石油圈
隨著石油勘探開發向海上和深部地層發展、頁巖油氣勘探開發加速，水平井數量增多和水平段長度增加，鉆井作業對鉆井液的潤滑性能要求越來越高。高效潤滑劑可有效提高鉆井液潤滑性能，是國內外解決水平井摩阻問題的主要關鍵技術之一。目前，國內外的鉆井液潤滑劑大約有15大類170多種，占鉆井液處理劑使用總量的6%左右。
近年來，隨著鉆井作業對潤滑性能和環保性能要求的提高，人們陸續開發出環保潤滑劑、極壓潤滑劑和納米潤滑劑等多種新型鉆井液潤滑劑，部分產品已成功大規模推廣應用。
本文首先簡要介紹了鉆井液潤滑劑的基本情況，在此基礎上對國內外鉆井液潤滑劑最新研究進展情況進行評述。
1鉆井液潤滑劑概況
鉆井液用潤滑劑不僅可以提高鉆井液的潤滑性能、降低井下摩阻，還可以改善鉆井液的流變性和濾失性能，提高破巖效率。按照鉆井液潤滑劑的相態分，鉆井液潤滑劑主要包括液體類潤滑劑和固體類潤滑劑兩類。
液體類潤滑劑是目前研究最多、應用最廣的潤滑劑，主要有瀝青類潤滑劑、柴油基潤滑劑、礦物油基潤滑劑、植物油基潤滑劑、磺化妥爾油潤滑劑、聚合醇潤滑劑、聚α烯烴潤滑劑和合成酯潤滑劑等。但隨著環保法規的日益嚴格，瀝青類潤滑劑、柴油基潤滑劑和礦物油基潤滑劑等常規潤滑劑的使用量逐年下降，而極壓潤滑劑、環保潤滑劑和納米潤滑劑越來越受到重視。
固體類潤滑劑主要有塑料小球、石墨、炭球和玻璃微珠等，主要將鉆具與井壁之間的滑動摩擦改變為滾動摩擦，有效降低鉆具與井壁之間的摩擦系數。但固體潤滑劑在使用過程中因為尺寸問題，容易被固控設備清除，且在鉆具的擠壓、剪切等作用下容易發生變形和破碎，從而喪失潤滑效果。雖然石墨的片狀結構和自潤滑性可降低滑動摩擦系數，但石墨類固體潤滑劑由于漂浮和揚塵等問題，影響施工人員的健康，一定程度上限制了其應用。
潤滑作用機理主要取決于潤滑劑的主要成分，如瀝青類潤滑劑主要利用瀝青質的特性，改善泥餅質量提高潤滑性。瀝青質親油性強，有效吸附于井壁、形成油膜，減輕鉆具對井壁的沖擊和摩擦作用。同時，瀝青類處理劑還具有良好的封堵防塌作用，有效封堵地層微裂縫，提高井壁的穩定性。
柴油基潤滑劑、礦物油基潤滑劑和植物油基潤滑劑等液體潤滑劑通過在鉆具、井壁、鉆屑表面形成吸附油膜，將鉆具與井壁之間的固-固摩擦轉變為油膜之間或非極性端之間的摩擦，降低鉆具與井壁的摩阻，減少鉆具的磨損。石墨和塑料小球等固體潤滑劑主要在鉆具與井壁的接觸面之間形成隔離潤滑膜，將鉆具與井壁之間的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，降低扭矩和減小阻力。
2環保潤滑劑
由于礦物油基潤滑劑、柴油基潤滑劑和瀝青類潤滑劑等常規潤滑劑存在環保隱患，同時環保理念的進步和環保事業的發展對鉆井液環保性能的要求越來越高，人們陸續研發出多種環境友好型潤滑劑以替代傳統潤滑劑。美國倚科能源有限公司在汽車工業特殊潤滑劑的基礎上，開發出締合型鉆井液用潤滑劑DFL。
DFL可減少鉆具與井壁的摩擦阻力，通過改變鉆井液在流動界面的渦流提高鉆井液潤滑性能。目前，DFL潤滑劑已在全球超過500口井成功使用，與傳統潤滑劑相比，降低摩阻能力提高4~5倍，鉆井速度提高3倍以上，潤滑劑加量減少50%以上，可有效減少鉆頭磨損，大幅度降低鉆井成本，且無毒無污染。
M-I公司開發的HydraSpeedROP潤滑劑是一種非烴類化學劑，并以其為主要組分形成HydraGlyde環保水基鉆井液體系。HydraSpeedROP的摩擦系數降低率高達90%。而現場應用結果顯示降低率往往在30~40%之間，扭矩與摩阻降低5~15%。
美國ProOne公司利用分子和電荷相關技術研制出一種新型環保潤滑劑XPL+，通過帶正電荷的分子結構實現潤滑劑分子與金屬表面的緊密吸附，克服了常規潤滑劑在高溫高壓下效果不佳的問題。
