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美章網(wǎng) 資料文庫(kù) 鉆井液用高效抗磨潤(rùn)滑劑范文

鉆井液用高效抗磨潤(rùn)滑劑范文

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鉆井液用高效抗磨潤(rùn)滑劑

摘要:長(zhǎng)水平井段高摩阻扭矩及深井高溫高壓環(huán)境,對(duì)鉆井液潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑抗磨能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)鉆井液用潤(rùn)滑劑難以滿足上述技術(shù)要求。基于“固-液”協(xié)同高效潤(rùn)滑技術(shù)思路,優(yōu)選改性植物油MVO-3、改性可膨脹石墨GIC,結(jié)合分散劑、乳化劑的優(yōu)選及制備條件的優(yōu)化,研制出了一種高效抗磨潤(rùn)滑劑SDL-1。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,5%淡水基漿、4%鹽水漿中加入0.5%SDL-1時(shí),其潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為不小于85%、大于70%。SDL-1與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性良好,抗溫達(dá)150℃,起泡率低,且熒光級(jí)別小于5級(jí)。銷-盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SDL-1的抗磨耐磨效果優(yōu)良,潤(rùn)滑持效性較好,可有效緩解或解決復(fù)雜井高摩阻扭矩技術(shù)難題,具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:鉆井液;潤(rùn)滑劑;改性植物油;改性可膨脹石墨;抗磨耐磨

隨著水平井、深井超深井等特殊工藝井的廣泛應(yīng)用,長(zhǎng)水平井段高摩阻扭矩、深井高溫等復(fù)雜工況對(duì)鉆井液用潤(rùn)滑劑提出了較高的技術(shù)要求[1-3]?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,傳統(tǒng)鉆井液潤(rùn)滑劑大多存在潤(rùn)滑性不理想、抗磨耐磨持效性差、熒光級(jí)別高等復(fù)雜問(wèn)題,無(wú)法滿足高摩阻扭矩鉆井工況的技術(shù)需求[4-8]。而且,現(xiàn)有鉆井液潤(rùn)滑劑大多適用于較低溫度(≤120℃)、較低密度(≤1.3g/cm3)環(huán)境,高溫、高密度條件下潤(rùn)滑劑的作用效能顯著降低,且存在起泡率較高等問(wèn)題;同時(shí),當(dāng)前潤(rùn)滑劑制備原材料大多采用礦物油、植物油等,普遍存在熒光級(jí)別高的問(wèn)題,且高溫條件下液相油膜的抗磨耐磨效果普遍不理想,需要不斷加入大量潤(rùn)滑劑以維護(hù)鉆井液潤(rùn)滑性能,增加了作業(yè)成本;此外,現(xiàn)有潤(rùn)滑極壓劑大多含硫磷等元素,對(duì)環(huán)境影響較大,限制了推廣使用[9-17],因此迫切需要研制一種適用于高摩阻扭矩、高溫環(huán)境的高效抗磨型鉆井液用潤(rùn)滑劑。針對(duì)目前鉆井液潤(rùn)滑劑普遍存在的抗磨性能不理想、持效性差等問(wèn)題,基于“固相-液相”協(xié)同潤(rùn)滑增效的研究思路,室內(nèi)通過(guò)多種基礎(chǔ)油性能綜合評(píng)價(jià)、石墨類固體潤(rùn)滑材料特性分析及環(huán)保型潤(rùn)滑改性劑實(shí)驗(yàn)的優(yōu)選,在制備工藝條件優(yōu)化基礎(chǔ)上,研制出了低熒光、高效抗磨型鉆井液復(fù)合潤(rùn)滑劑SDL-1,為解決高摩阻扭矩、高溫復(fù)雜條件下安全高效鉆井提供技術(shù)支撐。

1潤(rùn)滑劑SDL-1的制備

植物油通常具有雙重吸附特性,可形成“物理邊界膜-化學(xué)反應(yīng)膜”而起到良好的潤(rùn)滑效果,但其存在抗溫、承載能力不足的缺點(diǎn)。普通石墨材料廣泛用作鉆井液潤(rùn)滑劑,通常具有承載能力強(qiáng)的特點(diǎn),但單一使用時(shí)仍存在潤(rùn)滑性能不理想、易篩除等不足?;谥参镉秃褪滔酀?rùn)滑材料的特點(diǎn),將優(yōu)選出的改性植物油和可膨脹石墨復(fù)配,通過(guò)分散劑(分光光度法)、乳化劑(HLB法)優(yōu)選及制備條件優(yōu)化,制備出復(fù)合乳化潤(rùn)滑劑SDL-1。

