的发生。而加GFRH，不降低泥浆的比重、减少了许多辅助工作，既减轻了工作量，又节约了稀释、加重泥浆所需处理剂的费用、降低了泥浆成本。
3.2常用的固体润滑剂润滑性能远远赶不上GFRH的润滑性能，且不具备GFRH既有润滑又能防塌、防卡的复合功能。
3.3 GFRH的润滑性能，受盐污染的影响很小，它还直接参与造壁，存在于泥饼中，形成的泥饼致密、光滑，降低了泥浆滤的失量。
四、现场试验
在陕经定边、富县、志丹等区域，选择了有代表性的三开井，进行了对比实验，GFRH的润滑、防塌性能得到的检验。
在富县富古1井实验时，当钻至2960米时，由于固相控制不好，摩阻为47吨加入GRH贰吨，循环后摩阻降为17吨，可见GFRH润滑降摩阻效果是很明显的，此后，又连续在定边、志丹进行实验，取得了同样的效果。
因为GFRH独特的润滑、防塌机理，加上显著的现场使用效果，在陕北地区被认可、接受，并广泛应用，从97年底研制成功到2013年，稳定、优良的产品质量，深受用户的信赖和欢迎，目前已成陕北钻井市场润滑剂的主导产品。
五、结论
1、无荧光固体防塌润滑剂GFRH，是一种固体、粉状形态，既有润滑功能，又有防塌、防卡、防粘附功能的润滑剂产品。
2、GFRH润滑周期较长，润滑机理独特，是一种“长效”润滑剂。
3、GFRH泥浆参与造壁作用，存在于泥饼中，适合于直井润滑，特别适合于定向井、水平井等高大斜度、大位移、摩租较大的井，更能有效润滑大幅降低摩阻。
4、GFRH是一种能适应不同的地域，不同类型钻井液，不受季节气温影响的新型润滑剂产品，是一种很有推广价值的好产品。
关键词：润滑剂 产品性能 防卡 润滑作用
润滑剂是钻井过程中用量较大的处理剂之一，常用的润滑剂多是油类产品，如白油类产品，白油辛醇类产品以及以植物油（如玉米油、棉籽油）为基础油的润滑剂产品，另外，固体类润滑剂有玻璃球、尼龙球、沥青类产品等等，润滑剂产品可为数量不少，但是以上润滑剂产品性能各有优劣，开发一种新型固体多功能润滑剂，已成为一个需要考虑的课题。新型多功能固体润滑剂在性能和经济价值上，应给既要具液体润滑剂良好的润滑性，又有固体润滑剂便于长途、大量运输和便于贮存，同时又具有无荧光、防塌、防卡多功能的固体润滑剂产品。
鉴于以上情况，综合固体润滑剂和液体润滑剂的特性，研制和开发一种新型、多功能、固体润滑剂产品，以适应石油钻井领域不断扩展的形势，是十分必要的。
基于以上的思路，我们在查阅资料的基础上，利用无毒固体润滑材料，经酸洗、中和、醚化、缩合、接枝等工艺研制出了一种新型钻井液用无荧光固体防塌润滑剂（GFRH），并过行了中试生产。GFRH具有良好的性能，加入原料来源丰富，无污染，是一种多功能环保的润滑剂，适用于直井、定向井、水平井的降摩阻、润滑作用。
钻井液用无荧光固体防塌润滑剂GFRH，是一种新型、多功能、无荧光润滑产品，有以下特点：
①优良的润滑、防塌、防卡综合功能；
②无荧光特性，使其具有广阔的使用领域，不仅是用于一般的生产井，也适用于深井、取心井、勘探井；
③固体形态，便于运输和贮存，使其拥有更宽广的应用地域，克服了液体润滑剂运能低，不便贮存，受气候影响大的缺点；
④抗盐污染能力强，在超饱合泥浆中仍能保持良好的润滑性能；
⑤较高的密度，密度为1.5-1.8g/cm3，不会降低钻井液的密度，克服了因加入油基润滑剂需加重、加铁络盐稀释降粘切，引起泥浆密度下降，易引起井下事故的弊端；
⑥超长的润滑周期，在整个完井周期都有能发挥良好的润滑作用，这是原油和其它基润滑剂所不具备的特性；
⑦良好的配伍性，无论在淡水、盐水或聚合物钻井液中都具有优良的分散、配伍性，都能充分发挥作用；
⑧防粘卡功能，GFRH参与造壁，存在于泥饼中，使形成的泥饼致密、光滑，降低了和钻具的粘卡，切实起到了防粘卡的功能。