XPL+獨特的分子設計，可將鉆井液的膜強度提高50倍，在各種金屬表面形成一層難以滲透的分子膜。XPL+已在北美700多口井中進行現場應用，鉆進時扭矩降低率達50%，機械鉆速提高28%，31天生物降解率達83%。
此外，國外公司在合成酯、多元醇和改性植物油等液體環保潤滑劑方面進行了大量的研究工作，但上述部分潤滑劑產品也存在著易起泡和高溫老化后的潤滑性下降等問題。
國內在環保潤滑劑方面主要開展了基于植物油、合成酯和聚合醇等類型潤滑劑的研制工作，陸續開發出了多種環保潤滑劑，但與國外公司相比還差距較大，特別是在現場應用中，部分環保潤滑劑抗溫、抗鹽不足，150℃以上時潤滑性能下降明顯。
此外，一些環保潤滑劑缺乏全面環保性能評價。夏小春等以易生物降解、無生物毒性的植物油脂為內相，低凝固點的多元醇水溶液為外相，以聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯/失水山梨醇三油酸酯為復合乳化劑，成功制備出環保潤滑劑GreenLube。
GreenLube對蒙古裸腹蚤I齡幼體96h半致死濃度LC50高達35981，達到了I級海域排放標準，BOD5/COD值為0.95，5日生物降解率達到95%，表明該劑具備良好的生物降解性能。在淡水基漿中，加入3%GreenLube扭矩降低69%，海水基漿的扭矩降低47%。
郝宗香等通過分析潤滑劑分子烴鏈長度、吸附性能和基礎材料熒光性，利用改性植物油與多羥基胺反應，制得低熒光環保潤滑劑RY-838。RY-838具有良好的分散穩定性，長時間靜置(四個月)或經高溫老化(160℃)、低溫冷凍(-20℃)處理均能保持良好的潤滑性能。加入0.5%的RY-838，測試鉆井液的潤滑系數降低率達到88%以上。RY-838的親水和親油基團均為長鏈，在鉆具、井壁和黏土表面均能形成較厚的吸附膜，在安塞油田和姬塬油田21口水平井現場應用中，潤滑系數降低率大于80%，鉆井液熒光級別為2級以下，取得良好的應用效果。
李廣環等利用廢棄動植物油脂為原料，針對動植物油脂的熱穩定性差、凝固點高和潤滑性不強等問題，以對甲基苯磺酸、乙醇胺和雙氧水為原料對其改性，成功制得棕褐色環保潤滑劑BZ-BL。向4%鹽水基漿和飽和鹽水基漿加入0.5%BZ-BL，潤滑系數降低率分別為76.9%和67.4%。BZ-BL在大港油田10余口大位移井、水平井應用中，與現場鉆井液處理劑配伍性良好，起下鉆和完井作業正常，有效解決現場托壓問題，且不影響水中生物生長。
胡進軍等以多元醇乳化劑、植物油脂等為原料，通過乳化方法制得環保潤滑劑GL。GL半致死濃度LC50高達30000mg/L，BOD/COD值達到0.98。在此基礎上，以GL與封堵劑GS、抑制劑GG等處理劑成功構建出環境友好型鉆井液體系GREEN-DRILL，蒙古裸腹蚤I齡幼體72h半致死濃度LC50達到60000mg/L，滿足一級海域排放標準，具有廣闊的應用前景。
黎金明等以廢棄食物油(地溝油)為原料，利用間歇式淺盤陽離子薄膜分離技術分離、提純作為基礎油，通過有機合成和化學改性方法，引入水化基團和吸附基團，提高其抗氧化穩定性，進一步加入復合乳化劑、極壓抗磨劑、防腐劑和抗氧劑，最終制得環保潤滑劑BOL-1。BOL-1抗溫達150℃，潤滑系數降低率達到82.3%，但繼續升高溫度BOL-1發生降解、變質和潤滑性變差。通過分別對家兔和小鼠進行生物毒性檢測表明，BOL-1為無毒處理劑，LD50達到10000mg/Kg.BW以上。在長慶油田現場應用中，BOL-1表現出良好的配伍性，現場鉆井液滑塊摩阻系數為0.0262~0.0524，極壓潤滑系數小于0.10，有效解決了水平鉆井過程中的摩阻問題。
3極壓潤滑劑