1.1基礎(chǔ)油的優(yōu)選室內(nèi)選取了多種植物油脂MVO,經(jīng)過(guò)高溫改性處理后,按照相關(guān)參數(shù)測(cè)試方法,考察了其主要性能(見(jiàn)表1)。由表1可知,改性植物油MVO-3的流動(dòng)性較好,閃點(diǎn)較高,熒光級(jí)別低,且具有良好的自潤(rùn)滑性,綜合性能較優(yōu),因此優(yōu)選MVO-3作為制備潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油。

1.2改性可膨脹石墨特性分析1.2.1膨化微觀結(jié)構(gòu)改性可膨脹石墨GIC是在酸性條件下,采用插層制備法得到[18-19]。GIC顆粒尺寸為微米級(jí)別,具有較大的比表面積,在一定程度上提高了其在金屬表面的吸附能力,同時(shí)由于在酸性條件下制備,呈正電性,可加強(qiáng)在鉆具和黏土表面的吸附成膜作用。GIC膨脹前后的微觀晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1??芍?,GIC膨脹前呈片層狀石墨結(jié)構(gòu),片層較薄且致密,在井底溫度條件下可起到片層狀石墨潤(rùn)滑減磨效果;GIC膨脹后呈現(xiàn)出厚筒狀片層結(jié)構(gòu),當(dāng)井下溫壓達(dá)到一定程度時(shí),可在管柱井壁接觸面上形成物理吸附膜而起到較好的潤(rùn)滑作用,提高了潤(rùn)滑劑的抗溫、耐溫性能。GIC的膨脹性能與溫度密切相關(guān),因此,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究了GIC膨脹性能隨溫度的變化關(guān)系。1.2.2膨脹容積隨溫度變化關(guān)系參考GB10698—89標(biāo)準(zhǔn),測(cè)定了GIC樣品在不同溫度下的膨脹容積(指單位質(zhì)量的可膨脹石墨在一定溫度下膨脹后的體積),結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2改性可膨脹石墨GIC膨脹容積隨溫度的變化關(guān)系由圖2可知,隨著膨化溫度的升高,GIC的膨脹容積逐漸增大。在井下循環(huán)過(guò)程中,GIC微??呻S著溫度升高而呈現(xiàn)出良好的彈性可膨脹效果,溫度適應(yīng)性較好。1.2.3分散劑優(yōu)選采用Bettersize2000激光粒度分析儀測(cè)定了GIC微粒的粒度分布。結(jié)果表明,GIC粒度D50為61.64μm,粒徑主要分布在40~100μm之間,具有合理的粒度級(jí)配,可達(dá)到不同的膨脹體積梯度,有利于形成致密極壓吸附膜。目前,室內(nèi)常用表征分散劑分散性能的方法主要有沉降體積法、光學(xué)測(cè)定法、流變性測(cè)定法、電鏡法等[20]。由于GIC微粒本身顏色深及著色強(qiáng)度較強(qiáng),因此采取分光光度法考察不同分散劑對(duì)GIC的分散效果(見(jiàn)圖3)??芍?,高分子聚合物PMA、CMC對(duì)GIC微粒的分散效果較好,且加量較小即可使溶液吸光度趨于穩(wěn)定。SP20溶液的吸光度值雖然較大,但加量偏大。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,可膨脹石墨GIC在SP20溶液中的分散效果較差,攪拌時(shí)間較長(zhǎng)。主要是高分子聚合物分子鏈在石墨材料微小顆粒表面呈多點(diǎn)接觸,容易包裹在石墨微粒表面。石墨微粒本身具有較高的表面活性,微粒間引力大于斥力,容易發(fā)生團(tuán)聚。當(dāng)微粒被高分子包裹后,極性端在微粒表面充分吸附,非極性端在溶劑中伸展,在微粒表面形成一層保護(hù)膜,可以較好地避免微粒碰撞團(tuán)聚和重力沉降現(xiàn)象發(fā)生,起到分散穩(wěn)定作用。而SDA、TW80、TW60等低分子量分散劑由于在石墨微粒表面大多呈單點(diǎn)吸附狀態(tài),從而易被水溶劑分子頂替,對(duì)石墨微粒的分散效果也就不如高分子。因此,實(shí)驗(yàn)選取高分子聚合物PMA和高分子CMC作為分散劑,且優(yōu)選PMA與CMC質(zhì)量比為1.00~1.25。