国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，得出的结论是：空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数（钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数），空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。在配制的三类钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数在0.08～0.09之间，各种水基钻井液的摩阻系数在0.20～0.35之间，如加有油晶或各类润滑剂，则可降到0.10以下。对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在0.20左右时可认为是合格的。但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0.08～0.10范围内，以保持较好的摩阻控制。因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。近年来开发出的一些新型水基仿油性钻井液，其摩阻系数可小于0.10，很接近油基钻井液，其润滑性能可满足水平井钻井的需要。从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点：（1）减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命；（2）减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间；（3）能用较小的动力来转动钻具；（4）能防粘卡，防止钻头泥包。钻井液润滑性好，可以减少钻头、钻具及其它配件的磨损，延长使用寿命，同时防止粘附卡钻、减少泥包钻头，易于处理井下事故等。在钻井过程中，由于动力设备有固定功率，钻柱的抗拉、抗扭能力以及井壁稳定性都有极限。若钻井液的润滑性能不好，会造成钻具回转阻力增大，起下钻困难，甚至发生粘附卡钻和日钻具事故；当钻具回转阻力过大时，会导致钻具振动，从而有可能引起钻具断裂和井壁失稳。
影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以及溶液pH值、润滑剂和其它处理剂的使用情况等。（1）粘度、密度和固相的影响随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大。这种情况下，钻井液的润滑性能也会相应变差。这时其润滑性能主要取决于固相的类型及含量。砂岩和各种加重剂的颗粒具有特别高的研磨性能。 钻井液中固相含量对其润滑性影响很大。随着钻井液固相含量增加，除使泥饼粘附性增大外，还会使泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻。另外，固相颗粒尺寸的影响也不可忽视。研究结果表明，钻井液在一定时间内通过不断剪切循环，其固相颗粒尺寸随剪切时间增加而减小，其结果是双重性的：钻井液滤失有所减小，从而钻柱摩阻力也有所降低；颗粒分散得更细微，使比表面积增大，从而造成摩阻力增大。可见，严格控制钻井液粘土含量，搞好固相控制和净化，尽量用低固相钻井液，是改善和提高钻井液润滑性能的最重要的措施之一。（2）滤失性、岩石条件、地下水和滤液pH值的影响 致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。降滤失剂和其它改进泥饼质量的处理剂（比如磺化沥青）主要是通过改善泥饼质量来改善钻井液的防磨损和润滑性能。在钻井液条件相同的情况下，岩石的条件是通过影响所形成泥饼的质量以及井壁与钻柱之间接触表面粗糙度而起作用的。底温度、压差、地下水和滤液的pH值等因素也会在不同程度上影响润滑剂和其它处理剂的作用效能，从而影响泥饼的质量，对钻井液的润滑性能产生影响。（3）有机高分子处理剂的影响许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩阻力的作用。有机高分子处理剂能提高钻井液的润滑性能，还与其在钻柱和井壁上的吸附能力有关。吸附膜的形成，有利于降低井壁与钻柱之间的摩阻力。