極壓潤滑劑可在極壓條件下與鉆具表面發生化學反應，在摩擦面形成堅固的化學膜，顯著降低摩擦接觸面的摩擦阻力，更適用于高側壓力情況下水平井鉆具對井壁降摩減阻的需要。與普通潤滑劑不同，極壓潤滑劑分子中含有硫、氯、磷等活性元素，可在載荷凸點上與金屬發生化學反應。國外斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克休斯等公司均開發出多種極壓潤滑劑，如：E.P.Bitlube、E.P.Mudlube和E.P.Lube等極壓潤滑劑。E.P.Bitlube無毒、無熒光且易于水中分散，適用于不同pH條件下的鹽水鉆井液，具有良好的抗鹽性；E.P.Mudlube具有良好的抗溫、抗鹽和抗鈣能力，不僅適用于淡水鉆井液體系，而且也可用于鹽水鉆井液體系；E.P.Lube適用于含鹽和含鈣鉆井液體系，同時不污染環境。
國內在極壓潤滑劑方面也開展了相應的研究工作，部分產品已成功現場應用，但由于硫、氯、磷等極壓元素的引入，極壓潤滑劑往往毒性偏大或難以降解，難以達到環保的要求，在一定程度上限制了其在環境敏感區域的應用。
劉建軍等以低毒低熒光的白油為基礎油，加入氯化石蠟(極壓劑)、琥珀酸烷基酯磺酸鈉(滲透劑)和高性能乳化劑成功制得低熒光高效極壓潤滑劑BDLU-100L。BDLU-100L熒光明顯小于標準溶液和商用潤滑劑，等級小于3級，同時具有良好的乳化穩定性。在淡水基漿中加入BDLU-100L，潤滑系數降低率達到85%以上，抗溫達到200℃，且對鉆井液的流變性和濾失量幾乎無影響。BDLU-100L具有良好的抗鹽性，在鹽水鉆井液、海水鉆井液、復合鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液中均能保持良好的潤滑性能。
王琳等以含雙鍵的長鏈脂肪酸與多元醇反應制備出含有不飽和雙鍵的大分子酯，進一步通過化學反應對大分子酯進行改性，引入具有極壓抗摩能力的化學元素，加入復合乳化劑、消泡劑等原料，制得深棕紅色高密度鉆井液用極壓潤滑劑SMJH-1。SMJH-1在密度為1.40、1.70、2.00、2.30和2.60g/cm3的鉆井液中均保持良好的潤滑效果，抗鹽達到30%，抗溫高達180℃。SMJH-1能夠利用物理化學吸附作用聚集于鉆具表面，分子內的碳氫鏈通過側向黏附力在金屬表面形成固態膜，增強鉆具表面的疏水性，降低摩擦阻力。SMJH-1在元陸601H井和元陸31井現場應用中，均可以顯著改善鉆井液的流變性和降低鉆井液潤滑系數，取得良好的現場應用效果。
4納米潤滑劑
近年來，納米材料由于具有特殊的體積效應、界面效應和量子隧道效應，受到了人們的廣泛關注。與常規鉆井液材料相比，納米材料與頁巖地層孔喉匹配性更強，納米處理劑研發已成為鉆井液處理劑研發的熱點之一。
國外研究人員不僅在鉆井液中引入了納米ZnO、納米碳黑、納米SiO2等材料，以提高鉆井液的封堵性能、潤滑性能和流變性能，同時也陸續開發出多種納米潤滑劑，部分產品已成功現場應用。
Scomi公司將石墨烯材料引入至鉆井液處理劑的研發中，利用納米石墨烯開發出一種具有優秀潤滑性能和熱穩定性的納米潤滑劑。與常規潤滑劑相比，這種新型納米潤滑劑的極壓潤滑系數降低率提高1倍以上。在現場應用中，井溫達到176℃，該納米潤滑劑依舊保持良好的潤滑性能，加入2~3%的納米潤滑劑，可提高機械鉆速125%，將托壓降低20%，提高鉆頭的使用壽命75%以上，同時降低了聚合物處理劑用量30~40%，大幅度降低了鉆井成本，具有廣闊的市場推廣前景。
PlatinumNanoChem(PLC)公司針對有機硼酸酯易水解問題，利用納米技術，研發出一種硼基納米材料處理劑(PQCB)，抗溫達200℃，具有良好的高溫穩定性，且可生物降解。在200℃下、密度為1.20g/cm3的水基鉆井液中加入5%PQCB，潤滑系數降低80%，密度為1.62g/cm3的水基鉆井液潤滑系數則可降低52%。與常規潤滑劑相比，PQCB可改善鉆井液的流變性和濾失性能，有效降低高溫高壓濾失值。在緬甸高溫井現場應用中，未加入PQCB前，機械鉆速低，鉆具磨損嚴重，加入PQCB后，機械鉆速由3～4m/h，提高至9m/h，取得良好的應用效果。