1.3潤(rùn)滑劑制備條件優(yōu)化1.3.1乳化方式目前常用的乳化方法包括以下幾種:劑在油中法、劑在水中法、瞬間成皂法、混合膜生成法和輪流加液法[21]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、材料特性及乳化方式的特點(diǎn),室內(nèi)選擇“混合膜生成法”,以形成狀態(tài)穩(wěn)定的油包水型乳液。1.3.2乳化HLB值及最佳乳化劑組合乳化劑乳化效果的好壞直接影響著鉆井液用潤(rùn)滑劑的使用效果。實(shí)驗(yàn)選取HLB值較小的親油性乳化劑SP80(HLB=4.3)和HLB值較大的親水性乳化劑SDA(HLB=40)作為乳化劑組合,探討乳化最佳HLB值。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:MVO-3改性植物油60g,GIC加量為1.5g,一定量的分散劑PMA和CMC。分別測(cè)試溶液離心后上層清液的吸光度及分離水量,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明,當(dāng)HLB值為13.2時(shí),分離水量相對(duì)較小,吸光度較大,乳化效果較好。因此,選取HLB最佳值為13.2。在此基礎(chǔ)上分別選取了多種乳化劑組合,考察了不同乳化劑組合作用下乳液狀態(tài)及靜置沉降的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,乳化劑組合SDA和SP80質(zhì)量比為1∶3時(shí)的乳化效果較優(yōu),且乳化劑加量較?。ㄙ|(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的SDA溶液8.0mL,SP80為6g)1.3.3乳化制備條件實(shí)驗(yàn)優(yōu)化對(duì)制備潤(rùn)滑劑的工藝條件如攪拌設(shè)備、乳化時(shí)間、乳化溫度等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察。結(jié)果表明,在600~1000r/min攪拌條件下,乳化時(shí)間為2~4h、乳化溫度為45~50℃,所制得潤(rùn)滑劑的穩(wěn)定性較好,潤(rùn)滑性能優(yōu)良。通過(guò)室內(nèi)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化,得到室內(nèi)較優(yōu)潤(rùn)滑劑SDL-1配方及制備工藝條件:植物油MVO-3與改性可膨脹石墨GIC質(zhì)量比為38~40、植物油MVO-3與乳化劑組合(SDA與SP80質(zhì)量比為0.2~0.3)及分散劑組合(PMA與CMC質(zhì)量比為1.00~1.25)的質(zhì)量比為60∶8∶0.45;攪拌速度為600~1000r/min,乳化時(shí)間為2~4h、乳化溫度為45~50℃。

2潤(rùn)滑劑SDL-1性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1理化性能參考Q/SY1088—2012《鉆井液用液體潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》,評(píng)價(jià)了SDL-1的主要理化性能,結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明,SDL-1的理化性能均滿足現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑劑使用基本要求,且熒光級(jí)別較低。此外,SDL-1的主要原材料為環(huán)保、可降解材料,可有效減輕或避免對(duì)環(huán)境的污染。

2.2潤(rùn)滑性能對(duì)比評(píng)價(jià)室內(nèi)選取常用性能較優(yōu)的聚合醇類RHJ-1、植物油類RH-2、礦物油類RHJ-3及復(fù)合表面活性劑類RH-4及可膨脹石墨GIC等5種鉆井液潤(rùn)滑劑,采用EP極壓潤(rùn)滑儀和GNF高溫高壓黏附系數(shù)測(cè)定儀,對(duì)比評(píng)價(jià)不同潤(rùn)滑劑在淡水基漿和4%鹽水基漿中的潤(rùn)滑性能(見(jiàn)表4)。由表4可知,淡水基漿或4%鹽水漿中加入0.5%SDL-1后潤(rùn)滑性能均滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑劑使用基本要求;而且相同潤(rùn)滑劑加量條件下,SDL-1的潤(rùn)滑性能優(yōu)于其他潤(rùn)滑劑。