某些处理剂，如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有提高钻井液润滑性的作用。不少高分子化合物通过复配、共聚等处理，可成为具有良好润滑性能的润滑材料。（4）润滑剂试验表明，使用清水作钻井液，摩擦阻力是较大的。而往清水中加入千分之一至干分之几的润滑（主要是阴离子表面活性剂）后，润滑性能会得到明显改善，表现为钻具回转工作电流下降很多。因此，使用润滑剂是改善钻井液润滑性能、降低摩擦阻力的主要途径。因此，正确地使用润滑剂可以大幅度提高钻井液的防磨损和润滑性能。钻井液润滑剂品种一般可分为两大类，即液体类和固体类。前者如矿物油、植物油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等，近年来钻井液润滑剂品种发展最快的是惰性固体类润滑剂，液体润滑剂中主要发展了高负荷下起作用的极压润滑剂及有利于环境。 一、GFRH的制备及其影响性能的反应因素
1、产品制备
1.1原料
润滑腊、硝酸、烧碱、氢氧化钾、氧化剂、水等。
1.2润滑脂的改性
将润滑脂与硝酸按一定的比例进行酸洗、硝化、提纯、改性，然后用一定浓度的烧碱中和，将中和后的产物烘干备用。
1.3将改性提纯后的润滑脂和预先生产好的防塌剂，按一定的比例配成水溶液，升温，加入氧化剂进行接枝、缩合，反应至规定时间，调整PH值在7-8，经喷雾烘干即得GRH产品。
二、影响钻井液性能的反应因素
2.1硝酸的量
固定其它原料加量和反应条件不变，只依次增加硝酸的用量，所得产品的润滑系数逐渐增大。
2.2氧化剂的加量。在其它原料配比和反应条件不变的情况下，随氧化剂加量的不断增加，所得GRH产品的润滑系数先降后升，选择合适的氧化剂用量，才能保证产品的润滑、防塌功能。
2.3温度的影响。保持反应物料配比不变，依次改变反应温度，所生产的产品润滑性、防塌功能呈交叉升降的趋势，选择适宜的反应温度，保持润滑和防塌功能都处于较高的优良值，是确定反应温度的前提。
通过实验所得的数据，确定了生产GFRH的反应条件，使得生成的GFRH既具有良好的润滑性又具有较好的防塌效果。
三、GFRH的钻井液性能实验
对常用液体润滑剂、固体润滑剂产品，在实验室内和GFRH作对比实验，得出如下结论：
3.1常用的液体润滑剂润滑性能和GFRH相当，但液本润滑剂价格较高、润滑周期较GFRH润滑周期短许多，且存在加液体润滑剂时易引起泥浆比重降低，需对泥浆进行加重、稀释等辅助工作，易引起井下事故的发生。而加GFRH，不降低泥浆的比重、减少了许多辅助工作，既减轻了工作量，又节约了稀释、加重泥浆所需处理剂的费用、降低了泥浆成本。
3.2常用的固体润滑剂润滑性能远远赶不上GFRH的润滑性能，且不具备GFRH既有润滑又能防塌、防卡的复合功能。
3.3 GFRH的润滑性能，受盐污染的影响很小，它还直接参与造壁，存在于泥饼中，形成的泥饼致密、光滑，降低了泥浆滤的失量。
四、现场试验
在陕经定边、富县、志丹等区域，选择了有代表性的三开井，进行了对比实验，GFRH的润滑、防塌性能得到的检验。
在富县富古1井实验时，当钻至2960米时，由于固相控制不好，摩阻为47吨加入GRH贰吨，循环后摩阻降为17吨，可见GFRH润滑降摩阻效果是很明显的，此后，又连续在定边、志丹进行实验，取得了同样的效果。
因为GFRH独特的润滑、防塌机理，加上显著的现场使用效果，在陕北地区被认可、接受，并广泛应用，从97年底研制成功到2013年，稳定、优良的产品质量，深受用户的信赖和欢迎，目前已成陕北钻井市场润滑剂的主导产品。
五、结论
1、无荧光固体防塌润滑剂GFRH，是一种固体、粉状形态，既有润滑功能，又有防塌、防卡、防粘附功能的润滑剂产品。
2、GFRH润滑周期较长，润滑机理独特，是一种“长效”润滑剂。
3、GFRH泥浆参与造壁作用，存在于泥饼中，适合于直井润滑，特别适合于定向井、水平井等高大斜度、大位移、摩租较大的井，更能有效润滑大幅降低摩阻。
4、GFRH是一种能适应不同的地域，不同类型钻井液，不受季节气温影响的新型润滑剂产品，是一种很有推广价值的好产品。