國內在納米潤滑劑方面主要開展了乳化石蠟等納米乳液潤滑劑的研制工作。乳化石蠟納米潤滑劑以石蠟為有機相，呈透明狀和半透明狀，粒徑分布達到100~200nm。乳化石蠟納米潤滑劑通過物理化學吸附作用，在鉆具和井壁表面形成致密油膜，提高鉆井液的潤滑性能。乳化石蠟納米潤滑劑抗溫達150℃，對聚磺鉆井液體系性能影響不大，同時可改善鉆井液的濾失和流變性能。該納米潤滑劑已成功在我國江蘇油田10余口定向、水平井中替代原油使用，節省原油150余噸。但乳化石蠟潤滑劑在現場應用中容易起泡，需要優選配伍消泡劑。
羅春芝等以人工合成油、納米高分子材料等原料，成功制備出乳白色粘稠水包油型納米潤滑劑NMR。向鉆井液中加入2%的NMR，膨潤土漿的潤滑系數降低達80%以上，現場鉆井液的潤滑系數降低60%以上。隨著測試溫度的升高，測試鉆井液的潤滑系數進一步降低，180℃時潤滑系數較100℃時降低40%，表明NMR具有良好的抗高溫能力。
王偉吉等針對常規潤滑劑抗溫性差和毒性大等問題，利用硅烷偶聯劑KH570對納米二氧化硅表面改性，進一步加入表面活性劑S1、菜籽油和適量穩定劑，成功制得淡黃色黏稠透明的納米潤滑劑SD-NR。SD-NR保持良好的分散穩定性，形狀基本為球形，粒徑均保持15nm左右，熒光級別為1~2級。向膨潤土漿、聚合物鉆井液和聚磺鉆井液中分別加入1%SD-NR，均能顯著改善鉆井液的潤滑性，潤滑系數降低率達到85%以上，且對鉆井液的流變性無影響。進一步升高測試溫度，發現SD-NR經180℃老化后，依舊保持良好的潤滑性。
楊芳等將納米碳球引入鉆井液潤滑劑的研發中，分別以間苯二酚-甲醛聚合物和葡萄糖為原料制備出兩種納米潤滑劑。通過掃描電鏡發現，兩種納米潤滑劑均為圓球形形貌且表面光滑，間苯二酚-甲醛聚合物納米潤滑劑粒徑分布為500nm左右，葡萄糖納米碳球潤滑劑分布為700~900nm。兩種納米潤滑劑均表現出良好的抗高溫性能，在鉆井液中加入0.5%納米潤滑劑，經180℃老化，間苯二酚-甲醛聚合物納米潤滑劑可將鉆井液潤滑系數降低22.8%，葡萄糖納米碳球潤滑劑可將鉆井液潤滑系數降低25.2%。但兩種納米碳球潤滑劑均會在一定程度上影響鉆井液的流變性能。
5結束語
（1）針對水平井的摩阻控制問題，國內外公司近年來陸續開發出環保潤滑劑、極壓潤滑劑和納米潤滑劑等多種新型鉆井液潤滑劑，其中隨著環保要求的越來越高，環保鉆井液潤滑劑成為今后潤滑劑的主要研究和應用方向。
（2）國外公司已成功開發出DFL、HydraSpeedROP、XPL+等多種環境友好型潤滑劑以替代傳統潤滑劑，國內開展了基于植物油、合成酯、聚合醇等原料的環保潤滑劑研制工作，但在現場應用中，很多環保潤滑劑抗溫、抗鹽不足，150℃以上時潤滑性能下降明顯，今后應進一步提升環保潤滑劑的抗溫和抗鹽性能，以滿足深部復雜地層的需要。
（3）國內外公司還開展了極壓潤滑劑和納米潤滑劑的研制工作，但由于部分極壓潤滑劑難以滿足環保要求，應用范圍受到一定限制。納米潤滑劑方面，國外公司陸續在鉆井液潤滑劑研發中，引入石墨烯等納米材料，成功開發出多種納米潤滑劑，部分產品已進行現場應用，國內主要開展了乳化石蠟等納米乳液潤滑劑的研制工作。但納米材料的強烈吸附團聚性，導致其會對鉆井液的性能產生一定影響。因此，今后應關注納米潤滑處理劑的配伍問題，最大程度提高鉆井液的潤滑性能。
版權聲明|來源：《應用化工》，作者：金軍斌等，版權歸原作者所有。
（本文系本網編輯轉載，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題，請在30日內與本網聯系，我們將在第一時間刪除內容。）
未經允許，不得轉載本站任何文章：