2.3抗溫性能評(píng)價(jià)由表5可知,加入0.5%SDL-1后,實(shí)驗(yàn)基漿熱滾前的流變性能較基漿變化較小,密度變化值僅為0.02g/cm3,表明SDL-1與膨潤(rùn)土漿的配伍性較好;隨著熱滾溫度的升高,實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率呈下降趨勢(shì),但150℃、16h熱滾后實(shí)驗(yàn)漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率仍大于80%,表明SDL-1可抗溫150℃;此外,加入SDL-1實(shí)驗(yàn)漿熱滾前后的API濾失量較基漿均有所降低,說(shuō)明SDL-1兼顧一定的降濾失效果。

2.4抗磨減摩性能室內(nèi)采用MMW-1萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),基于銷-盤摩擦副結(jié)構(gòu),模擬鉆井液浸泡條件下[22],考察了不同摩擦磨損時(shí)間下實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)條件:摩擦副均采用N80鋼材(套管鋼),實(shí)驗(yàn)載荷為100N,測(cè)試溫度為80℃,轉(zhuǎn)速為450r/min。結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果表明,隨著摩擦磨損時(shí)間的增加,加樣漿的摩擦系數(shù)變化較小,長(zhǎng)磨60min后實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)仍能穩(wěn)定為0.072~0.084;而基漿的摩擦系數(shù)則顯著增大,長(zhǎng)磨60min后基漿的摩擦系數(shù)大于0.250。加入SDL-1實(shí)驗(yàn)漿的摩擦系數(shù)降低率可達(dá)65%,潤(rùn)滑減摩效果顯著,持效性優(yōu)良。按照體積磨損率計(jì)算公式[23](見(jiàn)式(1)),計(jì)算長(zhǎng)磨60min后基漿和實(shí)驗(yàn)漿的盤磨損率。式中,I為磨損率,mm3/(N•m);Δm為盤的質(zhì)量變化值,g;ρ為盤的密度,g/cm3;F為載荷,N;D為滑動(dòng)摩擦距離,m。計(jì)算結(jié)果表明,膨潤(rùn)土基漿浸泡條件下,盤長(zhǎng)磨60min后的磨損率達(dá)到8.53×10-11mm3/(N•m),而加樣漿浸泡條件下盤的磨損率僅為5.48×10-13mm3/(N•m),磨損率降低率達(dá)到99.36%。由此可看出,SDL-1具有顯著的抗磨減摩效果,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中可有效減小鉆柱磨損,起到良好的抗磨減摩效果。

3結(jié)論

1.改性植物油MVO-3具有良好的雙重吸附特性,流動(dòng)性較好,且具有良好的自潤(rùn)滑性;改性膨脹石墨GIC具有復(fù)合片層狀結(jié)構(gòu),比表面積小,吸附能力強(qiáng),在井底溫度和壓力下易形成彈性膨化片層,進(jìn)而吸附在金屬表面形成致密膨化潤(rùn)滑膜,可起到良好的協(xié)同增效潤(rùn)滑效果。2.基于優(yōu)選的改性植物油MVO-3和改性可膨脹石墨GIC為主要原材料,采用“混合膜生成法”,研制出了高效抗磨型鉆井液用潤(rùn)滑劑SDL-1,潤(rùn)滑性能優(yōu)于常用同類潤(rùn)滑劑產(chǎn)品,熒光級(jí)別低,起泡率較小,可抗溫150℃,且環(huán)保性能好。3.潤(rùn)滑劑SDL-1加量?jī)H為0.5%時(shí),相同實(shí)驗(yàn)條件下加樣漿的摩擦系數(shù)降低率即可達(dá)65%以上,長(zhǎng)磨60min后盤的磨損率降低率超過(guò)99%,表現(xiàn)出了優(yōu)異的高效抗磨減摩特性,尤其適用于高摩阻扭矩及高溫深井復(fù)雜工況條件下的鉆井作業(yè)。

作者:劉云峰 邱正松 楊鵬 鐘漢毅 黃維安 趙欣 單位:中國(guó)石油大學(xué)

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